亚临界区圆球绕流的CFD数值模拟目前仍面临诸多困难，包括剪切层不稳定结构及回流区周期性收缩、舒张等相干结构的高置信度解析与捕捉等。本文发展一种RANS基壁面模化大涡模拟方法，致力于对这类复杂钝体绕流现象进行高置信度的CFD数值模拟研究。该方法与传统RANS/LES混合方法的主要不同之处在于，其RANS与LES模式之间的转换是通过一个仅与当地网格参数相关的滤波参数实现，并且RANS与LES模式之间的转换边界位置及其对湍动能的解析能力可通过两个可自定义的控制参数和进行预先设定。通过对亚临界雷诺数下圆球绕流场的系列数值模拟研究表明，该方法具有对其绕流场中复杂三维时空瞬态演化相干结构进行高置信度CFD数值解析及捕捉的能力。

为了研究潜艇在冰区航行时的受力特性，本文基于流场平均运动的RANS方程，将冰盖视为切向速度等于来流速度的无滑移壁面边界，采用离散元法结合线弹性模型模拟碎冰运动以及它们之间的接触碰撞，建立了平整冰和碎冰下潜体-水-海冰多介质耦合作用的数学模型和数值求解方法。选取SUBOFF潜艇为研究对象，在网格收敛性分析的基础上，首先数值模拟和分析了海冰对潜艇阻力特性的影响。进一步计算了不同冰况下潜艇以不同潜深和航速航行时的各阻力成分，并针对自由面和碎冰条件研究了潜艇的兴波特性。研究表明，不同冰况下潜艇以不同潜深航行时所受到的摩擦阻力差异很小，海冰主要对压阻力（尤其是其中的兴波阻力）产生影响。平整冰下无法产生兴波，潜艇的压阻力和总阻力显著降低；碎冰下虽产生兴波，但浮冰间随机不确定的碰撞、翻转等使得潜艇的压阻力和总阻力曲线呈现出强烈的波动现象，且浮冰的消波作用使得相应的阻力平均值略小于自由面下的值。潜深和航速对冰区航行潜艇受力特性影响显著，随着潜深增加，各冰况下航行潜艇的压阻力和总阻力均逐渐减小并趋于一致；航速增加则普遍导致阻力上升，但在碎冰或自由面下，压阻力先增加随后略有减小，使得总阻力增速减缓。

筒口气团对水下航行体出筒过程流场与载荷特性具有重要影响。本文通过数值模拟方法，将该过程简化为航行体在垂直静止的筒中突然起动，并以定速穿越气团的过程，研究了其流场与力学特性。主要结果如下：筒口气团受航行体出筒挤压、驱赶、穿越与卷吸，在筒口平台及航行体周围形成振荡的环状气泡，筒口流场具有强烈的非定常涡运动特征；由环状气泡诱导的压力振荡影响整个流场，该压力随时间与距离衰减；流场振荡压力可近似认为线性叠加在航行体表面原有绕流压力上，使出筒过程中航行体母线上周期性地出现逆压梯度，这会影响可能在物面上出现的流动分离与空泡；在以气团当量球体直径和航速为特征量定义的无量纲时间下，不同气团体积的航行体振荡受力特性达到了归一化。

船舶性能CFD预报软件的云化应用能够有效解决线下计算资源瓶颈和时间地域限制等问题，并有利于汇聚众多软件资源，营造众创共享的生态。本文聚焦水面船舶波浪增阻与运动响应预报场景，开展基于B/S架构的CFD软件云化应用研究，给出了大型CAE软件云化的总体架构，突破了流程搭建与组件集成技术和CFD模型Web端数据轻量化技术难点，解决了船舶CFD软件云化过程中涉及的计算资源调度、复杂人机交互和CFD数据云可视化等问题，实现了船舶CFD软件由本地版本到云化版本的转变，实现了用户浏览器界面交互、求解在服务器计算节点完成的应用模式。本文船舶性能CFD预报软件的云化应用，可为其他CAE软件的云化应用提供参考。

