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原文传递船舶与海洋工程结构典型载荷间接监测方法研究

论文题名：	船舶与海洋工程结构典型载荷间接监测方法研究
关键词：	船舶结构;冰载荷;在线监测;反演算法
摘要：	船舶与海洋工程结构在实际运营中存在大量不确定性因素，导致结构安全问题突出，这对结构安全在线监测提出了现实需求。结构安全在线监测可以通过多种途径进行:(1)直接监测结构关键点应力，通过应力在线评估结构安全;(2)监测结构的典型载荷（局部载荷与总体载荷），通过典型载荷在线评估结构安全。本文重点研究载荷监测中的载荷反演算法。　　船舶与海洋工程结构实际遭遇的载荷多种多样，局部载荷主要为分布式压力，总体载荷主要为弯矩及扭矩。所以，本文以板架结构局部冰载荷、船体梁波浪弯矩及扭矩这三种典型载荷为例开展一系列典型载荷间接监测方法研究，主要内容如下: 　　(1)研究船舶与海洋工程结构局部冰载荷间接监测的常规方法与混合方法。在常规方法中，将冰载荷监测区域划分为若干承载元并假定每一单元内的冰载荷均匀分布。然后，通过有限元仿真在冰载荷与结构响应之间建立完整的映射关系，并将这种映射关系表示为一个线性方程组。最后，用多种方法反求线性方程组以确定最优反求方法。在混合方法中，需要构造多个数学模型并用多种方法求解，最后由遗传算法输出最终解。板架结构分布式冰载荷间接监测的有限元仿真及工程实例证明了混合方法的实用性和优越性。另外，考虑到基于有限元仿真得到的数学模型具有不确定性，本文引入D-最优设计法对数学模型进行优化。在优化数学模型的基础上结合蒙特卡洛法研究了数学模型的不确定性对冰载荷反求结果的影响。　　(2)在典型载荷的间接监测中，数学模型的病态对典型载荷的反求精度影响甚大。本文将D-最优设计法引入到典型载荷的间接监测中，通过传感器安装位置的优化以降低或消除数学的病态。D-最优设计法的优缺点明显，即计算速度快，但是候选测点数量较大时病态消除效果欠佳。然后，本文提出了一种C-最优设计法同样以传感器安装位置的优化来降低或消除数学的病态。C-最优设计法的病态消除效果优于D-最优设计法，但是C-最优设计法的计算速度偏慢。随后，本文提出了一种分块C-最优设计法在保证C-最优设计法病态消除效果的基础上提高计算速度。最后，通过板架结构冰载荷间接监测的有限元仿真和实验来证明C-、分块C-最优设计法的优越性。　　(3)本文将C-最优设计法和D-最优设计法引入到波浪弯矩间接监测中，通过优化传感器的位置来消除数学模型的病态，并据此提出了波浪弯矩间接监测的改进方法。在改进方法中，波浪弯矩间接监测的数学模型通过全船有限元仿真得到。此外，通过实船监测来证明改进方法的实用性。　　(4)本文基于船体扭转基本理论研究了大开口船型波浪弯/扭矩间接监测方法，提出了一种联合双剖面监测法。在联合双剖面监测法中，需要同时监测船体结构两个邻近的横剖面，且在每一监测横剖面内，沿船体纵向至少布置4支长基线应变仪。然后，根据两邻近监测横剖面的计算结果求出中间剖面的波浪弯/扭矩。最后，通过波浪弯/扭矩间接监测的有限元仿真算例来验证联合双剖面监测法的有效性。
作者：	张猛
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	石德新
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020