船舶传感器测点优化方法和装置与流程

1.本发明涉及船舶测试技术领域，尤其涉及一种船舶传感器测点优化方法和装置。


背景技术：

2.航空航天、车辆、船舶的结构优化设计领域，需要对结构的关键位置进行性能分析以保证系统的稳定性和安全性，可通过布设传感器对特征量进行动态监测和处理。
3.现有的测试技术中，对于复杂、模态密度高的结构没有一个精准评估传感器布置优劣的技术方案，大多是凭经验布置、结构表面均匀布置或大面积密集布置的策略。凭经验布置或均匀布置，则无法全面反映设备的振动状态，当传感器布置在振动模态节点位置，测试数据会丢失振源特性。若传感器布置过多，测试成本较高，容易产生冗余数据，同时改变结构本身的固有特性。因此，减少测点数量和确定测点位置是传感器测点优化的两个关键问题。


技术实现要素：

4.本发明提供一种船舶传感器测点优化方法和装置，用以解决现有技术中优化船舶传感器测点的数量和位置的问题。
5.第一方面，本发明提供一种船舶传感器测点优化方法，包括：
6.基于待测船舶构建有限元模型和边界元模型；
7.根据所述有限元模型得到结构传递函数和根据所述边界元模型得到声振传递函数，所述结构传递函数表示激励源至结构振动响应的函数，所述声振传递函数表示结构振动响应至声辐射响应的函数；
8.根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第一测点集合，并评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性；
9.根据所述声振传递函数获取与所述第一测点集合的位置相对应的第二测点集合，并评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性；
10.根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合。
11.在本发明一实施例中，所述基于待测船舶构建有限元模型的步骤包括：
12.基于待测船舶的结构和环境载荷构建有限元模型和边界元模型，所述待测船舶的结构为满足预设条件的船体模型，所述环境载荷包括附加质量占比超过所述待测船舶本体质量的预设值的载荷。
13.在本发明一实施例中，基于待测船舶构建边界元模型的步骤包括：
14.基于所述待测船舶的辐射面构建边界元模型，并将所述待测船舶的结构振动响应映射到所述边界元模型的声学边界网格。
15.在本发明一实施例中，所述结构传递函数根据以下的表达式获得：
16.[m+ma][
ü
]+[k+ka][u]＝{f}；
[0017]
其中，m表示待测船舶本体的质量矩阵，ma表示环境载荷作用产生的附加质量矩阵，k表示待测船舶本体的刚度矩阵，ka表示环境载荷作用产生的附加刚度矩阵，
ü
表示加速度向量，u表示速度向量，f表示广义力。
[0018]
在本发明一实施例中，所述声振传递函数根据以下的表达式获得：
[0019][0020]
其中，表示拉格朗日算子，φ(r,t)表示速度势函数，c表示流体中声波速度，r表示振动点到声学响应点的距离，t表示时间，v表示声场内部空间，表示求偏导。
[0021]
在本发明一实施例中，根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第一测点集合的步骤包括：
[0022]
以所述结构传递函数的各个样本点为对象，通过中心聚类分析得到所述第一测点集合，所述中心聚类分析采用欧式距离作为评价指标，其表达式为：
[0023][0024]
其中，d(x,y)表示n维空间的x变量与y变量间的距离，xi表示第i个频率，yi表示第i个频率下的结构传递函数。
[0025]
在本发明一实施例中，评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性的步骤包括：
[0026]
对所述第一测点集合的每个测点进行离散点相干分析以得到相干因子，该相干因子同时表征每个测点的独立性和反演矩阵的病态性。
[0027]
在本发明一实施例中，对所述第一测点集合的每个测点进行离散点相干分析以得到相干因子的步骤包括：
[0028]
根据nf个激励点对应nr个响应点的结构传递函数，某个频率下的结构传递函数的矩阵表示为：
[0029][0030]
其中，表示所有激励点h到响应点i的结构传递函数行向量，i＝1,2,
…
,nr；
[0031]
定义结构传递函数的行相干系数r
ik
为：
[0032][0033]
其中，r
ik
表示hi与hk之间的独立性，r
ik
越趋近于0，表示与响应点i、k对应的结构传
递函数越独立，r
ik
越趋近于1，表示与响应点i、k对应的结构传递函数越相似；
[0034]
由所述行相干系数r
ik
组成的相干系数矩阵表示为：
[0035][0036]
在本发明一实施例中，从所述第一测点集合中选择nc个测点，r
nc
×
nc
||f为f范数，则f范数表示为：
[0037][0038]
