随着海上可再生能源的开发与利用,单桩固定式风机与点吸收式波能转换装置等海洋结构物得到了广泛的应用。一般而言,这些结构物的水平尺度与特征波长相比相对较小,且在恶劣的海洋环境与结构大幅运动等条件下容易引起各种非线性效应,传统的基于小波陡和小振幅运动假设的设计理论（如一阶、二阶绕辐射理论）已无法准确描述这些结构的非线性水动力与运动响应。因此,本文基于势流理论,并引入散射波分离技术与弱散射假定,建立了一个新的求解波浪与三维结构物相互作用的非线性势流模型,从而能更好地处理波陡较大条件下小尺度海洋结构物的非线性水动力学问题。该非线性势流模型利用特定的入射波浪模型对非线性规则波或聚焦波进行模拟,利用高阶边界元方法对散射速度势的边值问题进行离散求解,并采用任意拉格朗日–欧拉方法与四阶Runge-Kutta时间积分格式对非线性自由水面条件进行时间步进。该模型还建立了水动力荷载的直接与间接计算方法,并利用四阶Runge-Kutta方法求解刚体运动方程。在时域求解过程中,为适应瞬时物面与自由水面的变化,集成了两种有效的网格变形算法。其中,在瞬时物面上采用弹簧近似方法,在自由水面上采用径向基函数插值方法。此外,还应用光滑技术对强非线性波浪与结构物相互作用问题求解过程中出现的数值不稳定现象进行处理。首先对建立的数值模型进行验证,包括规则波作用下直立圆柱的波浪爬高与高阶波浪力,非线性聚焦波的生成与传播以及聚焦波与直立圆柱相互作用的比较研究。通过与前人的理论、数值和实验结果进行对比,验证了本文数值模型的准确性与优越性。随后利用该模型分别对规则波和聚焦波作用下底部铰接单桩基础的高频共振响应现象进行研究,重点关注单桩基础在纵摇运动中的三次谐波共振现象。对于规则波入射情形,研究了入射波幅和结构阻尼对于单桩基础高频共振响应的影响。对于聚焦波入射情形,则研究了谱峰频率、入射聚焦波幅以及结构阻尼对于单桩基础Ringing响应的影响,并利用小波变换对其时频特征进行分析。研究表明在入射波幅足够大、阻尼比较小的情况下,高次谐波分量在响应中起着重要作用。进一步地,基于修正后的叶素动量理论、本文建立的非线性势流模型和计算桩–土相互作用的p-y曲线方法,建立了风浪联合作用下单桩固定式风机整体动力响应的耦合计算模型,实现了不同工况条件下单桩式风机气动–水动–土荷载的耦合计算与动力响应分析。首先对定常风作用下NREL 5-MW基准风机的推力与功率进行验证,结果表明在不同风速条件下目前计算结果均与FAST程序计算结果吻合良好,验证了空气动力模型自编程序的准确性。随后对定常风和规则波/不规则波作用下该单桩式风机的整体动力响应进行计算与分析。对于定常风和规则波情形,轮毂处的位移响应由平均偏移、波频响应以及高频共振响应组成,且该高频共振响应在轮毂速度中的影响更加显著。另外,准动态（Quasi-dynamic）方法相比耦合动态（Coupled dynamic）方法计算得到的高频共振响应幅值更大,这主要是因为准动态方法忽略了风机运动产生的气动阻尼,而耦合动态方法则能够考虑气动阻尼的影响。对于定常风和不规则波情形,可以发现在一段较长时间序列的多个特定时刻均出现了显著的高频共振响应,应在实际设计中予以特别关注。最后应用本文建立的非线性势流模型对规则波作用下一种点吸收式波能转换装置的水动力性能和聚焦波作用下该装置的生存能力进行分析。对于规则波入射情形,分别利用该非线性时域模型与线性频域模型对波能转换装置的平均吸收波能、吸收效率和PTO荷载等进行计算,系统研究了入射波陡和PTO阻尼系数对于各种计算结果的影响。对于聚焦波入射情形,则将该装置运动响应与系泊荷载的数值计算结果与实验数据进行对比,并利用小波变换对运动响应的时频特征进行分析。结果表明本文非线性时域模型能较好地捕捉纵荡位移中的低频慢漂和纵摇角度中的高频响应。