Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Fossen, Thor I.

出品人:

页数:596

译者:

出版时间:2011-5

价格:0

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isbn号码:9781119991496

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深海奥秘：航海动力学与船舶操控的宏大叙事 在广袤无垠的海洋深处，人类的足迹从未停止探索的步伐。从古老的帆船漂洋过海，到如今遍布全球的巨型油轮、精密科考船以及高速穿梭的快艇，海洋动力学和船舶操控始终是驾驭这片蓝色疆域的关键。本书将带领您深入剖析船舶在水中的运动原理，揭示影响其航行性能的种种因素，并详细阐述现代船舶操控技术所面临的挑战与前沿进展，构建一幅关于海洋交通工具发展演进的宏大叙事。 第一篇：流体动力学的基石——船舶的运动之源 海洋，作为一种黏性流体，其复杂的流变特性对船舶的运动产生了至关重要的影响。本篇将从流体动力学的基本原理出发，深入探讨船舶在静止和运动状态下所受到的各种水动力。 流体性质与船舶相互作用： 我们将从流体的基本概念入手，如密度、黏度、表面张力等，并详细阐述这些性质如何在船舶与水之间产生相互作用。例如，水的黏度会产生摩擦阻力，而表面张力则在船体表面形成一系列复杂的流场。 船舶静止时的受力分析： 当船舶静止于水面时，会受到浮力、重力以及可能的海浪和洋流的作用。我们将详细分析浮力产生的原理，即阿基米德定律，并讨论船舶的稳定性和吃水线等概念。同时，也会初步引入海浪对船舶施加的静态载荷。 船舶运动中的阻力特性： 船舶在航行过程中，会受到各种形式的阻力。本部分将聚焦于分析这些阻力，包括： 摩擦阻力 (Frictional Resistance)： 由水流流经船体表面产生的黏性作用引起，是阻力中占比最大的部分之一。我们将探讨影响摩擦阻力的因素，如船体表面光滑度、流速以及船体总表面积，并介绍常用的计算方法。 压差阻力 (Pressure Resistance) / 分离阻力 (Form Drag)： 由船体形状引起的流场分离和压强分布不均造成，在低速或特殊船型上尤为显著。我们会分析船体几何形状（如船首、船尾的形状）如何影响压差阻力，以及翼型理论在理解这一阻力上的应用。 附加阻力 (Appendage Resistance)： 船体上的各种附属物，如舵、鳍、推进器等，也会产生额外的阻力。本节将分析这些附属物的形状和位置对阻力的贡献。 兴波阻力 (Wave-Making Resistance)： 船舶在水中航行时，会激起一系列的波浪，从而消耗能量并产生阻力。这是船舶运动中最复杂也最难精确计算的阻力成分之一。我们将深入探讨兴波阻力的产生机理，不同船速下波浪系统的变化，以及如何通过优化船型来减小兴波阻力。 水动力学中的流体动力学理论： 为了更深入地理解船舶的运动，我们将引入一些核心的水动力学理论。 欧拉方程与纳维-斯托克斯方程： 作为描述流体运动的基本方程，我们将介绍这些方程的物理意义，以及它们在船舶水动力学计算中的作用。尽管直接求解复杂，但它们为我们理解流场行为提供了理论框架。 伯努利原理： 解释流体流速与压强之间的关系，这对于理解船体两侧流速差引起的升力（如机翼效应）和压差阻力至关重要。 边界层理论： 探讨流体在固体表面附近形成的薄层，以及边界层内外的流动特性差异，这直接关联到摩擦阻力的计算。 螺旋桨与推进系统： 螺旋桨是船舶最常见的推进装置，其性能直接决定了船舶的航速和效率。我们将深入研究螺旋桨的工作原理，叶片的水动力学特性，以及如何通过优化螺旋桨的设计来提高推进效率，减小空泡现象，并对不同类型的推进系统进行介绍，如喷射推进、侧推器等。 第二篇：驾驭波涛——船舶的运动与响应 船舶并非孤立存在于静止的水中，而是时刻受到海洋环境中各种动态载荷的影响。本篇将聚焦于船舶在波浪、风和洋流等作用下的运动响应，以及这些运动对船舶安全和航行效率的影响。 波浪对船舶的激励作用： 海洋的波浪是船舶运动的主要激励源。我们将详细分析不同波浪的特性，如波高、波长、周期和方向，以及它们如何作用于船舶。 波浪载荷的计算： 介绍几种常用的波浪载荷计算方法，包括基于线性波浪理论的计算，以及更复杂的非线性模型。 船舶的六自由度运动： 船舶在波浪中会产生纵摇（Pitching）、横摇（Rolling）、垂荡（Heaving）、首摇（Yawing）、横移（Swaying）和纵荡（Surging）六种自由度运动。