基于机器学习的水下非接触爆炸作用下船体总体毁伤快速评估方法研究

发布时间：2020-09-28 18:56

　　 随着反舰/反潜武器的多样化和更新换代,舰船面临着越来越大的毁伤威胁,如何在舰船设计阶段快速有效地评估来自反舰/反潜武器的毁伤效应就显得十分关键。本文主要研究了水下非接触爆炸作用下船体总体毁伤评估问题。由于实船试验成本高昂,要想在舰船方案设计阶段就能够完成舰船总体毁伤的初步评估,则必须利用历史试验数据和有限元仿真技术形成原始数据,并结合数据处理方法得到评估模型。为此提出了两个研究目标:(1)能够实现对任何冲击环境下,快速进行船体总体毁伤的初步评估;(2)能够应用人工智能技术对数据的处理能力,完成在现有实船/模型试验数据或数值计算仿真数据的基础上,建立相应的评估预测模型。为达到本课题的研究目的,本文以船体梁为研究对象,在课题组前期工作的基础上,提出了快速评估要求。该文进行了以下研究工作:(1)介绍了水下非接触爆炸理论和数值计算方法。分别对水下爆炸物理现象、水下爆炸载荷计算和基于Abaqus的水下非接触爆炸数值计算进行了理论介绍;对Abaqus水下非接触爆炸数值仿真过程和关键字设置作了详细说明。(2)对比验证了船体梁模型水下非接触爆炸试验与数值仿真结果。首先,介绍了船体梁模型试验,并利用Abaqus软件建立了与试验工况相对应的4组数值仿真模型,进行相应仿真计算。然后,分别比较了各工况下的试验与仿真结果,以验证所做数值仿真的模型与方法可靠性,验证结果表明,该仿真模型与方法可靠。最后,对经验证后的数值仿真模型结果作了进一步的详细分析。(3)应用Matlab/Python/Abaqus数据联合技术进行了船体梁模型的批量数值仿真计算。首先,分别详细介绍了利用Matlab/Python联合修改Abaqus的inp计算文件、通过Matlab提交inp文件给Abaqus后台进行计算、Matlab利用Python脚本读取odb数据并做分析处理这三个Abaqus二次开发子课题,编写了相关程序脚本。然后,在工作(2)中数值仿真计算模型的基础上,在一定范围内改变炸药量和爆距,生成了50组随机工况数据。最后,利用Matlab/Python/Abaqus数据联合技术,对工作(2)中数值仿真计算对应的inp文件进行了批量修改、批量任务提交和odb文件数据的批量后处理,得到了每组的odb文件水下非接触爆炸作用下船体总体毁伤最大挠度评估指标数据。(4)定义了水下非接触爆炸作用下船体总体毁伤剩余强度因子评估指标,并研究了该指标的计算方法。分别用经验公式和有限元仿真两种方法对该指标进行了计算。有限元仿真计算剩余强度因子时,分别就船体梁完整舱段和破损舱段,应用准静态法算得了50组随机工况对应的剩余强度因子数据。(5)应用支持向量机神经网络方法,实现了船体梁模型在水下非接触爆炸作用下的快速毁伤评估。基于前面得到的50组随机工况对应的总体毁伤评估指标数据(最大挠度和剩余强度因子),利用Matlab工具箱中的GA、PSO参数优化支持向量机神经网络模型,进行了船体总体毁伤指标的训练、测试。比较两种参数优化方法支持向量机神经网络的预测误差,选择了精度较高的参数优化支持向量机神经网络(GA-PSO)模型,作为船体梁模型水下非接触爆炸作用下的快速评估预测模型。本文将Matlab/Python/Abaqus数据联合技术和机器学习方法结合起来,实现水下非接触爆炸作用下船体总体毁伤的快速评估,这是国内在该领域的首次探索。该方法为技术设计阶段的计算验证及初步评估提供支撑手段,对舰船结构抗冲击的设计及研发工作具有一定的指导作用。
【学位单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U674.702
【部分图文】：

H (2.16)01 0.41020.7RP (2.17)02 0.7103920RtP (2.18)图 2.1 为一典型工况下的五阶段压力曲线图。图 2.1 典型工况下的五阶段压力曲线图2.1.2.2 水下爆炸上浮气泡运动求解Geer&Hunter 推导出了上浮-脉动气泡的运动方程组。2 20 101 21/3 3l lf la c R z za a (2.19) 112 1/ 2lf lz c aza (2.20)其中用到的另外三个函数，l0气泡外表面流体的膨胀速度势 (m2/s)、l1平动速度势 (m2/s)

边界条件和tie连接

图 3.1 船体梁试验实体模型 3.1 为船体梁试验模型参数值。表 3.1 船体梁试验模型参数值物理量 模型参数船长(m) 2.8船宽(m) 0.3型深(m) 0.08船体吨位(kg) 34.2模型吃水(m) 0.04船体板厚度(mm) 3.0船体材料屈服强度(MPa) 235中剖面塑性极限弯矩(N.m) 2.03×104船体梁/水域有限元模型

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本文编号：2829137