其中，λ(s)越小，表示一组激励点到该nc个响应点间结构传递函数的相干性越小和矩阵的病态性越弱；λ(s)越大，表示矩阵的病态性越强，对应的测点选择的精确度越小。
[0039]
在本发明一实施例中，相干因子λ(s)满足下式的组合为最优响应点组合：
[0040][0041]
在本发明一实施例中，所述评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性的步骤包括：
[0042]
定义所述相关性的声学振动相关系数ρ
vn
为：
[0043][0044]
其中，vi表示测点的振动加速度级，表示测点的振动加速度级的均值，pi表示测点对应的声压级，表示测点对应的声压级的均值；
[0045]
对该声学振动相关系数ρ
vn
进行标准化处理，得到标准化后的声学振动相关系数ρ
*,i
，该标准化后的声学振动相关系数ρ
*,i
的表达式为：
[0046][0047]
其中，μn表示所有测点的声学振动相关系数的均值，σn表示所有测点的声学响应相关系数的标准差。
[0048]
在本发明一实施例中，根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合的步骤包括：
[0049]
根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则，并根据所述综合参数评价准则确定所述目标测点集合，所述综合参数评价准则的表达式为：
[0050]
[0051]
其中，α，β表示加权系数，α+β＝1；ρ
*
表示相关系数；λ表示相干因子，根据不同测点的线性组合，计算得到minρ
*
和maxλ，minρ
*
表示相关系数的最小值，maxλ表示相干因子的最大值；
[0052]
根据预设测试任务的关注点调整α，β的权重，并选择综合评价指标值y较小的作为目标测点集合，所述目标测点集合包括目标测点的数量和每个目标测点对应的位置。
[0053]
第二方面，本发明还提供一种船舶传感器测点优化装置，包括：
[0054]
模型构建模块，用于基于待测船舶构建有限元模型和边界元模型；
[0055]
函数构建模块，用于根据所述有限元模型得到结构传递函数和根据所述边界元模型得到声振传递函数，所述结构传递函数表示激励源至结构振动响应的函数，所述声振传递函数表示结构振动响应至声辐射响应的函数；
[0056]
第一计算模块，用于根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第一测点集合，并评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性；
[0057]
第二计算模块，用于根据所述声振传递函数获取与所述第一测点集合的位置相对应的第二测点集合，并评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性；
[0058]
确定模块，用于根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合本发明提供的船舶传感器测点优化方法和装置，通过对待测船舶构建有限元模型和边界元模型以进行有限元和边界元等仿真分析，同时结合目标参数如振动响应和水下辐射噪声等，得到结构传递函数和声振传递函数，进一步通过中心聚类法、相干分析和相关分析对传递函数进行数据挖掘，最后通过构建综合参数评价准则确定目标测点集合，以得到振动传感器数量较少情况下的最优布置方案。
附图说明
[0059]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0060]
图1是本发明提供的船舶传感器测点优化方法的流程示意图；
[0061]
图2是本发明实施例提供的船舶传感器测点优化方法的流程示意图；
[0062]
图3是本发明实施例提供的舱段测点评估模型的示意图；
[0063]
图4是本发明实施例提供的测点分类结果-艉封板区域(第ⅰ类测点分布)的示意图；
[0064]
图5是本发明实施例提供的测点分类结果-左舱壁区域(第ⅱ类测点分布)的示意图；
[0065]
图6是本发明实施例提供的精选测点分布的示意图；
[0066]
图7是本发明实施例提供的基于选择点的声学重构精度比较示意图；
[0067]
图8是本发明提供的船舶传感器测点优化装置的结构示意图。
具体实施方式
[0068]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本
发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0069]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
[0070]
为了解决现有技术中优化船舶传感器测点的数量和位置的问题，本发明提供的一种船舶传感器测点优化方法和装置，通过对待测船舶构建有限元模型和边界元模型以进行有限元和边界元等仿真分析，同时结合目标参数如振动响应和水下辐射噪声等，得到结构传递函数和声振传递函数，进一步通过中心聚类法、相干分析和相关分析对传递函数进行数据挖掘，最后通过构建综合参数评价准则确定目标测点集合，以得到振动传感器数量较少情况下的最优布置方案。