本部分将详细阐述每种运动的产生机理，以及它们之间的耦合关系。 船舶的运动响应理论： 深入探讨船舶在各种激励下的运动响应规律。 摇荡理论 (Seakeeping)： 这是船舶工程中一个核心的研究领域，旨在预测和评估船舶在波浪中的运动性能。我们将介绍摇荡理论的基本模型，如莫里森方程（Morison's equation）及其在计算波浪载荷中的应用，以及基于频域和时域的摇荡响应分析方法。 砰击 (Slamming) 与甲板上浪 (Green Water)： 在剧烈波浪中，船体底部会受到瞬时巨大的冲击力（砰击），甲板上也可能涌起海水（甲板上浪），这些都是严重威胁船舶安全的情况。我们将分析其发生的原因，并探讨评估和减缓这些现象的方法。 漂移与跟踪 (Drifting and Tracking)： 分析船舶在风、浪、流的联合作用下产生的漂移运动，以及如何通过保持航向和航速来对抗这些漂移。 风与洋流的影响： 除了波浪，风和洋流也是影响船舶运动的重要因素。我们将分析风压对船体产生的侧向力和力矩，以及洋流对船舶产生的拖曳力和流向影响。 船舶稳定性： 船舶在各种载荷作用下的稳定性是其安全航行的生命线。我们将区分静态稳定性和动态稳定性，并详细阐述影响船舶稳定性的关键因素，如重心高度、浮心位置、干舷高度等，并介绍几种关键的稳定性指标，如倾覆力臂曲线。 第三篇：精准操控——现代船舶的导航与控制 在复杂多变的海洋环境中，精确的导航和高效的船舶操控是保障航行安全、提升运行效率的关键。本篇将聚焦于现代船舶的导航技术、操纵原理以及各种先进的自动化控制系统。 导航系统原理与应用： 现代导航系统集成了多种先进技术，确保船舶能够准确地确定自身位置和航向。 全球导航卫星系统 (GNSS)： 如GPS、GLONASS、Galileo等，及其在船舶导航中的核心作用，包括定位、授时和测速。 惯性导航系统 (INS)： 利用陀螺仪和加速度计，在GNSS信号受干扰时提供连续的定位和姿态信息。 电子海图显示与信息系统 (ECDIS)： 集成海图、航线规划、避碰警告等功能，为船员提供直观的航行信息。 雷达与声纳系统： 用于探测障碍物、测量距离和速度，以及辅助导航和避碰。 船舶操纵的动力学： 船舶的操纵是一个复杂的动力学过程，涉及舵、推进器以及船体与水的相互作用。 舵的操纵原理： 分析舵叶产生升力以改变船体航向的原理，以及舵效与舵角、船速、水流等因素的关系。 推进器操纵： 除了传统的螺旋桨，侧推器、推进器等也为船舶提供了更灵活的操纵能力，尤其是在低速和港口作业时。 船体动力学模型： 介绍用于模拟和预测船舶操纵行为的数学模型，如MMG模型、Uchida模型等，这些模型是设计自动操纵系统的基础。 自动化控制系统： 现代船舶广泛应用各种自动化控制系统，以提高操控精度和减轻船员负担。 自动驾驶仪 (Autopilot)： 能够根据预设航向或航线，自动控制舵角和航速，保持船舶稳定航行。我们将深入研究自动驾驶仪的控制算法，如PID控制、模糊逻辑控制等。 动力定位系统 (DP - Dynamic Positioning)： 对于特种船舶（如平台供应船、深海钻井平台），DP系统能够利用推进器精确地将船舶保持在预定位置，不受风浪流的影响。我们将详细介绍DP系统的原理、传感器（如GPS、声学定位器）、控制算法以及其在海洋工程中的重要应用。 操纵辅助系统： 包括航迹保持系统、自动靠泊系统等，旨在提高船舶在复杂环境下的操纵性能。 船舶操纵中的避碰： 船舶安全航行最重要的方面之一是避免与其他船舶、障碍物发生碰撞。 国际海上避碰规则 (COLREGs)： 详细解读国际通用的避碰规则，包括相遇、追越、交叉等情况下的让号规则。 雷达测速和测距： 利用雷达信息进行航向、航速和相对距离的测量，以预测碰撞风险。 AIS (Automatic Identification System) 系统： 船舶自动识别系统，能够实时交换船舶位置、航向、航速等信息，极大地提高了态势感知能力，并成为现代避碰的重要工具。 碰撞风险评估与预警： 介绍基于船舶运动模型和传感器数据的碰撞风险评估方法，以及相关的预警系统。 未来发展趋势： 展望船舶动力学与操控技术的未来发展，包括更先进的控制算法、人工智能在船舶自主航行中的应用、无人船技术等，以及这些技术对海洋交通运输业带来的深远影响。 本书旨在为工程师、研究人员、学生以及所有对海洋交通工具充满好奇的人们提供一个全面而深入的视角。通过对船舶运动背后的物理原理的深刻理解，以及对现代操控技术的详细解析，我们希望能激发读者对海洋探索与工程实践的无限热情，共同驶向更加安全、高效、智能的未来海洋。

