海底管道工程是海洋能源开发的生命线,铺设施工环境复杂,施工质量要求高,这对管道铺设安装作业提出了巨大挑战,采用船舶铺管作业仿真的方法,能够增加操作而人员的作业经验,预演和评估作业方案,最大可能地降低海上作业的风险,提高海上作业的安全性。针对深水船舶铺管作业仿真的的管线动态几何非线性问题,基于小应变大位移弹性梁模型、非线性有限元方法,开展管道受力与变形研究,建立以悬链线为初始构形的静态、动态非线性有限元方程的迭代算法;面向动态仿真实时性问题,基于多刚体理论,研究建立管道的多刚体运动学、动力学模型;针对船舶运动预报模拟问题,考虑船舶运动时间序列的特性,建立一种面向铺管仿真的PSR-DSRvSVR-NCEBA船舶运动预报方法;针对船舶铺管作业方案仿真设计,进行了铺管作业方案仿真系统的设计与搭建。本文具体研究内容如下:1)基于小应变大位移几何非线性欧拉-伯努利梁理论,分析管道静态、动态受力平衡方程,描述管道构形的应变-变形关系,推导得到了非线性刚度矩阵,建立了位移外力非线性平衡方程;采用Newton-Raphson迭代法与载荷增量法结合的计算方法,逐步线性加载外载荷,解决悬跨段静态几何非线性问题;采用线性时域积分法,求解管线的动态非线性问题,并采用了修正拉格朗日方法,选用悬链线为初始构形进行迭代,有效缩短了计算时间,简化迭代求解计算量;2)基于多刚体系统理论,采用拉格朗日方法描述了铰节点和刚体单元的广义空间位置与速度关系,研究建立了管线的多刚体系统运动学方程和动力学平衡方程,并对质量矩阵、阻尼矩阵、变形力矢量进行系统分析。采用逆向求解方法,求出了管线上端的张力,可作为张紧器仿真的输入参数,为深海铺管作业仿真模拟的实时性和动态性提供必要的方法支撑;3)针对船舶运动时间序列的混沌性、周期可变性及其包含的噪声信号,研究面向船舶运动预测的混沌系统空间重构方法(PSR),为增强应对船舶运动时间序列季节长度变化的鲁棒性,设计动态季节性调整机制(DSAM),并将其与鲁棒支持向量回归机模型(RvSVR)耦合,提出一种新的动态季节性鲁棒v-支持向量回归预测模型(DSRvSVR)建立PSR-DSRvSVR预报模型。针对蝙蝠算法的不足,基于猫映射、云模型和小生境加速搜索理论,提出了混沌小生境高效蝙蝠算法(NCEBA),将其应用于DSRvSVR模型参数的优选,解决了 DSRvSVR模型参数确定难题,构建一种基于了混沌小生境高效蝙蝠算法进行参数优选的船舶运动预报方法(PSR-DSRvS VR-NCEBA),实现了船舶运动的快速、准确、鲁棒预报,能够更好的体现船舶运动时间序列中的混沌性,并且有效应对船舶运动时间序列中的噪声信号。4)完成了铺管作业仿真系统设计,搭建了仿真框架和软件数据接口,设计了张紧器PID控制器和驱动模型,建立了张紧器输出张力实时仿真方法;基于上述研究成果,进行了模拟铺管的仿真案例,在深水铺管起重船及配套工程仿真系统上获得了应用,为“深水铺管起重船及配套工程技术”课题提供了核心技术支撑。