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Table of Contents





1 paidousis, FSI, cross flow induced vibration



Preface
 page ix
1 Introduction
1.1 General Overview  1
1.2 Concepts and Mechanisms  3
1.2.1 Self-excited oscillations and instabilities  4
1.2.2 Argand diagrams and bifurcations  8
1.2.3 Energy considerations  12
1.3 Notation  13
1.4 Contents of the Book  14

2 Prisms in Cross-Flow – Galloping 
2.1 Introductory Comments
2.2 The Mechanism of Galloping
2.2.1 The linear threshold of galloping
2.2.2 Nonlinear aspects Further Work on Translational Galloping
2.3.1 The effect of sectional shape
2.3.2 Novak’s “universal response curve” and continuous structures
2.3.3 Unsteady effects and analytical models
2.3.4 Some comments on the flow field
2.3.5 Shear-layer reattachment
Low-Speed Galloping
Prisms and Cylinders with a Splitter Plate
Wake Breathing and Streamwise Oscillation
2.6.1 Wake breathing of the first type
2.6.2 Wake breathing of the second type Torsional Galloping
2.7 tortional galloping
2.7.1 General comments
2.7.2 Linear quasi-steady analysis
2.7.3 Nonlinear quasi-steady analysis  Contents
2.7.4 Disqualification of quasi-steady theory
2.7.5 Unsteady theory
2.8 Multi-Degree-of-Freedom Galloping
2.8.1 Quasi-steady models
2.8.2 Unsteady models
2.9 Turbulence and Shear Effects
2.10 Conjoint Galloping and Vortex Shedding
2.11 Elongated and Bridge-Deck Sections
2.12 Concluding Remarks

3 Vortex-Induced Vibrations
3.1 Elementary Case
3.2 Two-Dimensional VIV Phenomenology
3.2.1 Bluff-body wake instability
3.2.2 Wake instability of a fixed cylinder
3.2.3 Wake of a cylinder forced to move
3.2.4 Cylinder free to move
3.3 Modelling Vortex-Induced Vibrations
3.3.1 A classification of models
3.3.2 Type A: Forced system models
3.3.3 Type B: Fluidelastic system models
3.3.4 Type C: Coupled system models
3.4 Advanced Aspects
3.4.1 The issue of added mass
3.4.2 From sectional to three-dimensional VIV
3.4.3 VIV of noncircular cross-sections
3.4.4 Summary and concluding remarks

4 Wake-Induced Instabilities of Pairs and Small Groups of Cylinders . . . 155
4.1 The Mechanisms 155
4.1.1 Modified quasi-steady theory  156
4.1.2 The damping-controlled mechanism  157
4.1.3 The wake-flutter mechanism  158
4.2 Wake-Induced Flutter of Transmission Lines  160
4.2.1 Analysis for a fixed windward conductor  162
4.2.2 Analysis for a moving windward conductor 183
4.2.3 Three-dimensional effects and application to real transmission lines  192
4.3 Fluidelastic Instability of Offshore Risers  195
4.3.1 Experimental evidence for the existence of fluidelastic instability in riser bundles  196
4.3.2 Analytical models  200

5 Fluidelastic Instabilities in Cylinder Arrays
5.1 Description, Background, Repercussions  215
5.2 The Mechanisms  220
5.2.1 The damping-controlled one-degree-of-freedom mechanism  220
5.2.2 Static divergence instability
5.2.3 The stiffness-controlled wake-flutter mechanism
5.2.4 Dependence of the wake-flutter mechanism on mechanical damping
5.2.5 Wake-flutter stability boundaries for cylinder rows
5.2.6 Concluding remarks Fluidelastic Instability Models
5.3.1 Jet-switch model
5.3.2 Quasi-static models
5.3.3 Unsteady models
5.3.4 Semi-analytical models
5.3.5 Quasi-steady models
5.3.6 Computational fluid-dynamic models
5.3.7 Nonlinear models
5.3.8 Nonuniform flow Comparison of the Models
5.4.1 Experimental support for and against Connors’ equation
5.4.2 Comparison of theoretical models with experimental data
5.4.3 State of the art

