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商品簡介
作者簡介
名人/編輯推薦
序
目次
商品簡介
本書詳細介紹了流固耦合動力學中的若幹工程問題，如水下航行器舵系統、海洋立管、風力機柔塔、旋轉彈箭等工程結構的典型流固耦合動力學問題，涉及氣動彈性、水彈性、計算流體力學、結構動力學、多體系統動力學等學科知識。本書不僅介紹了基於商業軟件ANSYS的常規流固耦合方法，而且涵蓋了若幹基於多體系統傳遞矩陣法的流固耦合動力學最新成果。本書理論與實際工程緊密結合，並配有較多的實際工程算例，部分算例還直接提供了商業軟件二次開發程序、MATLAB仿真程序。
本書適合力學、海洋工程、兵器科學與技術、航空航天工程、土木工程等專業的高年級本科生、研究生和相關領域的工程技術人員使用。
本書適合力學、海洋工程、兵器科學與技術、航空航天工程、土木工程等專業的高年級本科生、研究生和相關領域的工程技術人員使用。
作者簡介
陳東陽，碩士研究生導師，墨爾本皇家理工大學航空工程學院訪問學者，仿真秀平臺優秀專欄作者。長期從事流固耦合動力學、振動控制、流動控制與減振降噪研究。主持包括國家自然科學基金在內的縱/橫向項目十餘項、發表SCI、EI等期刊檢索論文39篇、授權/受理專利27項、獲得軟件著作權8項。在仿真秀平臺開設流固耦合動力學仿真與工程應用等課程。
名人/編輯推薦
本書詳細介紹了流固耦合動力學中的若幹工程問題，內容涵蓋了水下航行器舵系統、海洋軟管、風力機柔塔、旋轉彈箭等工程結構的典型流固耦合動力學問題。涉及氣動彈性、水彈性、計算流體力學、結構動力學、多體系統動力學等學科知識。內容涵蓋了基於商業軟件 ANSYS 的常規流固耦合方法，也包括了若幹基於多體系統傳遞矩陣法的流固耦合動力學成果。本書理論與實際工程緊密結合，並配有較多的實際工程算例，部分算例在書中直接提供了商業軟件二次開發程序、MATLAB 仿真程序。本書有以下兩大特色：
（1） 本書建立了適用於工程使用的流固耦合快速建模和仿真方法，對工程實際應用有重要的指導意義；
（2）本書理論與實際工程緊密結合，並配有較多的實際工程蒜粒，部分算例提供了商業軟件二次開發程序、MATLAB仿真程序。
（1） 本書建立了適用於工程使用的流固耦合快速建模和仿真方法，對工程實際應用有重要的指導意義；
（2）本書理論與實際工程緊密結合，並配有較多的實際工程蒜粒，部分算例提供了商業軟件二次開發程序、MATLAB仿真程序。
序
現代航空、航天、船舶與海洋工程領域，航行器日益追求高速度、高機動性，工程裝備追求輕質量、高性能，這些需求使得航行器以及工程裝備呈現出輕結構、大柔性的特點。在流體的作用下，柔性結構會發生彈性變形，而結構變形又會改變流場分布，這種相互耦合作用使得柔性結構出現流固耦合振動，並逐漸達到平衡或者發散狀態。一般情況下，振動平衡不會破壞結構，但振動發散會導致結構破壞。概括地講，流固耦合動力學就是研究流體和結構相互耦合作用而產生的各種動力學問題。
以氣體為流體介質的流固耦合問題被稱為氣動彈性問題；以水為流體介質的流固耦合問題被稱為水彈性問題。許多氣動彈性、水彈性問題涉及流體力、彈性力和慣性力，這類問題稱為動氣動彈性或者動水彈性問題；另外一些氣動彈性、水彈性問題只涉及流體力和彈性力，稱為靜氣動彈性或靜水彈性問題。隨著計算機技術和數值計算方法的不斷發展，流固耦合高保真仿真技術也得到了大力發展，但計算代價依然很高，計算非常耗時。因此，建立適用於工程實際的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意義。
本書基於筆者近些年發表的論文，並結合自己在流固耦合動力學領域的科研體會，以水下航行器舵系統、海洋立管、柱體結構、風力機柔塔、旋轉彈箭為研究物件，介紹解決這些工程實際問題對應的流固耦合仿真方法。
