流固耦合動(dòng)力學(xué)仿真方法及工程應(yīng)用
本書詳細(xì)介紹了流固耦合動(dòng)力學(xué)中的若干工程問(wèn)題，如水下航行器舵系統(tǒng)、海洋立管、風(fēng)力機(jī)柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭等工程結(jié)構(gòu)的典型流固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，涉及氣動(dòng)彈性、水彈性、計(jì)算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)。本書不僅介紹了基于商業(yè)軟件ANSYS的常規(guī)流固耦合方法，而且涵蓋了若干基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的流固耦合動(dòng)力學(xué)最新成果。本書理論與實(shí)際工程緊密結(jié)合，并配有較多的實(shí)際工程算例，部分算例還直接提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB仿真程序。
本書適合力學(xué)、海洋工程、兵器科學(xué)與技術(shù)、航空航天工程、土木工程等專業(yè)的高年級(jí)本科生、研究生和相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員使用。
本書詳細(xì)介紹了流固耦合動(dòng)力學(xué)中的若干工程問(wèn)題，內(nèi)容涵蓋了水下航行器舵系統(tǒng)、海洋軟管、風(fēng)力機(jī)柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭等工程結(jié)構(gòu)的典型流固耦合動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。涉及氣動(dòng)彈性、水彈性、計(jì)算流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科知識(shí)。內(nèi)容涵蓋了基于商業(yè)軟件 ANSYS 的常規(guī)流固耦合方法，也包括了若干基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的流固耦合動(dòng)力學(xué)成果。本書理論與實(shí)際工程緊密結(jié)合，并配有較多的實(shí)際工程算例，部分算例在書中直接提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB 仿真程序。本書有以下兩大特色：
（1） 本書建立了適用于工程使用的流固耦合快速建模和仿真方法，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義；
（2）本書理論與實(shí)際工程緊密結(jié)合，并配有較多的實(shí)際工程蒜粒，部分算例提供了商業(yè)軟件二次開發(fā)程序、MATLAB仿真程序。
現(xiàn)代航空、航天、船舶與海洋工程領(lǐng)域，航行器日益追求高速度、高機(jī)動(dòng)性，工程裝備追求輕質(zhì)量、高性能，這些需求使得航行器以及工程裝備呈現(xiàn)出輕結(jié)構(gòu)、大柔性的特點(diǎn)。在流體的作用下，柔性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生彈性變形，而結(jié)構(gòu)變形又會(huì)改變流場(chǎng)分布，這種相互耦合作用使得柔性結(jié)構(gòu)出現(xiàn)流固耦合振動(dòng)，并逐漸達(dá)到平衡或者發(fā)散狀態(tài)。一般情況下，振動(dòng)平衡不會(huì)破壞結(jié)構(gòu)，但振動(dòng)發(fā)散會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。概括地講，流固耦合動(dòng)力學(xué)就是研究流體和結(jié)構(gòu)相互耦合作用而產(chǎn)生的各種動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。
以氣體為流體介質(zhì)的流固耦合問(wèn)題被稱為氣動(dòng)彈性問(wèn)題；以水為流體介質(zhì)的流固耦合問(wèn)題被稱為水彈性問(wèn)題。許多氣動(dòng)彈性、水彈性問(wèn)題涉及流體力、彈性力和慣性力，這類問(wèn)題稱為動(dòng)氣動(dòng)彈性或者動(dòng)水彈性問(wèn)題；另外一些氣動(dòng)彈性、水彈性問(wèn)題只涉及流體力和彈性力，稱為靜氣動(dòng)彈性或靜水彈性問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，流固耦合高保真仿真技術(shù)也得到了大力發(fā)展，但計(jì)算代價(jià)依然很高，計(jì)算非常耗時(shí)。因此，建立適用于工程實(shí)際的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意義。