6 Ovalling Instabilities of Shells in Cross-Flow 
6.1 A Historical Perspective
6.2 The Vortex-Shedding Hypothesis
6.3 Ovalling with No Periodic Vortex Shedding
6.3.1 Paidoussis and Helleur’s 1979 experiments
6.3.2 In search of a new cause
6.4 Further Evidence Contradicting Vortex-Shedding Hypothesis
6.4.1 Further experiments with cantilevered shells
6.4.2 Experiments with clamped-clamped shells
6.5 Counterattack by the Vortex-Shedding Proponents and Rebuttal
6.5.1 The “peak of resonance” argument
6.5.2 Have splitter plates been ineffectual?
6.5.3 Dénouement
6.6 Simple Aeroelastic-Flutter Model
6.6.1 Equations of motion and boundary conditions
6.6.2 Solution of the equations
6.6.3 Theoretical results and comparison with experiment
6.7 A Three-Dimensional Flutter Model
6.7.1 The model and methods of solution
6.7.2 Theoretical results
6.7.3 Comparison with experiment
6.7.4 Improvements to the theory
6.8 An Energy-Transfer Analysis
6.9 Another Variant of the Aeroelastic-Flutter Model
6.9.1 The flutter model
6.9.2 Typical results
6.9.3 An empirical relationship for U thr
6.10 Concluding Remarks


7 Rain-and-Wind-Induced Vibrations
7.1 Experimental Evidence  345
7.1.1 Field cases  345
7.1.2 Wind-tunnel experiments  346
7.2 Modelling Rainwater Rivulets  348
7.2.1 Development of rivulets  348
7.2.2 Tearing of rivulets  349
7.3 VIV, Galloping and Drag Crisis  351
7.4 Yamaguchi’s Model: A Cylinder-Rivulet-Coupled Instability  354
7.5 Concluding Remarks  355
Epilogue
Appendix A The Multiple Scales Method
Appendix B Measurement of Modal Damping for the Shells Used
in Ovalling Experiments
References
Index



