船舶结构优化设计 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:秦洪德

出品人:

页数:253

译者:

出版时间:2010-1

价格:41.00元

装帧:

isbn号码:9787811335996

丛书系列:

图书标签:

• 船舶结构
• 结构优化
• 船舶设计
• 优化设计
• 有限元分析
• 强度分析
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• 海洋工程
• 结构力学
• 船舶工程

《海洋工程结构设计原理与实践》 内容概要： 本书全面深入地探讨了海洋工程结构的设计理论、分析方法和工程实践。全书共分为十五章，从海洋环境的特性、载荷分析，到结构材料的选择、强度与稳定性计算，再到疲劳损伤、断裂力学以及结构动力学分析，最后涵盖了结构的设计规范、建造工艺与维护管理。本书旨在为海洋工程领域的工程师、研究人员和学生提供一套系统、严谨的知识体系，以应对日益复杂的海洋开发挑战。 第一章 海洋环境与载荷 本章详细阐述了影响海洋工程结构设计的关键环境因素。首先，介绍了海洋环境的基本特征，包括水深、潮汐、波浪、洋流、风、海冰、温度、盐度以及海底地质条件等。重点分析了不同海域（如浅海、深海、极地海域）环境的独特性及其对结构设计的影响。 随后，深入探讨了作用在海洋工程结构上的各类载荷。波浪载荷是核心内容，详细讲解了波浪理论（如斯托克斯波、斯科尔波等）、波浪谱的统计特性以及规则波和不规则波作用下的载荷计算方法，包括瞬态载荷和平均载荷。风载荷的分析则侧重于不同风速、风向以及结构物表面形状的影响。洋流载荷的计算基于流体动力学原理，分析了恒定流和时变流的作用。此外，还介绍了海冰载荷（如挤压、碰撞、漂移）、地震载荷、温度载荷以及操作性载荷（如船舶停靠、设备安装）等。 本章强调了载荷统计分析的重要性，包括极值统计、频率分析以及可靠性指标的确定，为后续的结构设计提供了载荷基础。 第二章 材料科学与选择 材料是海洋工程结构性能的基石。本章详细介绍了适用于海洋环境的各类结构材料及其性能特点。 首先，重点介绍了高强度钢，包括其成分、冶金工艺、力学性能（屈服强度、抗拉强度、韧性、焊接性能），以及在腐蚀性海洋环境中的防腐蚀措施。阐述了普通碳钢、低合金钢在海洋工程中的应用局限性和改进方向。 其次，深入探讨了铝合金及其在海洋结构中的优势，如轻质、高比强度、耐腐蚀性，并分析了其在特定应用场景下的适用性。 再次，详细介绍了复合材料（如玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料）在海洋工程中的发展与应用。分析了其高比强度、高比刚度、耐腐蚀性、设计灵活性等优点，以及在非承重结构、面板、外壳等方面的应用案例。 最后，本章还涵盖了特种材料，如不锈钢、钛合金在极端腐蚀环境或特殊性能要求下的应用，以及混凝土材料在海洋平台、基础结构中的应用及其耐久性设计。 材料的选择原则被置于重要位置，强调了综合考虑强度、韧性、耐久性、可加工性、成本以及环境适应性等因素。 第三章 结构强度与稳定性分析 本章是海洋工程结构设计的核心内容，详细阐述了结构在各种载荷作用下的强度和稳定性分析方法。 首先，介绍了结构强度分析的基本原理，包括应力、应变的概念，以及各类应力（正应力、剪应力）的计算。重点讲解了梁理论、板壳理论在分析海洋结构杆件、面板和壳体中的应用。 其次，深入探讨了结构的静力分析，包括位移法、力法等数值分析方法。详细介绍了有限元分析（FEA）在海洋结构三维复杂分析中的应用，包括单元选择、网格划分、边界条件设置以及结果解读。 在稳定性分析方面，本章重点讲解了压杆稳定性（欧拉公式及其适用范围、临界屈曲载荷）和薄板稳定性（屈曲模式、临界屈曲应力）。