基于脉冲-空间叠加方法的空气垫车辆裙部气囊的波浪冲击载荷反演研究

《Marine Structures》：Wave slamming load inversion investigation of air cushion vehicle skirt airbags based on impulse-space superposition method

本文提出基于冲量-空间叠加方法的柔性裙多区域载荷反演模型，通过Tikhonov正则化解决不适定问题，分析监测点布置对反演精度的影响，验证了该方法在复杂时空非均匀波浪撞击载荷反演中的有效性，为气垫车柔性裙结构研究提供新思路。

　　

袁玉超|徐胜杰|魏俊宏|郭丽|唐文勇

上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海，200240，中国

摘要

柔性裙边气囊是气垫船的核心部件，其在波浪冲击下承受的外部载荷直接影响结构的安全性和稳定性。由于波浪冲击载荷在时间和空间上的不均匀性，准确反演动态载荷已成为当前研究中的一个重要挑战。本文提出了一种基于脉冲-空间叠加方法的多区域载荷反演模型，以解决空间非均匀波浪冲击载荷的反演问题。文中阐述了载荷-响应关系的构建过程以及动态载荷反演的求解方法。分析了单个子区域内单位载荷下的响应特性，并确定了沿Y方向布置监测点的优选方案，以便后续的反演工作。讨论了波浪冲击载荷持续时间、载荷分布和载荷面积对反演精度的影响。随着载荷分布的复杂化以及作用区域的扩大，反演误差会增加。适当增加监测点数量可以显著提高反演精度，尤其是在更复杂的非对称载荷情况下。这种反演方法易于实施，可以为实际海洋环境中气垫船柔性气囊载荷识别研究提供有价值的见解。

引言

柔性裙边是全裙边气垫船（ACV）的关键结构。充气后，它围绕船体形成稳定的气垫密封，使ACV具备两栖能力。然而，由于复杂的环境、结构材料的独特性质以及耦合效应，在波浪冲击下可能会产生一系列复杂的动态问题，导致裙边严重收缩、应力响应复杂以及张力变化剧烈。柔性裙边的动态张力有时会超过静态张力的十倍，从而威胁ACV的结构安全性和运行稳定性。在波浪冲击过程中，柔性裙边会发生较大变形，并涉及气-固-液多相耦合，使得数值计算非常复杂，动态响应难以预测。

ACV在高速航行时的结构响应涉及气体（气垫）、液体（波浪）和固体（裙边气囊）界面之间的复杂耦合作用，这是当前机械研究中的一个关键且具有挑战性的课题。现有的预测ACV冲击响应的方法包括经验公式法[1]、ALE方法[2]和实验方法。经验公式法基于刚体入水理论并结合了简化系数，但未能考虑柔性裙边的弹性变形，与实际情况存在较大偏差。ALE方法可以模拟船首裙边、气垫和自由液面之间的流体结构耦合。然而，当前的数值模拟仍存在计算效率低、程序复杂、精度不足以及分析过程简化的问题。实验方法可以模拟气体、液体和固体之间的耦合效应以获得真实的结构响应特性。然而，波浪冲击载荷分布无法通过传感器直接测量，因此基于应变数据间接获取载荷的反演技术变得至关重要。