2 Sumer BM, 1997. Hydrodynamics around Cylindrical Structures. Singapore: World Sci.



PREFACE v
CREDITS vii
LIST OF SYMBOLS ix
1. Flow around a cylinder in steady current
1.1 Regimes of flow around a smooth, circular cylinder 1
1.2 Vortex shedding 6
1.2.1 Vortex-shedding frequency 10
1.2.2 Correlation length 28
References 33
2. Forces on a cylinder in steady current
2.1 Drag and lift 37
2.2 Mean drag 40
2.3 Oscillating drag and lift 50
2.4 Effect of cross-sectional shape on force coefficients 52
2.5 Effect of incoming turbulence on force coefficients 53
2.6 Effect of angle of attack on force coefficients 55
2.7 Forces on a cylinder near a wall 57
References 70
3. Flow around a cylinder in oscillatory flows
3.1 Flow regimes as a function of Keulegan-Carpenter number .. 74
3.2 Vortex-shedding regimes 78
3.3 Effect of Reynolds number on flow regimes 89
3.4 Effect of wall proximity on flow regimes 92
3.5 Correlation length 104
3.6 Streaming 116
References 120
4. Forces on a cylinder in regular waves
4.1 In-line force in oscillatory flow 123
4.1.1 Hydrodynamic mass 124
4.1.2 Froude-Krylov force 129
4.1.3 The Morison equation 130
4.1.4 In-line force coefficients 133
4.1.5 Goodness-of-fit of the Morison equation 147
4.2 Lift force in oscillatory flow 149
4.3 Effect of roughness 153
4.4 Effect of coexisting current 157
4.5 Effect of angle of attack 161
4.6 Effect of orbital motion 163
4.6.1 Vertical cylinder 163
4.6.2 Horizontal cylinder 169
4.7 Forces on a cylinder near a wall 180
4.8 Forces resulting from breaking-wave impact 187
References 201
5. Mathematical and numerical treatment of flow around a cylinder
5.1 Direct solutions of Navier-Stokes equations 210
5.1.1 Governing equations 211
5.1.2 The Oseen (1910) and Lamb (1911) solution 211
5.1.3 Numerical solutions 219
5.1.4 Application to oscillatory flow 227
5.2 Discrete vortex methods 233
5.2.1 Numerical simulation of vorticity transport 234
5.2.2 Procedure used in the implementation of discrete vortex
method 237
5.2.3 Application areas 242
5.3 Hydrodynamic stability approach 248
References 266
6. Diffraction effect. Forces on large bodies
6.1 Vertical circular cylinder 276
6.1.1 Analytical solution for potential flow around a vertical circular
cylinder 276
6.1.2 Total force on unit-height of cylinder 282
6.1.3 Total force over the depth and the overturning moment .... 287
6.2 Horizontal circular cylinder near or on the seabottom.
Pipelines 289
References 295
7. Forces on a cylinder in irregular waves
7.1 Statistical treatment of irregular waves 297
7.1.1 Statistical properties of surface elevation 298
7.1.2 Statistical properties of wave height 312
7.1.3 Statistical properties of wave period 315
7.1.4 Long-term wave statistics 318
7.2 Forces on cylinders in irregular waves 319
7.2.1 Force coefficients 319
7.2.2 Force spectra 325
7.2.3 Forces on pipelines in irregular waves 328
7.2.4 Forces on vertical cylinders in directional irregular waves .. 330
References 330
8. Flow-induced vibrations of a free cylinder in steady currents
8.1 A summary of solutions to vibration equation 335
8.1.1 Free vibrations without viscous damping 336
8.1.2 Free vibrations with viscous damping 336
8.1.3 Forced vibrations with viscous damping 338
8.2 Damping of structures 342
8.2.1 Structural damping 342
8.2.2 Fluid damping in still fluid 346
8.3 Cross-flow vortex-induced vibrations of a circular cylinder . 353
8.3.1 Feng's experiment 354
8.3.2 Non-dimensional variables influencing cross-flow vibrations 364
8.4 In-line vibrations of a circular cylinder 376
8.5 Flow around and forces on a vibrating cylinder 383
8.5.1 Cylinder oscillating in the cross-flow direction 383
8.5.2 Cylinder oscillating in in-line direction 396
8.6 Galloping 397
8.7 Suppression of vibrations 407
References 413
9. Flow-induced vibrations of a free cylinder in waves
9.1 Introduction 418
9.2 Cross-flow vibrations 421
9.2.1 General features 423
9.2.2 Effect of mass ratio and stability parameter 432
9.2.3 Effect of Reynolds number and surface roughness 432
9.2.4 Cross-flow vibrations in irregular waves 436
9.3 In-line vibrations 441
9.4 In-line oscillatory motion 443
9.5 Flow around and forces on a vibrating cylinder 445
References 450
10. Vibrations of marine pipelines
10.1 Cross-flow vibrations of pipelines 455
10.1.1 Cross-flow vibrations of pipelines in steady current 455
10.1.2 Cross-flow vibrations of pipelines in waves 465
10.2 In-line vibrations and in-line motions of pipelines 471
10.3 Effect of Reynolds number 473
10.4 Effect of scoured trench 479
10.5 Vibrations of pipelines in irregular waves 481
10.6 Effect of angle of attack 486
10.7 Forces on a vibrating pipeline 486
References 491
11. Mathematical modelling of flow-induced vibrations
11.1 The steady-current case 497
11.1.1 Simple models 497
11.1.2 Flow-field models 499
11.2 The wave case 503
11.3 Integrated models 506
References 510
APPENDIX I. Force coefficients for various cross-sectional shapes .... 514
APPENDIX II. Hydrodynamic-mass coefficients for two- and threedimensional
bodies 517
APPENDIX III. Small amplitude, linear waves 519
REFERENCES FOR APPENDICES 521
AUTHOR INDEX 522
SUBJECT INDEX 527



3 非线性振动–顾致平– 中国电力出版社 ,2012



前言
第1章 单自由度保守系统
1.1 单自由度保守系统实例
1.2 定性分析方法
1.3 定量分析方法
1.4 定量与定性方法的应用

第2章 单自由度非保守系统
2.1 阻尼的机制
2.2 定性分析
2.3 近似解
2.4 非定常振动
2.5 张弛振动

第3章 单自由度系统的强迫振动
3.1 带立方非线性的系统
3.2 带平方和立方非线性的系统
3.3 自激系统
3.4 非定常振动
3.5 非理想系统

第4章 参数激励系统
4.1 分析实例
4.2 Floquet理论
4.3 单自由度系统

第5章 有限自由度系统
5.1 带平方非线性的系统的自由振动
5.2 带平方非线性的系统的强迫振动
5.3 平均法
5.4 谐波线性化方法
5.5 非线性连续系统的离散化例子



4 刘延柱–振动力学–高等教育出版社–2011


 



4.1 content



绪论
0.1 振动和振动力学
0.2 振动的分类
0.3 振动力学发展简史
0.4 振动力学在工程中的应用
第一章 自由振动
1.1 线性系统的自由振动
1.2 相轨迹与奇点
1.3 保守系统的自由振动
1.4 静态分岔
1.5 耗散系统的自由振动
习题

