世界范围内海洋油气的勘探和开发从浅海逐渐向深海过渡。作为深海油气开发的一种重要的浮式结构,Spar平台自诞生之日起就受到人们的广泛关注。深海Spar平台由于其广泛的深水适应性,良好的水动力性能以及较低的工程造价,在深海油气的开采中得到越来越广的应用。近些年来Spar平台非线性运动稳定性和耦合动力响应成为目前海洋工程学科的前沿课题,也是我国发展南海深水油气开发的重要战略课题。本文根据非线性动力学基本理论,采用解析分析、数值模拟和模型试验的方法,研究了波激和涡激联合作用下Spar平台的非线性运动响应,对Spar平台的失稳机理和各种共振条件下的非线性动力特性进行了系统深入的研究。主要工作如下:(1)本文首先概述了世界范围内深海油气勘探和开发的进展和总体趋势,指出了Spar平台在深海油气开发中的重要地位,然后回顾了Spar平台的发展历史,介绍Spar平台总体结构形式和性能,最后总结了国内外关于Spar平台关键问题的研究现状,引出本文的主要研究方向和研究的关键性问题。(2)根据刚体动力学理论推导了一般浮体的六自由度动力学基本数学模型,考虑时变的湿表面以及平台垂荡、横摇和纵摇三个模态的非线性耦合作用,推导了Spar平台非线性回复刚度。在垂荡和纵摇模态考虑一阶波浪载荷,横摇模态考虑涡激载荷,建立了Spar平台垂荡、横摇和纵摇三自由度耦合运动方程。根据三维势流理论计算了平台垂荡和纵摇模态的一阶波载荷传递函数,根据计算流体动力学理论,计算了平台横摇模态涡激力矩,为之后的理论分析和数值计算打下基础。(3)研究了垂荡主共振时,Spar平台垂荡、横摇和纵摇的耦合内共振响应特性。针对Spar平台垂荡、横摇和纵摇固有频率的准2:1:1关系,采用多尺度法求得了当入射波浪频率接近平台垂荡固有频率时的一阶摄动解,通过数值积分验证了近似解析解的准确性,对一阶摄动解的稳定性和局部分岔特性进行了研究,并针对阻尼系数和调谐因子做了敏感性分析,结果表明当发生内共振时,垂荡模态存在能量饱和现象,垂荡模态多余的能量首先向纵摇模态转移,然后向横摇模态转移,引起大幅的1/2亚谐横摇和1/2亚谐纵摇运动。横摇和纵摇模态能量的分配与初始状态以及阻尼有关。由于低频涡激载荷的影响,横摇模态响应更为复杂,二阶摄动解的某些成分被激起,发生概周期运动。(4)研究了横摇主共振时,Spar平台垂荡、横摇和纵摇的耦合内共振响应特性。采用多尺度法求得当涡激频率接近平台横摇固有频率时运动方程的一阶摄动解,并通过数值模拟方法对解析解进行验证。通过对一阶摄动解的稳定性和局部分岔分析,确定了发生内共振时的两种形式:当涡激力较小时,没有饱和现象,只引起了垂荡-横摇模态的内共振响应,横摇模态以涡激频率做非线性强迫运动,垂荡模态出现2倍超谐垂荡运动,纵摇运动没有被激起;当涡激力幅值足够大时,纵摇模态的运动会被激起,此时发生垂荡、横摇和纵摇耦合内共振响应,此时垂荡模态出现饱和现象,能量向横摇和纵摇模态转移,引起大幅的横摇和纵摇运动。随着阻尼系数和调谐因子的增大,能量渗透变得越来越困难。(5)研究了Spar平台垂荡、横摇和纵摇组合共振响应特性。采用多尺度法求出了当波浪频率接近垂荡与横摇固有频率之和时运动方程的近似解析解,通过数值模拟对结果进行了验证,并对一阶摄动解的结果进行了局部分岔和混沌分析。研究发现,纵摇波浪力矩是导致平台出现组合共振的主要原因。从响应波浪力幅值分岔图上可以看到,纵摇波浪力矩的增大,导致Spar平台局部发生分岔现象,当纵摇波浪力较小时,发生稳态的垂荡-纵摇组合共振运动,垂荡模态出现2/3亚谐垂荡运动,纵摇模态出现大幅的1/3亚谐纵摇运动,横摇模态运动没有被激起。当纵摇波浪力矩足够大时,横摇模态运动被激起,此时发生不稳定的垂荡-横摇-纵摇混沌运动。增大阻尼系数可以有效的减小不稳定区域,防止发生大幅的混沌运动。(6)对波流联合作用下Spar平台非线性耦合运动特性进行了模型试验,分别进行了静水中的自由衰减试验、规则波中的三自由度非线性运动试验、涡激运动试验以及波流联合作用下非线性运动试验。对前述理论分析和数值模拟的结果进行了试验验证,验证了不同共振条件下Spar平台的各种非线性运动行为和能量渗透关系,确定了导致平台发生失稳的不稳定图谱,研究了平台发生非线性耦合运动时涡激载荷对平台各模态的影响。