浮體和浮式多體系統(tǒng)流固耦合動力分析

內(nèi)容概要

　　本書從浮體和浮式多體系統(tǒng)動力分析的基本理訖、數(shù)值模擬技術(shù)和動力響應(yīng)特性等方面進(jìn)行系統(tǒng)論述。第1章對工程實(shí)際中浮體和浮式多體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類，受力特點(diǎn)和力學(xué)模型進(jìn)行概述，指出問題的復(fù)雜性。第2章主要介紹剛體運(yùn)動的描述、剛體的質(zhì)量幾何和不同形式的剛體動力學(xué)方程。第3—6章分別用基于理想流體的勢癱理論、水彈性理論基于粘性不可壓縮流體的計算流體動力學(xué)方法分析單個剛性和柔件浮體的流固耦合問題，第7章和第S章介紹多體系統(tǒng)動力學(xué)中的凱恩方法，將其應(yīng)用于浮式事體系統(tǒng)的頻域和時域動力分析，進(jìn)而對駁運(yùn)平臺在波浪中重單元液裝卸載、滾裝船因內(nèi)部重單元失控自由移動而傾覆等浮式多體系統(tǒng)的工程問題進(jìn)行動力分析．第9章和第lO章介紹多體系統(tǒng)動力學(xué)中的齊次矩陣方法、將其應(yīng)用于帶式浮橋在陜速移動重載作用下的動力響應(yīng)特性研究和自行舟橋水上展開過程的動力響應(yīng)特性研究。奉書還介紹丁與理論分析和數(shù)值模擬對應(yīng)的若干試驗(yàn)研究。
　　本書可供船舶與海洋工程港口、海謙和近海工程，作戰(zhàn)工程保障，上程力學(xué)等專業(yè)的工科院校師生及丁程技術(shù)人員則讀。

書籍目錄

第1章 緒論
 1.1 浮體和浮式多體系統(tǒng)的分類
 1.2 浮體和浮式多體系統(tǒng)的受力特點(diǎn)和分析途徑
第2章 剛體動力分析基礎(chǔ)
 2.1 剛體位移的運(yùn)動學(xué)描述
 2.1.1 剛體的平動位移和轉(zhuǎn)動位移
 2.1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣及其性質(zhì)
 2.1.3 剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動的歐拉定理
 2.1.4 歐拉角和卡爾丹角
 2.1.5 歐拉參數(shù)
 2.2 剛體的角速度和剛體上點(diǎn)的運(yùn)動
 2.2.1 剛體的角速度
 2.2.2 矢量對時間的導(dǎo)數(shù)
 2.2.3 剛體上固結(jié)點(diǎn)和動點(diǎn)的運(yùn)動
 2.3 剛體的質(zhì)量幾何
 2.3.1 剛體的質(zhì)心位置
 2.3.2 轉(zhuǎn)動慣量和慣性積
 2.3.3
計算轉(zhuǎn)動慣量和慣性積的常用方式
 2.4 牛頓-歐拉動力學(xué)方程
 2.4.1 剛體的動量和動量矩
 2.4.2
質(zhì)心運(yùn)動定理和繞質(zhì)心動量矩定理
 2.5 剛體動力學(xué)普遍方程
 2.5.1 完整約束和理想約束
 2.5.2 達(dá)朗貝爾-拉格朗日原理
 2.5.3 虛功率原理
 2.5.4 第二類拉格朗日方程
第3章 流固耦合中的速度勢問題
 3.1 勢流的基本方程和邊界條件
 3.1.1 勢流基本方程
 3.1.2
自由面邊界條件和物面邊界條件
 3.1.3
水底邊界條件和水面無限遠(yuǎn)處邊界條件
 3.2 自由面和物面邊界條件的線性化
 3.2.1 流場運(yùn)動量的攝動展開
 3.2.2 自由面邊界條件的線性化
 3.2.3 物面邊界條件的線性化