第二章 受迫振动
2.1 线性系统的受迫振动
2.2 工程中的受迫振动问题
2.3 非线性系统的受迫振动
2.4 受迫振动的混沌性态
习题

第三章 暂态响应
3.1 暂态响应的时域分析
3.2 暂态响应的频域分析
3.3 随机激励的响应
3.4 工程中的暂态响应问题
习题

第四章 自激振动
4.1 自激振动概述
4.2 极限环与范德波尔方程
4.3 工程中的自激振动问题
4.4 张弛振动与动态分岔
习题

第五章 多自由度系统的振动
5.1 多自由度系统的动力学方程
5.2 多自由度系统的自由振动
5.3 频率方程的零根和重根情形
5.4 多自由度系统的响应
5.5 有阻尼的多自由度系统
5.6 非线性多自由度系统
习题

第六章 多自由度系统振动的近似计算
6.1 邓克利法
6.2 瑞利法
6.3 里茨法
6.4 矩阵迭代法
6.5 子空间迭代法
习题

第七章 连续系统的振动
7.1 弦和杆的振动
7.2 梁的弯曲振动
7.3 梁振动的特殊问题
7.4 膜和板的振动
7.5 能量原理与动力学方程
习题

第八章 连续系统振动的近似计算方法
8.1 集中质量法
8.2 能量原理与瑞利商
8.3 假设模态法
8.4 加权残数法
8.5 传递矩阵法
8.6 有限元法
习题

附录 拉普拉斯变换表
习题答案
参考文献
索引
外国人名译名对照表



4.2 description



第1版是面向21世纪课程教材，获2000年中国高校自然科学奖教材类一等奖。 第1版以起点较高、将线性振动和非线性振动纳入统一的理论体系、注意反映近代研究成果等为特色。 第2版以本科生教学为目标，删去针对研究生教学要求的提高部分内容。 线性振动部分补充了频域分析方法和能量方法，适当增加有关连续系统振动的新内容， 加强了对近似方法的理论依据和误差估计的叙述，使理论更为完整和系统。 同时，保留原教材中以通俗易懂的方式对工程中常见的非线性振动问题的简单分析，以及随机振动和混沌振动的基本知识。适当补充了例题和习题。 　　 《振动力学（第2版）》系统地论述机械振动的基础理论和分析方法。绪论叙述振动力学的概况和简史。正文共分8章，一、二、三章讨论单自由度系统的自由振动、受迫振动和暂态响应，第四章叙述自激振动，第五、六章讨论多自由度系统的振动和近似计算方法，第七、八章讨论连续系统的振动和近似计算方法。各章均附有习题和答案。 　　 《振动力学（第2版）》可作为工程力学、机械工程、航空工程和土木工程等专业的教科书，也可作为从事与机械振动有关工作的工程技术人员的参考书。



4.3 authors intro



刘延柱，1936年生。1959年毕业于清华大学工程力学研究班。1960年至1962年进修于莫斯科大学。1962年至1973年任教于清华大学工程力学系。1973年任教于上海交通大学工程力学系。历任教授、博士生导师、工程力学研究所所长。2006年退休。现任中国力学学会名誉理事，力学史与方法论专业委员会委员，《力学与实践》副主编。研究领域为陀螺力学、多体动力学、非线性动力学等。著有《陀螺力学》、《静电陀螺仪动力学》、《航天器姿态动力学》、《多刚体系统动力学》、《理论力学》、《高等动力学》、《振动力学》、《非线性动力学》、《非线性振动》、《充液系统动力学》、《弹性细杆的非线性力学》、《刚体动力学理论与应用》等著作。曾获1987年国家自然科学四等奖，教育部和上海市四项科技进步二等奖，两项优秀教材一等奖和三项二等奖。 陈立群，1963年生。1999年于上海交通大学工程力学系获博士学位。1997年至1999年于上海大学上海市应用数学和力学研究所作博士后研究。 1999年任教于上海大学力学系。现任教育部“长江学者”特聘教授、博士生导师。兼任中国力学学会科普工作委员会副主任，动力学与控制专业委员会委员。研究领域为非线性动力学、振动分析和控制等。著有《振动力学》、《非线性动力学》、《非线性振动》和《理论力学》。曾获国家杰出青年科学基金，教育部中国高校自然科学奖二等奖两项，上海市科技进步奖二等奖四项、优秀教材一等奖一项和教学成果奖二等奖两项。



