本書在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，建立移動與沖擊載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的理論數(shù)學(xué)模型、解析求解方法、數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)測試方法，系統(tǒng)闡述該領(lǐng)域的研究工作和最新發(fā)展，重點(diǎn)介紹移動載荷（如氣墊船和潛艇等）激勵浮冰層位移響應(yīng)的臨界速度、共振機(jī)理、影響因素及其在破冰方面的應(yīng)用。全書共8章，包括緒論、移動載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、移動載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的理論解法、沖擊載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的理論解法、移動載荷破冰的邊界元與有限差分混合方法、移動載荷破冰數(shù)值模擬的有限元方法應(yīng)用、移動載荷激勵仿冰材料位移響應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)、水下航行潛艇破冰的理論與實(shí)驗(yàn)研究等內(nèi)容。
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目錄
第1章 緒論
1.1 研究背景及意義1
1.1.1 冰面利用1
1.1.2 破冰應(yīng)用3
1.2 研究發(fā)展概述7
1.2.1 理論分析與數(shù)值計(jì)算7
1.2.2 現(xiàn)場測試與模型實(shí)驗(yàn)9
1.3 主要研究內(nèi)容12
參考文獻(xiàn)12
第2章 移動載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型
2.1 彈性力學(xué)的基本方程17
2.1.1 平衡微分方程17
2.1.2 幾何方程19
2.1.3 物理方程20
2.2 冰層振動基本方程22
2.2.1 冰的基本特性22
2.2.2 冰層坐標(biāo)系23
2.2.3 冰層的位移和應(yīng)變張量23
2.2.4 冰層的運(yùn)動微分方程25
2.2.5 冰層的本構(gòu)關(guān)系26
2.2.6 位移和轉(zhuǎn)角的關(guān)系28
2.2.7 用撓度表示的冰層振動微分方程29
2.3 流體力學(xué)的基本方程31
2.3.1 連續(xù)性微分方程31
2.3.2 歐拉運(yùn)動微分方程32
2.3.3 拉普拉斯方程及其基本解34
2.3.4 拉格朗日積分36
2.4 二維規(guī)則波基本理論37
2.4.1 波浪運(yùn)動的基本方程37
2.4.2 波浪運(yùn)動的邊界條件39
2.4.3 波浪運(yùn)動數(shù)學(xué)模型及其簡化39
2.4.4 微幅波的速度勢41
2.4.5 微幅波的色散方程42
2.4.6 微幅波浪中的壓強(qiáng)分布42
2.5 冰水系統(tǒng)的邊界條件和初始條件43
參考文獻(xiàn)43
第3章 移動載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的理論解法
3.1 勻速移動載荷激勵文克勒基上梁和板的響應(yīng)45
3.1.1 載荷和基的基本形式45
3.1.2 文克勒基上的梁46
3.1.3 文克勒基上的板50
3.2 勻速移動載荷激勵液體基上浮冰層的響應(yīng)52
3.2.1 理論模型52
3.2.2 模型求解53
3.2.3 奇點(diǎn)法求臨界速度57
3.2.4 能量法求臨界速度61
3.2.5 計(jì)算結(jié)果與分析61
3.3 變速移動載荷激勵液體基上浮冰層的響應(yīng)65
3.3.1 理論模型65
3.3.2 模型求解67
3.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析70
參考文獻(xiàn)74
第4章 沖擊載荷激勵浮冰層位移響應(yīng)的理論解法
4.1 單位脈沖載荷激勵浮冰層的位移響應(yīng)75
4.1.1 理論模型75
4.1.2 模型求解76
4.1.3 計(jì)算結(jié)果與分析77
4.2 三角脈沖載荷激勵浮冰層的位移響應(yīng)79
4.2.1 理論模型79
4.2.2 模型求解80
4.2.3 計(jì)算結(jié)果與分析82
4.3 正弦載荷激勵浮冰層的位移響應(yīng)86
4.3.1 理論模型86
4.3.2 模型求解86
4.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析88
4.4 移動集中載荷激勵浮冰層的位移響應(yīng)88
4.4.1 理論模型88
4.4.2 模型求解89
4.4.3 計(jì)算結(jié)果與分析90
參考文獻(xiàn)92
第5章 移動載荷破冰的邊界元與有限差分混合方法
5.1 移動載荷定常運(yùn)動的基本方程和邊界條件93
