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基于深度学习的多自由度设备冲击响应分析

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分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 623-629 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分析[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(4): 623-629 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
HUANG Qinyi, ZHU Wei, MA Feng, CHEN Si, WANG Shuang. Analysis of Multi-Degree-of-Freedom Equipment Shock Response Based on Deep Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 623-629. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
Citation: HUANG Qinyi, ZHU Wei, MA Feng, CHEN Si, WANG Shuang. Analysis of Multi-Degree-of-Freedom Equipment Shock Response Based on Deep Learning[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(4): 623-629. 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分析

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-), 女, 在读硕士, 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: TJ630; U663

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

  • 摘要: 针对船舶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, 而该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, 实现了对船舶结构中关键点冲击响应谱的高效准确计算。该方法弥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  船舶上典型多自由度系统组成

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

    图  3  等效基础激励多自由度系统

    Figure  3.  Equivalent base-excited multi-degree-of-freedom system

    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  多自由度系统模型预测误差分析

    Figure  5.  Error analysis of model predictions for multi-degree of-freedom system

    表  1  数值仿真工况

    Table  1.   Working conditions of numerical simulation

    序号水深/m爆距/m装药量/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  多工况下RMSE均值和RE均值

    Table  2.   Average RMSE and average RE under multiple operating conditions

    工况 感兴趣点 RMSE均值 RE均值/%
    1 质量块1 0.126 6.1
    质量块2 0.115 6.9
    总体结构 0.093 6.3
    2 质量块1 0.134 6.6
    质量块2 0.151 6.8
    总体结构 0.096 7.2
    3 质量块1 0.122 7.6
    质量块2 0.148 6.4
    总体结构 0.121 7.5
    4 质量块1 0.139 7.2
    质量块2 0.094 7.8
    总体结构 0.112 6.7
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    表  3  4种标准化方法计算公式

    Table  3.   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  4  4种标准化方法模型的RE均值和最大值

    Table  4.   Comparison of average RE and maximum RE among four standardization method models

    标准化方法RE均值/%RE最大值/%
    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  5  感兴趣点冲击响应谱计算效率对比

    Table  5.   Comparison of calculation efficiency for shock response spectra at key points

    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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