本文建立风浪联合作用下船舶单自由度横摇运动响应模型，并通过模型试验验证其可靠性。基于该数值模型计算不同海况下船舶横摇运动响应时历，结合Gumbel方法和平均条件穿越率法（Average Conditional Exceedance Rate Method, ACER）开展船舶横摇运动响应极值预报研究。随后，基于极值预报理论建立船舶倾覆概率评估方法，通过蒙特卡洛法和瘫船稳性第二层薄弱性衡准验证该方法的可行性。研究表明，Gumbel方法和平均条件穿越率法均适用于预报不同风浪作用下船舶横摇运动响应极值分布，且平均条件穿越率法的精度更高。本文所提出的船舶倾覆概率评估方法相较于传统的蒙特卡洛法，既能够保证准确率，也能大幅提升计算效率。本研究可为船舶瘫船稳性评估和船舶安全性评估提供参考。

液货船在风浪作用下容易发生液舱晃荡现象，晃荡流产生的冲击会损坏舱室结构，这是诱发安全事故的重要原因之一。因此，理解晃荡现象并提出高效的制荡结构至关重要。本研究提出一种新型浮式复合隔板，与传统固定式隔板相比能在不同液舱填充率下均发挥较好的制荡效果。基于STAR–CCM+进行数值模拟，重点研究了高危载液率下不同尺寸与转角的浮式隔板的制荡效果，通过分析波面位移、隔板速度、波浪剖面和流体流态与速度矢量幅值确定最优隔板构型。研究结果表明，浮式隔板通过耦合多种制荡机理能有效抑制液舱晃荡，其腹板可实时切割自由液面来抑制晃荡幅值，其下翼板末端可产生漩涡来有效耗散流体能量，隔板垂荡运动可改变晃荡波面下流体质点的运动轨迹，减轻其对舱壁的冲击，进一步增强制荡效果。

翼伞作为可操纵柔性飞行器，具有气动性能好、质量轻、包装体积小等优点。本文引入柔性翼伞加装于船舶，通过系留翼伞滞空飞行、利用高空强劲风能作为船舶辅助动力。基于牛顿–欧拉定律，建立翼伞升空段、助航段纵向平面内的动力学模型，并采用四阶龙格-库塔方法开展升空和助航两过程的仿真计算。结果表明：在升空段，当系留绳伸长速度过慢时，伞绳拉力过大，当伸长速度过快时，翼伞难以顺利升空，因此，在升空过程存在系留绳安全伸长速度区间为1~2 m/s，在安全区间内，系留绳伸长速度越快，翼伞升空越快，轨迹越平缓，伞绳拉力和翼伞攻角越小；在助航段，滞空高度越高，翼伞面积和攻角越大时，翼伞助航效果越好，助航翼伞安全工作攻角范围远大于空投翼伞。

在高亚临界雷诺数下，圆柱绕流具有大分离流动及剪切层层流-湍流转捩流动两类复杂流动现象。目前主流的脱体涡方法（IDDES)是基于完全湍流建立的，不能处理转捩问题，而针对转捩问题的TRANS(Transition RANS)方法又不能模拟大分离引起的三维湍流结构。为此，本文将IDDES方法与TRANS模型相结合，构建可同时模拟大分离流动及剪切层转捩流动的IDDES-Tr模型，对Re=1.4×10⁵的高亚临界雷诺数下圆柱绕流进行数值模拟，并与试验结果进行对比验证。结果表明，本文数值模拟结果与试验高度吻合，这说明构建的IDDES-Tr模型可准确模拟高亚临界雷诺数圆柱绕流，具备了同时模拟大分离流动及剪切层转捩流动的能力。

断阶艇作为水面高速艇的代表船型之一，高速航行时具有强非线性水动力问题，准确预报其阻力及运动响应是研究热点。本文基于粘性流体理论，采用动网格技术，耦合求解断阶艇纵向三自由度运动方程，建立一套断阶艇数值预报方法，开展不同航速下断阶艇阻力及航行姿态数值预报，定量分析断阶艇阻力和航行姿态随航速的变化特性，探讨滑行面、艇底压力及流场分布规律。研究表明：当Fr_▽<4.88时，压差阻力系数C_p大于摩擦阻力系数C_f，压差阻力占主导成分；当Fr_▽≥4.88时，C_p略小于C_f，摩擦阻力R_f与压差阻力R_p相当。艇体浸湿面积比ζ随着航速增加而迅速减小，当Fr_▽≥4.48时，ζ趋于稳定约为0.31。本文研究成果对指导断阶艇的设计具有重要价值。

