基于逆有限元方法的结构变形重构研究

针对海洋平台结构健康状态难以实时监测的问题,提出一种利用应变信息重构位移场的逆有限元方法。基于Timoshenko梁和最小二乘变分理论,通过提取结构表面应变计算截面中性轴应变,推导应变场及位移场函数,并将应变信息作为逆有限元重构的输入条件,对结构变形进行回构。为提升该方法的容差性,分析了应变片位置偏差及信号噪声对精度的影响。以海洋平台立柱为试验对象,分别利用有限元分析结果及实测结构应变信息来重构位移场。试验结果表明,提出的逆有限元法在不同载荷形式下均有较高的重构精度。     

逆有限元法在船体加筋板结构变形重构中的应用

对结构变形重构技术进行了研究，利用基于最小二乘变分原理的逆有限元法对多种案例的船体加筋板结构进行位移重构，研究了逆有限元模型网格对重构误差的影响，通过MPE误差分析验证了逆有限元法的可行性以及对复杂结构的适用性。为了使逆有限元法更具有工程实用性，结合改进的遗传算法为离散测点的数量和位置选择提供了依据，结果表明通过优化测点布置，可以在保持高精度逆有限元重构结果的同时，大量减少逆有限元模型中测点的数量。     

基于相空间重构和回声状态网络的舰船摇荡预报

为了改进利用传统回声状态网络(Echo Stale Network,ESN)方法预报非线性舰船摇荡时历时预报精度不足的问题,提出将相空间重构和回声状态网络相结合的方法,在依托海军某型舰实船采集摇荡数据的基础上,采用相空间重构技术提取舰船摇荡时历的内部结构信息,获取摇荡时历的相空间特性,对时历数据进行可用性筛选,然后将重构后的数据输入到回声状态网络进行学习训练,用于预报舰船极短期的摇荡姿态。利用实船数据进行不同预报时长条件下的试验仿真,并按照均方误差、均方根误差等误差标准对仿真结果进行误差分析。试验结果表明:所提方法对于舰船摇荡的预报具有精度高及稳定性强的优点,预报值与真实值相比从摇荡值和摇荡相位上都具有较好的精度,证明了该方法的可行性。     

基于l_1范数最小化的水下圆柱壳振动声辐射预报北大核心CSCD

基于模态叠加理论,将圆柱壳结构在流体中的响应以真空中振动模态形式展开,通过测点振动速度和模态矩阵建立以模态参与系数为未知量的欠定方程组。利用结构中低频段振动对应的模态参与系数的稀疏特性,采用l1范数最小化法求解基于测点振动所建立的欠定方程组,得到模态参与系数,从而重构结构振动速度场,最终采用边界元法进行声辐射预报。通过单层圆柱壳振动与声辐射实验结果和预报结果进行对比,验证了该预报方法的正确性。在此基础上,研究基于布置在内壳上的测点振动速度重构双层圆柱壳体结构振动和实现辐射噪声评估的可行性,并初步研究了测点数目和位置对预报精度的影响。     

基于l_1范数最小化的水下圆柱壳振动声辐射预报

基于模态叠加理论,将圆柱壳结构在流体中的响应以真空中振动模态形式展开,通过测点振动速度和模态矩阵建立以模态参与系数为未知量的欠定方程组。利用结构中低频段振动对应的模态参与系数的稀疏特性,采用l1范数最小化法求解基于测点振动所建立的欠定方程组,得到模态参与系数,从而重构结构振动速度场,最终采用边界元法进行声辐射预报。通过单层圆柱壳振动与声辐射实验结果和预报结果进行对比,验证了该预报方法的正确性。在此基础上,研究基于布置在内壳上的测点振动速度重构双层圆柱壳体结构振动和实现辐射噪声评估的可行性,并初步研究了测点数目和位置对预报精度的影响。     

