水弹性理论及其在超大型浮式结构物上的应用

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出版者:上海交通大学出版社
作者:崔维成
出品人:
页数:476
译者:
出版时间:2007-3
价格:58.00元
装帧:
isbn号码:9787313046260
丛书系列:
图书标签:
  • 水弹性理论
  • 浮式结构
  • 海洋工程
  • 结构力学
  • 数值计算
  • 水动力学
  • 波浪力
  • 大型结构
  • 船舶工程
  • 有限元分析
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具体描述

With the fast increase of the population on earth, the supply of resources from land is approaching the limit. More and more people have realized that in order to achieve a sustainable economic development, the resources in the ocean have to be relied on. This is because in the wide ocean whose area exceeds more than two thirds of the earth surface, there exist very rich resources such as sea chemical elements, minerals under the bottom, tidy energy and ocean biological resources.

  The 21st century is a century of ocean. Many new industries such as ocean oil and gas, ocean chemical industry, deepsea mining will be formed. In the exploitation of ocean resources and in the utilization of ocean spaces, the international marine community renewed the interest in studying the feasibility of using very large floating structures (VLFS). In order to ensure their safety at sea, their structural responses in the sea are of particular importance. This is fundamentally a hydroelasticity problem. Due to their extreme large sizes, it is a great challenge both in theory and computational efficiency.

