基于仿真数据库的深潜球壳应力场数字孪生方法

提出一种基于仿真数据库及数字孪生技术的深潜球壳应力场预报方法,通过建立不同尺度及载荷下耐压球壳的应力场分布仿真数据库,在潜水器上实现了通过单个耐压壳有限传感器布点虚拟传感监测其他关键部位的应力状态。基于数字孪生技术构建三级虚拟结构层,Level-1 DT层实现从有限元仿真模型到数字模型的空间映射及云图展示,球壳的极限承载力实验与数值结果对比误差小于9.4%。Level-2 DT层通过创建数据库实现数字模型的数据样本推演,仿真数据库中未获得尺寸及载荷条件下的球壳应力场分布通过局部拉格朗日插值方法获得,插值应力结果相对于仿真结果的相对误差为4.8%。Level-3 DT层开发了深潜球壳数字模型危险区域应力场分布的机器学习预报功能,通过粒子群算法优化后的BP神经网络保证预测结果与仿真结果的误差小于1%。该方法综合考虑材料性能、结构尺寸和环境载荷,可以为耐压壳结构的实时安全评估提供参考,实现对潜水器单个或多个球壳动应力场分布的动态感知、智能诊断和科学预测。

基于iFEM和虚实结合的加筋板应变场构建研究

iFEM(inverse finite element method)是目前进行结构应变场构建最有前景的方法之一,其目的是在结构离散应变采集过程中,以最少的实际测点获取满足精度要求的结构应变场。在一些局部区域应变数据不易采集时,可尝试采用虚实结合的方式进行离散应变数据的采集。本文以船舶典型结构加筋板为例,根据实测数据,结合仿真模型,依据Xgboost的测点回归方法,基于iFEM技术依次计算实测、仿真和虚实结合三种方法的应变场重构精度,分析误差原因。通过预测,当47个物理测点时平均误差最低,为1.92%,以虚实结合路径输入15个点和21个点时结果与验证点的误差均小于3%,验证了虚实结合快速补充缺失数据的应变场重构的方法操作性强、准确度高。

考虑时间相关性的风速和波浪高度短期预测

风与波浪高度是海洋工程设计的重要参数之一,其准确预测具有重要的工程意义。针对波浪高度复杂多变、难以预测的挑战,本文考虑时间相关性,利用长短时记忆(Long-Short-Term Memory,LSTM)神经网络方法建立风和波浪高度的短期预测模型。首先,对波浪高度和风速等海洋环境原始时间序列进行分析,并选取不同时间间隔对浪高和风速极值进行取值;其次,对风速与波浪高度开展相关性分析,并基于LSTM方法,构建风和波浪高度单步预测模型。在时间间隔为0.5 h时,波浪的预测误差为0.12 m;进而构建风和波浪联合预测模型,预测风速下的波高预测误差仅为0.12m,与实测风速下的波浪预测误差基本一致。

“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。

基于人工智能的三维结构全局应力求解方法研究

针对结构健康监测系统(SHM)中有限数量的应力测点难以监测结构全局应力的问题,提出一种基于人工智能的三维结构全局应力求解方法,通过少量应力测点实现对三维结构物应力场的实时求解。首先,基于有限单元之间对载荷响应的关联性,运用相关性分析找出求解三维结构物应力场的特征单元;其次,利用神经网络建立特征单元与相关单元的求解关系,并将特征单元设为应力测点进而求解结构全局应力;然后,以某海洋平台连接器结构为应用主体,考虑测点数量、神经网络架构、收敛准则等因素对求解精度的影响,建立连接器结构应力场人工智能算法优化模型;最后,开展实尺度模型试验,经比较分析得出该算法模型应力求解精度高达93.6%,该技术可切实提升SHM系统的实用性,将传统的对“点”监测提升为对“场”监测。

