北极融冰期海冰力学特性的准确获取，是北极航道通航安全评估、船舶破冰阻力预报和极地工程结构抗冰设计的重要基础。本文基于实验室试验、现场试验与冰晶图像识别结果，开展了单轴压缩、三点弯曲、温盐密测试及微观结构观测分析。结果显示：实验室条件下，海冰单轴压缩强度随应变速率变化呈现明显的韧−脆转化特征，在4.8×10⁻⁴ s⁻¹附近达到峰值2.41 MPa；现场三点弯曲强度沿厚度方向表现出显著分层特征，中部柱状冰强度相对较高，下层冰受海水融蚀及结构完整性降低影响，弯曲强度明显下降。实验室与现场试验结果存在差异，该差异与温度条件差异相一致；在本文试验条件下，低温实验室环境（−10 ℃）下获得的冰样强度整体较高。冰晶与孔隙观测结果显示，融冰期海冰内部存在明显的层状微结构差异，可为理解力学性能离散性、裂纹萌生路径和结构弱化机制提供微观依据。本文研究可为北极融冰期海冰力学参数选取及实验室−现场试验结果互校提供参考。

针对船舶在波浪中航行的频域水动力问题，本文探究定常兴波以及水线积分在水动力数值计算中的影响。采用有航速的三维移动脉动(3DTP)源格林函数法求解船舶绕辐射问题，移动兴波流场分别采用叠模和均匀流两种线性化方案，编写了数值程序并对不同航速下Wigley I、Wigley III、S60和S175四种船型进行了水动力计算分析。研究表明，物面条件中考虑定常兴波的影响能够显著降低船舶运动共振区的响应幅值，且考虑与定常兴波势相关的回复力可进一步提高共振区和长波范围内船舶运动响应的预报精度。此外，边界积分方程中的水线积分项容易导致数值计算不稳定，将水线下沉至相邻面元的形心处时，数值结果稳定收敛且与忽略水线积分时的计算结果基本一致。从工程计算角度来说，考虑定常兴波的影响能提升结果精度，忽略水线积分的3DTP方法则较为实用。

针对浮桥破舱进水后力学特性改变、动力响应分析复杂等问题，本文基于凯恩方法和修正的伯努利方程，推导建立了可考虑破舱进出水过程的通载浮桥水动力分析模型，开发了相应的求解程序，并通过与相关模型试验数据及数值计算结果的对比验证了模型的准确性。然后，通过算例分析研究了破口尺寸、通载速度和连接间隙等参数对静水中破舱进水浮桥动力响应的影响。相关计算结果表明：通载浮桥进水后的垂向位移、剪力和弯矩最大值均增大，但破口较小时，其尺寸对浮桥动力响应影响很小；随着通行速度的增大，桥节垂向位移、桥节连接处剪力和弯矩的最大值均呈非线性地增大；随着纵向连接间隙的增大，弯矩的最大值先减小后增大。

波浪滑翔机是一种依赖波浪能驱动的超长续航水面无人船，广泛应用于水文气象观测及海洋环境调查等领域。然而其单一的驱动方式导致航速较低，限制了其海上适应能力。为提升航行速度，本文首次提出风帆协同驱动波浪滑翔机的方法。首先通过CFD数值模拟获取波浪滑翔机协同驱动风帆的气动特性参数；随后，构建风帆协同驱动波浪滑翔机的多体动力学耦合模型；最后，在典型海况下进行了风浪协同驱动效应仿真与分析。研究结果表明：在风向为30°顺风和逆风角度外，航速均有提升，且在90°横风条件下航速提升效果最佳。在二级海况下，风速为20 kn时，航速提升可达28%。此外，风浪协同驱动效应及双体结构运动响应特征表现出与波浪以及风场的强耦合特性。研究成果为风帆协同驱动波浪滑翔机的结构优化与控制提供了重要的理论支撑与设计基础。

亚临界雷诺数圆柱绕流CFD模拟面临多重挑战，包括剪切层K-H不稳定性、低频不稳定性及尾流“V/U”型速度剖面形成机制的精准预测。本文通过重构Transitional k-ω Turbulence（TNT）模型的k方程，提出新型壁面模化混合模型（TNT WM-XLES），显著提升剪切层湍动能解析能力。数值验证表明，该模型不仅能准确捕捉尾流一阶二阶统计量，还捕捉到三个关键频谱特征——反映剪切层失稳的K-H高频峰、表征涡脱落的主频峰及指示回流区脉动的低频峰。通过引入瞬时回流区长度参数L_r(t)，其频谱主频与低频信号呈现定量一致性，首次通过动态特征参数建立了圆柱绕流低频不稳定性与回流区周期性收缩舒张机制的直接关联。研究成果突破了传统RANS/LES方法在低频特征捕捉方面的局限，为复杂钝体绕流问题的工程化高精度模拟提供了创新解决方案。

