一种船舶结构测点优化布置方法

本发明涉及船舶结构健康监测系统，具体涉及一种船舶结构测点优化布置方法。

背景技术：

1、船舶在航行过程中可能会受到来自连续海浪的长期循环荷载以及短期极端荷载的影响，如巨浪、暴雨、大风、海啸等。这些恶劣的海洋环境与天气条件极有可能对船舶结构造成损坏，从而导致重大的经济损失、安全事故和海洋环境污染。此外，海水和船舶材料(大多数情况下为高强度钢)之间的接触会导致快速腐蚀、侵蚀，从而使钢板厚度减小。这种现象会加剧船体结构的损伤。因此需要实时获取船舶结构健康的信息，建立基于船舶全场位移、应变和应力的结构健康监测系统。

2、在结构健康监测系统中，最重要的一部分就是使用应变信息重构结构的变形，在各种变形重构方法中，典型的有逆有限元法。船舶在遭遇极端海况时受载特性较为复杂，逆向有限元方法可以忽略外载荷特性直接得到结构位移场，进而建立位移-应变关系，得到结构整体应变场。

3、逆向有限元法需要在船舶结构上布置测点，在测点处使用传感器采集船舶结构上下表面的应变信息，然而在船舶结构上下表面布置传感器，对传感器布置的密度、位置有较高要求，进而导致成本较高。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提供一种船舶结构测点优化布置方法，用以解决现有技术中存在的在船舶结构上下表面布置传感器，对传感器布置的密度、位置有较高要求，进而导致成本高的技术问题。

2、为了解决上述问题，一方面，本发明提供了一种船舶结构测点优化布置方法，包括：

3、对船舶结构进行离散处理，确定若干结构单元；

4、从所述结构单元中选取若干单元测点以及与单元测点位置不同的若干验证测点，并获取所述单元测点和所述验证测点的测量应变值；

5、将每个所述单元测点作为一个基因，每个单元测点按其测量应变值的选取与否情况分为正常单元测点和缺失单元测点，将正常单元测点或缺失单元测点的不同基因组合成不同个体，选取预设数量的所述不同个体组合成初始种群；

6、基于所述初始种群中任一个体的正常单元测点的测量应变值，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值；

7、将所述验证测点的测量应变值与理论应变值的平均误差以及正常单元测点数量作为个体的适应度；

8、基于所述适应度，对初始种群的个体进行优化迭代，确定最优个体；

9、基于所述最优个体进行测点布置。

10、在一些可能的实现方式中，基于所述初始种群中任一个体的正常单元测点的测量应变值，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值，包括：

11、基于所述初始种群中任一个体中正常单元测点的测量应变值以及预设的回归算法，确定所述初始种群中对应个体中缺失单元测点的回归应变值；

12、将所述正常单元测点的测量应变值以及所述缺失单元测点的回归应变值作为初始种群对应个体的所有单元测点的测量应变数据；

13、基于所述个体的所有单元测点的测量应变数据，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值。

14、在一些可能的实现方式中，所述回归算法为极端梯度提升算法，所述回归算法的目标函数为正常单元测点的测量应变值与缺失单元测点的回归应变值的损失函数。

15、在一些可能的实现方式中，所述目标函数还包括正则化项。

16、在一些可能的实现方式中，基于所述个体的所有单元测点的测量应变数据，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值，包括：