全書框架的搭建、內容的編排和工程案例的選擇由陳東陽完成，並由陳東陽統稿。展志煥（航天三院三部 北京機電工程研究所）參與本書第2、3章的編寫，為多體系統動力學建模的校核及振動控制建模提供幫助；劉飛飛（北重集團南京研究院）、宋彥明（北重集團南京研究院）、劉俊民（北重集團南京研究院）參與本書第2、5、7章的編寫；肖清（中國艦船研究設計中心）、方康（中國艦船研究設計中心）、郭為燦（中國艦船研究設計中心）參與本書的第2、3、4、5章的編寫，同時為本書中舵系統建模提供模型和數據；顧超杰（揚州大學電氣與能源動力工程學院）參與本書第5、6章的編寫。
本書獻給已經去世的南京理工大學發射動力學研究所的Laith K.Abbas教授。感謝國家自然科學基金（12002301）、江蘇省自然科學基金（BK20190871）、北重集團南京研究院、揚州大學學科建設經費（流體動力與能源高效轉化利用）的資助。
鑒於筆者水平有限，書中難免存在不當之處，懇請讀者批評指正。
著者
以氣體為流體介質的流固耦合問題被稱為氣動彈性問題；以水為流體介質的流固耦合問題被稱為水彈性問題。許多氣動彈性、水彈性問題涉及流體力、彈性力和慣性力，這類問題稱為動氣動彈性或者動水彈性問題；另外一些氣動彈性、水彈性問題只涉及流體力和彈性力，稱為靜氣動彈性或靜水彈性問題。隨著計算機技術和數值計算方法的不斷發展，流固耦合高保真仿真技術也得到了大力發展，但計算代價依然很高，計算非常耗時。因此，建立適用於工程實際的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意義。
本書基於筆者近些年發表的論文，並結合自己在流固耦合動力學領域的科研體會，以水下航行器舵系統、海洋立管、柱體結構、風力機柔塔、旋轉彈箭為研究物件，介紹解決這些工程實際問題對應的流固耦合仿真方法。
全書框架的搭建、內容的編排和工程案例的選擇由陳東陽完成，並由陳東陽統稿。展志煥（航天三院三部 北京機電工程研究所）參與本書第2、3章的編寫，為多體系統動力學建模的校核及振動控制建模提供幫助；劉飛飛（北重集團南京研究院）、宋彥明（北重集團南京研究院）、劉俊民（北重集團南京研究院）參與本書第2、5、7章的編寫；肖清（中國艦船研究設計中心）、方康（中國艦船研究設計中心）、郭為燦（中國艦船研究設計中心）參與本書的第2、3、4、5章的編寫，同時為本書中舵系統建模提供模型和數據；顧超杰（揚州大學電氣與能源動力工程學院）參與本書第5、6章的編寫。
本書獻給已經去世的南京理工大學發射動力學研究所的Laith K.Abbas教授。感謝國家自然科學基金（12002301）、江蘇省自然科學基金（BK20190871）、北重集團南京研究院、揚州大學學科建設經費（流體動力與能源高效轉化利用）的資助。
鑒於筆者水平有限，書中難免存在不當之處，懇請讀者批評指正。
著者
目次
第1章 流固耦合工程問題概論1
1.1 流固耦合工程問題發展現狀/ 4
1.2 水下航行器舵系統水彈性振動發展現狀/ 6
1.3 海洋立管渦激振動發展現狀/ 8
1.4 風力機柔塔橫風向渦激振動發展現狀/ 11
1.5 旋轉彈箭流固耦合發展現狀/ 13
1.6 柔性結構流固耦合研究存在的問題及解決方法/ 16
第2章 流固耦合問題的基本理論與方法19
2.1 引言/ 19
2.2 多體系統動力學求解方法/ 20
2.2.1 多體系統傳遞矩陣法基本理論/ 20
2.2.2 有限元法（FEM）基本理論/ 26
2.3 流體載荷求解方法/ 30
2.3.1 Theodorsen非定常流體理論/ 30
2.3.2 Van der Pol（範德波爾）尾流振子模型/ 33
2.3.3 計算流體力學（CFD）理論/ 36
2.4 流固耦合問題研究的基本方法/ 43
2.5 本章小結/ 45
第3章 水下航行器舵系統振動特性仿真與分析46
3.1 引言/ 46
3.2 基於MSTMM 的舵系統建模/ 46
3.2.1 彎扭耦合梁建模/ 47
3.2.2 舵系統動力學模型/ 51
3.3 舵系統動力學參數確定方法/ 62
3.3.1 舵系統FEM建模/ 62
3.3.2 基於FEM的模型驗證分析/ 63
