由于深海平台成本昂贵、工作环境恶劣,为保证平台安全性,通常需对其进行模型实验。而采用常规模型实验方法和缩尺比进行缩尺模拟后,深水系统模型尺度仍然远超实验水池尺度。因而研究人员提出混合模型实验方法,以突破水池尺度限制,实现深海浮式平台系统的模型实验。经典的混合模型实验流程包括截断设计、模型实验、数值重构与外推三个步骤,其有效性虽已经被国内外学者验证,但仍存在许多问题,例如:无法限制截断前后垂向力与预张角的差异;由于目标函数过多,非对称式系统的截断设计存在维度灾难的问题;由于平台水平漂移过大导致系统力学不相似;基于势流理论与线性运动方程的数值重构与外推方法存在一定的局限性。本文针对深海平台系统混合模型实验中的截断设计和数值计算问题,研究深海复杂非对称系泊和立管系统的截断设计方法,通过监督式学习方法探索截断设计的经验公式,并通过在不同深海平台系统中的应用进行验证;考虑平台运动耦合和构件出入水引起的非线性效应,以及粘性和砰击作用引起的涡激和非线性环境载荷,研究有效的数值重构和数值外推方法。首先对非对称式系统截断设计的等效准则进行梳理,提出可实现非对称式系统截断设计的四层筛选法,并推导用于缆链静力和动力计算的集中质量法。四层筛选法将目标函数进行分类,逐层优化,其前三层基于静力相似得到截断缆链的长度、轴向刚度和水中重量,第四层基于动力相似,得到缆链的直径和空气中重量。此方法既可以限制截断前后垂向力与预张角差异,也能解决非对称式系统截断设计中的维度灾难问题。同时,将四层筛选法应用于多种类型的系泊和立管系统的截断设计,其中包括非对称式系泊系统、对称式系泊系统以及非对称式立管与系泊系统,证明了其准确性与高效性。与基于传统多目标优化方法的截断设计相比,四层筛选法具有目标函数下降速度快、迭代时间短以及可并行等优点。基于静力相似,利用监督式学习算法,建立单根缆链和整体系统截断设计的映射函数。生成映射函数的流程包括:确定问题类型与对象;生成训练集与测试集;生成输入特征,确定映射函数的结构以及训练算法;对模型进行训练;测试映射函数的准确性。对映射函数的测试结果显示,对于单根缆链和整体系统,其都能够生成较为准确的截断结果,且适用性较高。此外,利用映射函数可以将截断设计时间缩短至秒级,克服了经典多目标优化算法复杂并耗时长的缺点。提出预偏移与非对称设计的实验方法以及合并截断设计技术。针对极端海况下深海平台系统百米量级大偏移范围的力学相似难题,提出新的预偏移和非对称设计方法,突破截断设计中的偏移范围限制,实现系统的力学相似,百米量级偏移范围内的误差小于5%。此外,针对立管数量较多的立管和系泊系统,提出合并截断设计技术,并以一座深水半潜式平台及其系泊与立管系统为例,验证了合并截断设计技术的有效性,证明了该方法在简化截断系统的同时保证了截断前后力学相似。以更精确的方法考虑非线性耦合运动和横撑出入水效应,构建新的数学模型和数值计算方法,自主开发了一套考虑平台非线性耦合运动响应的半潜式平台-系泊系统时域耦合计算程序,用于混合模型实验中的数值重构与外推。针对一座双浮筒、带横撑的半潜式平台,将新的数学模型用于截断水深系统水池实验结果的数值重构,准确地重构了实验中测量得到的半潜式平台非线性耦合运动响应,发现了半潜式平台非线性纵摇运动和共振周期漂移现象,并验证了时域耦合计算程序的有效性。同时,应用数值模拟方法,对导致非线性运动产生的平台参数和波浪条件进行敏感性分析,给出了新数值重构模型的适用范围。提出基于实验环境载荷逆向识别的时域数值重构与外推方法。该方法从外力当中将静水恢复力与系泊力去除得到环境载荷,外力可根据惯性力得到。通过该方法能较为准确地重构与外推平台因粘性引起的涡激运动等现象。利用该方法对一座三立柱半潜式平台进行数值重构与外推,并将结果与截断水深和全水深的实验结果进行对比,吻合较好,验证了该方法的可行性。另外,通过与传统方法的重构与外推结果对比可知,对于平台的涡激运动,新方法比传统方法能得到更好的数值重构与外推结果。综上所述,本文提出的方法能够较好地解决混合模型实验的现有问题,研究成果可以大幅扩大混合模型实验技术的适用范围,提升混合模型实验的精度,丰富模型实验技术与数值耦合分析的理论内涵,为深海平台系统水动力性能的准确预报提供可靠支撑,并已成功应用于国内外近20座深海平台系统的混合模型实验。