圆筒型FPSO因其筒体构型和特殊运动机理，在高频变换风浪流复杂海况环境下的外输作业面临显著挑战。为解决这一问题，针对南海东部海域常年东北季风和西南季风环境条件，本研究提出一种“双外输点+艏装载+限位系泊”的新型外输系统方案，旨在替代造价高昂的DP穿梭油轮方式。方案通过在穿梭油轮艏部加装侧推装置，艉部设置双拖轮，实现方向与位置的协同控制，提升作业安全性与适应性。为验证外输方案可行性，采用数值分析与全任务模拟实验相结合的方法，系统研究了穿梭油轮、拖轮选型，以及穿梭油轮艏侧推设计和系泊大缆设计选型等关键技术要点，验证了在中国南海流花油田采用75 000吨穿梭油轮进行限位外输的可行性。研究发现，在流花海域环境条件下，外输系泊大缆的张力、夹角等与船舶吨位及船长成正相关性。本文研究成果可为圆筒型FPSO在复杂海况区域的低成本外输作业提供技术支持与风险预判依据。

为详细探索螺旋桨在遭受生物污损附着后的敞水性能变化情况，本文以实尺度KP505螺旋桨为研究对象，根据污损在螺旋桨表面的附着规律进行污损的几何建模，基于粘流CFD方法和粗糙度函数模型，分别开展实尺度螺旋桨在光滑及不同污损附着工况下的数值模拟仿真。研究结果表明，附着的污损对敞水性能的影响很大，不同污损会导致螺旋桨的推力降低、扭矩增大、推进效率减小，尾涡的强度降低且消散得更快；污损还会导致螺旋桨桨叶及其周围流场的压力发生变化，污损越严重，变化越明显。纵使污损会加大流场能量的损失，造成许多不利影响，但污损可以减小螺旋桨后方流场的尾迹长度，这有助于减小对远后方流场的影响。

本文提出一种结合逆向有限元法（iFEM）与粒子群优化算法（PSO）的基于动态测点优化的变形场重构方法（iFEM-PSO），以解决船舶结构变形场重构中测点数量多及非线性段重构效率低的问题。以平板、开口平板及开口加筋板三类典型船体板架结构为对象，通过施加不同阶次屈曲模态作为初始缺陷，得到不同失效特征，对比分析了优化测点与全测点输入下的重构精度。结果表明：iFEM-PSO方法能将所需应变传感器数量降低约75%，同时重构误差总体控制在15%以内，有效验证了该方法在非线性变形重构中的准确性与高效性。优化后的测点主要集中于初始缺陷较大区域、结构边界及应力集中区（如开口周边、筋−板连接处），且重构精度与失效程度成正比，揭示了失效特征与测点敏感区域的内在关联，为船舶典型结构变形场重构测点优化布置提供了理论依据和技术支撑。

针对极地船舶在极端冰脊碰撞工况下的结构安全问题，本文基于环境等值线法和极地典型海域冰脊重要参数实测数据，构建了50年一遇冰况的极端冰脊尺度预测模型。以某PC3级破冰船为研究对象，建立了船与冰脊碰撞的有限元模型，考虑不同冰脊尺度与冲撞速度，对船与冰脊碰撞力时历、船体外板吸能及船体结构典型构件应力响应进行了预报。结果表明，冰脊固结层厚度是决定船体结构响应的关键因素，较大固结层厚度显著增加结构吸能及构件应力水平，外板与横向骨架为碰撞中的主要受损构件，最危险工况中其局部应力可超出材料强度极限。本文提出的基于环境等值线法确定极端冰脊工况的方法，可用于极地船舶结构安全分析，为极地船舶安全和航行风险评估提供重要参考。

针对复合材料夹芯板高速冲击及其冲击后的剩余强度评估问题，本文建立考虑多种失效模式结合的复合材料夹芯板高速冲击及其冲击后的剩余强度数值计算方法，设计单点冲击工况，采用7.5 mm立方体45#钢破片（速度1200 m/s±5%）开展高速冲击试验，并对冲击后试板进行轴向压缩试验。在有限元软件ABAQUS中采用提出的数值计算方法开展仿真计算，发现试验与仿真的剩余速度、最大压缩载荷误差均在10%以内，验证了数值计算方法的有效性。基于提出的数值计算方法，探究了破片数量对夹芯板高速冲击后的剩余强度影响，对比各工况，发现单破口位置对复合材料夹芯板剩余强度无显著影响；当破口数量从1增加至3时，剩余强度比逐渐下降，下降速率加快。

