船舶运动数学模型

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页数:443
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出版时间:1999-4
价格:43.00元
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isbn号码:9787563211371
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具体描述

《船舶运动数学模型》 本书简介 《船舶运动数学模型》是一本面向船舶工程、海洋工程、自动控制以及相关领域的专业技术书籍。本书深入浅出地探讨了船舶在复杂水动力环境中的运动规律,并系统地介绍了用于描述和预测这些运动的数学模型。从基础的运动学和动力学原理出发,本书逐步构建起一套完整的船舶运动数学模型体系,为读者提供了一套强有力的分析和设计工具。 核心内容概览: 本书首先从船舶的几何形状和质量分布出发,建立船舶的参考坐标系,并详细阐述了描述船舶位置、姿态和速度的各种运动学变量,如经纬度、航向、艏向、升沉、横摇、纵摇、横移、纵荡、艏摇等。在此基础上,本书引入了牛顿-欧拉动力学方程,这是理解船舶运动的基础。通过对船舶受力分析,包括重力、浮力、阻力、推进力以及各类环境干扰力(如风、浪、流),本书详细推导了船舶在六自由度上的运动微分方程。 重点章节内容: 船舶运动学基础: 详细介绍了笛卡尔坐标系、体坐标系以及大地坐标系之间的转换关系,阐述了欧拉角、四元数等描述船舶姿态的方法,以及速度和角速度的定义。 水动力学原理与模型: 本章是本书的核心。我们将深入探讨流体对船舶作用力的来源,包括粘性阻力、势流阻力、附加质量、阻尼以及非线性水动力效应。本书将详细介绍不同航速、不同姿态下船舶所受到的各种水动力系数的计算方法,包括经验公式、理论计算和数值模拟(CFD)等手段。特别地,我们将着重讲解如何构建描述船舶在不同波浪谱下的响应模型,包括静水回复力、波浪力及其附加效应。 船舶运动微分方程: 基于水动力学原理,本书将船舶的运动表示为一组耦合的二阶常微分方程。我们将详细推导并展示如何求解这些方程,包括求解方法(如龙格-库塔法)以及数值计算的注意事项。 外部干扰力的建模: 除了水动力学效应,船舶的运动还受到风、流等外部环境因素的影响。本书将分别建立风力、流速对船舶运动的影响模型,并将其纳入到总的运动方程中,以提高模型的精确度和真实性。 船舶操纵性数学模型: 针对船舶的操纵运动,本书将构建专门的数学模型。这包括转向力矩、侧向力、螺旋桨推力随舵角和推进器转速的变化规律。通过这些模型,可以分析和预测船舶的转向性能、回转性能和蟹行性能。 船舶运动模拟与分析: 本章将结合实际案例,演示如何利用建立的数学模型进行船舶运动的计算机模拟。读者将学习如何通过软件实现模型的仿真,并对模拟结果进行分析,例如预测船舶在不同工况下的航行轨迹、姿态变化以及受控响应。 高级主题与前沿研究: 除了基础模型,本书还将涉及一些高级主题,如非常规船舶(如水翼船、地效翼船)的运动模型,以及对非线性水动力效应的进一步探讨,例如空化效应、粘性升力等。此外,本书还将对当前船舶运动数学模型的研究前沿进行介绍,为读者指明未来研究的方向。 本书特色: 系统性与完整性: 本书从基础概念到高级应用,构建了一个完整的船舶运动数学模型体系,为读者提供了系统化的学习路径。 理论与实践结合: 书中不仅包含了严谨的数学推导,还提供了丰富的工程实例和模拟方法,帮助读者将理论知识应用于实际问题。 前沿性: 本书紧跟学术研究的最新进展,介绍了当前船舶运动模型领域的热点和前沿技术。 面向读者: 本书适用于船舶与海洋工程专业的本科生、研究生,以及从事船舶设计、制造、航海、操纵、仿真和自动控制的工程师和研究人员。 通过研读《船舶运动数学模型》,读者将能够深刻理解船舶在水中的运动机理,掌握构建、求解和应用各类船舶运动数学模型的方法,为船舶的优化设计、高效操纵以及智能化控制提供坚实的理论基础和技术支撑。