针对海洋平台上部结构、下部支撑结构以及浮体结构，详细阐述了整体稳定性（倾覆、漂移）和局部稳定性（屈曲）的校核方法。 本章还介绍了材料非线性、几何非线性对结构强度和稳定性的影响，以及疲劳载荷作用下的许用应力设计方法。 第四章 结构动力学与振动分析 海洋环境的动态性使得结构动力学分析至关重要。本章详细介绍了海洋工程结构的动力特性和振动行为。 首先，讲解了结构动力学基本概念，包括自由度、质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵，以及运动方程的建立。 其次，深入分析了结构受外部激励（如波浪、风、船体运动）作用下的响应。重点介绍了频率响应分析、瞬态动力响应分析以及随机振动分析。详细讲解了波浪激励下的结构响应计算方法，包括作用在结构物上的动态波浪力以及结构对这些力的响应。 本章还探讨了结构的固有频率、模态形状的计算，以及共振现象的产生与避免。介绍了减振技术，如阻尼器、调谐质量阻尼器（TMD）的应用。 特别是，本章关注了海洋结构中常见的振动现象，如涡激振动、风致振动、波致振动，以及它们对结构疲劳寿命的影响。 第五章 疲劳与断裂力学 海洋工程结构长期处于动态载荷作用下，疲劳损伤是导致结构失效的重要原因。本章系统介绍了疲劳分析和断裂力学在海洋结构设计中的应用。 疲劳分析方面，详细讲解了S-N曲线（应力-寿命曲线）和应变-寿命曲线的应用，以及Miner线性损伤累积法则。介绍了名义应力法、结构应力法（T-方法）和 Fateh - [1] 法在疲劳寿命预测中的应用。重点分析了海洋结构中常见的疲劳裂纹萌生和扩展部位，如焊接接头、应力集中区域。 断裂力学方面，介绍了裂纹尖端应力场理论，包括应力强度因子（K）的概念。详细阐述了断裂韧性（KIC）以及其在评估结构抵抗裂纹扩展能力中的作用。介绍了裂纹扩展寿命的预测方法。 本章强调了结合疲劳分析和断裂力学进行结构可靠性评估的重要性，以确保结构在服役期间的安全。 第六章 结构连接设计 结构连接是海洋工程结构的关键组成部分。本章详细介绍了各类结构连接的设计与计算。 重点介绍了焊接连接的设计，包括焊缝形式、尺寸、焊接工艺以及焊接质量控制。讨论了焊接引起的残余应力和变形对结构性能的影响。 螺栓连接的设计也得到了详细阐述，包括螺栓类型、直径、预紧力以及连接板的强度和稳定性校核。 此外，本章还介绍了其他连接方式，如铆接、销连接，以及它们的适用性。 连接的疲劳寿命设计是重要内容，分析了不同连接形式下的应力集中和疲劳裂纹萌生。 第七章 结构设计规范与标准 本章介绍了海洋工程结构设计所依据的国际及行业主流设计规范和标准。 详细列举并分析了国际海事组织（IMO）、美国石油学会（API）、挪威船级社（DNV）、国际标准化组织（ISO）等发布的海洋结构设计规范。 重点介绍了API RP 2A（海上石油平台结构设计）等关键规范，并对其主要章节、设计原则、计算方法、材料要求、疲劳设计、稳定性设计等进行了详细解读。 本章强调了理解和正确应用设计规范的重要性，以及不同规范之间的差异与联系。 第八章 船体结构设计 作为重要的海洋工程结构，船舶的结构设计是本书的重要组成部分。 本章详细阐述了船体结构的组成，包括纵骨、肋骨、甲板、船壳板、梁、舱壁等。 介绍了船体结构的强度计算，包括纵强度（弯曲载荷）、横强度（横向载荷）、局部强度（舱口围、支柱）以及扭转载荷下的强度校核。 重点讲解了船体结构的稳定性设计，包括浮体稳定性（稳心高度、倾覆力矩）和结构整体稳定性。 介绍了船体结构的疲劳设计，特别是高应力集中区域（如甲板开口、船首尾部）的疲劳寿命评估。 还探讨了船体结构在不同航行工况（如静水、波浪、系泊）下的载荷分析。 第九章 海洋平台结构设计 海洋平台是海上油气开发的关键设施。本章详细介绍各类海洋平台结构的设计。 