结构应力逆向推演模型及其不确定度定量分析

目的 针对现有结构安全在线监测与评估方法存在的短板,结合人工智能方法探索新的解决方案。提出一种基于有限测点应力逆向推演整体结构应力分布的方法,以数据驱动的模式,基于神经网络技术搭建算法模型。方法 以结构有限元仿真数据为基础,运用相关性分析方法,获取代表结构响应特征的有限个测点,利用神经网络方法构建基于有限测点应力推演结构全场应力分布的算法模型。结果 以科学试验平台的连接器结构为对象,开展该算法模型的应用研究,并且对该应用实例下的算法模型开展不确定度分析,推演结果的相对不确定度u95rel为8.6%。结论 该算法模型的推演结果正确反映了结构总体响应特征。从建模过程角度分析,该算法模型的不确定度来源主要包括相关性分析方法、神经网络建模以及模型收敛条件3个方面。     

“舰船结构安全性”专刊序言

随着对舰船生命力和战斗力要求的不断提高,以结构力学、流体力学、工程力学、爆炸力学、水弹性力学、新材料等多学科基本理论为基础,覆盖水面、水下、水空和水陆平台等多领域共同需求的舰船结构安全性越来越受到包括科研院所以及装备应用单位的重视。     

基于边云协同计算的浮桥运动姿态在线监测技术研究

目的 解决水面多模块浮体在离散状态和串联状态下的运动姿态时空同步监测问题。方法 基于边云协同技术,采用多个边缘计算节点同时采集结构姿态数据,并经由5G无线技术实时传输到物联网平台进行分析与监测,进而实现目标结构物姿态的快速监测。首先,根据临时结构物姿态监测的特点,分析得到姿态监测系统的总体设计架构与运行逻辑;其次,针对性地对物联网平台软件及边缘计算节点的各项功能模块进行分析设计;最后通过实船试验验证该监测系统。结果 该监测系统实现了多个浮体姿态数据的边缘采集与处理,并可通过无线网络传输到物联网平台进行存储与分析。在同一工况下,相邻浮桥的姿态具有一致性与相关性;在牵引工况下,中间浮桥的姿态变化更小;在顶推工况下,中间浮桥的姿态变化更大。结论 通过该技术能够监测到不同工况下多浮体结构物所产生的姿态变化,对于多浮体同步监测与数据融合处理问题具备一定的实用价值。     

基于人工智能的深潜耐压球壳应力场映射

目的 针对深潜耐压球壳在真实下潜过程中全局应力场难以直接获取的问题,提出一种基于人工智能的深潜耐压球壳应力场映射算法。方法 构建深潜耐压球壳有限元模型,并开展仿真分析。提出深潜耐压球壳监测布点方案,进而利用长短时记忆神经网络(Long-short Term Memory Network,LSTM),将测点应力信息作为输入,将全局应力场信息作为输出,构建深潜耐压球壳应力场映射模型。最后,对不同测点下的映射结果进行分析。结果 与模型试验结果相比,仿真误差小于2%。与DNN模型及BP模型相比,映射误差分别下降94.92%与97.76%。结论 所提映射算法可在部分测点失效的情况下仍可以保持较高精度。     

应用于船舶与海洋工程结构安全监测的应变传感器技术研究

目的 研制适用于船舶与海洋工程结构安全监测的应变传感器,并提出标定方法。方法 针对海洋环境特点,考虑传感器封装技术,通过结构设计与有限元仿真计算,研制以弹性体和电阻应变片为主要组成的应变传感器。设计传感器专用标定梁,并完成标定流程的制定和数据处理方法的研究,开展标定试验,获取传感器的标定数据,得到传感器的转换系数和非线性误差。开展传感器的环境与可靠性试验验证。结果 传感器的转换系数具有较高的一致性,系数最大为0.342,最小为0.335,偏差为2.05%,试验传感器最大非线性误差为1.3%,并通过了9项环境试验与2.56个循环(共1 980 h)的可靠性试验考核。结论 提出的标定方法适用,传感器可承受海洋环境条件中温度、湿度和盐度的长期作用,满足实船监测需求。     

基于结构应变监测的风帆推力测量方法研究

目的 提出一种用于实船测量的风帆推力测量方法.方法 针对VLCC风帆推力实船测量的需求,首先对风帆推力计算公式和风帆桅杆推力状态进行分析,进一步根据梁结构应变测试方法提出基于应变监测的风帆推力测量方法和传感测点布置方案.通过陆基模拟试验对风帆推力测量方法进行试验验证.结果 传感测点间结构应变差值随风帆推力增加而增大,具有显著线性关系,线性相关系数为0.9965,测试风帆推力与实际推力之间的平均误差为5％.结论 提出的风帆推力测量方法用于实船测量是切实可行的.     

基于实船结构监测数据的异常检测及处理方法

目的 获得高质量实船结构监测数据,减少数据因外界干扰造成的异常现象,现开发一套面向真实海况的实船结构监测数据的异常处理方法。方法 将统计学中的Z-score异常检测方法与数据处理中常用的平均值计算法相结合,实现对船舶结构应力数据的异常处理。基于正常信号创建含有异常现象的验证数据,对新的异常处理方法进行精度验证。结果 相比Hampel滤波法、Smooth平滑函数等传统的信号处理方法,Z-score异常检测及平均值计算方法的异常处理精度最高,且以此为基础计算的结构信号统计值准确度较好。结论 Z-score异常检测及平均值计算方法可实现真实海况下的实船结构监测数据的异常处理,并在结构应力数据的价值挖掘上可提供有力支撑。     

舰船波浪载荷响应特性及砰击载荷影响因素分析

目的 获取波浪载荷特征,提供准确的设计载荷输入,为舰船结构设计服务。方法 采用波浪载荷水池模型试验和理论预报对比的方法,给出波浪载荷传递函数响应曲线,验证理论预报结果的正确性。基于长期预报结果,分析波浪载荷沿船长的分布规律,通过改变超越概率和舰船装载状态,研究二者对波浪载荷的影响。基于模型试验结果,阐释航速引起的砰击弯矩的变化规律。之后,通过改变舷侧外伸平台的宽度、角度、高度等参数,分析参数变化对砰击载荷的影响,揭示波浪载荷的变化规律。结果 模型试验结果同理论预报结果吻合较好。垂向剪力、扭矩长期预报结果沿船长呈现双峰值形状,垂向弯矩和水平弯矩长期预报结果沿船长呈现抛物线形状,波浪载荷长期预报结果随超越概率呈大致线性变化关系。大波高、高航速试验工况下,船体弯矩呈现特别明显的非线性特征,舷侧外伸平台宽度越大、角度越小、高度越低,砰击载荷就越严重。结论 波高、航速等对砰击弯矩的影响显著,舰船在使用过程中,若要减少砰击的发生,可考虑规避大浪和主动减速。在舰船结构设计阶段,若要减小舷侧外伸平台产生的砰击载荷分量,应从平台的大小、位置、角度等参数的设计确定入手。