17、基于所述个体的所有单元测点的测量应变数据，对船舶结构进行逆有限元应变场重构，确定所述船舶结构的位移场；

18、基于所述位移场，确定所述验证测点的理论应变值。

19、在一些可能的实现方式中，所述验证测点的理论应变值具体为：

20、

21、其中，ue为该验证测点的节点位移，z为该点距离板中面的距离，和为该验证测点对应的结构单元各应变分量的形函数偏导矩阵。

22、在一些可能的实现方式中，基于所述单元测点的测量应变数据，对船舶结构进行逆有限元应变场重构，确定所述船舶结构的位移场，包括：

23、获取所述船舶结构的结构参数，基于所述结构参数确定所述单元测点的理论应变数据；

24、基于最小二乘法，构造所述单元测点的理论应变数据与测量应变数据的误差泛函；

25、基于所述误差泛函，确定所述结构单元的类刚度矩阵和类外载荷矩阵并进行组装，得到总体类刚度矩阵和总体类外载荷矩阵；

26、基于所述总体类刚度矩阵和总体类外载荷矩阵，确定所述船舶结构的位移场。

27、在一些可能的实现方式中，所述类刚度矩阵ke具体为：

28、

29、其中，积分域ae为结构单元内整个区域，和为结构单元各应变分量的形函数偏导矩阵，h为结构单元厚度的一半，λ为罚系数；

30、所述类外载荷矩阵fe具体为：

31、

32、其中，e为单元膜应变，k为单元弯曲应变，g为单元剪切应变。

33、在一些可能的实现方式中，基于所述适应度，对初始种群的个体进行优化迭代，确定最优个体，包括：

34、将平均误差大于预设值的个体剔除，平均误差不大于预设值的个体进行选择、交叉、变异处理后再计算其适应度，进行迭代优化，确定最优个体。

35、在一些可能的实现方式中，所述验证测点的测量应变值和理论应变值的平均误差采用第一主应变重构平均误差和第二主应变重构平均误差。

36、采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的船舶结构测点优化布置方法，首先对船舶结构进行离散，确定单元测点和验证测点，然后基于遗传算法，从单元测点中迭代选取若干正常单元测点，基于这些正常单元测点的测量应变值进行应变场重构，对验证测点的应变值进行预测，确定验证测点的平均误差，选择平均误差在一定范围内，正常单元测点数量最小的方案，实现对单元测点的择优选取，实际应用对船舶结构进行实时监测时，只需在正常单元测点位置布置传感器，进行逆有限元重构，在保证了重构结果准确性的同时，有效减少了传感器的布设成本，提高了重构效率。

技术特征：

1.一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，基于所述初始种群中任一个体的正常单元测点的测量应变值，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值，包括：

3.根据权利要求2所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，所述回归算法为极端梯度提升算法，所述回归算法的目标函数为正常单元测点的测量应变值与缺失单元测点的回归应变值的损失函数。

4.根据权利要求3所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，所述目标函数还包括正则化项。

5.根据权利要求2所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，基于所述个体的所有单元测点的测量应变数据，对所述船舶结构进行应变场重构，确定所述验证测点的理论应变值，包括：

6.根据权利要求5所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，所述验证测点的理论应变值具体为：

7.根据权利要求5所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，基于所述单元测点的测量应变数据，对船舶结构进行逆有限元应变场重构，确定所述船舶结构的位移场，包括：

8.根据权利要求7所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，所述类刚度矩阵ke具体为：

9.根据权利要求1所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，基于所述适应度，对初始种群的个体进行优化迭代，确定最优个体，包括：

10.根据权利要求1所述的一种船舶结构测点优化布置方法，其特征在于，所述验证测点的测量应变值和理论应变值的平均误差采用第一主应变重构平均误差和第二主应变重构平均误差。

技术总结
本发明提供了一种船舶结构测点优化布置方法，该方法包括：对船舶结构进行离散处理，确定单元测点和验证测点，并获取其测量应变值；将每个单元测点作为一个基因，每个单元测点按其测量应变值的选取与否情况分为正常单元测点和缺失单元测点，选取不同基因组合成不同个体，选取预设数量的不同个体组合成初始种群；基于个体正常单元测点的测量应变值，对船舶结构进行应变场重构，确定验证测点的理论应变值；将验证测点的测量应变值与理论应变值的平均误差以及正常单元测点数量作为个体的适应度，对初始种群进行优化迭代，确定最优个体；基于最优个体进行测点布置。本发明在保证了重构结果准确性的同时，有效减少了传感器的布设成本，提高了重构效率。

技术研发人员：甘进,蒋镇涛,汪雪良,吴国庆,张正,许梦桐,吴卫国
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15