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读后感

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用户评价

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这本书在内容上的深度和广度,无疑达到了一个相当高的水准。作者并没有停留在对基础理论的简单介绍,而是深入到船舶运动控制、稳定性和操纵性等更高级的领域。例如,在讨论船舶的稳定控制时,书中详细介绍了PID控制、模型预测控制(MPC)等先进的控制策略,并分析了这些策略在实际应用中的优势和挑战。书中还涉及了主动稳定装置(如减摇鳍)的建模和控制,以及如何利用数学模型来优化这些装置的设计和运行。更让我感到惊喜的是,书中还探讨了船舶在复杂环境下的行为,例如在港口内的拥挤水域、浅水区以及结冰水域的航行问题。作者通过引入流体动力学和结构力学等相关知识,构建了更全面的数学模型来描述这些复杂场景下的船舶运动。这种跨学科的整合能力,让这本书的价值远远超出了单纯的数学模型范畴,它融合了动力学、控制理论、流体力学、甚至一定程度的材料科学知识,为读者提供了一个系统而全面的视角来理解船舶的运动。

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这本书的可读性,远超出了我对一本专业船舶数学模型的预期。作者的文字功底相当扎实,语言生动而富有表现力,即使是面对那些通常被认为是枯燥乏味的数学推导和公式,也能用一种引人入胜的方式来呈现。例如,在解释“粘性阻力”的概念时,作者用了“像胶水一样粘着船体”这样的生动描述,让我瞬间就抓住了其物理本质。而且,书中大量的图表和插图,不仅仅是作为公式的补充,而是本身就具有很强的叙事性,能够帮助读者直观地理解复杂的概念。我特别喜欢书中对某些现象的“细节描写”,比如船舶在快速转弯时,船体两侧的水压分布是如何变化的,以及这种变化如何影响船体的倾斜和下沉。作者通过细致的描述,将这些抽象的物理过程变得栩栩如生。此外,书中还穿插了一些相关的历史故事和工程案例,这些内容虽然与核心的数学模型不是直接相关,但却极大地增强了阅读的趣味性,也让我对船舶工程的发展有了更深的感悟。我个人认为,一本好的科普或者学术书籍,应该兼顾深度和广度,同时还要具备一定的文学色彩,而这本书恰恰满足了这些条件。

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书中对于不同类型船只的运动特性差异化处理,这一点我特别欣赏。它并没有将所有船舶一概而论,而是深入分析了例如散货船、油轮、集装箱船、客船,甚至特种船舶(如破冰船、液化天然气船)在设计和航行过程中所面临的独特挑战,并据此构建了相应的数学模型。例如,在描述大型集装箱船的摇荡特性时,书中详细阐述了其高耸的甲板和集装箱的堆叠方式如何影响其在波浪中的响应,以及这些响应又如何反过来影响装载的稳定性。接着,它又对比了油轮在满载和压载状态下重心高度的变化,以及这种变化如何显著影响其稳性和运动响应。这种精细化的分类和分析,使得书中的内容更加贴近实际应用,也更加具有参考价值。我尤其对书中关于特种船舶的章节感到好奇,作者并没有简单地提及,而是深入探讨了这些船舶在极端环境下(如冰区航行)所需要考虑的特殊动力学问题,以及如何通过调整数学模型来模拟这些复杂的相互作用。这说明作者对船舶工程的理解是多维度的,不仅仅局限于理论的推演,更包含了对工程实践的深刻洞察。这种全面而深入的分析,让这本书不仅仅是一本枯燥的数学模型教材,更像是一部关于船舶动力学与工程应用的百科全书。

