随着船舶与海洋工程朝着大型化、深远海的方向高速发展,越来越多的船海结构物运营于复杂的海洋波浪环境中。在波浪载荷的作用下,结构物将产生弯曲变形、波激振动等流固耦合问题,结构的安全性受到空前的挑战。在既往的研究中,该问题始终未得到完善的解决,这是因为船舶与海洋工程领域的流固耦合现象具有一些难以处理的典型特征。首先,此类现象涉及固体场、液相场和气相场之间的耦合作用。在对此类问题进行分析时,不能对各物理场的运动状态独立考察,而是需要采用同时直接求解或者交叉迭代求解的方式对之分析。第二,流固耦合过程中通常存在剧烈的自由面运动,结构的振动变形幅值和周期也存在时时的跳跃、变化,流体和结构的运动都具有非线性特征。第三、波浪力的变化过程具有随机性,波浪对结构物的砰击力具有脉冲性等特征。为了能充分捕捉上述流固耦合问题的典型特征,研发一种能够应用于船舶与海洋工程领域的流固耦合求解器,具有重要的科学和实际意义。本文采用移动粒子半隐式方法(Moving Particle Semi-implicit,MPS)和有限单元法(Finite Element Method,FEM)相结合的方法对船舶与海洋工程中的流固耦合问题进行数值探究。其中,基于Lagrangian系统下的MPS方法擅长于数值模拟自由面大变形和结构的大幅运动问题,故而本文选用该方法进行流固耦合问题的流场分析。本课题组早期的研究工作中,实现了对MPS方法在计算精度和稳定性方面进行了一系列的改进,并通过开发局部流场精细化处理技术和GPU并行加速技术扩大了该方法在船舶与海洋工程中的应用范围,这为本文采用MPS-FEM结合方法数值研究流固耦合问题奠定了基础。为实现MPS方法和FEM方法的耦合,本文提出了一种时间异步的显式分区耦合策略。该策略一方面实现了MPS方法和FEM方法在数值计算流程上的有机结合,继承了二者分别在流场模拟和结构响应分析方面的计算优势;另一方面通过时间异步的技术,解决了流体场和结构场在演化过程中显著的时间尺度差异问题。此外,在对三维流固耦合问题进行分析时,通常采用粒子模型和网格模型分别对流体场和结构场进行空间离散,流固计算域的交界面具有异构特征,进而导致流固物理场之间数据传递的困难。为解决该挑战,引入了两种界面数据插值计算方法,分别为基于FEM形函数的插值方法和基于MPS核函数的插值方法。结合该耦合策略和数据传递技术,提出了一种MPS-FEM耦合方法,能够应用于船舶与海洋工程领域的流固耦合问题。基于该流固耦合模拟方法,本文在课题组自研的MPS求解器MLParticle-SJTU框架之上,开发了用于结构动力学响应分析的FEM求解模块和流固计算域数据传递模块,最终形成流固耦合数值模拟求解器MPSFEM-SJTU。本文通过一系列流固耦合标准算例对该求解器的计算精度进行了验证,包括泄洪流与弹性闸门之间的耦合作用,溃坝波对弹性窗体的砰击作用,无阻尼影响时溃坝流与水槽侧壁的耦合作用问题,考虑阻尼的溃坝流对障碍物的砰击作用。数值结果表明,求解器MPSFEM-SJTU能够获得与已公开实验数据一致的结果,对二维流固耦合问题的模拟具有较高的精度。随后,采用该求解器的FEM模块对薄板结构的动力学响应进行了分析,结构变形状态和振动响应结果与采用商业软件ANSYS的计算结果吻合良好。此外,还设计了流固异构界面上数据插值传递的实验算例,对基于FEM形函数的插值技术和基于MPS核函数的插值技术进行了精度及适用性验证。这些验证算例的结果表明,求解器MPSFEM-SJTU对于流固耦合问题的数值模拟具有较高的可靠性。本文应用求解器MPSFEM-SJTU对二维弹性液舱的流固耦合问题进行了数值仿真研究。首先,对液舱内设置弹性隔板时的晃荡现象进行了数值模拟,对比考察了多种液舱运动激励频率下弹性隔板和刚性隔板对晃荡现象的抑制效果。随后,采用该求解器对低充液率时弹性液舱内的晃荡问题进行了模拟。通过改变舱壁结构的杨氏模量,考察了结构刚度对晃荡波横向砰击现象的影响,对比分析了舱壁砰击压力、结构振动时历曲线以及相关响应模态特征。本文还对高充液率时液舱的顶部砰击问题进行了数值模拟研究,分析了顶部舱壁在砰击载荷作用下诱发的高频振动特征。本文将求解器MPSFEM-SJTU应用于三维流固耦合问题中。例如,通过三维溃坝流与弹性水槽侧壁之间的相互作用问题,测试了该求解器在三维流固耦合问题中的适用性。对三维液舱晃荡流固耦合问题进行了模拟,分析了横向砰击力诱发的结构变形及相关自由面演化状态,说明了三维效应在液舱晃荡流固耦合问题中的影响作用。