描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122385987
本书详细介绍了流固耦合动力学中的若干工程问题，内容涵盖了水下航行器舵系统、海洋软管、风力机柔塔、旋转弹箭等工程结构的典型流固耦合动力学问题。涉及气动弹性、水弹性、计算流体力学、结构动力学、多体系统动力学等学科知识。内容涵盖了基于商业软件 ANSYS 的常规流固耦合方法，也包括了若干基于多体系统传递矩阵法的流固耦合动力学成果。本书理论与实际工程紧密结合，并配有较多的实际工程算例，部分算例在书中直接提供了商业软件二次开发程序、MATLAB 仿真程序。本书有以下两大特色：
（1） 本书建立了适用于工程使用的流固耦合快速建模和仿真方法，对工程实际应用有重要的指导意义；
（2）本书理论与实际工程紧密结合，并配有较多的实际工程蒜粒，部分算例提供了商业软件二次开发程序、MATLAB仿真程序。
本书详细介绍了流固耦合动力学中的若干工程问题，如水下航行器舵系统、海洋立管、风力机柔塔、旋转弹箭等工程结构的典型流固耦合动力学问题，涉及气动弹性、水弹性、计算流体力学、结构动力学、多体系统动力学等学科知识。本书不仅介绍了基于商业软件ANSYS的常规流固耦合方法，而且涵盖了若干基于多体系统传递矩阵法的流固耦合动力学*成果。本书理论与实际工程紧密结合，并配有较多的实际工程算例，部分算例还直接提供了商业软件二次开发程序、MATLAB仿真程序。本书适合力学、海洋工程、兵器科学与技术、航空航天工程、土木工程等专业的高年级本科生、研究生和相关领域的工程技术人员使用。
第1章 流固耦合工程问题概论1
1.1 流固耦合工程问题发展现状/ 4
1.2 水下航行器舵系统水弹性振动发展现状/ 6
1.3 海洋立管涡激振动发展现状/ 8
1.4 风力机柔塔横风向涡激振动发展现状/ 11
1.5 旋转弹箭流固耦合发展现状/ 13
1.6 柔性结构流固耦合研究存在的问题及解决方法/ 16
第2章 流固耦合问题的基本理论与方法19
2.1 引言/ 19
2.2 多体系统动力学求解方法/ 20
2.2.1 多体系统传递矩阵法基本理论/ 20
2.2.2 有限元法（FEM）基本理论/ 26
2.3 流体载荷求解方法/ 30
2.3.1 Theodorsen非定常流体理论/ 30
2.3.2 Van der Pol（范德波尔）尾流振子模型/ 33
2.3.3 计算流体力学（CFD）理论/ 36
2.4 流固耦合问题研究的基本方法/ 43
2.5 本章小结/ 45
第3章 水下航行器舵系统振动特性仿真与分析46
3.1 引言/ 46
3.2 基于MSTMM 的舵系统建模/ 46
3.2.1 弯扭耦合梁建模/ 47
3.2.2 舵系统动力学模型/ 51
3.3 舵系统动力学参数确定方法/ 62
3.3.1 舵系统FEM建模/ 62
3.3.2 基于FEM的模型验证分析/ 63
3.3.3 基于FEM舵系统网格无关性验证/ 65
3.3.4 舵系统弯曲、扭转刚度参数获取/ 69
3.4 基于MSTMM的舵系统振动特性仿真/ 70
3.5 本章小结/ 75
第4章 水下航行器舵系统水弹性仿真与分析76
4.1 引言/ 76
4.2 基于MSTMM的舵系统水弹性计算/ 77
4.2.1 基于MSTMM的舵系统线性颤振模型频域分析/ 77
4.2.2 基于MSTMM的舵系统线性颤振模型时域分析/ 80
4.2.3 模型验证/ 81
4.2.4 基于MSTMM的舵系统水弹性计算/ 87
4.3 结构参数和间隙非线性对舵系统水弹性的影响规律/ 90
4.3.1 基于MSTMM的舵系统二元颤振模型建模方法和参数获取/ 90
4.3.2 舵系统的二元颤振模型建模/ 94
4.3.3 舵系统二元颤振模型建模合理性验证/ 98
4.3.4 计算结果分析/ 106
4.4 本章小结/ 113
第5章 柱体结构涡激振动仿真与分析114
5.1 引言/ 114
5.2 二维弹性支撑柱体涡激振动动力学模型/ 115
5.2.1 基于Van der Pol尾流振子模型的弹性支撑柱体VIV 模型/ 116
5.2.2 基于CFD模型的弹性支撑柱体VIV 建模与二次开发/ 119
5.3 二维弹性支撑柱体VIV机理/ 125
5.3.1 基于Van der Pol模型的弹性支撑柱体VIV 模型计算结果/ 125
