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基于深度学习的多自由度设备冲击响应模型

黄沁怡 朱炜 马峰 陈思 王爽

黄沁怡, 朱炜, 马峰, 等. 基于深度学习的多自由度设备冲击响应模型[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
引用本文: 黄沁怡, 朱炜, 马峰, 等. 基于深度学习的多自由度设备冲击响应模型[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
HUANG Qinyi, ZHU Wei, MA Feng, CHEN Si, WANG Shuang. Multi-Degree-of-Freedom Equipment Shock Response Model Based on Deep Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
Citation: HUANG Qinyi, ZHU Wei, MA Feng, CHEN Si, WANG Shuang. Multi-Degree-of-Freedom Equipment Shock Response Model Based on Deep Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143

基于深度学习的多自由度设备冲击响应模型

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
基金项目: 国家自然基金重点项目资助(U20A2071); 爆炸科学与安全防护全国重点实验室自主课题重点项目(ZDKT24-01).
详细信息
    作者简介:

    黄沁怡(2000年-), 女, 硕士, 主要研究方向为基于深度学习的水下爆炸冲击响应建模

  • 中图分类号: TJ03; TJ01

Multi-Degree-of-Freedom Equipment Shock Response Model Based on Deep Learning

  • 摘要: 针对舰艇多自由度设备在爆炸冲击载荷下的响应分析难题, 文中提出了一种基于深度学习的冲击响应预测模型。传统单自由度模型无法高效分析多自由度系统的复杂冲击响应, 而本模型通过深度学习技术, 特别是利用神经网络的数据特征提取和非线性建模能力, 从数值仿真数据中学习冲击谱与输入冲击载荷的关联, 实现了对舰艇结构中关键点冲击响应谱的高效、准确计算。这一方法填补了现有模型在处理多自由度设备时的不足, 满足了对复杂系统冲击响应快速准确分析的需求。实验结果表明, 该模型能准确预测多自由度设备的冲击响应谱, 与仿真数据的相对误差控制在8%以内, 有效解决了传统模型在多自由度系统分析中的局限性。

     

  • 图  1  冲击响应谱计算过程

    Figure  1.  Calculation process of shock response spectrum

    图  2  潜艇上典型多自由度系统组成

    Figure  2.  Composition of a typical multi-degree-of-freedom system on a submarine

    图  3  等效基础激励多自由度系统

    Figure  3.  System of equivalent base-excited multi-degree-of-freedom

    图  4  多自由度设备冲击响应预测模型架构

    Figure  4.  Architecture of the multi-degree-of-freedom equipment shock response prediction model

    图  5  (a) 对质量块1进行预测的RMSE与RE; (b) 对质量块2进行预测的RMSE与RE; (c) 对总体结构进行预测的RMSE与RE

    Figure  5.  (a) RMSE and RE for the prediction of mass block 1; (b) RMSE and RE for the prediction of mass block 1; (c) RMSE and RE for the prediction of overall structure

    表  1  数值仿真工况

    Table  1.   Table of numerical simulation conditions

    序号水深(m)爆距(m)装药(kg)方位
    11007295侧前方
    21007295正下方
    31007295侧后方
    4100745正下方
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    表  2  模型数据集信息

    Table  2.   Model dataset information

    模型输入/输出数据信息数据集划分信息
    输入冲击载荷时域加速度训练集95%
    测试集5%
    输出感兴趣点冲击响应谱训练集95%
    测试集5%
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    表  3  多工况下平均RMSE及平均RE

    Table  3.   Average RMSE and average RE under multiple operating conditions

    工况 感兴趣点 平均RMSE 平均RE (%)
    1质量块10.1266.1
    质量块20.1156.9
    总体结构0.0936.3
    2质量块10.1346.6
    质量块20.1516.8
    总体结构0.0967.2
    3质量块10.1227.6
    质量块20.1486.4
    总体结构0.1217.5
    4质量块10.1397.2
    质量块20.0947.8
    总体结构0.1126.7
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    表  4  4种标准化方法计算公式

    Table  4.   Formulas for four standardization methods

    标准化方法 计算公式
    L1范数标准化 $ {y_i} = \dfrac{{{x_i}}}{{{{\left\| {{x_i}} \right\|}_p}}} $
    偏差标准化 $ {y_i} = \dfrac{{{x_i} - {x_{\min }}}}{{{x_{\max }} - {x_{\min }}}} $
    标准差标准化 $ {y_i} = \dfrac{{{x_i} - \mu }}{\sigma } $
    非线性标准化 $ {y_i} = \dfrac{1}{{1 + {{\mathrm{e}}^{ - {x_i}}}}} $
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    表  5  4种标准化方法模型的平均RE与最大RE

    Table  5.   Comparison of traditional shock spectrum calculation methods

    标准化方法平均RE(%)最大RE(%)
    L1范数标准化7.88.7
    偏差标准化7.18.8
    标准差标准化10.513.7
    非线性标准化13.114.5
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    表  6  多自由度模型感兴趣点冲击响应谱计算效率对比

    Table  6.   Comparison of calculation efficiency for shock response spectra at key points in multi-degree-of-freedom models

    方法感兴趣点数运行时间(s)
    多自由度模型35
    58
    传统方法3360
    5600
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-10
  • 修回日期:  2024-11-04
  • 录用日期:  2024-11-14
  • 网络出版日期:  2024-12-09

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