本书深入探讨了复杂多刚柔耦合系统装备中的流固耦合动力学问题，内容涵盖柔性柱体结构、海洋立管、风力机以及水下航行器操舵系统等多刚柔耦合系统的线性与非线性流固耦合动力学，以及基于多体系统传递矩阵法的最新理论成果及利用计算流体力学和有限元方法解决传统流固耦合问题的技术手段。本书通过将理论知识与实际工程项目紧密结合，并辅以大量真实案例分析，使读者能够更加直观地理解相关概念和技术应用，掌握当前流固耦合动力学领域的最新发展动态及其在工程实践中的具体应用方法。对于部分算例，本书还提供了相应的软件二次开发代码及MATLAB 仿真程序，便于读者进行实际操作练习。
本书适合力学、海洋工程、航空航天工程等领域科研技术人员及相关高等院校师生参考。

第1章 多体系统流固耦合问题概述 001
1.1 柔性柱体系统涡激振动与控制研究进展 003
1.2 风力机多体系统横风向涡激振动研究进展 008
1.3 海洋立管多体系统涡激振动研究进展 011
1.4 深海超大型航行器舵驱动系统水弹性振动研究进展 014
1.5 多体系统流固耦合研究存在的问题及解决方法 017

第2章 多体系统流固耦合问题的基本理论与方法 019
2.1 概述 019
2.2 多体系统动力学求解方法 020
2.2.1 多体系统传递矩阵法（MSTMM）基本理论 020
2.2.2 有限元法（FEM）基本理论 024
2.3 流体载荷求解方法 028
2.3.1 Theodorsen 非定常流体理论 028
2.3.2 Van der Pol 尾流振子模型 031
2.3.3 计算流体力学（CFD）理论 033
2.4 流固耦合问题研究的基本方法 039
2.5 本章小结 040

第3章 二元多体耦合结构涡激振动特征与涡振应用 041
3.1 概述 041
3.2 二维弹性支撑柱体涡激振动（VIV）动力学模型 042
3.2.1 基于Van der Pol 尾流振子模型的弹性支撑柱体VIV 模型 042
3.2.2 基于CFD 模型的弹性支撑柱体VIV 建模与二次开发 045
3.3 二维弹性支撑柱体VIV 机理 049
3.3.1 基于Van der Pol 模型的弹性支撑柱体VIV 模型计算结果 049
3.3.2 基于CFD 模型的弹性支撑柱体VIV 模型计算结果 050
3.4 安装NES 的二维弹性支撑柱体涡激振动减振 056
3.4.1 NES 简介 056
3.4.2 基于Van der Pol 尾流振子模型的R-NES 减振 057
3.4.3 基于CFD 模型的T-NES 减振 066
3.4.4 基于Van der Pol 尾流振子模型的T-NES 涡振控制 074
3.5 翼型-涡振圆柱多体耦合结构涡激振动特征及翼型流动控制 079
3.5.1 翼型-涡振圆柱多体耦合结构动力学建模 079
3.5.2 多涡振圆柱-翼型多体耦合结构流动控制仿真分析 083
3.5.3 翼型尾流干涉下柱体涡激振动与控制动力学建模 094
3.5.4 翼型尾流干涉下柱体涡激振动与控制仿真结果分析 097
3.6 刚性连接四柱体耦合结构涡激振动特征及流动控制 116
3.6.1 刚性连接四柱体耦合结构动力学建模 116
3.6.2 刚性连接四柱体耦合结构流动仿真分析 117
3.6.3 刚性连接四柱体耦合结构流动控制仿真分析 124
3.7 非线性弹簧支撑柱体结构涡激振动特征及流动控制 132
3.7.1 非线性弹簧支撑柱体结构动力学建模 132
3.7.2 非线性弹簧支撑柱体结构流动仿真分析 132
3.8 本章小结 147

第4章 风力机多体耦合结构涡激振动与控制 148
4.1 概述 148
4.2 三维风力机多体系统涡激振动 148
4.2.1 基于MSTMM 的风力机叶轮结构建模 148
4.2.2 风力机柔塔（塔筒）动力学建模 165
4.2.3 基于MSTMM 的风力机整机结构建模 169
4.3 T-NES 作用下的三维柔性风力机柔塔系统涡激振动减振 179
4.3.1 T-NES 作用下的柔塔动力学建模 179
4.3.2 T-NES 对三维柔塔涡激振动的影响 185
4.4 本章小结 188

第5章 海洋立管多体系统涡激振动与控制 190
5.1 概述 190
5.2 三维RTP 立管涡激振动 191
5.2.1 RTP 立管物理模型简化 191
5.2.2 RTP 立管动力学特性建模 192
5.2.3 RTP 立管动力学方程 194
5.2.4 RTP 立管振动特性及涡激振动模型验证 195
5.2.5 RTP 立管涡激振动特性分析 196
5.3 螺旋列板涡激抑制装置的动态设计方法 199
5.3.1 计算模型与设计方法 199
5.3.2 螺旋列板的设计及相关参数 200
5.3.3 模型验证 202
5.3.4 仿真结果分析 204
5.4 安装螺旋列板的三维海洋立管涡激振动减振 214
5.4.1 基于CFD/FEM 双向耦合的立管涡激振动模型验证 214
5.4.2 安装有螺旋列板的立管涡激振动响应 217
5.5 RTP 输流管道的稳定性 220
5.5.1 RTP 输流管道的动力学方程 220
5.5.2 复合材料经典层合板理论 225
5.5.3 基于MSTMM 的RTP 振动特性 228
5.5.4 RTP 稳定性分析 239
5.6 本章小结 244

