基于Kriging代理模型的水下目标模型几何参数识别方法.pdf
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1、期刊网址:www.ship-引用格式:刘江,刘彦森,黎胜.基于Kriging 代理模型的水下目标模型几何参数识别方法J.中国舰船研究,2024,19(增刊 1):4251.LIU J,LIU Y S,LI S.Geometry parameters recognition method for underwater target model based on Kriging surrogatemodelJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(Supp 1):4251(in Chinese).基于 Kriging 代理模型的水下目标模型几何参数识别方
2、法刘江1,刘彦森2,黎胜*11 大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 1160242 水下测控技术重点实验室,辽宁 大连 116013摘 要:目的目的水下目标参数识别可为目标分类识别提供依据,为此,提出一种基于 Kriging 代理模型的水下目标参数识别方法。方法方法首先,对敷设声学覆盖层的水下目标模型在螺旋桨和主辅机激励情况下的结构表面低频振动声辐射与声辐射灵敏度进行分析;然后,基于分析结果建立低频声辐射功率代理模型,并基于该代理模型构造由低频声辐射响应特征和目标参数组成的样本空间;最后,基于所构建的样本空间,建立目标参数识别代理模型并选取测试点进行模型验证。结果结果结果显示,测试样本的实
3、际目标参数值与所构建代理模型的目标参数预测值吻合良好;利用有限元法和边界元方法可以实现考虑阻尼材料频变特性的黏弹性阻尼结构的低频声辐射分析,并能解决商业软件无法大批量处理振动结果文件的问题;影响水下目标模型低频振动声辐射的主要目标参数为目标长度、最大半径、基层壳厚度和声学覆盖层厚度。结论结论基于Kriging 代理模型的水下目标参数识别方法可以通过声辐射线谱特征准确预测水下目标模型的主要目标参数值。关键词:代理模型;声辐射;水下目标参数识别;声学灵敏度;黏弹性阻尼中图分类号:U674.76文献标志码:ADOI:10.19693/j.issn.1673-3185.03295 Geometry p
4、arameters recognition method for underwater target model based onKriging surrogate modelLIU Jiang1,LIU Yansen2,LI Sheng*11 School of Naval Architecture Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China2 Key Laboratory for Underwater Test and Control Technology,Dalian 116013,ChinaAbstra
5、ct:ObjectivesUnderwater target parameter recognition can provide the basis for target classifica-tion and recognition.To this end,an underwater target parameter recognition method based on the Kriging sur-rogate model is proposed.MethodsFirst,the low-frequency acoustic radiation of the structure sur
6、face andthe acoustic sensitivity of an underwater target model covered with an acoustic layer are analyzed under pro-peller and main and auxiliary engine excitation.A low-frequency acoustic radiation power surrogate model isthen established using the above analysis results,and a sample space consist
7、ing of acoustic radiation responsefeatures and target parameters is constructed on the basis of the surrogate model.Finally,a target parameter re-cognition surrogate model is established on the basis of the sample space,and test points are selected for modelvalidation.ResultsThe results show that th
8、e actual target parameter values of the test samples match wellwith the predicted target parameter values of the constructed surrogate model.The finite element method(FEM)and boundary element method(BEM)can realize the low-frequency acoustic radiation analysis of vis-coelastic damping structures by
