主压载水舱是潜浮系统的重要组成部分。为准确仿真潜浮系统工作过程，本文开展基于MWorks的主压载水舱建模与仿真分析。首先基于MWorks构建主压载水舱的注水、常规吹除、应急吹除系统模型，然后与CFD仿真结果对比，验证模型的可靠性，最后分析背压、通海孔面积对主压载水舱注排水过程的影响。结果表明：MWork仿真的主压载水舱吹除时间与CFD结果误差在10%以内；背压增加会提高吹除时间，降低水舱结构强度要求；通海孔面积增大会降低注排水时间和水舱结构强度要求。基于MWorks构建的主压载水舱系统模型计算速度快且规律特性准确，便于快速调试工程设计参数以确定设计输入。

对于任意径向环量分布螺旋桨，本文提出了一种基于升力面模型的快速设计方法，采用给定的拱弧线形状，通过遗传算法来设计螺距和最大拱度分布，并使环量的弦向分布尽可能接近指定的形式。在此基础上，进一步解决了指定弦向环量分布的快速设计问题，即从上述设计桨出发，根据其弦向环量分布与指定分布之差，对拱弧线形状进行修正，通过迭代逐步接近指定的弦向环量分布。应用上述方法，对一型五叶大侧斜桨在敞水条件下进行了重新设计，并通过RANS模拟对设计结果进行了数值验证。结果表明，设计桨水动力性能及压力分布与设计目标一致性较好，本文方法简单快速，具有合理的精度。

针对潜艇近水面航行性能评估及优化需要，本文基于雷诺平均方法对潜艇近水面自航水动力特性开展数值模拟研究。采用流体体积法两相流模型捕捉潜艇与自由液面之间的相互作用，采用体积力建模方法建立螺旋桨水动力模型；同时，构造螺旋桨及艉舵控制器实时控制潜艇航速及航向，实现潜艇近水面自航试验数值模拟。将数值模拟结果与相关文献中公开的模型试验数据及数值模拟结果进行对比，验证了所建立数值方法的有效性。通过不同浸深下的潜艇自航试验数值模拟，揭示了潜艇近水面自航点随浸深的变化规律，并结合数值模拟获得的流场信息对其内在机理进行分析探讨。

全回转喷水推进器作为一种侧推或动力定位装置，应用需求日益增长。水动力特性是满足使用要求的关键因素，但针对其水动力特性的相关研究较少。因此，本文开展全回转喷水推进器水动力性能数值模拟研究。基于STAR-CCM+商业软件，采用多面体网格离散计算域，并采用定常RANS方法，对全回转喷水推进器在静水和有来流工况下的水动力特性进行了考察。在静水与有来流工况下，全回转推进器的水动力特性存在较大差别，其推力受来流大小和方向影响较大，推力的大小及指向性均发生变化，且转速越低，受影响越大。本研究揭示了全回转喷水推进器的推力损失与指向性发生变化的机理，并建议在实际运用中应根据工况评估其水动力性能，且尽量避免低转速运行，以确保满足水动力性能需求。

船舶与海洋结构物的运动是具有时间序列特性的非线性运动，而长短期记忆人工神经网络（Long Short-Term Memory，LSTM）具有记忆时间间隔信息以及处理非线性数据的特性，非常适合处理此类具有时间序列特性的非线性运动，所以LSTM对船舶极短期运动响应预报具有显著优势。本文提出一种改进的LSTM船舶极短期运动响应预报方法，该方法通过提取包络线等手段将对船舶运动的预报转化为峰谷值的预报，可以降低传统LSTM模型的数据需求量，简化预报曲线复杂度，从而显著提高预报时长。本文通过用改进LSTM模型对规则波曲线、不规则波曲线、实体船运动曲线等进行预报，结果表明，改进的LSTM预报方法能将传统LSTM模型对不规则波的最大预报时长从6~8 s提升到20 s左右，且对突变信号等特殊信号有理想的预报结果，具有很高的实用价值。