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这本书在理论讲解的严谨性方面,做得相当出色。每一个数学公式的推导过程都清晰明了,逻辑链条完整,没有出现任何跳跃性的步骤,让我能够完全跟得上作者的思路。即便是对于一些相对复杂的概念,作者也通过引入辅助性的图解和示意图,帮助我更好地理解其物理含义。例如,在解释“湿质量”(Added Mass)的概念时,作者并没有仅仅给出其定义,而是通过分析船舶在水中运动时,周围水体也会随之加速,从而产生一个额外的惯性力,并逐层剥离出这个力在数学模型中的具体表达形式。这种严谨的推导过程,让我对每一个数学参数的来源和意义都有了非常透彻的理解。此外,书中对所引用的理论基础和研究方法都给出了明确的出处,这体现了作者严谨的学术态度,也方便了有兴趣的读者进一步追溯和深入研究。我尤其注意到,在介绍一些前沿的船舶运动理论时,作者并没有照搬现有成果,而是对其进行了批判性的分析和总结,并提出了自己的独到见解。这种既尊重理论又勇于创新的精神,让我对这位作者的专业素养深感敬佩。这本书的理论深度和严谨性,绝对可以满足最挑剔的学术读者的需求。

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书中关于仿真模拟的部分,给我留下了极为深刻的印象。作者详细介绍了如何利用建立好的数学模型,通过计算机仿真来预测和分析船舶的运动状态。这一点对于实际的工程设计和运营具有极大的指导意义。书中列举了多个具体的仿真案例,从简单的直线加速运动,到复杂的港口靠泊操作,再到应对恶劣海况下的航行场景,都进行了详细的模拟过程展示。让我惊喜的是,书中不仅给出了仿真结果的图表,还对这些结果进行了深入的解读,分析了仿真结果与实际情况可能存在的偏差,并探讨了这些偏差产生的原因,以及如何通过优化模型参数或改进仿真算法来提高仿真的准确性。例如,在模拟船舶的操纵性时,书中对比了不同转向角度和舵角对船舶航迹的影响,并通过动画效果直观地展示了船舶的横移和转向特性。这种对仿真过程的细致讲解和结果分析,让我不仅学会了如何使用数学模型进行仿真,更理解了仿真的内在逻辑和局限性,这对于培养批判性思维和科学研究能力至关重要。我觉得,这本书在理论讲解之外,还非常注重实践操作层面的指导,这使得它在众多学术著作中脱颖而出,成为一本真正能够帮助读者解决实际问题的工具书。

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这本书的装帧设计我相当满意,封面选取了深邃的海洋蓝作为主色调,上边印着一艘经典帆船的剪影,夕阳的余晖恰到好处地洒在帆布上,营造出一种史诗般的宏大感,仿佛能闻到海风中夹杂的盐味和一丝若有若无的木头香气。纸张的质感也非常好,不是那种过于光滑的反光纸,而是略带磨砂感的哑光纸,摸上去温润细腻,翻阅时不会有刺耳的沙沙声,而是发出一种沉稳的“哗啦”声,给人一种厚重而可靠的感觉。书中章节的划分也很清晰,小标题的字体大小和颜色搭配得当,阅读起来非常舒适,不会出现眼睛疲劳的情况。更重要的是,排版布局考虑到了实际阅读的便利性,段落之间的留白适中,不会显得过于拥挤,文字的行间距也经过了精心调整,使得阅读体验更加流畅。我甚至注意到,在某些关键的图表和公式旁,作者还特意留出了一些空白区域,这大概是为了方便读者自行添加笔记或者心得体会吧,这种体贴的细节设计,足以见得作者和出版社在制作这本书时所付出的心血与匠心。我一直认为,一本优秀的图书,其内在的知识价值固然重要,但外在的呈现形式同样不容忽视,它直接影响着读者接触和学习知识的最初印象和持久体验。从这个角度来说,这本书无疑是成功的,它不仅仅是一本承载知识的载体,更像是一件精美的艺术品,让人爱不释手,也更容易激起我对书中内容的深入探索的欲望。这本书的外观,真的挑不出任何毛病,它完全符合了我对于一本专业学术书籍所能期待的最高标准,甚至可以说,它超越了我的预期。

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在书中对现有研究成果的梳理和评述方面,我感觉做得非常到位。作者并非孤立地呈现自己的模型,而是将其置于广阔的学术背景之下,清晰地阐述了前人在此领域所取得的成就,以及存在的不足和待解决的问题。这种“站在巨人肩膀上”的视角,让我能够更宏观地理解船舶运动数学模型的发展脉络,以及作者的贡献所在。书中引用了大量的经典文献和最新的研究论文,并对这些文献进行了有针对性的评价,指出了它们各自的优势和局限性,以及它们对当前研究的启发。例如,在介绍船舶的非线性运动特性时,作者详细回顾了不同学者提出的非线性建模方法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,最终引出了本书所采用或改进的模型。这种全面的文献综述,不仅节省了我大量查阅文献的时间,更重要的是,它帮助我建立了对整个研究领域的清晰认知,也让我能够更好地理解本书模型创新性的价值所在。我尤其欣赏书中对于不同模型之间进行比较和权衡的论述,作者并没有简单地肯定某个模型,而是根据不同的应用场景和精度要求,客观地分析了它们的优劣。