目前，基于监测数据的载荷反演主要采用两种方法：基于物理的结构动态反演方法和数据驱动的机器学习方法。在海军建筑和海洋工程领域，研究重点是对难以直接测量的关键区域的载荷进行识别。现有研究主要针对船首监测区和冰载荷。研究人员使用卷积积分公式定义了冰载荷，构建了Green核函数矩阵，并引入了Tikhonov正则化技术来修改病态矩阵，成功实现了冰载荷的识别[[3], [4], [5], [6]]。此外，还有研究优化了传感器布置[7]并确定了最佳测量点数量[8]。与传统的基于物理的结构动态反演方法不同，机器学习算法不需要理论表达式来关联结构动态响应和载荷。相反，它们通过大量数据训练建立结构响应和载荷之间的映射关系，无需依赖结构动力学或相关物理理论。然而，机器学习方法需要高质量的训练数据集。由于目标载荷的空间分布和幅值范围通常未知，获取高质量数据集仍然具有挑战性，这限制了机器学习算法的应用范围。目前的研究仅将机器学习应用于简单结构的载荷反演，在船舶和海洋工程领域的研究较少。Cooper等人[9]使用人工神经网络（ANN）成功反演了飞机机翼的静态载荷值。Ghajari等人[10]利用ANN和传感器数据重建了冲击力。Staszewski等人[11]识别了复合飞机蒙皮面板上的冲击载荷。Xia Peng等人[12]将时延神经网络（TDNN）引入动态载荷识别，推动了机器学习向深度学习的发展。Wang等人[13]提出了一种基于模型迁移学习的深度回归自适应网络（DRAN）来识别频域动态载荷。Nan等人[14]开发了一种数据驱动的冰载荷反演方法，使用灰狼算法优化的长短期记忆（LSTM）网络根据最大Mises应力的时间变化来反演冰载荷历史。总之，当前的载荷反演方法主要针对简单梁板和板结构，对柔性结构（如裙边）的研究较少。波浪冲击下柔性裙边气囊所承受的外部载荷具有时空非均匀性，并伴随较大变形。因此，准确反演这种复杂时空非线性分布载荷在当前研究中仍是一个重大挑战。

本研究提出了一种适用于ACV裙边气囊的多区域柔性气囊冲击载荷反演方法。该方法可以有效克服直接测量方法只能从有限位置测量压力数据的问题，通过基于有限位置应力数据的反演算法重建整个区域的时空非均匀冲击压力分布。研究分为五个部分：第2节主要解释多区域柔性气囊载荷反演方法的基本理论；第3节展示了裙边气囊的有限元模型及其在冲击载荷下的响应特性；第4节验证了不同区域划分和监测点布置下载荷反演模型的适用性和准确性；第5节得出了一些结论。

章节摘录

柔性充气结构的充气成型和瞬态动态方法

气垫船的裙边气囊是一种膜结构，其刚度主要来源于膜张力。在运行过程中，它受到内部气流和外部环境力的耦合作用。本文采用控制体积（CV）方法对裙边气囊的充气过程和动态响应进行数值模拟。

气囊内的气体被视为具有恒定比热容、均匀温度和绝热条件的理想气体。

裙边气囊的冲击响应特性分析

裙边结构由气囊、指状部件和连接器组成。本研究仅关注气囊组件的冲击行为。在航行过程中，船首气囊频繁与波浪接触，因此最容易受到波浪冲击的影响。逆风航行时，船首会经历显著的冲击效应，导致较大的冲击载荷。在后续章节中，将开发船首气囊的3D模型来研究其响应特性

柔性裙边气囊载荷反演方法

本节将提出的冲击载荷反演方法应用于气垫船（ACV）。通过利用多个测量点的数据，可以得出指定冲击区域内每个时间间隔的等效名义冲击压力，从而重建这些区域的冲击压力分布。通过数值模拟验证了所提出的载荷反演方法的有效性，并进一步进行了相关研究

结论

本文研究了气垫船裙边气囊在波浪冲击载荷下的结构响应，并建立了载荷-响应关系。为了解决反演过程中的病态问题，采用了Tikhonov正则化技术，并使用L曲线方法确定了正则化参数。基于脉冲-空间叠加方法建立了气垫船裙边气囊的波浪冲击载荷反演模型。

CRediT作者贡献声明

袁玉超：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论、概念化。徐胜杰：撰写 – 审稿与编辑、研究、概念化。魏俊宏：软件开发、方法论、研究。郭丽：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、项目管理、方法论。唐文勇：撰写 – 审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52371283、52571353）和上海船舶工程重点实验室（项目编号：SE202403）的支持。