《水弹性理论及其在超大型浮式结构物上的应用》 这是一本深入探讨水弹性理论核心概念及其在现代工程领域——特别是超大型浮式结构物(Very Large Floating Structures, VLFS)设计与分析中的实际应用的专业学术著作。本书系统梳理了水弹性理论的发展脉络,从其基础的流体力学原理出发,逐步深入到复杂的数学模型和数值计算方法,为读者构建起一个扎实的理论框架。 内容概述: 本书共分为几个主要部分,旨在为读者提供一个全面而深入的视角。 第一部分:水弹性理论基础 流体力学基础回顾: 本章首先简要回顾了与水弹性相关的基础流体力学知识,包括流体动力学方程(如纳维-斯托克斯方程)、势流理论、线性波浪理论以及非线性波浪效应等。重点阐述了流体与弹性体相互作用的物理机制,为后续复杂问题的分析奠定基础。 弹性体动力学: 详细介绍了弹性体的运动学和动力学原理,包括弹性力学的基础、结构振动理论、模态分析等。特别关注了连续弹性体的运动方程推导,以及在外部载荷作用下的响应分析。 波浪载荷理论: 深入探讨了波浪对浮体结构产生的作用力,包括浪压、增阻、升力以及力矩等。介绍了Morison方程、Bonnet方程等经典的波浪载荷模型,并讨论了其适用范围和局限性。同时,也引入了更先进的基于势流理论的波浪载荷计算方法,如BEM(边界元法)和FEM(有限元法)在波浪载荷分析中的应用。 水弹性耦合方程: 这是本书的核心内容之一。详细阐述了如何将流体力学和弹性体动力学方程进行耦合,形成描述波浪-结构相互作用的水弹性方程组。重点介绍了二维和三维水弹性模型,包括自由表面边界条件、结构边界条件以及流固耦合边界条件的数学表述。 求解方法与数值技术: 针对复杂的水弹性方程组,本书介绍了多种求解方法,包括解析解方法(仅适用于简化模型)和数值解方法。重点介绍了在水弹性分析中常用的数值技术,如有限元方法(FEM)、边界元方法(BEM)、有限差分方法(FDM)以及它们与其他数值技术(如谱方法、快速傅里叶变换)的结合应用。对各种数值方法的原理、优缺点以及在不同问题中的适用性进行了详细的比较和分析。 第二部分:超大型浮式结构物(VLFS)的特性与挑战 VLFS的概念与类型: 详细介绍了超大型浮式结构物的定义、发展历程以及其在海洋工程领域的应用前景,如海上机场、能源平台、交通枢纽、商业综合体等。梳理了VLFS的不同类型,包括箱型(Box-type)、弹体型(Spars)、半潜型(Semi-submersibles)以及船体型(Ship-type)VLFS,并分析了它们各自的结构特点和设计理念。 VLFS面临的挑战: 深入分析了VLFS在设计和建造过程中所面临的独特挑战,包括其巨大的尺寸带来的结构刚度问题、在海洋环境中承受的复杂载荷(波浪、风、流、冰载荷等)、结构变形对工作性能的影响、以及长期运营的可靠性与维护问题。 VLFS的结构响应特点: 重点分析了VLFS与传统船舶和平台在结构响应上的显著差异。由于其尺寸巨大,VLFS在波浪中的运动特性和变形模式与小型浮体存在本质区别,例如,长波对VLFS的激励作用更为显著,结构内部的弯曲和剪切变形成为关键因素。本书将详细分析VLFS在不同波浪条件下的模态响应,如垂荡、纵摇、横摇、节点线运动以及结构变形等。 第三部分:水弹性理论在VLFS应用中的具体问题与研究 VLFS的波浪响应分析: 本章将水弹性理论的核心方法应用于VLFS的波浪响应分析。详细介绍如何建立VLFS的精细化水弹性模型,包括结构几何建模、材料属性定义、以及流体域的划分和边界条件的设置。重点讲解如何利用所介绍的数值方法计算VLFS在规则波和不规则波中的运动响应(RAOs)和结构内力。 VLFS的水弹性耦合效应分析: 深入探讨了结构变形对波浪载荷反作用的增强效应,即“水弹性耦合效应”。分析了结构变形如何改变其周围流场,进而影响所受波浪力,形成一个反馈回路。重点研究了在特定条件下(如结构共振)可能出现的显著水弹性效应,并分析了这种效应对VLFS整体性能和安全性的影响。 VLFS的结构动力学稳定性: 关注VLFS在极端波浪条件下的动力学稳定性问题,特别是与水弹性效应相关的稳定性。分析了可能出现的失稳模式,如漂移、倾覆或结构破坏。介绍了评估VLFS水弹性稳定性的方法和准则。 VLFS的减摇与减振技术: 基于水弹性理论,本书探讨了用于改善VLFS性能的减摇和减振技术。例如,对浮箱形状的优化设计、压载水系统的应用、以及主动和被动减摇装置(如减摇鳍、阻尼器)的设计与分析。详细阐述了这些技术如何通过改变结构的动力学特性来抑制不良的波浪响应。 VLFS的载荷与疲劳评估: 结合水弹性分析结果,本书讨论了如何进行VLFS的载荷评估和疲劳寿命预测。分析了不同波浪谱和海况下VLFS的载荷分布,以及结构关键部位的应力集中情况。基于水弹性理论计算出的详细载荷信息,能够更准确地进行疲劳损伤累积计算,为VLFS的结构设计提供重要的依据。 前沿研究与未来展望: 本章简要介绍了当前水弹性理论在VLFS应用研究中的前沿动态,包括对非线性效应的深入研究、多体耦合分析、以及与先进材料和智能控制技术的结合。展望了未来VLFS设计与分析的发展趋势,以及水弹性理论将在其中扮演的关键角色。 本书特点: 理论与实践相结合: 本书不仅深入阐述了水弹性理论的数学和物理基础,还将其与VLFS的实际工程应用紧密结合,通过详细的案例分析和计算实例,展示了理论方法解决实际工程问题的能力。 内容全面且系统: 覆盖了水弹性理论从基础概念到前沿应用的完整链条,为研究人员、工程师和相关专业学生提供了一个系统性的学习平台。 强调数值方法: 重点介绍了在VLFS分析中广泛应用的各类数值计算方法,为读者掌握现代海洋工程软件的应用和开发提供了理论指导。 深入分析VLFS独特性: 充分考虑了VLFS作为一种特殊结构形式的独特性,深入分析了其在水弹性方面的特有表现和挑战。 《水弹性理论及其在超大型浮式结构物上的应用》是一本不可多得的参考书,对于希望在海洋工程、船舶与结构工程、土木工程等领域进行研究和实践的专业人士,以及对前沿浮体结构技术感兴趣的读者而言,具有极高的学术价值和指导意义。

