一种基于冲击能量拟合的冲击载荷路径识别方法

本发明涉及冲击测试，特别涉及一种基于冲击能量拟合的冲击载荷路径识别方法。

背景技术：

1、在海洋结构工程中，结构的完整性、安全性和可靠性极大地依赖于环境因素如风、波浪和水流等的影响以及工作条件下的载荷。例如，在某些大型海洋平台上，飞行器在着陆过程中可能因平台的反力和能量缓冲系统释放能量而引起的反弹和重复接触，这通常伴随着巨大的冲击力。在这一过程中，首次触地产生的冲击载荷至关重要，而随后产生的移动载荷虽较小，但对平台的整体安全性仍有一定影响。因此，准确获取这些冲击载荷的时空数据对于维护结构的安全至关重要。

2、在冲击载荷定位方法中，由于其简便性，飞行时间法得到了广泛的应用。该方法通过分析冲击引起的弹性波的到达时间来估计冲击点，根据到达时间、距离和波速之间的数学关系，利用三角测量技术来精确定位冲击源。对于使用均质、各向同性材料的结构，可以直接应用三角测量；但对于由各向异性材料或复杂结构组成的系统，需要预先测定不同方向上的波速。

3、除了飞行时间法，还有如优化策略法等其他冲击定位技术，此法通过最小化实际结构响应和模拟结构响应之间的差异来定位冲击点。此外，还有其他创新的定位技术，例如相似性搜索和瞬态统计能量分析等。

4、发明人在日常实践中，发现现有的技术方案具有如下问题：

5、飞行时间法在复杂的结构中难以准确预测应力波的传播路径，波的反射、折射和色散等问题也使其应用受限，通常只适用于简单的梁和板结构。

6、优化策略法虽然在单自由度或有限自由度的系统中有效，但在连续的无限自由度结构中，由于涉及大量计算，使其在实际工程中难以应用。

7、此外，现有其他创新方法虽然在小型结构中有一定的应用前景，但在大型工程结构上的应用则显得复杂且受限。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术提供一种基于冲击能量拟合的冲击载荷路径识别方法，能够实现对着陆平台上受到的冲击位置进行准确识别，进而获取相关冲击载荷的时空数据。

2、一种基于冲击能量拟合的冲击载荷路径识别方法，包括：

3、建立着陆平台的有限元模型；

4、在有限元软件中对着陆平台结构进行谐响应分析，得到着陆平台结构的频响函数矩阵；

5、在有限元软件中对着陆平台结构受冲击过程进行仿真计算，获取产生的响应数据，并对响应数据进行傅里叶变换得到响应矩阵；

6、建立着陆平台结构受冲击过程的载荷识别数学模型；

7、使用优化算法对初始载荷识别数学模型进行降维处理；

8、使用正则化方法求解降维后的载荷识别数学模型，得到激励矩阵；

9、计算出整个频率区间内所有激励点的能量强度，并根据能量强度大小确定出受到冲击的位置。

10、优选的，所述在有限元软件中对着陆平台结构进行谐响应分析，得到着陆平台结构的频响函数矩阵，包括：

11、在有限元软件中对着陆平台结构的每一个虚拟激励点分别进行谐响应计算，提取出初始响应点上的响应数据；

12、将谐响应计算中得到的响应数据进行组合，使频响函数矩阵中的行表示不同的响应点，列表示不同的虚拟激励点，得到着陆平台结构的频响函数矩阵。

13、优选的，所述在有限元软件中对着陆平台结构受冲击过程进行仿真计算，获取产生的响应数据时，包括仿真条件下获取响应数据或实际工况条件下获取响应数据；

14、在仿真条件下获取响应数据时，包括进行着陆平台结构受到冲击载荷作用的仿真计算，提取出着陆平台结构上初始响应点的响应数据；

15、在实际工况条件下获取响应数据时，使用布置在着陆平台结构上的应变传感器监测着陆平台结构上受到冲击作用时的应变响应数据。

16、优选的，所述着陆平台结构受冲击载荷作用过程的数学模型为：

17、；

18、式中，为线性时不变系统频率区间内的频率点；表示着陆平台结构的频响函数矩阵；表示激励矩阵；表示响应矩阵。

19、优选的，所述着陆平台结构受到冲击载荷作用过程的数学模型的具体表达式为：

20、；

21、式中， n为激励点的数目；分别表示第一、第二至第n个虚拟的激励位置； m为测量的响应点的数目；分别表示第一、第二至第m个响应点的位置；为线性时不变系统频率区间内的频率点；表示着陆平台结构的频响函数矩阵中的元素； f为求解后得到的激励矩阵中的元素；为响应矩阵中的元素。

22、优选的，所述使用优化算法对初始载荷识别数学模型进行降维处理，包括：

23、对于频响函数矩阵，选择具有最大条件数的矩阵；

24、从最大条件数的矩阵中删除一行，得到剩余矩阵；

25、计算出剩余矩阵的条件数，选择条件数最小的剩余矩阵；

26、从最小条件数的剩余矩阵中继续删除一行，得到新的剩余矩阵；

27、计算出新的剩余矩阵条件数，继续选择条件数最小的剩余矩阵；

28、重复上述步骤，直到剩余矩阵条件数面值满足设定阈值后，继续从剩余矩阵中删除一行，选择条件数最小的剩余矩阵；

29、将上述过程中删除的向量取分别替换剩余矩阵中行向量，分别计算出这些矩阵的条件数，选择出条件数最小的剩余矩阵；

30、重复上述步骤，直到剩余矩阵的行数为列数的1倍到1.5倍范围时，停止降维处理，得到的剩余矩阵为最终的频响函数矩阵。

31、优选的，所述使用正则化方法求解降维后的载荷识别数学模型包括：利用tikhonov正则化方法，通过加入正则化项，构建目标函数进行求解；或利用moore-penrose伪逆矩阵法，计算线性方程组的最小二乘解。

32、优选的，在所述计算出整个频率区间内激励点的能量时，利用parseval定理计算整个频率区间内各激励点的能量：

33、；

34、式中，表示整个频率区间内各激励点的能量；表示整个频率区间内激励点数据；表示线性时不变系统频率区间内的频率点。

35、优选的，当实际冲击路径不在预先设置的激励点上时，选出2到3个大于能量阈值的激励点，结合能量衰减规律和最小二乘拟合方法计算出实际受到冲击的路径。

36、优选的，所述当实际着舰路径不在预先设置的激励点上时，选出2到3个具有较大能量值的预先设置的激励点，结合能量衰减规律和最小二乘拟合方法计算出实际受到冲击的路径包括：

37、定义一个能量衰减模型：

38、；

39、其中：

40、；

41、式中，表示能量强度；表示实际冲击载荷的作用位置与频响函数矩阵中激励点的距离；表示能量衰减模型的系数；表示激励点的x轴坐标；表示激励点的y轴坐标；表示实际冲击点的x轴坐标；表示实际冲击点的y轴坐标；

42、对能量衰减模型取对数，并将展开，得到线性形式：

43、；

44、定义损失函数l为拟合误差的平方和：

45、；

46、使用优化算法最小化损失函数，得到此能量衰减模型的系数和实际冲击点坐标。

47、与现有技术相比，本技术至少具有以下有益效果：

48、1、本发明能够适用于大型工程结构，实现对着陆平台结构受到的冲击载荷的冲击位置进行准确识别，步骤简单，可做操作性强。

49、2.本发明中的测点优化方法，能够有效降低应力场重构数学模型的维度和病态程度，从而降低计算量，提高识别精度。