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这本书的封面设计简直是一场视觉盛宴，那种深邃的蓝色调，配上精密的流线型图示，一下子就把你带到了波涛汹涌的海洋深处。我得说，光是捧着它，就能感受到一股专业、严谨的气息扑面而来。它不像那些枯燥的教科书，更多像是一部精心制作的工程艺术品。我尤其欣赏作者在排版上的用心，那些复杂的方程式和截面图被放置得恰到好处，既保证了信息密度，又极大地提升了阅读的舒适度。很多技术书籍往往为了塞入更多内容而牺牲了版面呼吸感，但这本完全没有这个问题。你翻开任何一页，都能清晰地看到作者对于细节的执着——从墨水的选用，到纸张的质感，无不透露着“匠人精神”。我尤其喜欢其中一章关于波浪谱分析的插图，立体感极强，仿佛能触摸到那些起伏的能量分布。对于希望将理论与实际操作相结合的工程师或学生来说，这种对“观感”的重视，是建立学习兴趣的第一步，它成功地让一门深奥的学科变得触手可及，甚至带有一丝令人愉悦的仪式感。

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这本书在内容深度上的广度令人印象深刻，它绝非只停留在基础理论的层面，而是直接触及了当前行业前沿的痛点和挑战。比如，其中关于高速航行体在空穴化现象（Cavitation）控制方面的讨论，引用了最新的计算流体力学（CFD）模拟结果，这些数据和图表并非是泛泛而谈，而是具有极强的实操指导意义。我特别欣赏作者对待“不确定性”的态度，他没有试图将水动力学描绘成一门精确无误的科学，而是坦诚地讨论了模型误差、环境噪声（比如风和侧浪）对船舶运动控制系统的实际影响，并给出了几种实用的误差补偿策略。这种“透明化”的处理方式，对于那些需要设计实际船舶或水下航行器的专业人士来说，简直是无价之宝。它不仅告诉你“应该怎么做”，更重要的是告诉你“为什么可能做不好”，以及如何量化这种“不好”。这种深入骨髓的实用主义精神，让这本书迅速从参考资料升级为了工作手册。

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语言风格上，作者展现了一种罕见的、既严谨又带有人文关怀的写作笔触。它避免了那种冷冰冰的、纯粹的公式罗列，而是充满了对“如何让船跑得更快、更稳、更经济”这一核心命题的思考。行文间，时不时能感受到作者对海洋工程的热爱。比如，在讨论特定船型（如双体船或三体船）的稳定性时，作者会穿插一些历史案例，简要介绍某次著名的海试事故或突破性设计是如何推动了理论的演进。这些穿插的“花絮”，非但没有冲淡专业性，反而像在沉闷的工程报告中注入了新鲜的空气。读起来，你会觉得作者不是一个高高在上的理论家，而是一个愿意放下身段，手把手教你造船的导师。他用词精准，但又极富画面感，即便是那些涉及高维张量分析的章节，通过精心的措辞组织，也能让人感受到背后蕴含的物理意义，而不是单纯的数学操作。

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这本书的价值，更体现在其作为一座知识桥梁的功能上。它成功地将流体力学、控制理论以及材料科学这三个看似分属不同领域的知识体系，通过船舶运动控制这个核心载体，进行了有效的整合。我注意到书中对于传感器融合技术在实时姿态估计中的应用有详尽的论述，这明显超出了传统流体力学教材的范畴，更偏向于现代自动控制工程的范畴。更难能可贵的是，作者并没有将这些技术视为孤立的工具，而是深入分析了传感器的数据噪声（受水雾、盐分侵蚀影响）如何反作用于水动力学模型的输入端，从而形成一个闭环的反馈系统。这种系统级的思维方式，是当前许多单一学科教材所缺乏的。对于希望在未来从事无人水面/水下航行器（USV/UUV）开发的读者而言，这本书提供了一个极其扎实且面向未来的知识框架，其前瞻性是毋庸置疑的。

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深入阅读后，我发现这本书的叙事逻辑简直是一绝，它仿佛是一位经验丰富的老船长，耐心地引导你穿越复杂的流体力学迷宫。它没有一开始就抛出那些令人望而生畏的纳维-斯托克斯方程的复杂形式，而是非常巧妙地从宏观现象入手，比如船体在不同吃水深度下的阻力变化，以及如何用最直观的实验数据来验证理论模型。这种“先有果，再探因”的结构，极大地降低了初学者的心理门槛。我注意到作者在阐述复杂概念时，总能精准地把握住“恰到好处的类比”——用我们日常生活中能理解的物理场景来解释水动力学的精髓，这比单纯堆砌数学符号要高明得多。例如，在描述船体兴线（Chine）对升力的影响时，它援引了翼型设计的原理，这种跨学科的融会贯通，体现了作者深厚的知识底蕴。说实话，很多专业书籍读起来像在啃硬骨头，但这本书的阅读体验更像是在解一个层层递进的精妙谜题，每解开一个部分，都会带来强烈的“豁然开朗”的满足感。

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