极地低温和凹陷损伤下加筋板极限强度的参数敏感性分析

为了快速评估含船冰碰撞凹陷损伤下加筋板在轴向压缩载荷作用下的极限强度,本文采用非线性有限元法对低温凹陷损伤加筋板的极限强度进行研究。根据EH36钢在低温下的材料力学性能试验,通过折减因子评估法,基于完整加筋板在轴向压缩下极限强度的经验公式,提出以加筋板柔度和加筋板壳板柔度为变化参数,采用最小二乘法拟合折减系数,得到低温含凹陷损伤加筋板剩余极限强度的经验公式。结果表明,相比于凹陷长度和凹陷深度,凹陷宽度对加筋板极限强度的影响较大;对比分析凹陷损伤加筋板极限强度的经验公式和有限元法的计算结果,误差较小,验证了船冰碰撞凹陷损伤下加筋板的极限强度快速评估方法的准确性。

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。

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。

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。

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。

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。

船舶波浪载荷和波激振动的影响要素研究进展

随着船体尺寸的增长和新型浮式结构物的出现,新船舶与海洋工程规范对波浪载荷设计值的要求越来越严。目前,重要设计值主要通过数值预报、水池模型试验和实尺度船舶测量等手段确定。在进行波激振动和水弹性响应的数值预报时,应考虑众多复杂影响因素,包括结构建模方式、数值方法和非线性效应等。文中对这些关键因素进行了总结和分析,并展望了未来技术发展趋势,指出船舶高速航行时波浪载荷数值预报结果与模型试验数据之间仍存在一定差异。在计及非线性效应、高阶响应和高航速等因素时,十分有必要通过不同数值计算程序与多种船型试验数据之间的交叉对比研究来提高波浪载荷及波激振动响应的预报精度。

三体船横向结构波浪设计载荷试验与规范比较研究(英文)

三体船连接桥结构波浪设计载荷的确定对结构设计中关注的横向强度问题来说是非常重要的。为了研究一艘三体船连接桥横向波浪载荷,进行了该三体船的水池模型试验,包含不同浪向下规则波与不规则波试验。试验对连接桥遭受的分离弯矩Msp、分离剪力Qsp和横向扭矩Mtt进行了测量,分析了其传递函数和统计的特性。根据对这些连接桥横向波浪载荷在试验值、推断值与规范计算值之间的比较分析表明:劳氏规范关于这些横向波浪载荷的计算值可能对应于规则波双幅波高6.0m;对于不同的横向波浪载荷来说,保证率为99%的设计载荷推断值对横向扭矩Mtt来说要大于规范计算值,而分离弯矩Msp和分离剪力Qsp的推断值对应的规范计算值则相当,这意味着设计人员在用劳氏规范进行校核时,横向扭矩Mtt的规范计算值是偏向于冒险的,应给予特别关注。

VLCC在波浪中弹性响应的理论与模型试验研究

商船的大型化发展使得船长变得越来越长。这将导致大型船舶在大洋中航行时船体梁产生由于流固耦合作用引起的波激振动和砰击颤振。文章采用模型试验和理论预报方法研究了一艘VLCC在满载和压载条件下的低频和高频垂向波浪载荷响应特性。试验模型长度超过6 m,采用两根非均匀截面梁来连接模型分段,并在分段处测量模型横剖面处的垂向弯矩。理论计算采用二维非线性切片理论和三维线性水弹性理论,预报结果和模型试验结果进行了比较。分析发现船体梁的波激振动易在小波高和低波浪周期下发生,尤其是船体梁的两节点垂向湿谐振频率为遭遇波浪频率整数倍的时候。波幅增大后,船体梁还将发生砰击颤振。波浪持续激励时波激振动和砰击颤振往往会耦合发生,由于船体梁小结构阻尼的影响,目前的技术手段难以从船体梁总振动中把它们分离开来。船舶的装载条件会对船体梁的振动特性尤其是波激振动产生较大的影响,研究发现压载条件下的波激振动响应要比满载条件下的严重,在已有文献中提到这种影响的机理在文中得到了模型试验和理论计算的再验证。