为解决模型参数具有不确定性时水面无人艇(USV)的轨迹跟踪问题，本文基于自适应控制和非支配快速排序多目标遗传算法(NSGA Ⅱ)，设计了USV的轨迹跟踪控制策略。首先，建立平面三自由度USV运动学及动力学模型；其次，基于李雅普诺夫理论设计了具有不确定性的模型参数的在线参数估计策略以及自适应轨迹跟踪控制器，并基于李雅普诺夫理论证明了轨迹跟踪误差的收敛性；随后，为选取控制器中大量需要人工设置的控制器参数的最优值，以最小跟踪误差和最小控制输入为目标建立了多目标控制器参数优化模型，并通过NSGA Ⅱ求解控制器参数优化模型得到最优的控制器参数，从而加强控制器性能；最后，进行了数值仿真实验，实验结果验证了本轨迹跟踪控制算法的有效性。

各向异性的复杂流动在工程中广泛存在，且在中低雷诺数下还会存在转捩现象。处理各向异性复杂流动需采用基于雷诺应力各向异性的湍流模型，然而这些模型均是基于完全湍流假设而建立，不具备预测转捩的能力。近年来新发展的几种各向异性框架下的转捩模型又具有鲁棒性差及使用不便等缺点。为此，本文将γ转捩模型与ASST（Anisotropic Shear Stress Transport, ASST）湍流模型相结合，提出了ASST-γ转捩模型，以有效应对复杂流场中的转捩现象。为综合评估ASST-γ对转捩的预测能力，本文针对旁路转捩、自然转捩及分离诱导转捩三种主要转捩类型，分别选取经典的转捩算例进行了数值计算。结果表明：ASST-γ模型对三类转捩的数值计算结果均与试验结果吻合度较高，尤其在分离诱导转捩中的预测精度优于传统SST-γ模型；ASST-γ模型具备预测三类转捩的能力，有望解决复杂流场中的转捩问题。

流场实验时往往需要测量某些位置处的流场时程，但传感器的布设数量通常受传感器大小和对流场的干扰程度等因素的限制。通过在合理的位置布设传感器，可以提高流场实验的测量效率和精度，并捕捉到流场中重要的时变特征。本文基于时程深度学习方法，对流场测点处的时变特征进行降维与聚类，得到具有相似时变特征的流场测点分布，为流场测点布设位置的选择提供依据。以低雷诺数的方柱和圆柱绕流场为例，首先对流场时程大数据进行特征重构与降维，然后对低维表征编码进行聚类分析，进一步对不同类别的流动区域开展特征判断，最终确定待测物理量的最优测点分布区域。结果表明，本文方法提供了比传统经验更精细的测点布置方案，可为流场实验中的测点布设提供参考。

海冰在凝结过程中不可避免地会产生裂缝或气泡等初始缺陷，这些缺陷会影响冰的力学性能。为了研究含初始缺陷冰板的裂纹扩展和破碎特性，本文基于近场动力学（Peridynamics, PD）理论，引入键的切向刚度系数，发展了双参数PD方法，建立了冰的双参数PD弹脆性模型。该模型突破了传统键基PD固定泊松比的限制，同时继承了键基 PD 的简单性和稳定性等优点。通过对薄板的连续变形和冰梁的三点弯曲断裂试验进行模拟，验证了模型的准确性。研究了冰的泊松比、初始裂隙缺陷、气泡缺陷、冰晶粒尺寸、初始缺陷形状以及多孔缺陷对冰力学特性的影响。结果表明，采用冰的双参数PD弹脆性模型来预测冰体从连续到非连续的全破坏过程是可行的，且冰体中的初始缺陷极大影响着冰体结构的起裂时刻和破坏模式。

基于断裂力学的大型海洋结构物的疲劳裂纹扩展分析过程复杂、计算效率低。本文借鉴传统S–N曲线方法计算疲劳寿命的基本思想，构造了应力强度因子传递函数，提出了一种基于谱分析的海洋结构物疲劳裂纹扩展分析方法。结合Python编程语言以及SESAM、ABAQUS和FRANC3D计算软件，开发了高效的裂纹自动扩展程序；实现了基于谱分析的大型复杂海工结构疲劳裂纹扩展分析和剩余寿命预测。本文应用多尺度子模型技术，实现了模型从壳体到实体的转变，从而解决了大尺度结构与小尺寸裂纹融合的难题。采用自开发的疲劳裂纹自动扩展程序系统分析了疲劳热点（D1、D2、D3）结构形式与位置、初始裂纹尺寸、初始裂纹形状对裂纹扩展行为与疲劳寿命的影响−裂纹尺寸在服役时呈指数级增加。同一节点的应力强度因子传递函数形状相似，但不同节点差异较大。D1、D2、D3疲劳寿命分别为11.3年、17.3年与33.1年；其中初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响显著，而初始裂纹长深比对裂纹扩展过程影响较大，对疲劳寿命影响较小。