将磁悬浮支撑系统作为磁弹簧为刚性振子提供恢复力，在流致振动海流能捕能中具有重要的意义。针对不同的磁弹簧刚度对圆柱振子流致振动的影响，采用雷诺时均法（RANS）和无自由电流的麦克斯韦-安培定律，构建刚性圆柱振子流致振动与磁悬浮支撑系统耦合模型，对不同磁悬浮支撑力所起到的磁弹簧刚度作用下的刚性圆柱振子的振幅比、振动频率、尾涡脱落形态等进行数值仿真分析。研究表明：振子振幅比随着流速增加先增大后减小，最大振幅比随着间距增大逐渐减小，振子在0.8 m/s流速、3.8D间距下达到最大振幅比0.844；振子的振动频率随着间距的增加，增长趋势趋于平缓，振子在0.9 m/s流速、3.4D间距下达到最大振动频率1.62 Hz；尾涡模式随着间距与流速的增大而变得更为复杂，在整个流速区间内出现了4种尾涡模式。

基于切片理论，本文结合计算流体动力学（CFD）和有限元法，建立了三维旋转细长体结构流致振动时域模型，开展了水流、旋转作用下的流致振动特性研究。在水流作用下，无旋转细长体结构的轨迹主要为“8”形。在流动和旋转的联合作用下，运动方向与旋转细长体的旋转方向相反，即为“反向涡动”。在流速为0.46 m/s时，振动受流动和旋转的共同影响，随着旋转频率的增加，旋转细长体的轨迹从“8”形逐渐过渡到圆形。在流速为1.02 m/s时，频率接近理论固有频率，振动主要以涡激振动（VIV）为主，涡动行为被完全抑制。在细长体的固有频率附近存在频率锁定区间，在锁定区间内细长体的横向振动相对振幅随流速的增加而增加，频率比保持不变。

船舶结构长期运行于海洋环境中，因承受复杂的交变载荷而易发生疲劳裂纹扩展，故准确预报船舶结构的疲劳裂纹扩展对保证结构安全具有重要意义。本文结合基于谱分析法构建的载荷谱和改进单一曲线裂纹扩展模型，提出了一种更为精确预报船舶结构含近门槛区疲劳裂纹扩展的方法；并以某邮轮阳台开口角隅为例，给出了改进单一曲线模型中形状指数的确定方式，预报了该结构在谱载荷作用下的疲劳裂纹扩展，分析了初始裂纹大小、裂纹扩展模型等对裂纹扩展的影响。结果表明，本文提出的预报方法能更精确预报含近门槛区的裂纹扩展，且较CCS规范中推荐的单一曲线模型的预报结果更保守。本文的方法亦可为其它船海结构物的疲劳寿命评估提供参考。

为研究不同应力比对低温环境下HTS-A钢疲劳裂纹扩展的影响，本文开展了在应力比（R）为0.1和0.3时HTS-A钢CT试件的低温疲劳裂纹扩展试验。试验结果表明，随着温度的降低，裂纹扩展速率降低，疲劳寿命增加；同时，随着应力比的增大，疲劳裂纹扩展速率也相应地增大，但随着温度的降低，应力比对疲劳裂纹扩展速率的影响越来越小。在试验的基础上，本文提出了考虑温度和应力比影响的改进McEvily模型，该模型能够预报不同低温、不同应力比条件下的HTS-A钢疲劳裂纹扩展速率，并与试验结果进行了对比验证。该预报模型可为低温环境下海洋装备的疲劳寿命评估打下基础。

为研究多种损伤模式对船体梁抗弯极限承载能力（简称极限弯矩）的影响，本文采用非线性有限元方法，进行了含点蚀、断裂、凹陷损伤模式及其组合的多组加筋板极限承载力的计算。获得了轴压作用下多种损伤模式组合对含带板扶强材（简称扶强材）极限强度的影响规律，回归出了损伤扶强材的极限强度计算公式，并构造了凹陷、断裂、点蚀损伤模式及其不同组合情况下的扶强材单元的端缩曲线。最后，提出了组合损伤船体梁极限弯矩的逐步迭代法，编制了计算程序。实船计算表明，所提方法计算简便，与有限元方法的极限弯矩计算结果的误差不超过10%，可应用于老旧船舶极限弯矩的评估。

