深海柔性结构广泛应用于深海探索、油气开采、矿产开采等领域，是工程设 备的重要组成部分。深海柔性结构通常在 10²～10³ 米的深海服役，受复杂荷载作 用产生复杂响应，这对结构安全产生巨大威胁。恶劣的服役环境使深海柔性结构 一旦破坏将无法修复，导致工程设备不能正常运行，将造成巨大的经济损失和严 重的生态环境污染。此外，深海柔性结构与流体的相互作用属于典型流固耦合问 题，其中涉及高柯西数，大几何非线性，复杂动响应等内容，一直是科研领域的 热点问题。因此，研究深海柔性结构在荷载作用下的响应具有重要的经济、社会 和科学价值。随着工程向深海进军，柔性结构尺寸迅速增加，为了减小由于自重 产生结构应力过大问题，通常会减小截面尺寸降低自重或增加分布式浮力装置以 抵消自重。但是，减小截面尺寸会降低结构刚度，使结构柔性增加，而分布式浮 力装置使深海柔性结构成为了非均匀结构，使结构的响应更加复杂。因此，本文 采用数值与实验相结合的方法，在前人成果的基础上进行拓展，对非均匀浮力分 布深海柔性结构在流体作用下的响应与控制进行了系统研究。本文将具有非均匀 浮力分布的深海柔性结构称为深海非均匀柔性结构。主要研究成果如下： 首先，基于静力学平衡方程推导了具有非均匀浮力分布柔性结构的常微分控 制方程，给出了直接积分法和有限差分法对非线性常微分方程进行数值求解的步 骤，与现有文献进行对比，验证了模型的正确性。同时，进一步研究了非均匀浮 力与浮力位置对柔性结构形状和所受荷载的影响规律。数值结果表明：在柯西数 C_Y=10⁰～10³ 时，非均匀浮力可以减小柔性结构变形，延缓了重构数 R 和 Vogel 指数的下降。重构数 R 曲线和 Vogel 指数曲线存在多个交叉点，说明了结构在不 同形状也存在阻力相同的情况。非均匀浮力梁 Vogel 指数有时升高有时降低，呈 现振荡的形式。 其次，建立了含有非均匀浮力分布柔性结构的动力学偏微分控制方程，其柔 性结构可以是任意截面，拓展了方程的适用范围。利用有限差分法对方程进行时 域计算，结果与现有文献相同验证了理论模型的正确性。在振荡流作用下，研究 了浮力与浮力位置对柔性结构变形和流体荷载的响应规律。数值结果表明：在振 荡流下柔性结构受到的荷载比刚性结构受到的荷载小；C_Y=10⁰～10¹，浮力较大 （B_b=50、100）且浮力位置值大（s^*=0.75、1.00）时，浮力可以延缓重构数 R 和Vogel指数随着柯西数CY的增加而减小。在柯西数C_Y=10³时，振荡流下Vogel 指数为-0.6～-0.9，呈现振荡。 第三，设计并搭建了实验平台，开发了实验平台的拖曳力测量系统和变形测 量系统，对柔性梁、非均匀柔性梁、柔性管、非均匀柔性管等试件进行了实验研 究。最后，通过数值与实验的对比分析了研究柔性梁和非均匀柔性梁的变形形状 和流体荷载的响应规律。进一步通过实验研究了柔性管和非均匀柔性管的变形形 状和流体荷载的响应规律。实验发现柔性管的响应比柔性梁的响应更加复杂，存在面外运动。 第四，针对深海立管振动的特点，设计了多模态主动控制的方法。通过简化 升力系数与模态能量输入区重叠消除方法，建立了深海柔性结构的多模态振动动 力学方程，然后运用 LQR 方法设计了两种控制策略，模态平均控制法和模态加 权控制法。数值结果表明：模态加权控制法优于模态平均控制法。另外，流速会 影响 LQR 控制的效果。