水火弯板工艺是船舶行业中制造复杂双曲率钢板的主要方法。有限元仿真方法凭借高效和试错成本低的优势，已成为该工艺优化与复杂曲板成形质量控制的关键手段。然而，现有有限元模型普遍采用的高斯面热源模型，忽略了水冷瞬态换热效应，导致计算所得曲板变形误差较大，成形精度难以满足工程容限要求。本工作围绕水火弯板仿真中的热力学模型问题，首先利用红外摄像仪采集了水火弯板的温度场，基于数学理论中求解高斯混合模型的期望最大化算法，拟合得到了一种兼顾热源和冷源的高斯混合热源模型。进一步考虑了在多次热载荷下，材料因塑性变形而导致屈服强度和抗拉强度逐渐提高的硬化现象，建立了准确预测水火弯板温度和变形的仿真方法，解决了当前水火弯板工艺仿真结果精度低的问题。仿真结果与实验结果对比表明，与传统的高斯热源模型相比，高斯混合热源模型考虑了快速水冷换热过程，水冷区域温度场预报误差由200 ℃降低至20 ℃；高斯混合热源模型结合材料应力硬化模型，水火弯板横向、纵向最大变形预报偏差分别为2.0%、1.6%，为舰船高精度制造提供技术支撑。

水火弯板是在船舶制造中船体外板成形的关键工艺，涉及复杂的热−力耦合效应，变形过程复杂，其时空演化规律难以实时、动态且精确地预测。为此，本文提出一种融合时空特征的 CNN-双层 LSTM-AM模型，以单道加热线为时间步，动态预测横向收缩量和角变形量。模型综合了影响水火弯板变形的关键因素，利用卷积神经网络（CNN）提取变形数据的空间特征，通过双层长短期记忆网络（LSTM）分别构建单块板内多道加热线的时序依赖关系及多块板间的变形关联，引入注意力机制（AM）强化关键时间步的特征权重。结果表明，模型对水火弯板角变形量预测的平均绝对误差为0.0383，横向收缩量预测R² 达 0.96，解决了水火弯板变形过程时空动态演化的预测难题，为实现“加工−预测−反馈”的闭环智能控制提供技术支撑。

船舶推进轴系在运转过程中，常受水润滑艉轴承摩擦激励，由此诱发自激振动噪声。实船测试结果显示，这类振动在频谱中表现为推进轴系某一阶扭转振动固有频率及其倍频分量的特征。为了探究此类振动的成因并提出有效的判据公式，本研究借助有限元法，构建了艉轴承摩擦激励作用下推进轴系的非线性扭转振动分析模型，运用打靶法研究轴系旋转速度、结构阻尼比、轴系倾斜程度以及螺旋桨激励等关键参数对该振动的影响规律。研究发现，此类振动的根源在于艉轴承附近存在扭转振动局部模态；转速越低，摩擦力越大，该类振动越易发生；轴系倾斜会使局部摩擦力增大，从而增大这类振动发生概率；螺旋桨叶频激励力将在自激振动频谱中引发边频带现象，即在自激振动频率两侧形成一系列等间距的叶频激励频率分量。通过对大量数据的深入分析，本研究提出了一个可判断推进轴系是否将发生摩擦扭转自激振动的判据公式，并通过数值计算验证了其有效性。该判据公式可为船舶推进轴系早期故障预警机制的设计提供重要的理论依据。

本文提出一种高效的预报方法以解决孔板引起的管路流致振动问题。基于分离解法的思路，结合计算流体力学精细化模拟管路时域脉动压力，通过分段积分与傅里叶变换将其映射为频域激励载荷，进而在基于梁理论的有限元模型中快速预测振动响应。与三维模型对比表明：该方法在保持计算精度的同时显著降低了仿真耗时；与试验结果对比验证表明：该方法能够较准确地预测孔板管路的流致振动特性。利用该方法的高效计算优势，将激励源划分为上游高压区、孔板局部扰动区及下游强涡区进行定性分析，结果表明：孔板端面轴向力与强涡区周向载荷为主要激励源，其余载荷可近似忽略。本文所采用方法通用性强，适用于管路系统中孔板流致振动的快速预测与设计评估，亦可推广至其他类型管路附件。