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原文传递结构冲击载荷时间历程重构与定位方法研究

论文题名：	结构冲击载荷时间历程重构与定位方法研究
关键词：	船舶动力学;冲击载荷;时间历程重构;定位技术
摘要：	船舶以及其他海洋工程结构在其服役过程中会不断承受风、浪、流、冰等动态载荷的作用，而冲击载荷作为一种常见的动态载荷形式，如碰撞、落物撞击以及舰载机着舰等，其对结构的安全性及完整性而言是至关重要的。然而，绝大部分的冲击载荷都是不可准确预测的，这导致无法获得其相应的时空信息，但它的确定对于各种实际工程应用，如性能评估、设计优化、噪声抑制和振动控制等是必不可少的。在直接测量不可行的情况下，基于反演理论的冲击载荷识别便成为一种有效且经济的手段。因此，针对单点冲击载荷的识别问题，本文开展了一系列关于冲击载荷时间历程重构与定位的研究。主要研究内容如下: 　　(1)由于载荷识别问题中的不适定性，噪声的存在必然会导致无法获得理想的正则解。为了有效解决载荷识别过程中的不适定问题以期获得稳定的数值解，本文对不适定性影响载荷识别精度的机理展开系统研究，而后基于L曲线方法的形式，提出并证明了一个适用于传统Tikhonov正则化的新正则化参数选取方法（局部凸曲线方法），使其能够克服矩阵病态的不良影响，最后，通过碳纤维-环氧树脂蜂窝复合材料板加以验证。载荷重构的结果证明与L曲线方法等七种正则化参数选取方法相比，局部凸曲线方法能够获得更优的正则化参数，并抑制噪声对重构的冲击载荷时间历程曲线尾部的扰动。　　(2)本文针对若干可能位置的单点冲击载荷定位问题进行了深入研究。由于某些情况下，冲击载荷会作用在若干可能位置中的某一点，但无法确定具体位置。因此，本文在基于优化策略的冲击载荷识别方法和基于相似性搜索的冲击载荷识别方法的基础上，提出了基于响应相似性的冲击载荷识别方法并探索了不同相似性度量对冲击载荷定位的影响，最后通过复合材料板对这些方法进行了验证，结果表明基于响应相似性的冲击载荷识别方法在较高定位精度的保证下，能大幅提高冲击载荷识别的效率。　　(3)本文针对随机位置的单点冲击载荷的定位开展相应研究。有些情况下，冲击载荷的位置随机性非常强，完全无法获得其任何位置信息。对于时域法而言，获取冲击点与测点之间的传递函数是冲击载荷时间历程重构的基础，然而真实结构是连续的且具有无限自由度，那么对所有位置进行传递函数的标定则是不可行的。本文采用近似替换的概念，将一定范围内发生的冲击归结到某一特殊位置的冲击，认定该特殊位置就是小范围区域内发生冲击的位置，而后基于结构的响应，构建模式识别方法与相似性度量相结合(PRMCSM)的方法来完成随机位置冲击载荷的定位工作，最后基于锁定的位置，完成冲击载荷的时间历程重构。平板结构的有限元仿真和实验证明了PRMCSM方法的可行性及准确性。　　(4)基于近似替换的概念和传统优化算法，提出了一种随机位置单点冲击载荷的识别方法，但由于需要对所有可能的位置进行评估，若潜在的冲击位置过多，则必然导致效率过低。尽管PRMCSM方法计算速度快，也具有较高的精度，但该方法在精度方面仍有提高的空间，为此本文基于传统的优化策略对PRMCSM方法进行改进，提出一种识别随机位置冲击载荷的混合算法。最后，基于悬挂矩形钢板和加筋板模型实验对算法进行验证，实验结果证明新方法能够将传统的优化方法与PRMCSM方法有机结合起来并兼顾两者的优点。
作者：	邱彬彬
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：	2020