水下缆索广泛地应用于海洋工程领域,对其研究有着十分重要的理论意义和工程价值。本文对其时域动力学及其在水下机器人系统中的应用做了分析研究。在本文中,首先基于欧拉-伯努利梁(Euler-Bernoulli beam)理论推导出了缆索的二维动力学方程,将弯曲刚度考虑在内从而使其不但能够分析传统意义上的大张力缆索动力学问题,也能分析低张力情况下缆索动力学问题。考虑到缆索在水下运动的复杂受力形态,这样的处理使其更接近于实际从而可以提高计算的准确性。对所建立的强耦合的、非线性的缆索运动方程,求其精确解析解已不可能,因此本文采用具有二阶精度的、无条件稳定的隐式中心差分法对其进行数值离散,对离散后的非线性的代数方程组利用具有二次收敛速度的Newton-Raphson迭代法进行求解。基于上述缆索动力学模型及数值方法,本文研究了拖曳阵列声纳系统(TASS)的响应问题。从本文计算结果与前人试验数据及数值结果的对比可以验证本文程序的正确性。之后,研究了更为一般的自由拖缆的动力学问题,分析了其在不同母船拖速、不同水流速度、不同波浪幅频激励、携带不同拖重以及不同缆长等系统要素下的动力学响应,总结了缆索张力及形态的变化规律,从而更加清晰地认识了水下缆索的暂态动力学行为特性。最后,研究了缆索与水下机器人系统的耦合动力学问题。对于水下机器人,依据刚体动力学,忽略各自由度之间的耦合、仅考虑线性项与非线性的水动力项的作用,建立了其在垂直面的运动方程。通过将缆索动力学方程与水下机器人动力学方程的耦合,分析了缆索张力、形态以及水下机器人的运动速度、轨迹等各量随时间的变化规律。分析结果表明,缆索的使用,使水下机器人在水中各方向的运动出现了明显的耦合现象。要想获得理想的运动规律,必须对各向推进器推力给予控制。另外,对于近来水下机器人的实际工程应用中不再广泛使用中继器,而是代之以在缆索下端局部区域系缚正浮力的浮力球的现象,本文从理论上也予以了计算分析。分析结果表明,在有、无系缚浮力球时,缆索上的张力变化不大,这是因为浮力球的正浮力只能抵消很小一部分缆索的水中自重造成的。然而,在浮力球的作用下,从水下机器人运动轨迹的上下波动及转角的波动来看,运动显得更加平稳。更重要的是,此时水下机器人在相同的时间以及相同的垂直和水平螺旋桨推力的情况下,上升的高度及水平运动的半径都会增大,且水平方向运动半径增大很多。换句话说,要使水下机器人达到某一高(深)度或达到某一指定的运动目的地,此时只需要较短的时间。再考虑到系缚浮力球时,水下机器人仅在水平方向推进器推力的作用下就能获得较平稳的水平运动轨迹,因此可以得出这样一个结论:浮力球的使用增强了水下机器人在水中运动的机动性和操纵性。