3.3.3 基於FEM舵系統網格無關性驗證/ 65
3.3.4 舵系統彎曲、扭轉剛度參數獲取/ 69
3.4 基於MSTMM的舵系統振動特性仿真/ 70
3.5 本章小結/ 75
第4章 水下航行器舵系統水彈性仿真與分析76
4.1 引言/ 76
4.2 基於MSTMM的舵系統水彈性計算/ 77
4.2.1 基於MSTMM的舵系統線性顫振模型頻域分析/ 77
4.2.2 基於MSTMM的舵系統線性顫振模型時域分析/ 80
4.2.3 模型驗證/ 81
4.2.4 基於MSTMM的舵系統水彈性計算/ 87
4.3 結構參數和間隙非線性對舵系統水彈性的影響規律/ 90
4.3.1 基於MSTMM的舵系統二元顫振模型建模方法和參數獲取/ 90
4.3.2 舵系統的二元顫振模型建模/ 94
4.3.3 舵系統二元顫振模型建模合理性驗證/ 98
4.3.4 計算結果分析/ 106
4.4 本章小結/ 113
第5章 柱體結構渦激振動仿真與分析114
5.1 引言/ 114
5.2 二維彈性支撐柱體渦激振動動力學模型/ 115
5.2.1 基於Van der Pol尾流振子模型的彈性支撐柱體VIV 模型/ 116
5.2.2 基於CFD模型的彈性支撐柱體VIV 建模與二次開發/ 119
5.3 二維彈性支撐柱體VIV機理/ 125
5.3.1 基於Van der Pol模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結果/ 125
5.3.2 基於CFD模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結果/ 126
5.4 三維柔性柱體渦激振動/ 132
5.4.1 三維RTP立管渦激振動/ 133
5.4.2 三維風力機塔筒渦激振動/ 142
5.5 本章小結/ 155
第6章 柱體結構渦激振動抑制方法及仿真157
6.1 引言/ 157
6.2 安裝NES的二維彈性支撐柱體渦激振動減振/ 158
6.2.1 NES簡介/ 158
6.2.2 基於Van der Pol尾流振子模型的R-NES減振/ 159
6.2.3 基於CFD模型的T-NES減振/ 170
6.2.4 基於Van der Pol尾流振子模型的T-NES渦振控制/ 180
6.3 安裝螺旋列板的三維海洋立管渦激振動減振/ 187
6.3.1 基於CFD/FEM雙向耦合的立管渦激振動模型驗證/ 187
6.3.2 安裝有螺旋列板的立管渦激振動響應/ 191
6.4 本章小結/ 195
第7章 彈箭單雙向流固耦合仿真與分析196
7.1 引言/ 196
7.2 旋轉彈箭空氣動力學計算/ 197
7.2.1 M910和F4旋轉彈箭計算參數/ 197
7.2.2 計算流場設置/ 199
7.2.3 氣動特性計算公式/ 202
7.2.4 M910和F4旋轉彈箭氣動特性分析/ 203
7.3 火箭彈靜氣動彈性仿真計算/ 210
7.3.1 彈箭法向力分布數值計算/ 210
7.3.2 靜氣動彈性計算/ 212
7.4 火箭彈靜氣動熱彈性仿真計算/ 225
7.4.1 靜氣動熱彈性單向耦合計算方法/ 225
7.4.2 火箭彈靜氣動加熱數值計算/ 227
7.4.3 火箭彈靜氣動熱彈性分析/ 231
7.5 本章小結/ 233
參考文獻234
1.1 流固耦合工程問題發展現狀/ 4
1.2 水下航行器舵系統水彈性振動發展現狀/ 6
1.3 海洋立管渦激振動發展現狀/ 8
1.4 風力機柔塔橫風向渦激振動發展現狀/ 11
1.5 旋轉彈箭流固耦合發展現狀/ 13
1.6 柔性結構流固耦合研究存在的問題及解決方法/ 16
第2章 流固耦合問題的基本理論與方法19
2.1 引言/ 19
2.2 多體系統動力學求解方法/ 20
2.2.1 多體系統傳遞矩陣法基本理論/ 20
2.2.2 有限元法（FEM）基本理論/ 26
2.3 流體載荷求解方法/ 30
2.3.1 Theodorsen非定常流體理論/ 30