本書基于筆者近些年發(fā)表的論文，并結(jié)合自己在流固耦合動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的科研體會(huì)，以水下航行器舵系統(tǒng)、海洋立管、柱體結(jié)構(gòu)、風(fēng)力機(jī)柔塔、旋轉(zhuǎn)彈箭為研究對(duì)象，介紹解決這些工程實(shí)際問(wèn)題對(duì)應(yīng)的流固耦合仿真方法。
全書框架的搭建、內(nèi)容的編排和工程案例的選擇由陳東陽(yáng)完成，并由陳東陽(yáng)統(tǒng)稿。展志煥（航天三院三部 北京機(jī)電工程研究所）參與本書第2、3章的編寫，為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的校核及振動(dòng)控制建模提供幫助；劉飛飛（北重集團(tuán)南京研究院）、宋彥明（北重集團(tuán)南京研究院）、劉俊民（北重集團(tuán)南京研究院）參與本書第2、5、7章的編寫；肖清（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心）、方康（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心）、郭為燦（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心）參與本書的第2、3、4、5章的編寫，同時(shí)為本書中舵系統(tǒng)建模提供模型和數(shù)據(jù)；顧超杰（揚(yáng)州大學(xué)電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院）參與本書第5、6章的編寫。
本書獻(xiàn)給已經(jīng)去世的南京理工大學(xué)發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所的Laith K.Abbas教授。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金（12002301）、江蘇省自然科學(xué)基金（BK20190871）、北重集團(tuán)南京研究院、揚(yáng)州大學(xué)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)（流體動(dòng)力與能源高效轉(zhuǎn)化利用）的資助。
鑒于筆者水平有限，書中難免存在不當(dāng)之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
著者
陳東陽(yáng)，碩士研究生導(dǎo)師，墨爾本皇家理工大學(xué)航空工程學(xué)院訪問(wèn)學(xué)者，仿真秀平臺(tái)優(yōu)秀專欄作者。長(zhǎng)期從事流固耦合動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)控制、流動(dòng)控制與減振降噪研究。主持包括國(guó)家自然科學(xué)基金在內(nèi)的縱/橫向項(xiàng)目十余項(xiàng)、發(fā)表SCI、EI等期刊檢索論文39篇、授權(quán)/受理專利27項(xiàng)、獲得軟件著作權(quán)8項(xiàng)。在仿真秀平臺(tái)開設(shè)流固耦合動(dòng)力學(xué)仿真與工程應(yīng)用等課程。
第1章 流固耦合工程問(wèn)題概論1
1.1 流固耦合工程問(wèn)題發(fā)展現(xiàn)狀/ 4
1.2 水下航行器舵系統(tǒng)水彈性振動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀/ 6
1.3 海洋立管渦激振動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀/ 8
1.4 風(fēng)力機(jī)柔塔橫風(fēng)向渦激振動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀/ 11
1.5 旋轉(zhuǎn)彈箭流固耦合發(fā)展現(xiàn)狀/ 13
1.6 柔性結(jié)構(gòu)流固耦合研究存在的問(wèn)題及解決方法/ 16
第2章 流固耦合問(wèn)題的基本理論與方法19
2.1 引言/ 19
2.2 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)求解方法/ 20
2.2.1 多體系統(tǒng)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（范德波爾）尾流振子模型/ 33
2.3.3 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）理論/ 36
2.4 流固耦合問(wèn)題研究的基本方法/ 43
2.5 本章小結(jié)/ 45
第3章 水下航行器舵系統(tǒng)振動(dòng)特性仿真與分析46
3.1 引言/ 46
3.2 基于MSTMM 的舵系統(tǒng)建模/ 46