基于l1范数稀疏解的水下双层圆柱壳振动声辐射预报影响因素研究

基于模态叠加法理论,采用l1范数稀疏解方法,实现了水下双层圆柱壳由内壳有限测点振速值重构得到内、外壳振速空间分布,进而基于边界元理论对结构水下辐射声场进行预报。通过数值计算,分析了模态数目、测点数目和模态振型误差等因素对振动声辐射预报结果的影响,为指导速度场重构时模态数目、测点数目的选取提供了一定的理论依据;结果表明基于l1范数稀疏解声学预报方法对模态振型误差有一定的鲁棒性。最后开展了水下典型双层圆柱壳结构振动声辐射预报的试验研究,可为工程领域结构的声振预报提供一定的指导思路。     

某连拱隧道爆破振动监测分析与预测

为了更好地指导隧道施工,论文以云南某连拱隧道为工程背景,对后行隧道爆破进行实际监测。结合实测数据,通过最小二乘法对测点数据进行了振速分析,同时应用线性回归和BP神经网络两种方法对测点振速进行了预测。最后结合实测数据,论证了拟合公式的准确性,调整了单响药量,发现了BP神经网络预测方法精度更高。     

陀螺角度随机游走误差对旋转惯导系统的影响

采用旋转调制技术可以抑制惯导系统误差随时间发散的趋势,然而,随机误差是限制旋转惯导系统精度继续提高的因素之一。对于高精度应用领域,陀螺角度随机游走误差也是惯导系统设计时考虑的因素。本文从对准和导航2个过程出发,研究陀螺角度随机游走误差对惯导系统的影响,结合激光陀螺实测数据进行艾伦方差分析,并利用实测结果进行仿真验证。结果表明,陀螺角度随机游走引起惯导系统振荡误差,0.0005°/√h的角度随机游走导航7天引起的位置误差大约1.3 nm。     

基于Bagging-GPR的舰船目标RCS频率外推技术北大核心CSCD

[目的]针对高频情况下使用传统仿真、实测方法获取舰船目标RCS受限的问题,提出一种结合引导聚集(Bagging)算法与基于谱混合协方差函数的高斯过程回归(GPR)模型的混合方法(Bagging-GPR),从而根据仿真和实测得到的低频段RCS数据,准确高效地外推高频段的RCS数据。[方法]首先,根据舰船目标低频段单站RCS数据,以重采样的方式获取训练子集,并使用基于谱混合协方差函数的GPR模型对各子集的RCS数据在频域上进行外推;然后,通过Bagging算法将各子集的外推结果进行混合,以进一步提高GPR的外推精度和鲁棒性;最后,分别在舰船模型的仿真数据集和实测数据集上对Bagging-GPR混合方法的性能予以试验验证。[结果]结果表明,Bagging-GPR可以实现实时外推,预测值与仿真值、实测值基本一致,均方根误差很小。[结论]所提方法具有较高的频域RCS数据外推精度和良好的鲁棒性,可为快速获取目标的高频RCS特征提供一种新的技术手段。     

基于最小化振速重构误差的等效源分布优化方法研究

针对波叠加法计算声场存在的预报精度受等效源分布位置及计算频率影响的问题,研究了使用预报的声压逆向求解结构边界法向振速时存在振速重构误差的问题,推导了声压预报误差与振速重构误差之间的解析关系,研究发现减小振速重构误差能够降低声场预报误差.为提高波叠加法的声场计算精度,提出了一种基于最小化振速重构误差优化确定等效源位置分布的方法,并设计了一种频率阈值准则来确定一定数量等效源所适用的计算频率范围.通过数值仿真和试验对所提方法进行了验证,结果表明所提方法能够有效降低声场预报误差,可用于实际声场计算.     

