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原文传递极地航行船舶冰载荷反演方法及应用研究

论文题名：	极地航行船舶冰载荷反演方法及应用研究
关键词：	极地航行船舶;冰载荷;反演法;正则化方法;数学特点
摘要：	近年来，随着全球气候变暖，北极地区的冰层不断融化，使得开发极地资源和开辟极地航道成为当今研究的热点问题。极地航行船舶作为保障极地开发和通行的基本装备，其在冰载荷作用下的安全性和可靠性问题越来越受到人们关注。只有获取了准确可靠的船体冰载荷，才有可能应用各种先进的技术确保船舶在极地海域航行的安全可靠性。然而，受环境和技术条件限制，作用在船体结构上的冰载荷很难直接被测量，但应变响应的测量相对容易和准确。因此，利用实船测量的响应数据进行冰载荷识别的反演技术成为获取船体冰载荷的一种重要手段。本文针对如何建立船体冰载荷反演的数学模型展开了深入研究，主要工作内容如下：　　针对载荷反演问题不适定性的数学特点，深入研究了时域内载荷反演问题的正则化方法，建立了三种载荷反演的正问题模型。从迭代、投影和离散几个方面阐述了不同的正则化方法与原理，探讨了不同正则化参数与矩阵的选取方法对正则化解的影响。通过模型试验或有限元数值模拟，构建了反演载荷、结构系统和结构响应之间关系，为船体冰载荷数学反演模型的建立提供了必要的方法支撑。　　基于梁理论，结合船体艉肩部肋骨结构的特点，对肋骨结构系统的反演数学模型进行了推导。通过核函数的正问题模型及投影法构建了反演载荷与结构响应之间的关系，从而得到时域内肋骨结构上的载荷幅值及分布情况。算例结果表明，该数学反演模型降低了肋骨载荷反演过程中方程病态性对结果的影响，得到了与真实载荷十分接近的反演载荷。　　根据冰载荷的自然特性及船体监测区域测量设备安装位置，建立了三种固定边界的载荷离散模型。基于已知载荷及多源载荷正问题模型的理论，利用有限元模型构建已知载荷与结构响应之间的关系来获取不同离散模型的离散化矩阵。针对传统载荷反演方法不适定性的缺点，引入了 Tikhonov正则化技术，并根据广义交叉校验法选取各离散模型的正则化参数，将离散后的载荷反演方程转化为无约束最优化问题。针对反演问题初始值过分依赖的缺点，采用信赖域算法，得到正则化方程取得最小值时各离散区域冰载荷压力，进而得到时域内外板冰载荷幅值及分布的变化过程。　　基于不确定性结构的载荷识别思想，建立了一种无边界载荷反演数学模型。将外板的载荷反演区域离散为包含反演载荷纵向边界条件的子区域，应用投影法和正问题模型建立了子区域内包含冰载荷作用高度（纵向边界）信息的线性方程组，并利用Tikhonov正则化将其转化为约束条件下的最优化问题。基于模拟退火算法原理，将约束条件转化为目标函数，求解多目标下的方程最优解，得到各离散区域内冰载荷的压力值及载荷作用高度随时间的变化。　　基于上述研究成果，进行了实船原型测量试验数据的船体冰载荷反演，得到了准确有效的船体艉肩部肋骨和外板结构时域内冰载荷的幅值及分布，获得了不同冰况和工况下船体冰载荷的变化转移过程。
作者：	刘瀛昊
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	佟福山
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文