 3.3 線性速度勢的分解
 3.3.1 流場線性速度勢的疊加關(guān)系
 3.3.2 繞射勢和輻射勢的邊界條件
 3.3.3 空間速度勢和規(guī)范化速度勢
 3.4 規(guī)范化速度勢求解和浮體水動力系數(shù)
 3.4.1
速度勢的域內(nèi)積分方程和邊界積分方程
 3.4.2 間接邊界元法邊界積分方程
 3.4.3 浮體的水動力系數(shù)
 3.5 多浮體流場的速度勢和水動力系數(shù)
 3.5.1 多浮體流場速度勢的分解
 3.5.2 多浮體流場的輻射勢
 3.5.3 多浮體流場的水動力系數(shù)
第4章 浮體在波浪上的運(yùn)動
 4.1 波浪理論簡介
 4.1.1 微幅波的速度勢和波形
 4.1.2 有限振幅波的速度勢和波形
 4.1.3 不規(guī)則波及其統(tǒng)計特征值
 4.2 波浪作用力和靜水恢復(fù)力
 4.2.1 弗勞德-克雷洛夫力
 4.2.2 繞射力計算和哈斯金特關(guān)系
 4.2.3 靜水恢復(fù)力(矩)
 4.3 系泊約束力
 4.3.1 懸鏈線方程
 4.3.2 系留點(diǎn)位移與錨鏈力的關(guān)系
 4.3.3 錨鏈系統(tǒng)的系泊約束力
 4.4 浮體動力學(xué)方程
 4.4.1 浮體動力學(xué)方程構(gòu)建
 4.4.2
頻域分析形式的浮體動力學(xué)方程
 4.5 浮體動力學(xué)方程的修正
 4.5.1
有質(zhì)心初始偏離時質(zhì)量系數(shù)的修正
 4.5.2
有質(zhì)心初始偏離時靜水恢復(fù)力系數(shù)的修正
 4.5.3
有質(zhì)心初始偏離時錨泊約束力系數(shù)的修正
 4.5.4
有初始傾角時浮體動力學(xué)方程的修正
第5章 柔性浮體流固耦合分析
 5.1 浮體模態(tài)分析法概述
 5.1.1 干結(jié)構(gòu)模態(tài)分析法簡介
 5.1.2 彈性浮體模態(tài)分析法的特點(diǎn)
 5.2 彈性浮體的主坐標(biāo)運(yùn)動方程
 5.2.1
彈性浮體結(jié)構(gòu)離散化及其運(yùn)動方程
 5.2.2 彈性浮體的主坐標(biāo)運(yùn)動方程
 5.2.3
彈性浮體剛體運(yùn)動的主坐標(biāo)運(yùn)動方程
 5.3 彈性浮體周圍流場及流體壓力
 5.3.1 流場性質(zhì)假定和坐標(biāo)系定義
 5.3.2
流場速度勢的分解及定解問題
 5.3.3 流體壓力分析
 5.3.4 廣義流體力
 5.4 線性水彈性問題和浮式平臺水彈性響應(yīng)
 5.4.1 線性水彈性主坐標(biāo)運(yùn)動方程
 5.4.2 浮式平臺的水彈性響應(yīng)計算
 5.5 大型浮式平板的水彈性問題
 5.5.1
浮式平板的水彈性主坐標(biāo)運(yùn)動方程
 5.5.2
浮式平板主坐標(biāo)的分解和求解途徑
 5.5.3
薄膜力對超大型浮體的水彈性響應(yīng)貢獻(xiàn)
第6章 CFD數(shù)值模擬浮體流固耦合問題
 6.1 粘性不可壓縮流體運(yùn)動數(shù)學(xué)模型
 6.1.1 納維-斯托克斯方程
 6.1.2
RANS方程和湍流運(yùn)動數(shù)學(xué)模型
 6.1.3 離散控制方程的有限體積法
 6.1.4
自由表面運(yùn)動數(shù)學(xué)模型(VOF方程)
 6.2 基于有限體積法的離散格式
 6.2.1 空間域的離散化
 6.2.2 控制方程的空間域離散格式
 6.2.3 控制方程的時間域離散格式
 6.3 壓力修正算法和動邊界問題
 6.3.1 壓力修正算法