2.3.2 Van der Pol（範德波爾）尾流振子模型/ 33
2.3.3 計算流體力學（CFD）理論/ 36
2.4 流固耦合問題研究的基本方法/ 43
2.5 本章小結/ 45
第3章 水下航行器舵系統振動特性仿真與分析46
3.1 引言/ 46
3.2 基於MSTMM 的舵系統建模/ 46
3.2.1 彎扭耦合梁建模/ 47
3.2.2 舵系統動力學模型/ 51
3.3 舵系統動力學參數確定方法/ 62
3.3.1 舵系統FEM建模/ 62
3.3.2 基於FEM的模型驗證分析/ 63
3.3.3 基於FEM舵系統網格無關性驗證/ 65
3.3.4 舵系統彎曲、扭轉剛度參數獲取/ 69
3.4 基於MSTMM的舵系統振動特性仿真/ 70
3.5 本章小結/ 75
第4章 水下航行器舵系統水彈性仿真與分析76
4.1 引言/ 76
4.2 基於MSTMM的舵系統水彈性計算/ 77
4.2.1 基於MSTMM的舵系統線性顫振模型頻域分析/ 77
4.2.2 基於MSTMM的舵系統線性顫振模型時域分析/ 80
4.2.3 模型驗證/ 81
4.2.4 基於MSTMM的舵系統水彈性計算/ 87
4.3 結構參數和間隙非線性對舵系統水彈性的影響規律/ 90
4.3.1 基於MSTMM的舵系統二元顫振模型建模方法和參數獲取/ 90
4.3.2 舵系統的二元顫振模型建模/ 94
4.3.3 舵系統二元顫振模型建模合理性驗證/ 98
4.3.4 計算結果分析/ 106
4.4 本章小結/ 113
第5章 柱體結構渦激振動仿真與分析114
5.1 引言/ 114
5.2 二維彈性支撐柱體渦激振動動力學模型/ 115
5.2.1 基於Van der Pol尾流振子模型的彈性支撐柱體VIV 模型/ 116
5.2.2 基於CFD模型的彈性支撐柱體VIV 建模與二次開發/ 119
5.3 二維彈性支撐柱體VIV機理/ 125
5.3.1 基於Van der Pol模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結果/ 125
5.3.2 基於CFD模型的彈性支撐柱體VIV 模型計算結果/ 126
5.4 三維柔性柱體渦激振動/ 132
5.4.1 三維RTP立管渦激振動/ 133
5.4.2 三維風力機塔筒渦激振動/ 142
5.5 本章小結/ 155
第6章 柱體結構渦激振動抑制方法及仿真157
6.1 引言/ 157
6.2 安裝NES的二維彈性支撐柱體渦激振動減振/ 158
6.2.1 NES簡介/ 158
6.2.2 基於Van der Pol尾流振子模型的R-NES減振/ 159
6.2.3 基於CFD模型的T-NES減振/ 170
6.2.4 基於Van der Pol尾流振子模型的T-NES渦振控制/ 180
6.3 安裝螺旋列板的三維海洋立管渦激振動減振/ 187
6.3.1 基於CFD/FEM雙向耦合的立管渦激振動模型驗證/ 187
6.3.2 安裝有螺旋列板的立管渦激振動響應/ 191
6.4 本章小結/ 195
第7章 彈箭單雙向流固耦合仿真與分析196
7.1 引言/ 196
7.2 旋轉彈箭空氣動力學計算/ 197
7.2.1 M910和F4旋轉彈箭計算參數/ 197
7.2.2 計算流場設置/ 199
7.2.3 氣動特性計算公式/ 202
7.2.4 M910和F4旋轉彈箭氣動特性分析/ 203
7.3 火箭彈靜氣動彈性仿真計算/ 210
7.3.1 彈箭法向力分布數值計算/ 210
7.3.2 靜氣動彈性計算/ 212
7.4 火箭彈靜氣動熱彈性仿真計算/ 225
7.4.1 靜氣動熱彈性單向耦合計算方法/ 225
7.4.2 火箭彈靜氣動加熱數值計算/ 227
7.4.3 火箭彈靜氣動熱彈性分析/ 231
7.5 本章小結/ 233
參考文獻234
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