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基于模型降阶技术的船体结构数字孪生研究
| 论文题名： | 基于模型降阶技术的船体结构数字孪生研究 |
| 关键词： | 船体结构;数字孪生;模型降阶;本征正交分解;克里金代理模型 |
| 摘要： | 近年来，信息技术的迅猛发展兴起了新一轮的工业革命，旨在完成传统制造向智能制造的快速转化。数字孪生作为实现物理空间与数字空间双向交互融合的最佳解决方案，能为高质量的持续发展提供可靠保障，逐渐成为世界各大领域的关注热点。在船舶行业内，当前对该技术的交叉学科研究尚未完全展开，切实的技术应用也多处于探索阶段。为实现船体结构响应快速计算，填补船舶数字孪生研究存在的空白，本文探讨了数字孪生的技术内涵与应用方向，基于模型降阶技术确定了一种构建船体结构降阶模型的方法。可在保有较高精度的同时大幅缩减计算时间，达到数字孪生中的数据实时性要求，对实现船舶领域内的数字孪生具有重要意义。本文主要工作如下： （1）基于五维模型提出船体结构数字孪生架构，详细解释了各维度的功能含义及协同关系。针对数字孪生全生命周期性的特点，分析了三个阶段的应用方向与目的。选取数字孪生关键技术中的多维建模仿真技术具体研究，确定了一种结合本征正交分解与克里金代理模型的模型降阶方法。利用本征正交分解法截取最优基底，将有限元结果全阶空间投影到特征空间上实现降阶；再通过克里金代理模型建立基底系数随系统输入的变化关系，进而得到原系统的响应预测值。 （2）采用本征正交分解与克里金代理模型结合的降阶方法分别构造结构静动态降阶模型，以典型船体板格为研究对象，对其在双向压缩和面外压力两种载荷工况中的适用性进行了验证。结果表明，方板降阶模型在各状态下的位移与应力响应相对误差大多低于1%，计算效率可提升3个数量级，为后文实现船体结构响应快速分析奠定基础。 （3）针对复杂船体结构，运用本文模型降阶方法，对四点弯曲及船底受周期性载荷作用的结构静动态响应进行了评估，验证了船体结构降阶模型的准确性与高效性。基于此，研究重用已知基底模态的结构动态响应预测方法，进一步地提升了原有方法的计算效率与适用范围。最终实现了不同工况下的船体结构动态响应实时计算，为实现船舶领域内的数字孪生提供技术参考与方案指导。 |
| 作者： | 肖龙辉 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 裴志勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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