 6.3.2 自由表面運(yùn)動的數(shù)值追蹤
 6.3.3
運(yùn)動物面邊界問題的ALE方法
 6.4 提高浮式平臺水動力穩(wěn)定性研究
 6.4.1 CFD商用軟件簡介
 6.4.2
圓柱繞流數(shù)值模擬與理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之比較
 6.4.3
設(shè)置側(cè)置水翼提高浮式平臺水動力穩(wěn)定性
 6.4.4
水翼影響浮式平臺近場流動實(shí)驗(yàn)研究
 6.4.5
水翼影響浮式平臺近場流動CFD數(shù)值模擬
第7章 多浮體系統(tǒng)動力分析之凱恩方法
 7.1 多體系統(tǒng)的力學(xué)要素和拓?fù)潢P(guān)系
 7.1.1 多體系統(tǒng)的力學(xué)要素
 7.1.2 沿分支依次編號法
 7.1.3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣乘法傳遞關(guān)系
 7.1.4
多體系統(tǒng)的通路矩陣和點(diǎn)位置矢量
 7.2 廣義速率和角速度、質(zhì)心速度
 7.2.1 凱恩方法中的廣義速率定義
 7.2.2 多體系統(tǒng)中物體的角速度
 7.2.3 多體系統(tǒng)中物體的質(zhì)心速度
 7.3 偏速度和偏角速度
 7.3.1 偏速度和偏角速度的定義式
 7.3.2
偏速度和偏角速度的投影形式
 7.3.3
物體的角加速度和質(zhì)心加速度
 7.4 廣義慣性力和廣義主動力
 7.4.1
偏角速度和偏速度表達(dá)的物體慣性力
 7.4.2
廣義力的定義和物體的廣義慣性力
 7.4.3 廣義主動力和無功力
 7.4.4
摩擦力(矩)和驅(qū)動力(矩)的廣義力
 7.4.5
彈簧和阻尼內(nèi)相互作用力系的廣義力
 7.5 凱恩方程及其浮式多體系統(tǒng)動力分析形式
 7.5.1
由虛功率原理導(dǎo)出多體系統(tǒng)凱恩方程
 7.5.2
多浮體系統(tǒng)中任一浮體所受的廣義力
 7.5.3
多浮體系統(tǒng)動力分析之凱恩方程
第8章 浮體和浮基多體系統(tǒng)時域動力分析
 8.1 時域輻射勢和時域格林函數(shù)方法
 8.1.1
浮基多體系統(tǒng)時域分析的工程背景
 8.1.2 速度勢的分解和時域輻射勢
 8.1.3 時域格林函數(shù)法
 8.1.4
三維無限水深流場的格林函數(shù)
 8.2 時域規(guī)范化速度勢
 8.2.1 時域輻射勢的分解
 8.2.2 時域規(guī)范化輻射勢積分方程
 8.2.3 卡明斯函數(shù)
 8.3 時域水動力系數(shù)和浮體時域動力學(xué)方程
 8.3.1 時域水動力系數(shù)
 8.3.2 時域哈斯金特關(guān)系
 8.3.3 浮體時域動力學(xué)方程
 8.4 浮基多體系統(tǒng)時域動力學(xué)方程
 8.4.1 浮基多體系統(tǒng)之凱恩方法
 8.4.2 表觀重力和表觀浮力
 8.4.3 浮基多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析
 8.4.4 浮基主動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
 8.4.5 浮基非主動機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析
 8.5 有移動重載荷的滾裝船的動力響應(yīng)研究
 8.5.1
海浪中浮基上的滾裝卸載過程研究
 8.5.2
