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计算流固耦合力学
作者：陈刚等 著
出版社：科学出版社
出版时间：2021-07-01
ISBN：9787030688668
定价：¥100.00
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内容简介
《计算流固耦合力学》以航空航天领域为主，兼顾其他工程领域的流固耦合问题，介绍21世纪近20年来国内外发展的计算流固耦合力学主要新思想、新方法和新技术。主要内容包括经典气动弹性计算方法、基于贴体网格的CFD／CSD流固耦合方法和非贴体网格浸没边界类等三大类流固耦合分析技术，以及流固耦合系统降阶模型和流固耦合优化设计等多学科建模与优化技术。应用方面重点介绍飞行器静气动弹性、颤振稳定性及抑制、阵风响应及减缓、气动弹性优化、气动伺服弹性等典型气动弹性问题。
作者简介
暂缺《计算流固耦合力学》作者简介
目录
目录
丛书序
前言
第1章绪论001
1.1流固耦合力学基本概念001
1.2典型流固耦合力学问题003
1.2.1航空航天中的气动弹性力学问题003
1.2.2其他工程中的流固耦合问题007
1.3计算流固耦合力学方法009
1.3.1流固耦合力学建模方法009
1.3.2计算流固耦合力学关键技术012
【小结】015
参考文献016
第2章计算结构力学方法基础018
2.1结构静力分析的矩阵法019
2.1.1矩阵法分析结构静力问题的基本步骤019
2.1.2矩阵位移法020
2.1.3直接刚度法021
2.1.4子结构法022
2.1.5矩阵力法023
2.1.6机翼静力分析案例023
2.2结构动力分析的有限单元法025
2.2.1结构动力学方程025
2.2.2自由振动的固有特性026
2.2.3受迫振动的动力响应029
2.2.4无人机动力学分析案例031
2.3热结构分析方法032
2.3.1稳态温度场分析032
2.3.2热弹性力学分析034
2.3.3热弹塑性力学分析和残余应力036
2.3.4热结构分析案例037
【小结】039
【数字资源】039
参考文献039
第3章经典气动弹性计算方法041
3.1准定常气动理论041
3.2西奥道生理论045
3.3求解颤振方程的pk法049
3.4非定常涡方法051
3.5面元法简介055
3.5.1偶极子格网法简述056
3.5.2涡格法简介057
3.5.3三维面元法简介059
3.6典型案例063
3.6.1基于定常涡格法的静气弹分析063
3.6.2基于偶极子格网法的颤振分析065
3.6.3气动弹性响应分析065
3.6.4翼体干涉对全机颤振特性的影响067
【小结】069
【数字资源】069
参考文献069
第4章计算流体力学方法基础070
4.1流动控制方程070
4.2有限体积法基础072
4.2.1有限体积法原理072
4.2.2数值离散方法074
4.2.3对流扩散问题求解077
4.3非定常可压缩流动有限体积法080
4.3.1空间离散方法080
4.3.2时间离散格式084
4.3.3边界条件处理086
4.3.4几何守恒定律087
4.4湍流模型简介088
4.4.1封闭性问题088
4.4.2一方程模型089
4.4.3两方程模型090
4.5典型模型数值模拟验证094
4.5.1NACA0012翼型定常扰流094
4.5.2RAE2822超临界翼型095
4.5.3ONERA M6机翼跨声速流动096
4.5.4NACA0012翼型周期性振荡098
【小结】099
【数字资源】100
参考文献100
第5章任意拉格朗日欧拉流固耦合计算方法101
5.1任意拉格朗日欧拉流固耦合力学方程101
5.1.1ALE坐标体系流动控制方程101
5.1.2运动坐标系下的湍流模型109
5.1.3固体运动控制方程111
5.2CFD／CSD耦合求解策略与流程113
5.2.1流固耦合计算的耦合策略113
5.2.2流固耦合计算格式精度分析118
5.3流体／结构耦合界面数据映射技术120
5.3.1无限平板样条插值方法121
5.3.2常体积转换法123
5.3.3径向基函数插值方法128
5.4机翼气动弹性CFD／CSD耦合计算实例131
5.4.1大展弦比机翼静气动弹性问题131
5.4.2机翼颤振CFD／CSD耦合计算134
【小结】140
【数字资源】141
参考文献141
第6章动网格技术142
6.1常用动网格生成方法142