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书中对于模型验证和校准的论述,让我看到了作者严谨的科学态度。数学模型并非凭空产生,其有效性最终需要通过与实际数据的对比来验证。作者在这一部分花费了大量的笔墨,详细介绍了如何采集船舶的实际航行数据,例如GPS轨迹、船速、舵角、姿态传感器数据等,并阐述了如何利用这些数据来对模型进行校准和优化。书中列举了多种数据处理和分析方法,包括最小二乘法、最大似然估计等,并对这些方法的适用性和局限性进行了详细的解释。我印象最深刻的是,书中对于模型不确定性和误差分析的讨论。作者清楚地认识到,任何模型都无法完美地描述现实世界,因此,对模型的不确定性进行量化和评估,以及对模型预测结果的误差范围进行估计,都是至关重要的。书中详细介绍了如何通过蒙特卡洛模拟等方法来量化模型参数的不确定性,并将其传播到模型输出中,从而得到模型预测结果的置信区间。这种严谨的科学方法论,让我对书中模型的可靠性有了极大的信心,也为我将来在实际工作中进行模型应用提供了重要的指导。

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这本书给我的整体感觉是非常“扎实”和“有用”。每一页的内容都充满了作者严谨的思考和丰富的经验。它不是那种浮光掠影的介绍,而是深入骨髓的剖析。在阅读过程中,我能够清晰地感受到作者在船舶领域多年的积累和沉淀。书中提到的每一个公式,每一个论证,都经得起推敲。而且,作者在讲解过程中,始终将理论与实践紧密结合,很少有纯粹的理论空谈。他会告诉你,这个模型是如何在实际的船舶设计和航行中发挥作用的,会遇到哪些实际问题,以及如何去解决。例如,在讨论船舶的操纵性时,作者会详细介绍各种舵角和螺旋桨转速组合对船舶运动轨迹的影响,以及如何在实际操作中根据不同的工况进行最优化的控制。这种以解决实际问题为导向的写作风格,使得这本书对于船舶工程师、科研人员以及对船舶动力学感兴趣的学生来说,都具有极高的实用价值。我确信,这本书将成为我案头必备的参考书,并在我的学习和工作中发挥重要的作用。

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这本书在引入某个核心概念时,采用了非常巧妙的比喻手法,将抽象的数学原理具象化,让我这个非专业背景的读者也能迅速抓住要点。书中并非直接抛出复杂的数学公式,而是先从一个生动的场景切入,比如描绘一艘船在平静海面上航行的状态,然后逐步引入影响其运动的各种因素,例如风力、水流、船体结构等等。在解释这些因素如何转化为数学模型时,作者运用了一个非常有启发性的类比,将船体想象成一个在不同力场中运动的质点,而水的阻力则被类比为一种“黏性”的介质,它会根据物体的速度和形状产生相应的反作用力。这种循序渐进的讲解方式,极大地降低了理解门槛,让我感觉到作者非常懂得如何与读者沟通,而不是单纯地堆砌知识。更让我印象深刻的是,书中对于每一个数学模型参数的设定,都给出了详尽的物理意义解释,绝不是那种“你知道就行了”的敷衍,而是细致入微地分析了该参数是如何从实际的物理现象中提炼出来的,以及它在整个模型中所扮演的角色。例如,在解释船体的“阻尼系数”时,作者花费了大量的篇幅去分析不同船体形状、不同表面粗糙度对阻尼大小的影响,并通过图示清晰地展示了这些差异。这种严谨且富有启发性的论述方式,让我不仅理解了“是什么”,更理解了“为什么”,也让我对后续章节中更复杂的模型有了更强的信心去学习和掌握。

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