5.3.2 基于CFD模型的弹性支撑柱体VIV 模型计算结果/ 126
5.4 三维柔性柱体涡激振动/ 132
5.4.1 三维RTP立管涡激振动/ 133
5.4.2 三维风力机塔筒涡激振动/ 142
5.5 本章小结/ 155
第6章 柱体结构涡激振动抑制方法及仿真157
6.1 引言/ 157
6.2 安装NES的二维弹性支撑柱体涡激振动减振/ 158
6.2.1 NES简介/ 158
6.2.2 基于Van der Pol尾流振子模型的R-NES减振/ 159
6.2.3 基于CFD模型的T-NES减振/ 170
6.2.4 基于Van der Pol尾流振子模型的T-NES涡振控制/ 180
6.3 安装螺旋列板的三维海洋立管涡激振动减振/ 187
6.3.1 基于CFD/FEM双向耦合的立管涡激振动模型验证/ 187
6.3.2 安装有螺旋列板的立管涡激振动响应/ 191
6.4 本章小结/ 195
第7章 弹箭单双向流固耦合仿真与分析196
7.1 引言/ 196
7.2 旋转弹箭空气动力学计算/ 197
7.2.1 M910和F4旋转弹箭计算参数/ 197
7.2.2 计算流场设置/ 199
7.2.3 气动特性计算公式/ 202
7.2.4 M910和F4旋转弹箭气动特性分析/ 203
7.3 火箭弹静气动弹性仿真计算/ 210
7.3.1 弹箭法向力分布数值计算/ 210
7.3.2 静气动弹性计算/ 212
7.4 火箭弹静气动热弹性仿真计算/ 225
7.4.1 静气动热弹性单向耦合计算方法/ 225
7.4.2 火箭弹静气动加热数值计算/ 227
7.4.3 火箭弹静气动热弹性分析/ 231
7.5 本章小结/ 233
参考文献234
现代航空、航天、船舶与海洋工程领域，航行器日益追求高速度、高机动性，工程装备追求轻质量、高性能，这些需求使得航行器以及工程装备呈现出轻结构、大柔性的特点。在流体的作用下，柔性结构会发生弹性变形，而结构变形又会改变流场分布，这种相互耦合作用使得柔性结构出现流固耦合振动，并逐渐达到平衡或者发散状态。一般情况下，振动平衡不会破坏结构，但振动发散会导致结构破坏。概括地讲，流固耦合动力学就是研究流体和结构相互耦合作用而产生的各种动力学问题。
以气体为流体介质的流固耦合问题被称为气动弹性问题；以水为流体介质的流固耦合问题被称为水弹性问题。许多气动弹性、水弹性问题涉及流体力、弹性力和惯性力，这类问题称为动气动弹性或者动水弹性问题；另外一些气动弹性、水弹性问题只涉及流体力和弹性力，称为静气动弹性或静水弹性问题。随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，流固耦合高保真仿真技术也得到了大力发展，但计算代价依然很高，计算非常耗时。因此，建立适用于工程实际的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意义。
本书基于笔者近些年发表的论文，并结合自己在流固耦合动力学领域的科研体会，以水下航行器舵系统、海洋立管、柱体结构、风力机柔塔、旋转弹箭为研究对象，介绍解决这些工程实际问题对应的流固耦合仿真方法。
全书框架的搭建、内容的编排和工程案例的选择由陈东阳完成，并由陈东阳统稿。展志焕（航天三院三部 北京机电工程研究所）参与本书第2、3章的编写，为多体系统动力学建模的校核及振动控制建模提供帮助；刘飞飞（北重集团南京研究院）、宋彦明（北重集团南京研究院）、刘俊民（北重集团南京研究院）参与本书第2、5、7章的编写；肖清（中国舰船研究设计中心）、方康（中国舰船研究设计中心）、郭为灿（中国舰船研究设计中心）参与本书的第2、3、4、5章的编写，同时为本书中舵系统建模提供模型和数据；顾超杰（扬州大学电气与能源动力工程学院）参与本书第5、6章的编写。
本书献给已经去世的南京理工大学发射动力学研究所的Laith K.Abbas教授。感谢国家自然科学基金（12002301）、江苏省自然科学基金（BK20190871）、北重集团南京研究院、扬州大学学科建设经费（流体动力与能源高效转化利用）的资助。
鉴于笔者水平有限，书中难免存在不当之处，恳请读者批评指正。
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