我国南海海域受西太平洋热带气旋和台风影响，易出现双峰甚至多峰的混合浪形式波浪，对海洋浮式结构物的作业安全形成潜在危害。为此本文基于势流理论，同时考虑不同装载状态的影响，对FPSO与穿梭油轮旁靠系统在双峰谱波浪、单峰谱波浪状态下的运动响应展开对比研究。分别计算两船体在风浪为主、风涌相当及涌浪为主的双峰谱波浪状态下和单峰谱风浪状态下运动响应。计算结果表明：两船体在垂荡、横摇和纵摇方向上的运动幅值随低频能量占总能量比例的增加而增加，涌浪为主时最大，风涌相当时次之，风浪为主时最小，在总能量相同的前提下，双峰谱波浪状态下两船体运动幅值均大于单峰谱风浪状态下的运动幅值。研究表明，在FPSO作业系统的系泊设计和安全生产规划中，需对双峰谱波浪的影响予以考虑。

针对3自由度胸鳍、柔性身体与尾鳍协同推进步态控制参数繁多、动力学建模不精确问题，设计了一种基于模糊自适应的滑模方法控制仿生机器鱼精确俯仰运动。首先，基于给定的3自由度胸鳍与柔性身体协同推进运动规律，通过最小二乘法利用CFD数值模拟建立了鱼体推力/力矩与胸鳍拍翼旋转相位差和柔性身体波动频率之间的关系。其次，以当前和期望深度水平面为渐近面的光滑曲线为期望运动轨迹，利用所设计模糊自适应滑模控制器实现机器鱼自由俯仰运动，其中采用模糊控制器分析计算模糊控制规则自适应律，实时补偿机器鱼运动时动力学模型的不确定项和水流干扰项，并结合滑模控制器减小系统抖振实现轨迹精确跟踪。最后，仿真和水池实验结果表明，机器鱼能够快速、平稳地在不同深度之间进行游动，其运动轨迹光滑，最大深度偏差仅为0.08 m，稳态误差保持在0.04 m以内，从而验证了所提方法的有效性。

船舶与海洋结构物的上层建筑结构表面结冰现象，是较多水滴撞击冷壁面先形成水膜、然后积冰的结果，在较大风速下，水滴会更多地与垂直结构发生碰撞，水滴运动及冻结行为会对结构表面结冰过程及最终冰形产生较大影响。本文基于耦合VOF和Level-Set的VOSET气-液界面追踪方法以及焓-孔隙度相变方法，采用大系数法建立了水滴-孤立冷板单向耦合模型，实现了单水滴撞击孤立冷板冻结过程模拟，再现了空气卷吸现象，分析了水滴运动速度和构件表面润湿性等因素对结冰过程的影响，并进一步模拟了多水滴撞击垂直结构表面形成液膜并冻结的过程，相关结果可为上层建筑典型部件表面结冰的预测及防冰、除冰方法的研究提供技术支撑。

本文以某大尺度深海冷泉环境模拟承压结构为研究对象，系统性总结了适用于球壳开孔补强的主要设计计算方法，以21 MPa、ϕ5000 mm球壳为例，研究了开孔率为0.1~0.6条件下的基于等面积法、压力面积法、极限分析法的补强效果，定量分析了球壳补强长度、接管补强长度对球柱接合区局部结构的应力分布影响规律，采用缩比模型进行了验证。研究发现：对于高压大开孔补强设计，相比于平齐补强，密集补强方法将补强金属集中于球柱接合区，所需的补强面积更小，更为经济；球壳、接管补强长度的增加均会有效降低交接处的应力集中系数，提高局部结构的极限强度并改变破坏形式，但接管长度的增加具有一定的边际效应，在具备制造可行性的前提下应尽量增加球壳补强长度；基于有限元方法的结构应力计算结果与实测结果较为吻合。

依据非粘接柔性管道铠装钢丝螺旋缠绕的结构特点，考虑扭转过程中钢丝的径向收缩和膨胀现象，推导了一种正扭和反扭扭转方向下的管道扭转刚度解析模型，并以某典型非粘接柔性管道为实例进行双向扭转刚度分析，计算结果显示，解析模型与现有数值模型结果吻合良好，正扭时误差为3.5%，反扭时误差为4.6%。本研究结论可以为柔性管道扭转性能设计分析提供有益参考。