6.1.1动网格问题的实质和内涵142
6.1.2虚拟结构法144
6.1.3微分方程法145
6.1.4四元数法146
6.1.5背景网格插值法147
6.1.6超限插值法148
6.2径向基函数类动网格技术149
6.2.1径向基函数149
6.2.2采用RBF方法计算网格变形151
6.2.3RBF动网格加速方法153
6.3动网格生成实例156
6.3.1二维动网格生成156
6.3.2三维动网格生成158
【小结】160
【数字资源】161
参考文献161
第7章流固耦合系统降阶模型技术162
7.1基于Volterra级数的流固合降阶模型162
7.1.1Volterra级数理论与构造方法163
7.1.2气动弹性降阶模型构造165
7.1.3Volterra降阶模型案例分析167
7.2基于本征正交分解的流固耦合降阶模型170
7.2.1本征正交分解算法170
7.2.2气动弹性POD降阶模型构造方法171
7.2.3降阶模型精度的影响因素175
7.3类平衡截断气动弹性降阶模型179
7.3.1平衡截断法179
7.3.2Gramian矩阵近似求解算法180
7.3.3基于SBT技术的混合型气动弹性降阶模型182
7.4非线性流固耦合降阶模型构造技术184
7.4.1高阶非线性Volterra级数降阶模型184
7.4.2高阶谐波平衡非线性降阶模型190
7.4.3基于泰勒展开的非线性特征分解降阶模型191
7.5数据驱动的非线性气动力降阶模型195
7.5.1非线性气动力的人工神经网络模型195
7.5.2非线性气动力支持向量机降阶模型200
7.6降阶模型的典型应用203
7.6.1气动伺服弹性建模与主动控制203
7.6.2阵风响应预测208
7.6.3基于降阶模型的流场重构211
【小结】215
参考文献215
第8章不可压流动柔性结构耦合数值模拟方法217
8.1不可压缩流体柔性结构流固耦合数值方法概述217
8.2格子Boltzmann方法221
8.2.1格子Boltzmann方程221
8.2.2格子Boltzmann模型222
8.3浸入边界法224
8.3.1基于速度修正的格子Boltzmann浸入边界法224
8.3.2圆柱扰流算例226
8.4分块网格技术及其应用228
8.4.1分块格子Boltzmann法228
8.4.2多区分块网格算法验证231
8.5结构几何非线性有限元法233
8.6柔性结构流固耦合数值模拟算例验证236
8.6.1二维圆柱柔性梁模型流固耦合问题236
8.6.2三维柔性板仿生流固耦合问题239
【小结】242
【数字资源】242
参考文献242
第9章可压缩流动柔性结构流固耦合模拟方法246
9.1可压缩流动柔性结构流固耦合问题概述246
9.2可压缩流动锐利边界浸没边界法247
9.2.1浸没边界法的基本思想247
9.2.2锐利边界浸没边界法的基本思想249
9.2.3点插值方法250
9.2.4加权*小二乘法253
9.3可压缩流动罚浸没边界法255
9.4基于有限体积方法的浸没边界法257
9.5典型应用案例259
9.5.1激波管中柔性板振动259
9.5.2火星降落伞流固耦合问题261
【小结】265
【数字资源】265
参考文献265
第10章飞行器流固耦合优化设计方法268
10.1气动／结构耦合优化设计概述268
10.1.1传统飞行器设计流程268
10.1.2气动／结构耦合多学科优化设计270
10.2基于代理模型的气动／结构多学科优化设计271
10.2.1代理模型简介271
10.2.2基于代理模型的机翼多学科优化设计272
10.2.3基于巡航外形的结构模型反迭代设计方法277
10.3基于梯度的气动／结构优化设计方法282
10.3.1基于离散共轭的气动外形优化设计方法282
10.3.2基于梯度算法的气动／结构串行优化设计方法287
10.4气动／结构耦合离散伴随优化设计方法292
10.4.1气动／结构耦合离散伴随方法292
10.4.2HALE无人机多学科耦合优化设计297
【小结】304
【数字资源】305
参考文献305
第11章流固耦合分析应用实例306
11.1大展弦比翼身组合体静气动弹性分析306
11.23D打印柔性机翼非线性静气动弹性评估312
11.3双体飞机颤振特性分析314
11.3.1基准双体飞机颤振模型314
11.3.2双体飞机颤振影响规律探索318
11.3.3双机身布局对颤振的影响规律320
11.4热防护结构防热性能耦合评估323
