具体描述
《船舶与海洋工程专业规划教材·海洋工程水动力学试验研究》介绍船舶与海洋工程结构物在海洋风、浪、流环境条件作用下水动力性能的模型试验研究方法及相关理论。主要内容包括：海洋油气开发与海洋平台简介；海洋工程水动力模型试验的历史沿革、作用，国内外水池及其主要设施，水动力学基础；模型制作及海洋环境条件模拟的方法和理论；测量仪器的分类、标定及模型测试校验；模型在风、浪、流中的各种试验内容与方法；试验数据的处理与分析；试验研究项目的实施规程；深海平台模型试验技术概述。
好的，这是一本名为《深海工程结构物非线性动力学分析与响应预测》的图书简介，旨在涵盖海洋工程领域内与您所提及的“海洋工程水动力学试验研究”主题相区别，侧重于理论分析和数值模拟的深度研究。 --- 深海工程结构物非线性动力学分析与响应预测 内容提要 本书聚焦于当代深海工程领域面临的关键挑战——复杂海洋环境载荷作用下，深海结构物（如深水系泊系统、海底管道、浮式生产储卸装置FLNG、深海采矿设备等）的非线性动力学响应及其可靠性预测。区别于侧重于物理模型缩尺试验的传统水动力学研究范式，本书的核心在于构建高保真度的多物理场耦合的数值模型，深入剖析结构-流体-土壤（或系泊缆索）相互作用的非线性机制，并提出先进的计算方法用于高置信度的动态响应预测。 全书涵盖了从基础理论构建到复杂系统仿真的完整流程，特别强调了材料的非线性特性、大变形效应、以及海洋环境（如极端波浪、洋流、冰载荷、地震动）的随机性与时变性在结构动力响应中的耦合影响。本书力求为海洋工程结构的设计、评估与优化提供坚实的理论基础和高效的仿真工具。 --- 第一部分：深海非线性动力学基础与环境载荷建模 本部分奠定了深海工程结构物进行精确动力学分析所需的理论框架和环境输入模型。 第一章：深海结构物动力学基础回顾与非线性源识别 本章首先回顾了经典的线性振动理论在深海环境下的局限性，重点分析了导致非线性的主要物理根源： 几何非线性： 浮式结构物的大幅漂移、系泊缆索的几何柔性、以及海底管道的大转角效应。 材料非线性： 高强度钢材在屈服极限附近以及疲劳累积后的本构关系演变。 流固耦合（FSI）中的非线性： 绕流分离、涡旋脱落引起的非定常水动力载荷的复杂性，以及结构物运动对周围流场的影响的反馈。 第二章：极端海洋环境载荷的随机过程建模 深入探讨用于深海结构物分析的复杂环境载荷的数学描述方法，摈弃传统的单向或简单的叠加模型： 复合海洋载荷的联合概率模型： 建立极端风、浪、流（特别是深水涡流）在不同重现期下的联合概率分布，强调非同步性和空间相关性。 非线性波浪理论的工程应用： 介绍高阶谱方法（如Higher-Order Spectral Method, HOS）和数值流体力学（CFD）结果反演出的非线性波形对冲击载荷（如波浪冲击、绿水载荷）的精确刻画。 随机地震动与海底土体动力响应的耦合输入： 针对海底固定结构或脐带缆系统，引入地震激励的时空分布特性及其在海底土体中的传播和放大效应。 第三章：广义势流理论与粘性流体效应的数值模拟 本章详细阐述了描述水动力载荷的先进数值方法，侧重于捕捉非线性流体现象： 基于边界元法（BEM）的快速势流分析： 探讨如何利用快速多极展开等技术加速大型、多体系统在浅水/深水条件下的自由面效应和散射/绕射问题。 高保真度的全粘性流体动力计算（CFD）： 介绍基于有限体积法（FVM）的RANS（雷诺平均纳维-斯托克斯）方程求解器在模拟复杂几何体周围的湍流边界层、尾流演化以及分离流体对结构物运动的阻尼和增生惯性效应。 动网格技术与流固耦合接口处理： 讨论ALE（任意拉格朗日-欧拉）和浸入式边界法（IBM）在处理结构大变形与自由面相互作用时的稳定性与计算效率。 --- 第二部分：深海系统非线性动力响应分析与系统集成 本部分将分析不同深海工程子系统（结构、系泊、海底管线）的特有非线性动力学挑战，并探讨系统级的耦合分析方法。 第四章：浮式结构物的大自由度非线性运动与系泊系统耦合 本书对浮式结构（如SPAR、TLP、FPSO）的分析不再局限于小的摄动，而是关注其全范围运动响应： 非线性运动方程的建立： 采用广义坐标法或坐标变换，推导包含二次和三次非线性恢复力的完整运动方程。 系泊与脐带缆的非线性建模： 重点分析缆索的柔性、铺设过程中的张力变化、以及在极端载荷下缆索的几何非线性（大变形）和材料非线性（蠕变与滞后）对平台整体稳定性的反馈。 海洋环境与运动的反馈机制： 结合CFD/BEM结果，分析结构物运动如何改变局部水动力作用（如动水压力非线性放大效应）。 第五章：海底管道的非线性屈曲、接触与疲劳动力学 海底管道系统因其长跨度特性和与复杂海底的交互，呈现出独特的非线性动力学行为： 管道-土壤相互作用（PSSI）的非线性本构： 详细阐述零间隙模型、弹簧阻尼单元模型以及全耦合有限元模型在描述管道与非均匀海底（如沙层、岩石层）接触时的非线性刚度与阻尼特性。 波浪诱发的局部非线性振动与屈曲： 分析强潮流与波浪共同作用下，悬跨段管道的横向振动、涡激振动（VIV）的非线性演化，以及应力集中导致的局部屈曲风险。 管内流体动力学的考虑： 针对输送流体，引入流固耦合的动量交换模型，分析瞬时压力波对管道动态响应的影响。 第六章：复杂深海系统（如深海采矿系统）的多体耦合动力学 针对新兴的深海采矿系统（RISER、提升泵系统、底盘），本书探讨如何进行多体、多域的非线性耦合仿真： 多刚体动力学（MBD）与FEM的集成： 如何在统一的求解框架下，精确连接刚性或柔性主体（如提升立管）与柔性系泊/支撑系统。 多物理场耦合的系统级稳定性分析： 考虑热（如热流体输送）、电磁（如驱动系统）与机械振动之间的微弱耦合，评估系统在长期运行中的耦合稳定性。 --- 第三部分：响应预测、不确定性量化与可靠性评估 本部分将研究如何利用先进的数值模拟结果，进行工程可靠性指标的推导和优化。 第七章：非线性响应的降阶模型与高效计算策略 鉴于全尺寸非线性仿真的巨大计算成本，本章着重于效率提升： 模态叠加法的非线性修正： 基于线性模态展开，结合降阶卡尔曼滤波或适当正交法，处理系统的模态耦合项。 应用孤子理论与周期解搜索： 在特定工况下（如固定频率的激励），利用非线性动力学特有的周期解（如Poincaré截面分析）来预测长期响应。 基于机器学习的响应代理模型（Surrogate Models）： 利用高保真CFD/FEM数据训练神经网络模型，实现对极端载荷下结构响应的快速预测，以满足快速迭代设计需求。 第八章：不确定性量化（UQ）与结构系统可靠性分析 将环境不确定性和模型不确定性引入非线性动力学分析： 基于蒙特卡洛模拟的可靠性分析（MCS）： 针对非线性系统，实施大规模的随机抽样，量化系统失效概率。 高维不确定性降维方法： 应用概率代理模型（如多项式混沌展开PCE）来处理多参数输入（如流体粘度、土壤参数、结构阻尼）对非线性响应的影响。 极限状态函数与性能指标的建立： 根据结构失效模式（如疲劳累积、极限强度破坏），建立精确的非线性极限状态函数，并据此评估结构的剩余寿命和设计裕度。 --- 结论与展望 本书总结了当前深海结构物非线性动力学分析的技术前沿，并展望了未来在实时间隙数据驱动的损伤识别、高精度水动力参数识别以及自适应主动减振控制系统等方向的发展潜力。本书内容高度侧重于数值模拟、理论推导和复杂耦合分析，是对传统“水动力学试验研究”的有力补充和深化。
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