大型LNG船波激振动模型试验研究

尽管LNG船波浪总体载荷的研究在数值方法和模型试验研究方面均有文献可考,但是大型化后的LNG船其波激振动特性的研究仍不多见,考虑液舱晃荡作用对整体波浪载荷尤其是对波激振动影响的试验研究更为缺乏。在中国船舶科学研究中心耐波性水池和拖曳水池对一艘大型LNG船分别进行了两种缩比的模型试验,研究了液舱中液体晃荡和船体刚度变化对总体载荷的影响。试验研究发现了波浪载荷中倍频成分引起的非线性波激振动现象,并且在斜浪中存在类似于垂向波激振动的横向和扭转波激振动。液舱中液体的晃荡总体上减弱了船体的波激振动响应。船体刚度的减小引起船体结构的水弹性效应被急剧放大,从而导致了严重的波激振动现象。最后对本文所述的模型试验进行了不确定度因素分析,并给出了相关结论。

船体结构砰击总体载荷理论研究综述

船体结构遭受的波浪砰击载荷是一种强非线性的流体与结构之间的相互作用。砰击将导致船体主要按其两节点湿谐振频率发生振动,这种船体梁的总振动即为颤振。它往往引起船体结构的极限强度问题和疲劳损伤问题,这两种问题在船舶结构设计领域不可回避。从理论研究方面对船舶的砰击总体载荷进行综述,分析二维理论和三维理论在预报船体结构砰击总体载荷方面的优缺点。分析表明:虽然二维理论在该领域的应用已超过50年,但理论中基本假设和数学模型的局限性制约了其在肥大型船、多体船和海洋平台等领域的广泛应用;三维理论能突破二维理论的基本假设和数学模型的局限性,能在更加广泛的工程领域内得到应用。考虑外飘等非线性影响的三维时域水弹性理论能更加精确地预报砰击载荷,是船体结构砰击总体载荷理论研究的重要发展方向之一。

超大型矿砂船波激振动及颤振研究

为研究超大型矿砂船的波激振动和颤振现象,通过某超大型矿砂船波浪载荷和合成载荷的预报计算,并将计算结果和模型试验结果比较,给出了该船的波浪载荷特征.研究表明:波激振动是一种船体结构与波浪载荷间的共振现象,它和颤振都是船舶在波浪中运动时产生的高阶振动.一般地,波浪周期较短且波高较小时,大型船舶容易产生波激振动现象,然而,在大波高时,船体往往会由砰击引起颤振,但由于振动衰减阻尼很小,较难区分此时产生的是波激振动还是砰击振动或者是其组合.因而高阶波浪矩包含了波激和砰击颤振成分.波激振动在该类超大型船舶的总波浪载荷中占有很大的比例,且在不同航线上的影响程度也不同.研究结果对该船及同类超大型船舶的结构设计具有重要意义.

基于模型试验与三维水弹性理论的船舶波激振动响应研究

船体波激振动使得船体结构中产生高频、持续和具有一定幅值的振动应力,可能引起结构发生严重的疲劳损伤,因而对船舶结构的安全性带来严峻的挑战。文章以一艘大型LNG船为研究对象,采用三维线性水弹性理论与水池模型试验方法对船舶波激振动响应进行了比较分析,研究了规则波与不规则波中的波激振动特性。改变该LNG船的刚度,并保持船型、重量分布等其它主船体特征不变,在模型试验和理论计算中探讨了刚度对波激振动的影响。通过两种刚度船体梁的模型试验与理论计算结果的比较分析,给出了波浪周期和船体刚度的变化对波激振动影响的几点结论。

船舶波激振动研究进展

随着船舶大型化的发展,高强度钢的大量使用,对于船舶长度超过300m以上的大型船舶来说,波激振动现象逐渐突出。波激振动是一种高频谐振,它对船体结构的疲劳寿命产生重大影响。文章从理论预报、模型试验和实船测试三个方面对船舶的波激振动现象进行综合性的阐述,并提出当今船舶波激振动领域的研究展望。