重点介绍了固定式平台（如导管架平台、重力式平台）的设计，包括基础结构、支撑结构、上部模块的设计与分析。 深入探讨了浮式生产储卸油装置（FPSO）、半潜式平台、张力腿平台（TLP）、张力腿式平台（Spar）等浮式结构的结构设计原理，包括浮体稳定性、动力响应、系泊系统设计。 本章还介绍了平台的材料选择、载荷分析（波浪、风、洋流）、强度与稳定性校核，以及疲劳设计。 第十章 模块化与建造工艺 现代海洋工程结构倾向于采用模块化建造。本章详细介绍了模块化设计理念及其在海洋结构建造中的应用。 阐述了模块化设计带来的优势，如缩短建造周期、提高建造效率、降低成本、改善安全条件。 介绍了海洋结构模块的设计原则，包括尺寸限制、重量控制、接口设计、吊装设计。 详细讲解了海洋结构建造过程中的关键工艺，包括钢材预处理、切割、坡口、焊接、组装、涂装、舾装等。 本章还讨论了陆地建造与海上安装的配合，以及大型模块的运输与对接技术。 第十一章 海上安装与调试 海上安装是海洋工程项目能否成功的关键环节。本章详细介绍了海洋结构的海上安装技术与流程。 介绍了不同类型海洋平台的安装方法，如固定式平台的沉桩、导管架吊装、上部模块对接；浮式结构的拖航、系泊、调试。 详细讲解了安装过程中可能遇到的挑战，如恶劣天气、深水作业、精度控制。 介绍了海上安装所需的关键设备，如大型起重船、铺管船、潜水作业设备。 本章还涵盖了安装后的结构调试与功能测试。 第十二章 结构健康监测与维护 为了确保海洋工程结构的长期安全服役，结构健康监测（SHM）与维护至关重要。 本章详细介绍了结构健康监测系统的组成与原理，包括传感器技术（应变片、加速度计、位移传感器、腐蚀传感器）、数据采集系统、信号处理与分析。 介绍了常见的监测参数，如应力、位移、振动、腐蚀、裂纹。 讨论了基于监测数据的结构性能评估、损伤诊断与寿命预测。 维护方面，详细介绍了海洋结构物的定期检查、维护保养（如防腐蚀、设备维修）以及应急修复技术。 第十三章 可靠性与风险分析 海洋工程结构设计必须考虑其可靠性与风险。本章介绍了可靠性设计理论与风险分析方法。 讲解了可靠性工程的基本概念，如失效概率、可靠度、设计寿命。 介绍了可靠性分析方法，包括故障模式与影响分析（FMI A）、故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）。 讨论了风险评估方法，如定量风险评估（QRA）与定性风险评估。 本章强调了通过优化设计、严格的建造过程以及有效的监测维护来降低风险、提高结构的可靠性。 第十四章 应用案例研究 为了更好地理解和应用本书内容，本章通过多个实际工程案例进行深入剖析。 选取了不同类型、不同海域的海洋工程结构，如大型海上油气平台、深水FPSO、海上风力发电机基础、大型海上输油臂等。 对这些案例的设计理念、关键技术、遇到的挑战以及解决方案进行详细解读。 通过案例分析，读者可以更直观地理解理论知识在实际工程中的应用，学习解决复杂工程问题的思路与方法。 第十五章 未来发展趋势 本章对海洋工程结构设计的未来发展趋势进行展望。 探讨了智能化设计方法（如AI辅助设计）、数字化孪生技术在海洋结构设计与运维中的应用。 展望了新型材料（如高性能复合材料）在海洋结构中的应用前景。 关注了海洋新能源开发（如海上风电、潮汐能、波浪能）对结构设计提出的新挑战与机遇。 讨论了深远海开发、极地开发等复杂环境对海洋工程结构设计提出的更高要求。 最后，总结了本书的要点，并鼓励读者在不断发展的海洋工程领域持续学习与创新。 本书结构清晰，逻辑严谨，内容翔实，理论与实践相结合，辅以丰富的图表和算例，是海洋工程领域从业者和学习者不可多得的参考书。

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