9、considering the frequency-dependence characteristics of the damping material,and are able to solve the problem that commercial software may not process vibration result files in largequantities.The main target parameters affecting the low-frequency vibro-acoustic radiation of the underwatertarget mo
10、del are the model length,maximum radius of the target,model thickness and acoustic layer thickness.ConclusionsThe underwater target parameter recognition method based on a surrogate model proposedherein is able to predict the main target parameter values of the underwater target model by analyzing i
11、tsacoustic radiation line spectral features.Key words:surrogate model;acoustic radiation;underwater target parameters recognition;acoustic sensit-ivity;viscoelastic damping收稿日期:20230313 修回日期:20230601基金项目:水下测控技术重点实验室基金资助项目(6142407190106)作者简介:刘江,男,1995 年生,博士生。研究方向:振动噪声分析。E-mail:dlut_刘彦森,男,1979 年生,博士,研
12、究员。研究方向:振动噪声分析。E-mail:Y黎胜,男,1973 年生,博士,教授。研究方向:振动噪声分析和控制。E-mail:*通信作者:黎胜 第 19 卷 增刊 1中 国 舰 船 研 究Vol.19 Supp 12024 年 1 月Chinese Journal of Ship ResearchJan.2024 0 引言水声被动目标识别是利用水下结构的辐射噪声信号进行分类识别的一种技术,具有隐蔽性好、探测距离长的优点,是水声目标识别领域重要的分支1。水下目标的辐射噪声信号中蕴含有目标的尺度、结构、材质、形状等属性参数信息,同时,低频段是辐射噪声特征最明显的频段。由低频声辐射响应特征而得到目
13、标属性参数的研究可成为目标分类识别的依据,能为目标分类识别等提供基础支撑。可见,基于低频声辐射响应识别目标属性参数方法的研究具有重要意义。基于低频声辐射响应识别目标属性参数是一类声学反问题。反问题具有非线性、不适定性和计算量大的特点,由辐射噪声问题来进行反向解析推导难以实现2。周磊等3将噪声分布作为输入,驾驶室几何参数作为输出,利用渐进式神经网络实现了汽车驾驶室几何参数的反求。受此启发,本文拟提出一种基于 Kriging 代理模型的水下目标模型几何参数识别方法。代理模型在振动噪声求解和优化领域已得到广泛应用。Albert 等4利用 Kriging 代理模型减少振动问题求解的计算成本,提出了一种
14、改善机身面板振动声学性能并减轻机身重量的多目标设计方案。Baklouti 等5基于 Kriging 代理模型,构建了一种在模型的几何和材料参数存在不确定性的情况下评估振动声学性能的模型。黎胜等6基于Kriging 模型构建了水下结构振动声辐射计算的代理模型,该模型可对水下结构的共振频率和声功率级进行预测。郭明慧等7-8基于 Kriging 代理模型和圆柱壳振动相似理论,实现了对大、中、小、袖珍这 4 类圆柱壳的分类识别。由上述研究可知,代理模型可在设计空间中基于样本点及其响应值来构造,只要样本点及其响应信息足够,就可以构造出满足要求的代理模型。敷设声学覆盖层的水下目标是典型的黏弹性阻尼结构,声
15、学覆盖层通常为高内阻的黏弹性材料,描述其动态力学性能的材料模量和损耗因子是温度和频率的函数。所以,目前常用的常数复模量模型并不能很好地表达黏弹性阻尼材料的动态力学行为。在考虑黏弹性阻尼材料频变特性的阻尼结构振动声辐射方面,相关的研究较少。邓银凤9和窦乾赫10分别运用 Maxwell 阻尼模型和GHM(GollaHughesMcTavish)阻尼模型并与有限元法及 ISV(iterative shift-invert method)迭代法相结合,实现了对阻尼板结构的振动及声辐射分析,初步探讨了其内在机理。基于上述分析,本文拟提出一种基于 Kriging代理模型的水下目标模型几何参数识别方法。首先
16、,将低频声辐射响应作为输入,水下目标参数作为响应,建立代理模型;然后,将待识别目标的低频声辐射响应计算或测量值输入模型中,得到目标参数值,实现对水下目标参数的识别。本文采用有限元方法(FEM)和边界元方法(BEM)来求解低频声辐射响应,为能更加接近真实的水下目标,在数值模拟中考虑了阻尼材料的频变特性。此外,目标的低频声辐射响应也可以由测试得到。1 水下目标模型几何参数识别理论分析基于 Kriging 代理模型的水下目标模型几何参数识别方法的具体实现步骤如下:1)将 GHM 阻尼模型、ISV 迭代法与有限元/边界元方法相结合,得到水下黏弹性阻尼结构典型激励(螺旋桨和主辅机激励)下的低频振动声辐射
17、响应;2)利用有限差分法对水下目标的声学灵敏度进行分析,确定影响低频声辐射的主要目标参数;3)通过线谱提取技术得到水下目标的低频声辐射功率谱特征,然后以此作为输入值,以水下目标主要目标参数作为响应,构建代理模型;4)将待测目标的低频声辐射响应特征输入该模型中,然后输出其对应的主要目标参数值,从而实现对水下目标模型算例的参数识别。1.1 黏弹性阻尼结构振动分析采用有限元和边界元方法,求解黏弹性阻尼结构的低频振动声辐射。首先,将 GHM 黏弹性阻尼模型与 ISV 迭代法和有限元法相结合,实现对考虑黏弹性阻尼材料频变特性的阻尼结构振动问题的求解;然后,将采用有限元方法得到的结构表面振速作为边界条件,