基于弯矩影响系数的轴系安装状态评估逆计算方法

[目的]为了在船舶推进轴系安装完成后对其实际的安装状态进行检验,[方法]提出基于弯矩影响系数的轴系状态逆计算方法。推出轴系任意截面弯矩与轴承变位的线性关系,通过实测弯矩直接推算轴承变位与实际负荷,反演轴系的状态参数。研究弯矩影响系数的特性,建立与应变测试相适应的轴系状态分析模型,给出多种轴系类型的应变测点布置原则,提出以降低误差敏感度为目标的应变测点优化方法。对38 500 DWT散货船推进轴系进行实测,通过所提出的方法推算轴系的实际安装状态。[结果]结果显示,推算的轴承负荷与现场顶举负荷完全一致,最大相对误差为3.14%。[结论]实验验证了该方法的正确性和适用性,可为轴系安装状态的评估提供一种新的方法。     

基于三维激光点云的船体型线测绘研究

基于全站仪的测绘方法量程小,对于船体型线拼接接口处数据处理误差较大,因此设计一种基于三维激光电云的船体型线测绘方法。首先对三维激光点云数据进行预处理,不同视角下的舰船点云数据会出现重复造成误差,得到误差模型,在实际测绘中将误差考虑进去,使点云建模更精准,利用K-D树方法完成临近点云的搜索,并实现点云配准,将配准完毕的点云输入到软件中,得到舰船模型,实现体型线测绘。为验证测绘方法的有效性,设计对比实验。实验结果表明,设计方法测绘得到的各个测点挠度与基于全站仪测绘方法得到的测点挠度相比,更接近真实情况,验证了设计方法的有效性。     

舰载火箭弹弹道重构与模型验证

为了验证火箭弹系统六自由度仿真模型的可信性,建立用于弹道重构的系统状态模型和基于GPS观测数据的量测模型,运用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法和TIC不等式系数法,探讨仿真模型静、动态性能的验证方法。以某型舰载火箭弹系统为研究对象,通过重构火箭弹飞行状态的误差参数,对其仿真模型进行定量验证。仿真结果表明,利用弹道重构方法对六自由度弹道仿真模型进行验证是有效的。     

一种双向曲率板成型应变分布的力学计算方法

在双向曲率板线加热成型及滚压成型的工艺设计研究中,一项十分重要的工作就是依据所需目标形状计算应变分布并以此确定加工路径和工艺参数,因此应变分布计算的精度直接影响到加工路径和工艺参数的准确性.本文介绍了一种基于力学方法的应变分布计算方法,首先对平板施加节点位移场进行弹塑性计算,由于存在回弹现象,需对节点位移场进行反变形修正,本文将得到的形状与目标进行对比后,再利用两者偏差对位移场进行迭代修正,直到两者偏差满足精度要求,最后将得到的应变场以初应变的形式输入到平板模型上,用初应变法的结果对应变的计算方法进行验证,证明该方法的精度,为后续加工路径和工艺参数的准确确定提供基础.     

基于RGB-D深度图像的船体板架非结构面模型重建方法北大核心CSCD

[目的]为准确、快速地重建船体板架非结构面三维形状,便于船体结构变形的高精度高效率测量,设计一种基于RGB-D深度图像的模型重建方法。[方法]首先通过随机抽样一致性算法与最小二乘法相结合的方式剔除点云集中的异常数据,再利用RGB彩色图像棋盘格标靶位置信息对结构多视角点云进行配准;其次将结构物面进行区域网格划分并对点云进行聚类,运用最小二乘法原理对每个网格点云子集进行空间曲面拟合,实现点云融合,在此基础上采用高阶面元实现船体结构外板表面的三维重建;最后,通过试件重构模型与激光扫描点云进行对比,验证模型重建方法的精确性。[结果]结果显示,试件三维重构模型较激光扫描点云随机点的均方根误差为1.02 mm,建模精度满足船舶建造工程需求,同时结构RGB-D深度图像数据获取时间相比于激光扫描可忽略不计。[结论]研究表明,提出的模型重建方法能够准确高效地完成船体板架非结构面三维重构,为船体结构变形测量提供了有力的数据支撑。     