第6章 水下航行器舵系统振动特性仿真方法与结果分析 246
6.1 概述 246
6.2 基于MSTMM 的舵系统建模 246
6.2.1 弯扭耦合梁建模 247
6.2.2 舵系统动力学模型 250
6.3 舵系统动力学参数确定方法 258
6.3.1 舵系统FEM 建模 258
6.3.2 基于FEM 的模型验证分析 259
6.3.3 基于FEM 的舵系统网格无关性验证 260
6.3.4 舵系统弯曲、扭转刚度参数获取 262
6.4 基于MSTMM 的舵系统振动特性仿真结果 264
6.5 本章小结 267

第7章 二元系统颤振模型仿真方法与结果分析 268
7.1 概述 268
7.2 二维悬臂弯扭耦合梁线性仿真 268
7.2.1 二维悬臂弯扭耦合梁建模 268
7.2.2 V -g 法作模型验证 272
7.3 三维悬臂弯扭耦合梁线性仿真 274
7.3.1 三维悬臂弯扭耦合梁建模 274
7.3.2 V -g 法作模型验证 277
7.4 悬臂弯扭耦合梁非线性颤振仿真 280
7.4.1 悬臂梁系统建模 280
7.4.2 仿真结果分析 286
7.5 考虑气动力非线性的悬臂梁颤振仿真 288
7.5.1 悬臂梁颤振运动建模 288
7.5.2 仿真结果分析 292
7.6 悬臂弯扭耦合梁的超声速仿真 293
7.6.1 超声速颤振运动建模 293
7.6.2 仿真结果分析 296
7.7 本章小结 297

第8章 水下航行器舵系统线性、非线性水弹性仿真 299
8.1 概述 299
8.2 基于MSTMM 的舵系统水弹性计算 300
8.2.1 基于MSTMM 的舵系统线性颤振模型频域分析 300
8.2.2 基于MSTMM 的舵系统线性颤振模型时域分析 302
8.2.3 模型验证 303
8.2.4 基于MSTMM 的舵系统水弹性计算结果分析 308
8.3 结构参数和间隙非线性对舵系统水弹性的影响规律 313
8.3.1 基于MSTMM 的舵系统二元颤振模型建模方法和参数获取 313
8.3.2 舵系统的二元颤振模型建模 316
8.3.3 舵系统二元颤振模型建模合理性验证 319
8.3.4 计算结果讨论 326
8.4 全三维舵系统非线性颤振建模与仿真分析 332
8.5 本章小结 335

参考文献 336

现代航空、航天、船舶与海洋工程领域，日益追求航行器的高速度、高机动性，追求工程装备质量轻、性能好。这些需求使得航行器以及工程装备等多刚柔耦合系统呈现出轻结构、大柔性的特点。这些系统在流体的作用下，就会出现系统流固耦合振动的问题。在流体力的作用下，系统中柔性结构会发生弹性变形，而结构变形又改变流场分布，这种相互耦合作用会使多刚柔耦合系统的振动逐渐达到平衡状态，或者发散，这种发散现象就会导致结构的破坏。概括地讲，多体系统流固耦合动力学就是研究流体和多体系统相互耦合作用而产生的各种线性、非线性动力学问题。
以气体为流体介质的流固耦合问题称为气动弹性问题，以水为流体介质的流固耦合问题称为水弹性问题。许多的气动弹性、水弹性问题涉及流体力、弹性力和惯性力，这类问题称为动气动弹性或者动水弹性问题。另外一些气动弹性、水弹性问题只涉及流体力和弹性力，称为静气动弹性或静水弹性问题。随着计算机技术和数值方法的不断发展，流固耦合高保真仿真技术水平得到了很大提高，但计算代价依然很高，计算非常耗时。因此，探索工程实用的流固耦合快速建模和仿真方法具有重要意义。
本书基于笔者近些年来发表的论文以及结合自己在流固耦合动力学与多体系统动力学领域的科研体会，以柔性柱体系统、海洋立管多体系统、风力机多体系统、水下航行器舵系统等复杂多体系统为研究对象，介绍解决这些科研与工程实际问题对应的多体系统流固耦合仿真方法。本书由陈东阳主要撰写与统稿，叶鹏程、黄桥高、施瑶参与部分章节的撰写，顾超杰博士、徐瑞博士、张新盛博士、徐凌云硕士参与本书建模仿真与整理书稿工作。
本书献给已故的恩师—南京理工大学发射动力学研究所Laith K. Abbas 教授。
感谢国家自然科学基金面上项目（52471342）、中国博士后科学基金（2023M743108）、广东省基础与应用基础研究基金（2024A1515011046 ）、姑苏青年创新领军人才项目（ZXL2023168）、浙江省领军型创新创业团队项目（2022R01012）的支持。
由于笔者水平有限，本书难免存在不当之处，恳请读者批评指正。

著者