基于物面非线性理论,本文采用满足自由水面条件的格林函数,在时域内对三维物体做大振幅运动的水动力学问题进行了理论研究和数值模拟,提出了时域格林函数卷积的“时频转换算法”,分析了非线性物面边界条件对计算结果的影响,同时将物体大振幅运动的时域数值模型推广到有限水深、常航速及有系泊系统的情况。采用传统的水动力学方法求解波浪与三维浮体的相互作用问题,通常需要假定波浪与物体运动幅值是一个小量,应用泰勒级数在物体运动的平均位置对边界条件进行近似展开。本文旨在研究由小振幅入射波浪引起物体大振幅运动响应的水动力学问题,因此物面边界条件在物体的瞬时湿表面上满足,而自由水面边界条件是线性化的。在势流理论假定下,以三维拉普拉斯方程作为基本控制方程,首先引入满足自由水面条件的时域格林函数,利用格林第二定理及输运定理,建立边界积分方程,该方程适用于物体线性及任意幅值的大振幅运动问题。由于积分方程中包含时域格林函数与速度势的卷积,随着模拟时间nt的增加,其计算量和存储量以O(nt2)的数量级不断增长。针对这一数值困难,本文从卷积定理出发,推导了时域格林函数(及导数)与频域格林函数(及导数)的傅立叶变换关系,将时域格林函数的卷积转换为频域格林函数的乘积,提出了计算时域格林函数卷积的“时频转换算法”,从而建立了一个新的边界积分方程,该方程适用于物体湿表面形状不随时间变化的线性及水平大振幅运动问题(包括潜体任意幅值的大振幅运动问题),对于长时间的数值模拟具有优势。满足自由水面条件的格林函数是一个无穷区间的振荡积分,直接计算十分困难。基于级数展开和渐近展开,本文给出了时域无限水深和有限水深格林函数及导数,以及频域无限水深和有限水深格林函数及导数的近似表达式,并应用Chebyshev多项式进行分区拟合加快计算速度。采用高阶边界元方法离散边界积分方程,同时应用三角极坐标技术及辅助格林函数方法消除由此而产生的奇异积分和固角项。对于漂浮物体任意幅值的大振幅运动问题,计算域随时间不断变换,应用弹性伸缩动网格技术对物体瞬时湿表面进行重新剖分。每一时刻运用动态边界条件对积分方程和运动方程进行耦合求解,刚体运动方程采用标准的四阶龙格库塔法进行数值积分。本文首先对波浪与三维物体相互作用的线性问题进行了研究,计算了漂浮半球和Wigley船的波浪力及运动响应,并与频域理论及模型试验结果进行了对比,结果吻合良好。其次,对于静水中物体的受迫大振幅运动问题,计算了淹没圆球和漂浮截断圆柱的波浪力和运动响应,并与解析解和频域解进行了对比,分析了引入非线性物面边界条件对计算结果的影响。最后,将数值模型应用于波浪作用下物体大振幅自由运动问题的研究,计算了漂浮圆球和系泊JIP Spar平台的波浪力、运动响应以及缆绳力,详细分析了不同波浪参数对物体非线性水动力特性的影响。