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用户评价

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这本书的视角非常开阔,它不仅仅停留在对现有理论的复述上,更重要的是对未来发展趋势的把握和前瞻性思考。书中对于新型阻尼机制和先进控制策略的讨论,展现了作者站在行业前沿的洞察力。我特别留意了关于非线性水弹性效应的那几章,这部分内容处理得非常精妙,作者没有回避复杂性,而是坦诚地展示了在高振幅、大位移工况下,传统线性模型失效的原因和新的求解思路。这对我启发很大,因为它促使我重新审视目前我们团队正在进行的一个深海系泊系统稳定性项目中的假设前提。此外,作者对数值模拟方法的介绍也十分详尽,从有限元到边界元方法的适用性分析,都提供了极为中肯的建议。这表明作者不仅是理论家,更是实践者,深知不同计算方法在工程实现中的优缺点。这本书真正做到了理论与工程实践的完美结合,对于希望将研究成果转化为实际工程方案的工程师群体来说,价值无可估量。

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这本书的封面设计得非常具有现代感,深邃的蓝色背景上跃动着流动的线条,仿佛在暗示着流体力学和结构动力学的复杂交织。刚拿到手的时候,我就被它的专业性和深度所吸引。作为一名长期关注海洋工程和土木结构领域的研究人员,我对这类跨学科的著作总是抱有很高的期待。我注意到作者在引言部分就清晰地阐述了研究的背景和重要性,尤其是在当前全球气候变化背景下,对于超大型浮式结构物(如海上城市、深海平台等)的稳定性和耐久性提出了更高的要求。书中对传统流体力学理论的梳理非常扎实,特别是对波浪作用下结构物响应的经典模型进行了深入的剖析,这为后续深入探讨“水弹性”这一核心概念奠定了坚实的基础。我尤其欣赏作者在理论推导过程中所展现出的严谨性,大量的数学公式和图表清晰地展示了从基本方程到复杂模型建立的全过程,这对于希望深入理解其背后物理机制的读者来说,无疑是一份宝贵的资源。整体来看,这本书的学术水准非常高,适合有一定数学和工程背景的专业人士阅读和参考。

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这本书的语言风格总体上是严谨、精确的,但又不失一种沉稳的学术魅力。我留意到作者在阐述一些概念时,会巧妙地穿插一些历史典故或早期科学家的贡献,这使得原本可能略显枯燥的公式推导过程,变得有血有肉,充满了人文关怀。例如,在介绍第一个成功建立水弹性模型的先驱工作时,作者的笔调中流露出对科学探索精神的推崇。这种叙事方式极大地提升了阅读体验,让我感到自己不是在被动接受知识,而是在参与一场与前人智慧的对话。尽管技术细节非常密集,但作者始终保持着对核心物理问题的关注,确保读者不会在复杂的数学符号中迷失方向。这本书的出版,无疑是为海洋工程结构分析领域贡献了一部里程碑式的作品,它不仅是理论的集大成者,更是对未来工程挑战的有力回应。

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阅读完大半部分后,我最大的感受是作者在构建知识体系上的匠心独运。这本书的结构就像一座设计精良的大坝,每一个部分都承载着特定的功能,相互支撑,共同抵抗巨大的理论“水压”。尤其是关于环境荷载参数识别和不确定性分析的那部分内容,处理得极为专业且细腻。在工程实践中,环境参数的波动性往往是导致结构失效的主要原因之一,这本书没有简单地给出理想化的解,而是深入探讨了如何量化这种不确定性,并将其纳入到水弹性分析的框架内。这对于风险评估和结构可靠性设计至关重要。书中的参考文献列表也极为丰富和权威,涵盖了近几十年来的重要文献,这为读者提供了深入探索相关子领域的清晰路径。可以预见,这本书将会成为未来很长一段时间内,该研究方向的必备参考手册,其内容的深度和广度远超同类教材。

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初读这本书的章节安排,我感受到了一种循序渐进的逻辑美感。它并非堆砌高深的理论,而是像一位经验丰富的工程师在带领你逐步攻克难题。从基础的流体动力学理论铺陈开来,逐步引入水弹性这一特定领域的考量,这一点设计得非常巧妙。例如,书中对湿表面积分的计算方法进行了详尽的讲解,这是理解水动力载荷与结构变形相互作用的关键一步。我发现作者在讲解过程中,非常注重结合实际工程案例来佐证理论的有效性。这种“理论指导实践,实践反哺理论”的论述方式,极大地增强了教材的可读性和实用性。对于我个人而言,以往在处理这类复杂耦合问题时,常常感到理论和实际应用之间存在一定的鸿沟,而这本书似乎很好地弥合了这一差距。书中的配图质量也令人称赞,不仅清晰,而且往往能用最简洁的图形语言解释最复杂的物理现象,这无疑是学习过程中的一大助力。

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