本书在国内外研究成果的基础上，建立移动与冲击载荷激励浮冰层位移响应的理论数学模型、解析求解方法、数值计算方法和实验测试方法，系统阐述该领域的研究工作和最新发展，重点介绍移动载荷（如气垫船和潜艇等）激励浮冰层位移响应的临界速度、共振机理、影响因素及其在破冰方面的应用。全书共8章，包括绪论、移动载荷激励浮冰层位移响应的数学模型、移动载荷激励浮冰层位移响应的理论解法、冲击载荷激励浮冰层位移响应的理论解法、移动载荷破冰的边界元与有限差分混合方法、移动载荷破冰数值模拟的有限元方法应用、移动载荷激励仿冰材料位移响应的模型实验、水下航行潜艇破冰的理论与实验研究等内容。

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目录
第1章 绪论
1.1 研究背景及意义1
1.1.1 冰面利用1
1.1.2 破冰应用3
1.2 研究发展概述7
1.2.1 理论分析与数值计算7
1.2.2 现场测试与模型实验9
1.3 主要研究内容12
参考文献12
第2章 移动载荷激励浮冰层位移响应的数学模型
2.1 弹性力学的基本方程17
2.1.1 平衡微分方程17
2.1.2 几何方程19
2.1.3 物理方程20
2.2 冰层振动基本方程22
2.2.1 冰的基本特性22
2.2.2 冰层坐标系23
2.2.3 冰层的位移和应变张量23
2.2.4 冰层的运动微分方程25
2.2.5 冰层的本构关系26
2.2.6 位移和转角的关系28
2.2.7 用挠度表示的冰层振动微分方程29
2.3 流体力学的基本方程31
2.3.1 连续性微分方程31
2.3.2 欧拉运动微分方程32
2.3.3 拉普拉斯方程及其基本解34
2.3.4 拉格朗日积分36
2.4 二维规则波基本理论37
2.4.1 波浪运动的基本方程37
2.4.2 波浪运动的边界条件39
2.4.3 波浪运动数学模型及其简化39
2.4.4 微幅波的速度势41
2.4.5 微幅波的色散方程42
2.4.6 微幅波浪中的压强分布42
2.5 冰水系统的边界条件和初始条件43
参考文献43
第3章 移动载荷激励浮冰层位移响应的理论解法
3.1 匀速移动载荷激励文克勒基上梁和板的响应45
3.1.1 载荷和基的基本形式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 匀速移动载荷激励液体基上浮冰层的响应52
3.2.1 理论模型52
3.2.2 模型求解53
3.2.3 奇点法求临界速度57
3.2.4 能量法求临界速度61
3.2.5 计算结果与分析61
3.3 变速移动载荷激励液体基上浮冰层的响应65
3.3.1 理论模型65
3.3.2 模型求解67
3.3.3 计算结果与分析70
参考文献74
第4章 冲击载荷激励浮冰层位移响应的理论解法
4.1 单位脉冲载荷激励浮冰层的位移响应75
4.1.1 理论模型75
4.1.2 模型求解76
4.1.3 计算结果与分析77
4.2 三角脉冲载荷激励浮冰层的位移响应79
4.2.1 理论模型79
4.2.2 模型求解80
4.2.3 计算结果与分析82
4.3 正弦载荷激励浮冰层的位移响应86
4.3.1 理论模型86
4.3.2 模型求解86
4.3.3 计算结果与分析88
4.4 移动集中载荷激励浮冰层的位移响应88
4.4.1 理论模型88
4.4.2 模型求解89
4.4.3 计算结果与分析90
参考文献92
第5章 移动载荷破冰的边界元与有限差分混合方法
5.1 移动载荷定常运动的基本方程和边界条件93
5.1.1 纯水面上的理论模型96
5.1.2 纯冰面上的理论模型98
5.1.3 纯碎冰面上的理论模型99
5.2 边界元法与有限差分法相结合的数值计算方法99
5.2.1 扰动速度势用基本解表示100
5.2.2 面元划分和控制点布置方式101
5.2.3 冰层运动方程数值离散方法101
5.3 算法实现与结果分析106
5.3.1 算法实现和程序编制106
5.3.2 数值计算结果验证106
5.3.3 计算结果与分析112
5.4 气垫船破冰效果的影响因素及分析评估119
5.4.1 不同水深的影响分析120
5.4.2 破冰效率估算124
5.5 不同冰面工况下气垫船的破冰算例124
5.5.1 纯冰面情况125
5.5.2 半冰面-半水面情况127
参考文献132
第6章 移动载荷破冰数值模拟的有限元方法应用
6.1 理论模型与耦合算法133
6.1.1 理论数学模型133
6.1.2 流-固耦合算法135
6.1.3 计算方法验证136
6.2 开阔水域浮冰层数值模拟138
6.2.1 计算参数和几何模型138
6.2.2 冰层位移和应力计算结果139
6.2.3 破冰机理分析147
6.3 梯形航道浮冰层数值模拟147
6.3.1 计算参数147
6.3.2 几何模型与网格划分148
6.3.3 计算结果与分析148
6.4 变水深航道浮冰层数值模拟153
6.4.1 计算参数153
6.4.2 几何模型和网格划分153
6.4.3 计算结果与分析154
6.5 弯曲航道浮冰层数值模拟155
6.5.1 计算参数155
6.5.2 几何模型和网格划分155
6.5.3 计算结果与分析156
参考文献158
第7章 移动载荷激励仿冰材料位移响应的模型实验
7.1 模型实验相似关系159
7.1.1 基本方程159
7.1.2 相似关系160
7.1.3 模型冰试样162
7.1.4 仿冰材料163
7.2 模型实验测试系统165
7.2.1 实验设备165
7.2.2 位移测量168
7.2.3 气垫载荷170
7.3 仿冰材料位移响应实验172
7.3.1 拖曳水槽实验173
7.3.2 拖曳水池实验178
7.4 实验结果分析与讨论179
7.4.1 气垫速度的影响179
7.4.2 启动距离的影响183
7.4.3 气垫高度的影响185
7.4.4 气垫压强的影响186
7.4.5 水深的影响188
参考文献189
第8章 水下航行潜艇破冰的理论与实验研究
8.1 潜艇动压载荷190
8.1.1 细长体理论计算模型190
8.1.2 回转体理论计算模型192
8.1.3 兰金体理论计算模型196
8.2 冰层响应计算方法202
8.2.1 兰金体模型的渐近解202
8.2.2 浮冰层下的潜艇运动205
8.2.3 数值计算结果206
8.3 潜艇模型破冰实验211
8.3.1 实验测试系统211
8.3.2 模型实验结果212
8.3.3 破冰机理分析217
参考文献217