海洋工程结构动力学基础

本书在介绍基本概念及基础理论的同时，注重介绍海洋工程领域典型、关键性结构的动力学问题，注重培养读者解决工程问题的能力。
本书对单自由度体系、多自由度体系和分布参数体系进行介绍，使读者系统掌握结构动力学的基本理论和分析方法；对数值分析方法、随机振动分析、有限元法等理论进行介绍，帮助读者掌握分析、解决工程结构动力学问题的能力。另外，本书对梁、缆索等典型海洋工程结构形式的振动进行分析，对振动理论在平台动力分析中的应用进行简单介绍。
本书可作为海洋工程与技术专业高年级本科生及研究生的教材，也可供相关领域研究人员和工程技术人员参考。

第1章 概述 1
1.1 结构动力分析的目的 1
1.2 动力载荷的类型 1
1.3 结构动力计算的特点 2
1.4 结构离散化方法 2
1.5 典型海洋工程结构及有关动力学问题 4
1.5.1 海洋平台 4
1.5.2 海洋系泊结构 5
1.5.3 海洋管道 6
1.6 海洋工程结构面临的挑战性问题 6
第2章 基本概念与运动方程的建立 8
2.1 基本概念 8
2.1.1 广义坐标与动力自由度 8
2.1.2 功和能 9
2.1.3 实位移、虚位移 11
2.1.4 广义力 11
2.1.5 惯性力 11
2.1.6 弹性结构恢复力 12
2.1.7 阻尼力 12
2.1.8 线弹性体系和阻尼弹性体系 13
2.2 运动方程的建立 13
2.2.1 d'Alembert原理与直接平衡法 13
2.2.2 虚功原理 14
2.2.3 变分方法 15
第3章 海洋环境中的非随机载荷 16
3.1 概述 16
3.1.1 无黏流体与惯性力 16
3.1.2 黏性流的拖曳力 17
3.1.3 黏性流体绕流的泄涡和垂直升力 18
3.1.4 流与风的作用 18
3.1.5 地震载荷 19
3.1.6 波浪抨击作用 20
3.2 海洋的描述 20
3.2.1 波浪作用力的基本方程与边界条件 20
3.2.2 线性波理论 22
3.2.3 有限振幅波理论 25
3.2.4 椭圆余弦波与孤立波 27
3.2.5 不同波理论的适用范围 27
3.2.6 波流联合问题 28
3.3 海洋工程结构的波浪载荷 31
3.3.1 速度势的分解及其定解条件 31
3.3.2 小尺度结构的波浪力 33
3.3.3 柔性圆柱体的波浪力 37
3.3.4 大尺度结构的波浪载荷 38
3.3.5 波浪载荷的传递函数 43
第4章 单自由度体系 44
4.1 无阻尼自由振动 44
4.2 阻尼的影响 47
4.2.1 临界阻尼与阻尼比 47
4.2.2 阻尼自由振动 48
4.3 单自由度体系对简谐载荷的响应 52
4.3.1 无阻尼体系的简谐载荷响应 52
4.3.2 有阻尼体系的简谐载荷响应 55
4.3.3 共振 56
4.4 频域分析方法 59
4.4.1 周期载荷的Fourier级数表达式 59
4.4.2 Fourier级数载荷的响应 60
4.4.3 Fourier变换方法 62
4.5 时域分析方法—Duhamel积分法 65
第5章 多自由度体系 68
5.1 运动方程的建立 68
5.1.1 d'Alembert原理 68
5.1.2 Lagrange方程 70
5.2 多自由度体系的自由振动 72
5.2.1 二自由度体系的自由振动 72
5.2.2 多自由度体系的无阻尼自由振动 74
5.2.3 固有振型的正交性 78
5.2.4 固有振型的归一化 78
5.2.5 模态质量、模态刚度和模态矩阵 79
5.2.6 展开定理 81
5.2.7 用振型叠加法求解系统自由振动 81
5.3 多自由度体系的强迫振动 83
5.3.1 阻尼表达与处理 83
5.3.2 系统对任意激励的响应 84
5.3.3 系统对正弦激励的响应 88
第6章 动力响应计算的数值方法 93
6.1 数值算法中的基本问题 93
6.2 分段解析法 94
6.3 中心差分法 96
6.4 Newmark-β法 100
6.5 Wilson-θ法 103
6.6 结构非线性响应计算 106
第7章 结构的随机振动 109
7.1 随机过程及其时域特征 109
7.1.1 随机过程的概念 109
7.1.2 随机过程的统计描述 110
7.1.3 随机过程的数字特征 111
7.1.4 平稳随机过程 113
7.1.5 导数过程的相关函数 114
7.2 随机过程的频域特征 115
7.2.1 平稳随机过程的功率谱密度 115
7.2.2 谱密度的性质 116
7.2.3 导数过程的谱密度 117
7.2.4 窄带与宽带随机过程 117
7.2.5 互谱密度及其性质 118
7.3 海浪的统计描述 119
7.3.1 波浪谱的描述 119
7.3.2 有效波 120
7.3.3 波浪能量谱的描述 122
7.3.4 海洋工程结构上的随机波浪力 125
7.4 结构响应的统计分析 131
7.4.1 傅里叶变换 131
7.4.2 自相关函数 132
7.4.3 响应的统计量 133
第8章 有限元法 137
8.1 概述 137
8.2 基本分析过程 138
8.3 有限元法单元位移模式及插值函数的构造 138
8.4 有限元分析中的基本要素 141
8.4.1 单元刚度矩阵 141
8.4.2 单元质量矩阵 143
8.4.3 等效节点载荷 145
第9章 连续结构体系振动 146
9.1 梁和缆索振动方程与固有振动分析 146
9.1.1 振动方程的建立 146
9.1.2 锚缆频率和振型 148
9.1.3 梁的频率与振型 150
9.2 缆索的动力响应分析 154
9.2.1 端部水平运动激励引起的振动 154
9.2.2 缆的参数激励振动 156
9.3 梁的振动响应分析 159
9.3.1 横向激励引起的振动 159
9.3.2 参数激励引起的振动 163
9.3.3 随机激励引起的振动 165
第10章 振动理论在平台动力分析中的应用 168
10.1 固定式平台的时域振动响应 168
10.1.1 固定式平台的数学模型和自由振动分析 168
10.1.2 规则波作用下平台的振动响应 171
10.2 地震激励下平台的振动响应 173
10.3 随机波激励下平台振动响应的统计分析 175
10.4 导管架平台动力响应的统计分析 177
10.5 深海平台张力腿波流联合作用振动分析 179
10.5.1 张力腿的振动方程 180
10.5.2 振动方程的求解方法 181
习题 184
参考文献 186