5.1.1 純水面上的理論模型96
5.1.2 純冰面上的理論模型98
5.1.3 純碎冰面上的理論模型99
5.2 邊界元法與有限差分法相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算方法99
5.2.1 擾動速度勢用基本解表示100
5.2.2 面元劃分和控制點(diǎn)布置方式101
5.2.3 冰層運(yùn)動方程數(shù)值離散方法101
5.3 算法實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析106
5.3.1 算法實(shí)現(xiàn)和程序編制106
5.3.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證106
5.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析112
5.4 氣墊船破冰效果的影響因素及分析評估119
5.4.1 不同水深的影響分析120
5.4.2 破冰效率估算124
5.5 不同冰面工況下氣墊船的破冰算例124
5.5.1 純冰面情況125
5.5.2 半冰面-半水面情況127
參考文獻(xiàn)132
第6章 移動載荷破冰數(shù)值模擬的有限元方法應(yīng)用
6.1 理論模型與耦合算法133
6.1.1 理論數(shù)學(xué)模型133
6.1.2 流-固耦合算法135
6.1.3 計(jì)算方法驗(yàn)證136
6.2 開闊水域浮冰層數(shù)值模擬138
6.2.1 計(jì)算參數(shù)和幾何模型138
6.2.2 冰層位移和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果139
6.2.3 破冰機(jī)理分析147
6.3 梯形航道浮冰層數(shù)值模擬147
6.3.1 計(jì)算參數(shù)147
6.3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分148
6.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析148
6.4 變水深航道浮冰層數(shù)值模擬153
6.4.1 計(jì)算參數(shù)153
6.4.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分153
6.4.3 計(jì)算結(jié)果與分析154
6.5 彎曲航道浮冰層數(shù)值模擬155
6.5.1 計(jì)算參數(shù)155
6.5.2 幾何模型和網(wǎng)格劃分155
6.5.3 計(jì)算結(jié)果與分析156
參考文獻(xiàn)158
第7章 移動載荷激勵仿冰材料位移響應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)
7.1 模型實(shí)驗(yàn)相似關(guān)系159
7.1.1 基本方程159
7.1.2 相似關(guān)系160
7.1.3 模型冰試樣162
7.1.4 仿冰材料163
7.2 模型實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)165
7.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備165
7.2.2 位移測量168
7.2.3 氣墊載荷170
7.3 仿冰材料位移響應(yīng)實(shí)驗(yàn)172
7.3.1 拖曳水槽實(shí)驗(yàn)173
7.3.2 拖曳水池實(shí)驗(yàn)178
7.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論179
7.4.1 氣墊速度的影響179
7.4.2 啟動距離的影響183
7.4.3 氣墊高度的影響185
7.4.4 氣墊壓強(qiáng)的影響186
7.4.5 水深的影響188
參考文獻(xiàn)189
第8章 水下航行潛艇破冰的理論與實(shí)驗(yàn)研究
8.1 潛艇動壓載荷190
8.1.1 細(xì)長體理論計(jì)算模型190
8.1.2 回轉(zhuǎn)體理論計(jì)算模型192
8.1.3 蘭金體理論計(jì)算模型196
8.2 冰層響應(yīng)計(jì)算方法202
8.2.1 蘭金體模型的漸近解202
8.2.2 浮冰層下的潛艇運(yùn)動205
8.2.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果206
8.3 潛艇模型破冰實(shí)驗(yàn)211
8.3.1 實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)211
8.3.2 模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果212
8.3.3 破冰機(jī)理分析217
參考文獻(xiàn)217
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