基于多点应变对船体垂向弯曲倾角进行校正的方法

通过对舰船的受力及角度变形规律进行研究,推导应变转角关系数学模型。在船体表面布置若干个应变传感器,即可由结构应变获得船体垂向弯曲倾角。利用数值试验模型对提出的模型进行"数值试验"验证。结果表明,利用本文所提出的模型获得的目标数据具有较好的精度。该方法能克服当前常用方法占用较大空间、需固定基准点和测量功能单一的局限性。利用光纤光栅传感器测量船体应变获取结构弯曲倾角,可对船体变形引起的船体局部姿态信息误差进行校正,为舰载武器装备提供较高精度的姿态基准。     

基于表面响应预报水下圆柱壳声辐射的振动测点布置研究

针对基于表面振动的圆柱壳声辐射估算的测点布置问题,提出均匀的测点布置方法。利用有限元法计算大尺度单层加肋圆柱壳在水下振动时的表面速度分布,根据边界元法及各测点处的速度计算不同测点布置对应的辐射声功率,比较各振动测点布置对应的声辐射预测精度,选择合理的测点布置。计算结果表明,对于给定尺寸的结构,在10～125 Hz范围内,周向和轴向测点数存在最优值(周向12个、轴向5个),当测点数大于最优值时,测点数量的增加不能有效提高声功率的计算精度;当测点数小于最优值时,声功率的计算误差明显增大。在较低的频率范围内,1/6声学波长可作为大尺度结构在水下振动时的测点布置依据。     

基于阿基米德螺旋加密重构技术的无人航行器KT辨识研究

针对无人航行器操纵模型参数辨识精度受限于航向数据采集频率的问题,提出一种运用阿基米德螺旋(Archimedes spiral, AS)加密重构稀疏数据集进而改良辨识精度的思路。首先,选取不同采集频率的Z形操纵仿真试验数据集,基于最小二乘算法进行一阶线性KT方程的参数辨识,定量分析采样频率对辨识精度的影响,阐述重构稀疏数据的必要性。随后,提出预先应用AS插值加密优化的策略,重构光滑连续的加密数据集,并与初始稀疏集、基于三次样条插值的加密集完成对比分析。数值结果表明,基于AS的数据重构策略使KT辨识精度提高了31.1%,平均误差仅2.4%,较三次样条插值处理准确了1%。基于AS的加密重构技术弥补了实际数据采样频率相对较低时的不足,为无人航行器高精度操纵模型参数辨识提供了新思路。     

一种双向曲率板成型应变分布的力学计算方法

在双向曲率板线加热成型及滚压成型的工艺设计研究中,一项十分重要的工作就是依据所需目标形状计算应变分布并以此确定加工路径和工艺参数,因此应变分布计算的精度直接影响到加工路径和工艺参数的准确性。本文介绍了一种基于力学方法的应变分布计算方法,首先对平板施加节点位移场进行弹塑性计算,由于存在回弹现象,需对节点位移场进行反变形修正,本文将得到的形状与目标进行对比后,再利用两者偏差对位移场进行迭代修正,直到两者偏差满足精度要求,最后将得到的应变场以初应变的形式输入到平板模型上,用初应变法的结果对应变的计算方法进行验证,证明该方法的精度,为后续加工路径和工艺参数的准确确定提供基础。     

基于VR技术的舰船航行环境快速重构研究

由于点云数据匹配数量不足,导致重构的三维图像与实际图像之间存在较大位置误差。针对上述问题,进行基于VR技术的舰船航行环境快速重构研究。研究以VR技术为依托,利用VR技术中的核心计算机完成4个步骤。首先对前端VR成像设备采集到的二维点云图像进行预处理,包括点云去噪和精简;然后进行摄像机标定,确定摄像机数学模型,从而得出三维空间中物体的几何信息;再以得到的几何信息为基础,进行点云特征点检测与点云匹配;最后利用VR技术中的VTK软件实现自动重构。结果表明,与2种传统重构方法相比,本方法应用后,点云匹配数量更多,重构的三维图像与实际图像之间的位置误差更小,证明了本方法的重构性能。