海浪中浮基上的重載單元側(cè)翻過程研究
 8.5.3
海浪中浮基上的重載單元自由滑移研究
第9章 浮式多體系統(tǒng)動力分析之齊次矩陣方法
 9.1 運(yùn)動學(xué)齊次矩陣及其坐標(biāo)變換
 9.1.1 齊次坐標(biāo)和位置齊次矩陣
 9.1.2 旋轉(zhuǎn)平移齊次矩陣
 9.1.3
速度齊次矩陣和加速度齊次矩陣
 9.1.4 三個物體間的相對運(yùn)動關(guān)系
 9.2 動力學(xué)齊次矩陣和剛體動力學(xué)方程
 9.2.1 力齊次矩陣
 9.2.2 動量齊次矩陣
 9.2.3 慣量齊次矩陣
 9.2.4 齊次矩陣的坐標(biāo)系變換
 9.2.5 齊次矩陣剛體動力學(xué)方程
 9.3 多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)分析的齊次矩陣方法
 9.3.1
有根樹系統(tǒng)物體的相對運(yùn)動齊次矩陣
 9.3.2
有根樹系統(tǒng)物體的絕對運(yùn)動齊次矩陣
 9.3.3
有根樹系統(tǒng)運(yùn)動齊次矩陣求解流程
 9.4 多體系統(tǒng)動力學(xué)分析的齊次矩陣方法
 9.4.1 有根樹系統(tǒng)動力學(xué)正問題
 9.4.2
有回路的有根多體系統(tǒng)動力學(xué)正問題
 9.4.3 多體系統(tǒng)動力學(xué)逆問題
第10章 帶式浮橋和自行舟橋動力特性研究
 10.1 移動載荷作用下帶式浮橋動力特性研究
 10.1.1
帶式鉸接式浮橋出現(xiàn)位移波堆積的機(jī)理
 10.1.2
帶式鉸接式浮橋水動力系數(shù)的選取
 10.1.3
齊次矩陣方法計算及與其他研究之比較
 10.2 長浮橋在快速重載作用下的模型試驗(yàn)研究
 10.2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图虞d測試系統(tǒng)
 10.2.2
位移波堆積與移動載荷速度振蕩模型試驗(yàn)
 10.3 自行舟橋水上展開過程的動力特性研究
 10.3.1
自行舟橋展開過程中各物體間的相對運(yùn)動
 10.3.2
自行舟橋在靜水中展開的穩(wěn)定性分析
 10.3.3
自行舟橋在波浪中展開的穩(wěn)定性分析
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章緒論1.1 浮體和浮式多體系統(tǒng)的分類本書分析研究的浮體和浮式多體系統(tǒng)，主要是指由單個或多個物體組成主體結(jié)構(gòu)的無航速或低航速的浮式作業(yè)裝備和設(shè)施。進(jìn)入21世紀(jì)后在開發(fā)利用海岸帶和近岸島嶼的工程實(shí)踐中，使用浮體和浮式多體系統(tǒng)的類型愈來愈多。為對浮體和浮式多體系統(tǒng)進(jìn)行較準(zhǔn)確深入的動力分析，有必要先對其進(jìn)行分類。對于單個浮體，可分為剛性浮體和柔性浮體。當(dāng)浮體受力引起的變形對浮體整體運(yùn)動的影響可以忽略時，屬于剛性浮體，例如中小型的單體浮碼頭。水陸兩棲自行舟橋由多個可以折疊和展開的剛性浮箱加上輪式或履帶式底盤車組成。當(dāng)其展開成門橋在水上承載重型裝備時，包括門橋和固定在其上的重型裝備的整個漕渡系統(tǒng)可以視為剛性浮體。如果浮體受力引起的變形影響到浮體與流場間的流固耦合動力關(guān)系，則屬于柔性浮體，例如供固定翼飛機(jī)起降的浮式海上機(jī)場。

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