高速航行船舶的船艏在水面砰击下会面临载荷幅值与作用位置不确定等难题，导致该结构在砰击载荷下的结构优化设计困难。本文提出了一种考虑不确定载荷作用的多阶段拓扑优化方法，通过系统性融合载荷不确定性分析与制造约束，实现了轻量化设计与工程可行性的平衡。首先，将不确定性载荷转换为多工况最不利加载问题，通过“最不利工况-拓扑优化”的迭代流程，动态更新临界载荷位置。然后，采用基于变密度法（SIMP）的拓扑优化策略，结合几何/制造约束，逐步求解得到满足强度与刚度要求的最优加筋布局。在每次迭代中，保留前一阶段的设计结果，并基于该设计更新最不利工况，实现对不确定性载荷的渐进式适应。最后，通过多次迭代与几何重构，将高密度单元群转换为可制造的加筋构型并进行有限元验证。结果表明：优化后船艏结构的最大位移显著降低，各工况响应更加均匀，满足轻量化和安全性需求。该方法有效克服了双层嵌套优化的高计算量挑战，为高速船艏在不确定砰击载荷条件下的结构优化设计提供了可行的新思路。

在船舶结构中，钢-玻璃纤维增强树脂复合材料（glass fiber reinforced polymer，GFRP）L型接头和类似部件较为常见。本文设计了带有±45°凹槽结构的钢/GFRP L型接头，通过钢/GFRP L型接头的压缩实验，研究了胶接长度等参数对L型接头性能的影响。在钢/GFRP L型接头的数值分析中，考虑±45°凹槽结构胶接界面结构的复杂性和多界面、多尺度的问题，采用刚度等效法，将凹槽结构等效为零厚度的内聚力单元层。通过压缩实验与仿真对比，详细分析了L型接头的失效模式与压缩载荷、压缩位移的关系，并得出当胶接长度为100 mm时，钢/GFRP L型接头具有更好的抗压性能。

传统低阶有限元数值模型常被用来获取水下航行器的散射声场，从而预报其声隐身性能。然而，传统有限元方法受到数值污染效应的影响，在分析中高频率问题时需要十分致密的网格才能获得可靠的数值解，由此带来了高昂的网格划分成本。本文将重叠有限元法（OFEM）与Dirichlet-to-Neumann（DtN）映射技术相结合，构建一种水下弹性体声散射问题的重叠有限元数值模型。在OFEM构造局部近似时，通过使用虚拟节点生成单位分解函数，而不在这些虚拟节点上分配自由度。并且，OFEM可以直接应用于低阶有限元模型，并获得高阶的场函数近似。数值算例表明，本文提出的OFEM离散模型能显著减小数值误差，在水下弹性目标物的声散射问题分析中具有广阔的应用前景。

颗粒阻尼吸振器是将含颗粒的质量块作为质量元件的动力吸振器，具有拓宽动力吸振有效频带及抑制动力吸振器二次线谱的作用。但动力吸振技术对于参数选取较为敏感，颗粒阻尼吸振器的振动等效质量会随激振幅值的变化而变化，影响其吸振性能及实际工程应用。因此，本文引入三维网络结构，构建障碍网络颗粒阻尼吸振器解决该问题，并通过试验和仿真研究障碍网络颗粒阻尼吸振器振动等效质量特性。研究结果表明：对于颗粒阻尼吸振器而言，一定的振动幅值会引起颗粒产生悬浮流态，导致其振动等效质量减小，而三维网络结构会打散颗粒悬浮流态，使其振动等效质量保持稳定，并在特定的振动幅值上有效提升减振效果。

针对含内部子结构的圆柱壳声辐射特性的预报问题，本文开展了含内部子结构圆柱壳声辐射特性的理论和实验相关研究。理论方面提出了一种基于缩聚传递函数法与直接刚度法和精细传递矩阵法相结合的混合计算方法，可计算得到含内部子结构圆柱壳的声辐射特性；实验方面采用线性激励法得到各个测点处的振动响应以及水下参考点位置处的声压，并与解析计算结果进行对比，解析计算结果与实验测试结果吻合良好。