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基于深度学习神经网络的水中爆炸靶板变形响应预测研究

李治国 马峰 朱炜 贾曦雨 李一凡 陈雷

李治国, 马峰, 朱炜, 等. 基于深度学习神经网络的水中爆炸靶板变形响应预测研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(6): 1045-1052 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069
引用本文: 李治国, 马峰, 朱炜, 等. 基于深度学习神经网络的水中爆炸靶板变形响应预测研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(6): 1045-1052 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069
LI Zhiguo, MA Feng, ZHU Wei, JIA Xiyu, LI Yifan, CHEN Lei. Prediction of Deformation Response of Target Plate in Underwater Explosion Based on Deep Learning Neural Network[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(6): 1045-1052, 1062. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069
Citation: LI Zhiguo, MA Feng, ZHU Wei, JIA Xiyu, LI Yifan, CHEN Lei. Prediction of Deformation Response of Target Plate in Underwater Explosion Based on Deep Learning Neural Network[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(6): 1045-1052, 1062. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069

基于深度学习神经网络的水中爆炸靶板变形响应预测研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069
基金项目: 国家自然基金委区域联合基金重点项目(U20A2071).
详细信息
    作者简介:

    李治国(1999-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水中爆炸毁伤技术

    通讯作者:

    贾曦雨(1988-), 男, 副研究员, 主要研究方向为水中爆炸、高精度数值计算等.

  • 中图分类号: TJ630.1; U661.4

Prediction of Deformation Response of Target Plate in Underwater Explosion Based on Deep Learning Neural Network

  • 摘要: 水中爆炸靶板变形表现为结构与流体在冲击波作用下的复杂非线性耦合作用。文中通过设计和优化深度学习神经网络以预测输出不同靶板厚度、冲击因子、爆炸药量和爆炸距离条件下的靶板动态变形位移数据, 测试集预测的决定系数和准确率达到0.99和0.95。与25个仿真工况数据相比, 基于预测模型得到的9 261个工况数据形成的爆炸变形响应分析图能够覆盖更细致的特征参数范围和最大变形量变化趋势, 可为水中武器设计及水下防护应用提供重要参考依据。

     

  • 图  1  1/4水域模型

    Figure  1.  Quarter water area model

    图  2  不同网格中心点位移结果

    Figure  2.  Displacement results of the central points of different grids

    图  3  121个特征点示意图

    Figure  3.  Diagram of 121 feature points

    图  4  工况36仿真结果

    Figure  4.  Simulation results of working condition 36

    图  5  121个特征点位移数据

    Figure  5.  Displacement data of 121 feature points

    图  6  深度学习神经网络示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of the deep learning neural network

    图  7  1 000次迭代下的损失值变化情况

    Figure  7.  The variation of loss over 1 000 iterations

    图  8  1 000次迭代下决定系数变化情况

    Figure  8.  The variation of the coefficient of determination over 1 000 iterations

    图  9  1 000次迭代下准确率变化情况

    Figure  9.  The variation of accuracy over 1 000 iterations

    图  10  4个特征点的位置

    Figure  10.  Position of four feature points

    图  11  特征点位移真值和预测值变化曲线

    Figure  11.  Curves of true value and predicted value of displacement of feature points

    图  12  125个工况下靶板毁伤响应分析

    Figure  12.  Analysis of target plate damage response under 125 working conditions

    图  13  9261个工况下靶板毁伤响应分析

    Figure  13.  Analysis of target plate damage response under 9261 working conditions

    图  14  25个工况下靶板毁伤响应分析

    Figure  14.  Analysis of target plate damage response under 25 working conditions

    图  15  441个工况下靶板毁伤响应分析

    Figure  15.  Analysis of target plate damage response under 441 working conditions

    表  1  仿真工况表

    Table  1.   Simulation working condition table

    靶板厚度/cm爆炸药量/kg爆炸距离/cm
    0.30.00520
    0.40.01025
    0.50.01530
    0.60.02035
    0.70.02540
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    表  2  3种材料模型关键参数

    Table  2.   Key parameters of three material models

    类别 参数 数值
    炸药 密度/(g/cm3) 1.420
    爆速/(cm/μs) 0.693
    爆压/Mbar 0.210
    水域 密度/(g/cm3) 1.000
    水中声速/(cm/μs) 0.145
    钢靶板 密度/(g/cm3) 7.830
    弹性模量/GPa 200
    泊松比 0.330
    屈服应力/MPa 620
    切线模量/MPa 196
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    表  3  不同网格下中心点位移结果对比

    Table  3.   Comparison of the results of the displacement of the central point under different grids

    网格 运行时间/h 位移最
    小值/cm
    最小值
    时刻/ms
    中心点最
    终位移/cm
    全1 cm×1 cm网格 111 −1.435 5 3.000 −0.943 4
    混合网格 118 −1.742 7 2.500 −1.422 0
    全0.5 cm×0.5 cm网格 227 −1.834 8 2.500 −1.570 9
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    表  4  125组工况数据集

    Table  4.   125 sets of working condition dataset

    工况 特征点 位移/cm
    时间步1 时间步2 时间步3 $\cdots $ 时间步100
    1 1~12 0 0 0 0 0
    13 −0.019 −0.026 −0.036 $\cdots $ −0.044
    14 −0.042 −0.063 −0.094 $\cdots $ −0.108
    15 −0.044 −0.089 −0.147 $\cdots $ −0.164
    $\cdots $
    61 −0.185 −0.413 −0.808 $\cdots $ −0.569
    $\cdots $
    110~121 0 0 0 0 0
    2 1~12 0 0 0 0 0
    13 −0.018 −0.024 −0.027 $\cdots $ −0.030
    14 −0.039 −0.053 −0.073 $\cdots $ −0.065
    15 −0.038 −0.075 −0.108 $\cdots $ 0.0849
    $\cdots $
    61 −0.116 −0.298 −0.519 $\cdots $ −0.244
    $\cdots $
    110~121 0 0 0 0 0
    3~124 $\cdots $
    125 1~12 0 0 0 0 0
    13 −0.010 −0.007 −0.005 $\cdots $ −0.005
    14 −0.022 −0.039 −0.045 $\cdots $ −0.016
    15 −0.038 −0.076 −0.089 $\cdots $ −0.028
    $\cdots $
    61 −0.101 −0.471 −0.609 $\cdots $ −0.135
    $\cdots $
    110~121 0 0 0 0 0
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    表  5  4个特征点真值和预测值对比

    Table  5.   Comparison table of actual and predicted values for four feature points

    特征点编号 类别 位移最小值/cm 最小值时刻/ms
    13 真值 −0.164 7 12.0
    预测值 −0.165 4 9.5
    37 真值 −1.216 5 3.0
    预测值 −1.204 3 3.0
    57 真值 −0.601 7 5.5
    预测值 −0.640 9 3.0
    61 真值 −1.738 1 2.5
    预测值 −1.781 0 2.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-12
  • 修回日期:  2024-05-24
  • 录用日期:  2024-06-04
  • 网络出版日期:  2024-11-07

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