11.4.1热流固耦合数值模拟方法323
11.4.2类X34模型耦合传热计算325
11.5飞翼布局柔性无人机阵风响应分析329
11.5.1离散风场扰动模型及引入330
11.5.2阵风影响分析332
11.6导弹气动伺服弹性分析与综合338
11.6.1弹性飞行器气动伺服弹性模型338
11.6.2导弹气动伺服弹性稳定性分析340
【小结】345
参考文献345
丛书序
前言
第1章绪论001
1.1流固耦合力学基本概念001
1.2典型流固耦合力学问题003
1.2.1航空航天中的气动弹性力学问题003
1.2.2其他工程中的流固耦合问题007
1.3计算流固耦合力学方法009
1.3.1流固耦合力学建模方法009
1.3.2计算流固耦合力学关键技术012
【小结】015
参考文献016
第2章计算结构力学方法基础018
2.1结构静力分析的矩阵法019
2.1.1矩阵法分析结构静力问题的基本步骤019
2.1.2矩阵位移法020
2.1.3直接刚度法021
2.1.4子结构法022
2.1.5矩阵力法023
2.1.6机翼静力分析案例023
2.2结构动力分析的有限单元法025
2.2.1结构动力学方程025
2.2.2自由振动的固有特性026
2.2.3受迫振动的动力响应029
2.2.4无人机动力学分析案例031
2.3热结构分析方法032
2.3.1稳态温度场分析032
2.3.2热弹性力学分析034
2.3.3热弹塑性力学分析和残余应力036
2.3.4热结构分析案例037
【小结】039
【数字资源】039
参考文献039
第3章经典气动弹性计算方法041
3.1准定常气动理论041
3.2西奥道生理论045
3.3求解颤振方程的pk法049
3.4非定常涡方法051
3.5面元法简介055
3.5.1偶极子格网法简述056
3.5.2涡格法简介057
3.5.3三维面元法简介059
3.6典型案例063
3.6.1基于定常涡格法的静气弹分析063
3.6.2基于偶极子格网法的颤振分析065
3.6.3气动弹性响应分析065
3.6.4翼体干涉对全机颤振特性的影响067
【小结】069
【数字资源】069
参考文献069
第4章计算流体力学方法基础070
4.1流动控制方程070
4.2有限体积法基础072
4.2.1有限体积法原理072
4.2.2数值离散方法074
4.2.3对流扩散问题求解077
4.3非定常可压缩流动有限体积法080
4.3.1空间离散方法080
4.3.2时间离散格式084
4.3.3边界条件处理086
4.3.4几何守恒定律087
4.4湍流模型简介088
4.4.1封闭性问题088
4.4.2一方程模型089
4.4.3两方程模型090
4.5典型模型数值模拟验证094
4.5.1NACA0012翼型定常扰流094
4.5.2RAE2822超临界翼型095
4.5.3ONERA M6机翼跨声速流动096
4.5.4NACA0012翼型周期性振荡098
【小结】099
【数字资源】100
参考文献100
第5章任意拉格朗日欧拉流固耦合计算方法101
5.1任意拉格朗日欧拉流固耦合力学方程101
5.1.1ALE坐标体系流动控制方程101
5.1.2运动坐标系下的湍流模型109
5.1.3固体运动控制方程111
5.2CFD／CSD耦合求解策略与流程113
5.2.1流固耦合计算的耦合策略113
5.2.2流固耦合计算格式精度分析118
5.3流体／结构耦合界面数据映射技术120
5.3.1无限平板样条插值方法121
5.3.2常体积转换法123
5.3.3径向基函数插值方法128
5.4机翼气动弹性CFD／CSD耦合计算实例131
5.4.1大展弦比机翼静气动弹性问题131
5.4.2机翼颤振CFD／CSD耦合计算134
【小结】140
【数字资源】141
参考文献141
第6章动网格技术142
6.1常用动网格生成方法142
6.1.1动网格问题的实质和内涵142
6.1.2虚拟结构法144
6.1.3微分方程法145
6.1.4四元数法146
6.1.5背景网格插值法147
6.1.6超限插值法148
6.2径向基函数类动网格技术149
6.2.1径向基函数149
6.2.2采用RBF方法计算网格变形151
6.2.3RBF动网格加速方法153
6.3动网格生成实例156
6.3.1二维动网格生成156
6.3.2三维动网格生成158
【小结】160
【数字资源】161
参考文献161