18、采用边界元方法11实现对结构的声辐射分析。1)GHM 黏弹性阻尼模型。频变的 GHM 模型的材料剪切模量是关于频率的函数,在拉普拉斯域中可以表示为12sG(s)=G0+Ni=1is2+2i iss2+2i is+2i(1)式中:s 为拉普拉斯算子;G 为材料剪切模量;上标 0 表示材料剪切模量均衡值;,为拟合参增刊 1刘江等:基于 Kriging 代理模型的水下目标模型几何参数识别方法43=2 =2数(正常数);N 为拟合参数组的个数;i 指第 i 组拟合参数。令,则式(1)可以表示为sG(s)=G0+h(s)其中,h(s)=Ni=1is2+iss2+is+i(2)s=i G(f)=G(f)+
19、G(f)i(f)=G(f)/G(f)令(为特征角频率),则 GHM 模型对材料复模量参数的表达式变为,定义,则G(f)=G0+Ni=1if2(f2i+2i)(i f2)+2if2(f)=1G(f)Ni=1iiif(i f2)+2if2(3)G(f)(f)式中:为材料的复剪切模量随频率变化的函数;为材料损耗因子随频率变化的函数;f 为频率;,为拟合参数的另一种表示。通过实验数据对参数进行拟合,即可得到 GHM 黏弹性阻尼材料模型与频率相关的拟合参数的表达式。2)ISV 迭代法。考虑阻尼材料频变特性的黏弹性阻尼结构振动问题的求解是一个非线性的问题:(K()2M)=0(4)=0.001式中:K 为结
20、构刚度矩阵;M 为结构质量矩阵。因式中的 K 含有频率变量,所以不便于直接求解特征值和特征向量,而迭代法是解决此类非线性问题的有效方法。本文采用 ISV 迭代法13对式(4)所示的问题进行求解,其第 j 阶振动模态的基本算法流程如图 1 所示。图中,为式(4)振动问题的 模 态 振 型,k 为 迭 代 法 的 迭 代 次 数,设 置为迭代算法的精度。通过 ISV 迭代方法,可以计算出黏弹性阻尼复合结构振动的第j 阶复模态的特征频率、模态振型和模态阻尼比。在此基础上,也可以求解黏弹性阻尼结构的受迫振动问题,得到其受迫振动响应。1.2 代理模型样本空间参数确定 1.2.1 功率谱特征提取通过有限元
21、法和边界元方法求得的黏弹性阻尼结构的声功率谱线包含连续谱和线谱,其中线谱特征能反映结构目标尺度、结构和材质等方面的信息。线谱的提取一般包括预处理、谱峰提取、后置处理等过程。首先,进行预处理,可以利用排序截短平均算法实现对声辐射线谱的预处理,提高线谱提取的可靠性。然后,进行谱峰提取,谱峰的提取一般分为以下 5 个步骤1:1)对拉直的线谱图进行归一化处理;2)对归一化后的线谱求平均值并舍去小于平均值的点;3)剔除连续上升或连续下降的点,只保留转折点;4)剔除极小值点;5)将剔除的点所在位置归 0。经上述处理后,即可提取得到低频声辐射线谱的幅值频率和线谱数量等特征,不同的线谱具有不同的特征值,从而达
22、到区分不同声辐射线谱的目的。1.2.2 影响功率谱特征的主要目标参数选取水下目标属性由多种参数决定,其对目标低频声辐射的影响程度不尽相同,水下目标参数识别所关心的目标参数应该是对目标低频声辐射影响程度较大的参数。结构声学灵敏度分析方法可以反映目标属性的改变对声辐射的影响程度。国内外在结构声学灵敏度分析问题上的研究已相当成熟,可以分为基于能量方法的声学灵敏度分析和基于离散方法的声学灵敏度分析,其中基于离散方法的声学灵敏度分析又可以分为基于有限元方法的声学灵敏度分析和基于边界元方法的声学灵敏度分析14。有关黏弹性阻尼材料频变特性对结构声学灵敏度分析的影响还有待探讨,开始求解无阻尼系统振动方程:Kj
23、2jMj=0得到第 j 阶模态参数:0j,j0;初始化 k=1求解阻尼系统振动方程:K(jk1)kj(kj)2 Mkj=0kj,kj,k=k+1|kj jk1|01/2(nln(2)+ln?)式 中:;指矩阵元素为的矩阵;参数 可由最优线性无偏估计得到。方差的估计值,参数则根据极大似然估计给出,即在时使最大。2 水下目标模型几何参数识别 2.1 振动声辐射求解TsTVEs=2.11011Pas=7 850 kg/m3s=0.3v=795 kg/m3v=0.49water=1 025 kg/m3cwater=1 460 m/s2本文算例模型的具体参数值如图 2 和表 1 所示。其中:L 为水下目
24、标模型长度;H 为高度;D 为直径;B 为宽度;T 为厚度,其中为基层壳厚度,为阻尼层厚度;下标 s,r,t 分别表示艇体、指挥室和艉舵;上标数字表示水下目标的不同分段。模型的基层壳材料为钢,其弹性模量,密 度,泊 松 比;阻 尼 层 材 料 为 3M VHB4955,其 密 度,泊 松 比,弹 性 模 量 满 足GHM 模型。拟合参数如表 2 所示。流体介质为水,其 密 度 为,声 速 为。Lr5Lr1Br1Lr2Br2Lr3Br3Lr4HrLt3D1sD3sD2sLs3L1sL2sLs4BtHtLt1Lt2图 2水下目标模型及参数Fig.2 The underwater target mo
25、del and its parameters 表 1 水下目标模型参数值Table 1 Parameters of the underwater target model艇体参数数值指挥室参数数值艉舵参数数值L1s/m7.0L1r/m3.85H1t/m1.0L2s/m42L2r/m2.31L2t/m1.5L3s/m4.87L3r/m3.32L3t/m10.0L4s/m8.13L4r/m3.32Bt/m0.44D1s/m7.5L5r/m19.0Ht/m7D2s/m5.98B1r/m2.2D3s/m0.7B2r/m1.9T1s/m0.04B3r/m1.2T2s/m0.05Hr/m3.5增刊 1刘江
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