[0071]
下面结合图1-图8描述本发明所述船舶传感器测点优化方法。
[0072]
请参考图1，图1是本发明提供的船舶传感器测点优化方法的流程示意图。一种船舶传感器测点优化方法，包括：
[0073]
步骤s110，基于待测船舶构建有限元模型和边界元模型。
[0074]
步骤s120，根据所述有限元模型得到结构传递函数和根据所述边界元模型得到声振传递函数。其中，所述结构传递函数表示激励源至结构振动响应的函数，所述声振传递函数表示结构振动响应至声辐射响应的函数。
[0075]
步骤s130，根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第一测点集合，并评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性。
[0076]
步骤s140，根据所述声振传递函数获取与所述第一测点集合的位置相对应的第二测点集合，并评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性。
[0077]
步骤s150，根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合。
[0078]
以下通过一实施例对上述步骤s110～s150进行具体描述。
[0079]
请参考图2，图2是本发明实施例提供的船舶传感器测点优化方法的流程示意图。
[0080]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s110中，基于待测船舶构建有限元模型的步骤包括：
[0081]
步骤s111，基于待测船舶的结构和环境载荷构建有限元模型，所述待测船舶的结构为满足预设条件的船体模型，所述环境载荷包括附加质量占比超过所述待测船舶本体质量的预设值的载荷。
[0082]
示例性地，根据实际监测对象(即待测船舶)的结构和环境载荷(如外界环境)建立有限元模型。所述预设条件是指构造船体模型时，忽略待测船舶的孔洞、倒角及有自由边的薄壁结构，保留结构关键位置(如刚度较大的位置)的形状特性，保留船体模型的加强筋结构和立柱结构，以保证船体模型的结构强度特性和振动噪声传递特性尽量接近实际监测对象。
[0083]
示例性地，所述环境载荷包括液体载荷、风载等附加质量占比超过本体质量预设
值(如5％)以上的载荷。
[0084]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s110中，基于待测船舶构建边界元模型的步骤包括：
[0085]
步骤s112，基于待测船舶的辐射面构建边界元模型，并将待测船舶的结构振动响应映射到边界元模型的声学边界网格。
[0086]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s120中，根据所述有限元模型得到结构传递函数的步骤包括：
[0087]
步骤s121，可采用虚拟质量方法建立涉及内外环境载荷的结构传递函数，所述结构传递函数可根据以下的表达式获得：
[0088]
[m+ma][
ü
]+[k+ka][u]＝{f}；
[0089]
其中，m表示待测船舶本体的质量矩阵，ma表示环境载荷作用产生的附加质量矩阵，k表示待测船舶本体的刚度矩阵，ka表示环境载荷作用产生的附加刚度矩阵，
ü
表示加速度向量，u表示速度向量，f表示广义力。
[0090]
具体地，是根据实际监测对象及外界环境建立有限元模型，通过谐响应分析得激励源至结构振动响应的结构传递函数。
[0091]
其中，谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化的载荷时的稳态响应，分析过程中只计算结构的稳态受迫振动，不考虑激振开始时的瞬态振动，谐响应分析的目的在于计算出结构在几种频率下的响应值对频率的曲线，从而使设计人员能预测结构的持续性动力特性，验证设计是否能克服共振、疲劳以及其他受迫振动引起的有害效果。
[0092]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s120中，根据所述边界元模型得到声振传递函数的步骤包括：
[0093]
步骤s122，需考虑声学、折射的影响，设立相应边界条件，根据helmholtz(亥姆霍兹)方程并根据振动响应计算声场响应，得到声振传递函数，所述声振传递函数可根据以下的表达式获得：
[0094][0095]
其中，表示拉格朗日算子，φ(r,t)表示速度势函数，c表示流体中声波速度，r表示振动点到声学响应点的距离，t表示时间，v表示声场内部空间，表示求偏导。
[0096]
具体地，是根据实际监测对象及外界环境建立边界元模型，通过流固耦合以及边界元法分析得到结构振动响应至声辐射响应的声振传递函数。
[0097]
