出于对海洋权益和深海资源的重视，许多发达国家都研发了不同潜深的深海ROV，在深海作业领域发挥着独特的优势。目前国内深海ROV的铠缆通常为钢丝反螺旋铠装缆，在支持母船和中继器之间起着物理连接、能源供给与信息传输等重要作用。由铠缆与中继器等组成的水下铠缆系统在母船升沉运动、海流流速、铠缆自身刚度与中继器释放深度等影响因素下有着极为复杂的动态特性。弹性铠缆在海流作用下会产生弯曲和空间形状变化，在高海况下会出现高低张力剧烈交替的现象，并起着传递和放大支持母船升沉运动的作用，使中继器的运动幅值增大和相位滞后，当滞后较大时会出现冲击载荷，损坏中继器与水下机器人的传感器。此外，中继器与机器人整体在下放过程中，铠缆刚度会逐渐降低，水下铠缆系统的固有频率逐渐进入母船升沉频率范围之内而引发共振，严重影响水下机器人释放和回收作业的安全性能。如何从原理上深刻揭示水下铠缆系统在深水环境中复杂的动力学特性以及从实际措施上降低高海况下深水铠缆系统的高张力波动和中继器振荡幅度是当前深海ROV走向深海作业所需解决的关键问题。深海ROV铠缆系统动态特性与半主动升沉补偿的研究，对于理解和预知水下铠缆系统的复杂动态特性以及提高深海ROV高海况下收放作业的安全性能具有重要的理论意义和实际参考价值。　　本文结合深海ROV在高海况下安全作业和收放的实际需求，以深海ROV水下铠缆系统为研究对象，分别从理论建模和模型实验两方面深入研究了深海ROV铠缆系统的动态特性与半主动升沉补偿技术。主要研究内容可概述为如下几个方面:　　(1)对三维非线性铠缆的有限元建模进行深入的研究。基于几何精确梁的Reissner-Timoshenko假设，根据虚功原理得出水下铠缆动力学方程的弱形式模型。采用几何精确梁有限元列式的完全Lagrangian列式，即未知变量为梁中线位移与梁截面转角。利用Frechet导数推导完全Lagrangian列式的线性化过程，并利用等参插值思想采用二节点等参插值单元对水下铠缆模型进行离散，对单元范围内的总虚功残值项离散得到残余节点力，对单元范围内的总虚功线性增量项离散得到质量矩阵、切向刚度矩阵及载荷刚度矩阵。将单元节点力组装后得到总体节点力矢量，单元矩阵逐个组装后得到总体质量矩阵和刚度矩阵，从而得出水下铠缆的三维完全几何非线性的有限单元方程，并确定求解所需的上端运动学边界条件和下端动力学边界条件。　　(2)研究三维非线性铠缆有限元模型的数值解法及有效性验证。采用FORTARN语言编制有限元分析程序QCAB，为便于对比，数值算法分别采用标准Newmark算法与广义α算法。根据水下铠缆有限元模型推导相适应的标准Newmark算法与广义α算法形式，结合Newton-Raphson迭代算法，以求解质量矩阵和刚度矩阵时变的非线性动态问题。给出有限元程序的总体布局、系数矩阵及节点力的计算模块。通过柔性缆索的异面弯曲、螺旋成型和三维旋转算例验证有限元程序求解非线性静态平衡问题和动态问题的有效性。最后采用深海ROV系统ROPOS在大洋1730米深处的实测数据进行验证，对比说明标准Newmark算法与广义α算法的数值计算性能，证明铠缆有限元模型、隐式时间积分算法和有限元程序的正确性。　　(3)对深海ROV铠缆系统的动态特性进行详细的分析。首先进行铠缆系统的静态分析，包括无母船升沉无海流情形与无母船升沉有恒定海流两类情形，分析结果作为动态分析的初始条件。接着进行铠缆系统的动态分析，具体包括两类，即仅有母船升沉激励和母船升沉与海流联合激励。在第一类动态分析中分别研究在理想正弦升沉和实际测量升沉激励下的水下铠缆系统的动态响应与共振现象，得出3500米潜深左右为该深海铠缆系统的共振区域。在第二类动态分析中研究在升沉与海流联合激励时铠缆系统空间动态构型及铠缆两端运动与张力变化情况，并着重分析联合激励时的共振现象，得出与第一类动态分析相同的结论，即水下3500米潜深左右的深度范围为该铠缆系统的共振区域。　　(4)研究半主动升沉补偿系统及其模型的设计及系统性能分析。根据半主动升沉补偿系统的工作原理和实现机理对半主动升沉补偿系统进行参数设计，建立半主动升沉补偿系统的仿真模型进行仿真分析。为建立动力学相似的水下铠缆相似系统要求原型和模型系统的频率相似，通过相位共振法获得实际深海水下铠缆系统原型的固有频率，经相似比例系数缩放得到铠缆模型系统的固有频率，进而确定模型系统的刚度和质量，并分别用弹簧和质量块模拟。进而设计半主动升沉补偿模型系统执行机构的主要参数，推导非对称缸电液位置伺服系统的传递函数，并分析系统的稳定性。最后，建立半主动升沉补偿模型系统的仿真模型，结合实际模型系统参数进行半主动升沉补偿仿真和性能分析，说明半主动升沉补偿方法的有效性和可行性。　　(5)搭建半主动升沉补偿模型实验平台，分别研究母船升沉运动模拟实验、水下铠缆模型系统共振放大区域实验、被动升沉补偿实验和半主动升沉补偿实验。半主动升沉补偿模型试验平台主要由母船升沉模拟装置、半主动升沉补偿装置和弹簧负载模型等组成。其中，母船升沉运动模拟装置和主动补偿装置是两套类似的电液伺服阀控非对称缸系统。在低频工作段将阀控非对称缸系统简化为比例积分环节，通过实测数据获得阀控非对称缸正反向运动的输入输出特性及非线性增益曲线，将其多段线性化后设计位置反馈加前馈的复合控制器，以提高电液控制系统的响应速度和控制精度。接着通过母船升沉模拟装置及其控制系统来模拟相似缩放和动滑轮组缩放后的实际母船升沉运动，作为弹簧负载模型系统的激励。之后分析在升沉运动激励和无任何升沉补偿时弹簧负载相似模型系统从1000至4500米对应的模拟深度下的动态响应及其共振放大区域。通过被动升沉补偿缸和母船升沉模拟装置进行被动升沉补偿实验并分析了被动升沉补偿效率。最后利用半主动升沉补偿装置来降低弹簧负载模型系统中弹簧张力和负载运动的幅度，验证半主动升沉补偿方法的有效性。