5 振动力学基础与MATLAB应用–鲍文博–清华大学出版社



F4401001190309 TB123-39/1 二楼中文图书085排A面07架06层

graduate level

第0章 绪论
0．1 振动力学发展简史
0．2 振动力学的基本概念
0．2．1 振动的基本物理量
0．2．2 简谐振动及其表示法
0．2．3 振动的分类
0．3 研究振动问题的基本方法
0．3．1 振动力学的研究内容
0．3．2 振动系统的简化与力学模型
0．3．3 振动系统的动力自由度
0．3．4 振动力学的研究方法
0．4 振动理论的工程应用

第1章 单自由度系统的自由振动
1．1 振动系统的简化及其模型
1．1．1 弹性元件
1．1．2 阻尼元件
1．1．3 质量元件
1．1．4 等效单自由度振动系统
1．2 单自由度线性系统的振动微分方程
1．2．1 力激励振动微分方程
1．2．2 基础激励振动微分方程
1．2．3 静力对振动微分方程的影响
1．2．4 振动系统的线性化处理
1．3 无阻尼系统的自由振动
1．3．1 单自由度无阻尼系统的振动解
1．3．2 确定固有频率的方法
1．3．3 能量法
1．4 具有粘性阻尼系统的自由振动
1．5 MATLAB算例

第2章 单自由度系统的强迫振动
2．1 谐波激励下的强迫振动
2．1．1 无阻尼系统的强迫振动
2．1．2 有阻尼系统的强迫振动
2．1．3 强迫振动的复数解法
2．1．4 能量平衡与等效阻尼
2．2 基础作简谐运动时的强迫振动
2．2．1 振动方程
2．2．2 稳态振动响应
2．3 振动的隔离
2．3．1 主动隔振
2．3．2 被动隔振
2．4 周期激励下的强迫振动
2．4．1 叠加原理
2．4．2 周期激励函数及其傅里叶展开
2．4．3 傅里叶级数解法
2．5 非周期激励下的强迫振动
2．5．1 脉冲响应法
2．5．2 傅里叶积分法
2．6 MATLAB算例

第3章 两自由度系统的振动
3．1 两自由度振动系统的运动微分方程
3．2 无阻尼系统的自由振动
3．2．1 运动方程
3．2．2 固有频率和模态
3．2．3 无阻尼系统的自由振动
3．3 坐标耦合与主坐标
3．3．1 坐标耦合
3．3．2 物理坐标和模态坐标
3．4 谐波激励下的强迫振动
3．4．1 无阻尼系统的强迫振动
3．4．2 具有粘性阻尼系统的强迫振动解
3．4．3 具有粘性阻尼系统强迫振动的复数解法
3．5 动力减振
3．6 拍击振动
3．7 半正定系统
3．8 两自由度系统的振动特性
3．9 MATLAB算例

第4章 多自由度系统的振动
4．1 多自由度系统模型的建立
4．2 多自由度系统运动方程的建立
4．2．1 牛顿第二定律法
4．2．2 拉格朗日方程法
4．2．3 影响系数法
4．2．4 多自由度系统运动方程的矩阵表示方法
4．3 多自由度系统的固有频率和模态向量
4．3．1 特征值问题
4．3．2 固有频率与模态向量
4．4 多自由度系统的模态分析
4．4．1 模态向量的正交性
4．4．2 模态矩阵
4．4．3 模态坐标
4．4．4 正则化模态
4．4．5 模态方程
4．5 无阻尼多自由度系统的振动
4．5．1 自由振动
4．5．2 受迫振动
4．6 一般多自由度系统的模态分析
4．7 MATLAB算例

第5章 连续系统的振动
5．1 弦的横向振动
5．1．1 弦的振动方程
5．1．2 弦自由振动方程的解
5．2 杆的纵向振动
5．3 杆的扭转振动
5．4 梁的弯曲振动
5．4．1 梁弯曲振动的运动方程
5．4．2 梁自由振动的解
5．4．3 固有频率与振型函数
5．5 剪切变形、转动惯量与轴向力的影响
5．5．1 剪切变形与转动惯量的影响
5．5．2 轴向力的影响
5．6 振型函数的正交性
5．7 连续系统的强迫振动
5．7．1 有阻尼运动的微分方程
5．7．2 广义坐标的运动微分方程及其解
5．8 MATLAB算例
5．8．1 pdepe（）函数
5．8．2 pde toolbox工具箱
5．8．3 例题

第6章 振动分析的近似计算方法



Author: ka

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