其中，流固耦合是研究变形固体在流场作用下的各种行为以及固体位形对流场影响这二者相互作用的一门科学。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用，变形固体在流体载荷作用下会产生变形或运动。变形或运动又反过来影响流体运动，从而改变流体载荷的分布和大小，正是这种相互作用将在不同条件下产生各种流固耦合现象。
[0098]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s130中，根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第一测点集合的步骤包括：
[0099]
步骤s131，以所述结构传递函数为对象通过中心聚类分析得到第一测点集合(即
粗选的监测点)。
[0100]
示例性地，所述中心聚类分析的流程包括：
[0101]
第一，选择簇个数k(粗选点个数)，k为最终精选测点个数的2倍及以上。
[0102]
第二，计算结构传递函数中各个样本点到簇中心的距离。
[0103]
第三，根据新划分的簇，更新簇中心。
[0104]
第四，重复上述第二、第三步的过程，直至“簇中心”没有移动，或设置重复次数上限。
[0105]
第五，将对象点分到距离聚类中心最近的那个簇中需要最近邻的度量策略，可采用欧式距离作为评价指标，其表达式为：
[0106][0107]
其中，d(x,y)表示n维空间的x变量与y变量间的距离，xi表示第i个频率，yi表示第i个频率下的结构传递函数。
[0108]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s130中，评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性的步骤包括：
[0109]
步骤s132，根据离散点相干分析法评估各个测点的独立性和结构传递函数的病态性。
[0110]
其中，相关分析是研究两个或两个以上处于同等地位的随机变量间的相关关系的统计分析方法。相关分析法通过对不同特征或数据间的关系进行分析，发现其中的关键影响及驱动因素，并对数据进行预测。
[0111]
具体地，对所述第一测点集合的每个测点进行离散点相干分析以得到相干因子，该相干因子同时表征每个测点的独立性和反演矩阵的病态性，包括：
[0112]
根据nf个激励点对应nr个响应点的结构传递函数，某个频率下的结构传递函数的矩阵表示为：
[0113][0114]
其中，表示所有激励点h到响应点i的结构传递函数行向量，i＝1,2,
…
,nr；
[0115]
定义结构传递函数的行相干系数r
ik
为：
[0116][0117]
其中，r
ik
表示hi与hk之间的独立性，r
ik
越趋近于0，表示与响应点i、k对应的结构传递函数越独立，r
ik
越趋近于1，表示与响应点i、k对应的结构传递函数越相似；
[0118]
由所述行相干系数r
ik
组成的相干系数矩阵表示为：
[0119][0120]
从所述第一测点集合中选择nc个测点(即从粗选监测点中选出nc个监测点)，上式中||r
nc
×
nc
||f为f范数，则f范数表示为：
[0121][0122]
其中，λ(s)越小，表示一组激励点到该nc个响应点间结构传递函数的相干性越小和矩阵的病态性越弱；λ(s)越大，表示矩阵的病态性越强，对应的测点选择的精确度越小。
[0123]
相干因子λ(s)满足下式的组合为最优响应点组合：
[0124][0125]
需要说明的是，根据所述声振传递函数获取与所述第一测点集合的位置相对应的第二测点集合，可以是以所述结构传递函数的各个样本点为对象，通过中心聚类分析得到所述第一测点集合，可以在有限元模型中把第一测点集合中的测点的位置或者编号或者三坐标记录下来，然后根据这些信息在边界元模型中定位到这些节点，进一步从整个边界元模型(含所有节点)的声振传递函数中挑选这些相应节点的数据组成第二测点集合。
[0126]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s140中，评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性的步骤包括：
[0127]
步骤s141，根据相关性方法评估第二测点集合各个测点振动与目标响应的相关性。
[0128]
其中，第一测点集合包括第二测点集合，第二测点集合的测点是从第一测点集合中挑选出来的。
[0129]
具体地，选择声压作为声学目标响应量，对于声振相关性而言，定义所述相关性的声学振动相关系数ρ
vn
为：
[0130][0131]
其中，vi表示测点的振动加速度级，表示测点的振动加速度级的均值，pi表示测点对应的声压级，表示测点对应的声压级的均值；
[0132]
对该声学振动相关系数ρ
vn
进行标准化处理，得到标准化后的声学振动相关系数ρ
*,i
，该标准化后的声学振动相关系数ρ
*,i
的表达式为：
[0133]
[0134]