在复杂的海洋载荷作用下，沿深海细长柔性管常出现多模态振动特征。文中首先采用双向流固耦合技术，实施了剪切流与均匀流作用下弹性管涡激振动的数值仿真。其次，利用位置-频率-能量谱分析方法，探讨了沿管轴向的多模态耦合振动响应。最后，使用一种全新的模态分解技术，对管体特定位置的振动响应信号进行自适应分解，由分解产生的固有模态函数分析振动过程的时频特征，进而获得弹性管振动模态的瞬态演变规律。研究发现：细长弹性管的多模态振动现象较为普遍；随着流速的增加，高阶振动模态不断被激发出，伴随着模态间的能量传递，各显性模态在不同时段竞争激烈，常出现瞬态共存现象。通过时间-频率-能量Hilbert谱分析发现，由局部旋涡脱落与临近管段振动能量传递共同引起的随机振动模态及固有振动模态在较宽的频带范围内发生，且各显性振动模态的能量通常都是时变的。

海底电缆悬空时遭受船锚拖曳会发生形变甚至断裂，严重影响电力输送与信息通讯，因此，探究悬空段海缆的回填保护方案具有重要的应用价值。基于ABAQUS软件，本文建立船锚-三芯复合海底电缆-土壤的三维有限元模型，模拟海缆受船锚拖曳过程，利用非线性动力学方法，分析了在不同土体材料中的海缆受船锚拖曳后铠装层、铜导体以及光纤铠装的应力变化情况，对比分析四种土体性能对海缆的保护效果，再通过施加不同的速度载荷，探究三种材料配比下海缆纵向压缩率与埋设深度的关系，因此，我们提出分层回填保护方案。结果表明：不同的海床土体材料性能对海缆的保护效果差距明显，黏土可有效降低海缆受到的拉伸应力，而砾石能有效降低海缆塑性屈服阶段的应力变化幅度和应变时间，提出以分层回填黏土和砾石的方式对海底电缆进行保护；当黏土与砾石比例为1∶2时，回填保护埋深0.7 m即可承受拖曳速度90 cm/s的船锚拖曳损伤，为海缆回填保护工程与运维提供理论参考。

在海上油气生产过程中，半潜式平台通过各系泊链的收放实现水下井口间的移井操作。本文针对传统移井方法无法快速获得有效移井方案的难点，提出了一种基于贪心算法的半潜式平台快速移井优化方法。针对三组现场移井操作方案，开展锚机正常工作和锚机故障下的移井方案优化分析。结果表明锚机正常工作状况下，优化方案与原始方案和遗传算法获得的全局最优方案相比，在优化效果和计算成本方面得到显著提升。锚机失效情况下，移井操作的可行性与移井距离和移井方向密切相关。将锚机失效情况下的移井方案与正常工作下的移井方案进行分析比较，发现锚机失效后移井操作的系泊链收放长度及操作步数均有不同程度的增加，平稳程度随工况不同变化趋势不唯一。

为探究孔口前、后缘圆角处理对潜体流水孔流噪声特性的影响，本文以带单个流水孔的潜体为研究对象，基于大涡模拟湍流模型和FW-H（Ffowcs Williams-Hawkings）声学模型，利用STAR CCM+软件开展数值模拟，在验证仿真精度满足要求的基础上，深入探究在流速10 m/s下孔口不同圆角位置和圆角半径对流噪声的影响。结果表明：孔口前、后缘圆角处理，可降低流水孔的流噪声，尤其是二阶线谱噪声，从圆角位置来看，后缘圆角的降噪幅度均大于前缘圆角，外侧圆角的降噪幅度均大于内侧；在所研究的工况中，当孔口前缘和后缘外侧同时进行圆角处理，且圆角半径为10 mm时，其二阶线谱噪声最小为94.03 dB，相比于基准工况，降低了9.48 dB，且对应频率降低了4.72 Hz；孔口远场辐射噪声主要受孔腔后壁和腔底压力脉动的影响，孔口剪切层振荡对其影响相对较小。研究结论对潜体流水孔结构优化及低噪声设计具有一定的指导意义。

由于中、低频段声波在传播过程中难以衰减，控制中、低频宽带声波已成为一个具有挑战性的课题，因此，开发具有低频吸隔声降噪功能的新型材料或结构是很有必要的。声学超材料的特殊属性为吸隔声领域的发展提供了新的思路。为有效控制中、低频段噪声，本文通过有限元软件COMSOL Multiphysics优化设计了一种新型的空间螺旋式声学超材料，并完成100~2500 Hz频段范围吸声和隔声性能的计算分析，借助3D打印完成超材料制备，进行螺旋式声学超材料的吸隔声性能对比实验研究，验证计算方法的准确性。