第7章流固耦合系统降阶模型技术162
7.1基于Volterra级数的流固合降阶模型162
7.1.1Volterra级数理论与构造方法163
7.1.2气动弹性降阶模型构造165
7.1.3Volterra降阶模型案例分析167
7.2基于本征正交分解的流固耦合降阶模型170
7.2.1本征正交分解算法170
7.2.2气动弹性POD降阶模型构造方法171
7.2.3降阶模型精度的影响因素175
7.3类平衡截断气动弹性降阶模型179
7.3.1平衡截断法179
7.3.2Gramian矩阵近似求解算法180
7.3.3基于SBT技术的混合型气动弹性降阶模型182
7.4非线性流固耦合降阶模型构造技术184
7.4.1高阶非线性Volterra级数降阶模型184
7.4.2高阶谐波平衡非线性降阶模型190
7.4.3基于泰勒展开的非线性特征分解降阶模型191
7.5数据驱动的非线性气动力降阶模型195
7.5.1非线性气动力的人工神经网络模型195
7.5.2非线性气动力支持向量机降阶模型200
7.6降阶模型的典型应用203
7.6.1气动伺服弹性建模与主动控制203
7.6.2阵风响应预测208
7.6.3基于降阶模型的流场重构211
【小结】215
参考文献215
第8章不可压流动柔性结构耦合数值模拟方法217
8.1不可压缩流体柔性结构流固耦合数值方法概述217
8.2格子Boltzmann方法221
8.2.1格子Boltzmann方程221
8.2.2格子Boltzmann模型222
8.3浸入边界法224
8.3.1基于速度修正的格子Boltzmann浸入边界法224
8.3.2圆柱扰流算例226
8.4分块网格技术及其应用228
8.4.1分块格子Boltzmann法228
8.4.2多区分块网格算法验证231
8.5结构几何非线性有限元法233
8.6柔性结构流固耦合数值模拟算例验证236
8.6.1二维圆柱柔性梁模型流固耦合问题236
8.6.2三维柔性板仿生流固耦合问题239
【小结】242
【数字资源】242
参考文献242
第9章可压缩流动柔性结构流固耦合模拟方法246
9.1可压缩流动柔性结构流固耦合问题概述246
9.2可压缩流动锐利边界浸没边界法247
9.2.1浸没边界法的基本思想247
9.2.2锐利边界浸没边界法的基本思想249
9.2.3点插值方法250
9.2.4加权*小二乘法253
9.3可压缩流动罚浸没边界法255
9.4基于有限体积方法的浸没边界法257
9.5典型应用案例259
9.5.1激波管中柔性板振动259
9.5.2火星降落伞流固耦合问题261
【小结】265
【数字资源】265
参考文献265
第10章飞行器流固耦合优化设计方法268
10.1气动／结构耦合优化设计概述268
10.1.1传统飞行器设计流程268
10.1.2气动／结构耦合多学科优化设计270
10.2基于代理模型的气动／结构多学科优化设计271
10.2.1代理模型简介271
10.2.2基于代理模型的机翼多学科优化设计272
10.2.3基于巡航外形的结构模型反迭代设计方法277
10.3基于梯度的气动／结构优化设计方法282
10.3.1基于离散共轭的气动外形优化设计方法282
10.3.2基于梯度算法的气动／结构串行优化设计方法287
10.4气动／结构耦合离散伴随优化设计方法292
10.4.1气动／结构耦合离散伴随方法292
10.4.2HALE无人机多学科耦合优化设计297
【小结】304
【数字资源】305
参考文献305
第11章流固耦合分析应用实例306
11.1大展弦比翼身组合体静气动弹性分析306
11.23D打印柔性机翼非线性静气动弹性评估312
11.3双体飞机颤振特性分析314
11.3.1基准双体飞机颤振模型314
11.3.2双体飞机颤振影响规律探索318
11.3.3双机身布局对颤振的影响规律320
11.4热防护结构防热性能耦合评估323
11.4.1热流固耦合数值模拟方法323
11.4.2类X34模型耦合传热计算325
11.5飞翼布局柔性无人机阵风响应分析329
11.5.1离散风场扰动模型及引入330
11.5.2阵风影响分析332
11.6导弹气动伺服弹性分析与综合338
11.6.1弹性飞行器气动伺服弹性模型338
11.6.2导弹气动伺服弹性稳定性分析340
【小结】345
参考文献345
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