其中，μn表示所有测点的声学振动相关系数的均值，σn表示所有测点的声学响应相关系数的标准差。
[0135]
在本发明的一些实施例中，上述步骤s150中，根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合的步骤包括：
[0136]
步骤s151，根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则，并根据所述综合参数评价准则确定所述目标测点集合，所述综合参数评价准则的表达式为：
[0137][0138]
其中，α，β表示加权系数，α+β＝1；ρ
*
表示相关系数；λ表示相干因子，根据不同测点的线性组合，计算得到minρ
*
和maxλ，minρ
*
表示相关系数的最小值，maxλ表示相干因子的最大值。
[0139]
步骤s152，根据预设测试任务的关注点调整α，β的权重，并选择综合评价指标值y较小的作为目标测点集合(即目标测点集合为振动传感器数量较少情况下的最优布置方案)，所述目标测点集合包括目标测点的数量和每个目标测点对应的位置。
[0140]
以下通过另一实施例描述本发明所述船舶传感器测点优化方法。
[0141]
针对某中小尺寸舱段模型，在patran(patran提供了丰富的工具集，能够简化分析模型的创建，可用于线性、非线性、显式动力学、热及其他有限元仿真)中建立有限元模型，如图3所示，单元数量10035，节点数量9560，在内部施加压载水载荷，在外部施加附连水载荷，分别在机械甲板区域电机和作动器位置施加单位力，计算得到系统的结构传递函数。
[0142]
在virtual lab(virtual lab提供了从振动噪声到流体噪声，从声辐射到声振耦合，从低频到中高频的声学仿真分析集成平台)中建立边界元模型，建立水平面自由液面和海底地质边界条件，计算得到声振传递函数。
[0143]
通过中心聚类算法对结构传递函数进行分析。函数开展分析得到粗选的40个节点。中心聚类后第ⅰ类测点分布如图4所示，第ⅱ类测点分布如图5所示，其余类测点分布情况不一一展示。在结构传递函数中将粗选的40类测点数据挑选组成结构传递矩阵，精选点个数设置为20，进一步开展相干性分析评估矩阵的病态性和测点的独立性。同步根据相关性方法评估各个测点振动与观测点声学响应的相关性。
[0144]
综合评估选择的20个传感器布置说明如下表1所示，位置如图6所示。可以看出测点主要分布在壳体表面水线以下，此处板壳振动与水下辐射噪声相关性较大。测点分布比较均匀，且没有出现测点堆集现象，说明此方案充分考虑了传递函数的差异性，避免监测数据过于相似。
[0145]
表1(目标测点集合的数量和位置)
[0146]
[0147][0148]
基于上述选择的20个监测点，进一步开展声学反演计算并与实测结果做比较，如图7所示。可以看出所有的主激励频率在预报曲线中都得到体现，说明此测点选择方法能够覆盖传递路径的差异性，能正确得到整个结构其它未知的反演数据。特征峰下的幅值与实测结果误差较小，说明此测点选择方法充分减小传递函数的病态性。
[0149]
综上，本发明提出的一种基于结构传递函数数据挖掘的振动传感器测点选择方法，具有理论支撑，并且具备实操性。能够充分反映振源激励特性和传递路径差异性，并且可以灵活调整关注参数的参与权重，大幅提升测点选择的效率。
[0150]
下面对本发明提供的船舶传感器测点优化装置进行描述，下文描述的船舶传感器测点优化装置与上文描述的船舶传感器测点优化方法可相互对应参照。
[0151]
请参考图8，图8是本发明提供的船舶传感器测点优化装置的结构示意图。一种船舶传感器测点优化装置800，包括模型构建模块810、函数构建模块820、第一计算模块830、第二计算模块840以及确定模块850。
[0152]
示例性地，模型构建模块810，用于基于待测船舶构建有限元模型和边界元模型。
[0153]
示例性地，函数构建模块820，用于根据所述有限元模型得到结构传递函数和根据所述边界元模型得到声振传递函数，所述结构传递函数表示激励源至结构振动响应的函数，所述声振传递函数表示结构振动响应至声辐射响应的函数。
[0154]
示例性地，第一计算模块830，用于根据所述结构传递函数得到所述待测船舶的第
一测点集合，并评估所述第一测点集合中每个测点的独立性和所述结构传递函数的病态性。
[0155]
示例性地，第二计算模块840，用于根据所述声振传递函数获取与所述第一测点集合的位置相对应的第二测点集合，并评估所述第二测点集合中每个测点的振动与目标响应的相关性。
[0156]
示例性地，确定模块850，用于根据所述独立性、所述病态性以及所述相关性构建综合参数评价准则确定目标测点集合。
[0157]
在此需要说明的是，本发明实施例提供的上述船舶传感器测点优化，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
[0158]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。