3.2.1 彎扭耦合梁建模/ 47
3.2.2 舵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型/ 51
3.3 舵系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)確定方法/ 62
3.3.1 舵系統(tǒng)FEM建模/ 62
3.3.2 基于FEM的模型驗(yàn)證分析/ 63
3.3.3 基于FEM舵系統(tǒng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證/ 65
3.3.4 舵系統(tǒng)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度參數(shù)獲取/ 69
3.4 基于MSTMM的舵系統(tǒng)振動(dòng)特性仿真/ 70
3.5 本章小結(jié)/ 75
第4章 水下航行器舵系統(tǒng)水彈性仿真與分析76
4.1 引言/ 76
4.2 基于MSTMM的舵系統(tǒng)水彈性計(jì)算/ 77
4.2.1 基于MSTMM的舵系統(tǒng)線性顫振模型頻域分析/ 77
4.2.2 基于MSTMM的舵系統(tǒng)線性顫振模型時(shí)域分析/ 80
4.2.3 模型驗(yàn)證/ 81
4.2.4 基于MSTMM的舵系統(tǒng)水彈性計(jì)算/ 87
4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)和間隙非線性對(duì)舵系統(tǒng)水彈性的影響規(guī)律/ 90
4.3.1 基于MSTMM的舵系統(tǒng)二元顫振模型建模方法和參數(shù)獲取/ 90
4.3.2 舵系統(tǒng)的二元顫振模型建模/ 94
4.3.3 舵系統(tǒng)二元顫振模型建模合理性驗(yàn)證/ 98
4.3.4 計(jì)算結(jié)果分析/ 106
4.4 本章小結(jié)/ 113
第5章 柱體結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)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(dòng)動(dòng)力學(xué)模型/ 115
5.2.1 基于Van der Pol尾流振子模型的彈性支撐柱體VIV 模型/ 116
5.2.2 基于CFD模型的彈性支撐柱體VIV 建模與二次開發(fā)/ 119
5.3 二維彈性支撐柱體VIV機(jī)理/ 125
5.3.1 基于Van der Pol模型的彈性支撐柱體VIV 模型計(jì)算結(jié)果/ 125
5.3.2 基于CFD模型的彈性支撐柱體VIV 模型計(jì)算結(jié)果/ 126
5.4 三維柔性柱體渦激振動(dòng)/ 132
5.4.1 三維RTP立管渦激振動(dòng)/ 133
5.4.2 三維風(fēng)力機(jī)塔筒渦激振動(dòng)/ 142
5.5 本章小結(jié)/ 155
第6章 柱體結(jié)構(gòu)渦激振動(dòng)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(dòng)減振/ 158
6.2.1 NES簡(jiǎn)介/ 158
6.2.2 基于Van der Pol尾流振子模型的R-NES減振/ 159
6.2.3 基于CFD模型的T-NES減振/ 170
6.2.4 基于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(dòng)減振/ 187
6.3.1 基于CFD/FEM雙向耦合的立管渦激振動(dòng)模型驗(yàn)證/ 187
6.3.2 安裝有螺旋列板的立管渦激振動(dòng)響應(yīng)/ 191
6.4 本章小結(jié)/ 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(zhuǎn)彈箭空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算/ 197
7.2.1 M910和F4旋轉(zhuǎn)彈箭計(jì)算參數(shù)/ 197
7.2.2 計(jì)算流場(chǎng)設(shè)置/ 199
7.2.3 氣動(dòng)特性計(jì)算公式/ 202
7.2.4 M910和F4旋轉(zhuǎn)彈箭氣動(dòng)特性分析/ 203
7.3 火箭彈靜氣動(dòng)彈性仿真計(jì)算/ 210
7.3.1 彈箭法向力分布數(shù)值計(jì)算/ 210
7.3.2 靜氣動(dòng)彈性計(jì)算/ 212
7.4 火箭彈靜氣動(dòng)熱彈性仿真計(jì)算/ 225
7.4.1 靜氣動(dòng)熱彈性單向耦合計(jì)算方法/ 225
7.4.2 火箭彈靜氣動(dòng)加熱數(shù)值計(jì)算/ 227
7.4.3 火箭彈靜氣動(dòng)熱彈性分析/ 231
7.5 本章小結(jié)/ 233
參考文獻(xiàn)234
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