风暴是深海采矿作业的重要威胁。本文建立了深海扬矿立管系统的仿真分析模型，开展了风暴环境下扬矿立管系统的力学性能分析，对抗风暴和避风暴作业的安全性进行了评估，计算了避风暴航行的速度窗口，同时开发了一种作业窗口的优化算法。结果表明：扬矿立管系统在风暴海况下非常危险，弱点位置位于悬挂位置附近；风暴环境下中间舱的垂向振荡较横向振荡要更为显著，立管对采矿车的作用力的波动幅值不大；避风暴撤离过程中，上部转角是影响撤离航速的限制因素，顺流航向允许的航速最大，逆流航向允许的航速最小；撤离过程中，立管作用于采矿车的水平力受航速影响大；本文开发的优化算法可以大大减少作业窗口的计算时间。

为研究质量增加及产生的附加阻尼、附加刚度效应对均布爆炸荷载作用下梁构件位移响应的影响，本文以延性比为塑性发展程度控制参数，推导了以质量参数为变量的梁构件弹塑性位移解。以矩形截面为梁构件代表性截面，设计了不同质量参数及其附加阻尼和附加刚度参数耦合的17种典型工况，考察了这些参数对均布爆炸荷载作用梁构件振动位移的影响，重点分析了各参数对弹性位移峰值和弹塑性位移峰值的影响程度，完成了矩形截面钢梁爆炸荷载下位移响应的LS–DYNA数值仿真验证与理论对比，验证了本文理论方法的可靠性。结果表明：提高构件质量可降低位移峰值，其降低程度低于质量自身增加幅度；附加阻尼效应在质量–阻尼–刚度耦合计算中的独立作用，可使位移峰值降低幅度提升至质量–阻尼耦合结果的3倍以上；附加刚度效应按质量–阻尼–刚度耦合计算后独立考察，其对弹性位移峰值的降低幅度基本等同于按质量–刚度耦合计算后独立考察结果，对于梁构件抗爆设计，应采用质量、附加阻尼与附加刚度的三者耦合计算方法。

为了探索砰击载荷作用下加筋板的动力响应的规律性，建立涵盖砰击压力移动特性和加筋板动力响应特性的加筋板静力等效设计方法，本文将作用在大外飘船艏的砰击载荷简化为移动的线性上升、指数衰减的脉冲时历形式，采用Abaqus有限元软件，进行移动砰击载荷作用下多块加筋板的弹性动力响应计算和载荷参数对加筋板动力响应的影响分析。引入筋的动应力等效系数D_LF（Dynamic Load Factor），分析了D_LF与砰击载荷无因次参数间的变化规律与敏感度，进行了D_LF公式回归与验证。本文提出了砰击压力简化模型的参数确定方法，与楔形体落水试验结果的对比表明，本文所提出的砰击应力等效公式D_LF具有较高的精度，可有效提高砰击载荷作用下的舰船结构初步设计的效率。

针对突扩管管内流噪声降噪问题，本文研究了粘弹性流体在突扩管内的流噪声特性，并揭示了其降噪机理。通过将表面活性剂与水混合，可以得到粘弹性流体，以此控制突扩管内流噪声。基于具有佩特林近似的有限可延展非线性弹性（FENE–P）本构模型，利用Fluent 的UDF将其植入N–S方程，结合大涡模拟和Ffowcs Williams–Hawkings方法，对雷诺数为8000、最大聚合物拉伸长度为10、魏森贝格数（We）为0.1至12条件下的突扩管内粘弹性流体流噪声进行计算分析。结果表明：当We到达一定值后，粘弹性流体能够使流场流动趋于稳定，延后涡在管内突扩段的产生位置，从而抑制大涡的发展与形成，降低低频噪声，并且能够显著降低管路内部及管壁处脉动压力和脉动速度，从声源处降低流噪声；随着We的升高，降噪效果增强，降噪频率范围提升，然而，当We超过一定数值后降噪效果将达到阈值。

针对人工提取线谱特征方法的不足，本文对线谱特征提取原理进行研究，提出一种基于机器学习的线谱特征提取方法。搭建基于卷积神经网络的编码器–解码器，并在卷积和池化层间引入注意力机制，使输入数据的重要特征占据更高的权重，从而提高特征提取的准确度。将模型与U–Net模型和TPSW算法在低信噪比情况下进行比较，并在实际数据上进行测试。实验结果表明，在谱级信噪比为5 dB时，改进模型线定位精度可达到0.823，在0~5 dB时均优于U–Net模型和TPSW算法，达到了提取线谱有效信息，提高水下目标检测准确率的目的。

本文针对复合平板流激噪声数值算法展开研究，提出一种基于非相关平面波叠加等效的方法，用于合成湍流脉动压力，并结合有限元声振耦合模块计算流激噪声。首先，以矩形平板为例给出了该算法的详细理论和流程，将计算结果与解析理论进行对比，并验证了算法的准确性。其次，以波数滤波原理为基础，给出了截断波数的选择标准，并与传统算法在计算效率上进行了对比，从而显示了算法在计算效率与精度方面的优势。最后，采用本文算法分析了敷设声学覆盖层的复合平板结构流激噪声产生机理，为降低水下航行体流激噪声提供理论支撑。