摘 要

船舶结构振动问题对人类的生产生活造成了许多不良影响，成为了船舶设备耗损的主要原因之一。而在实际船舶运行过程中测量振动信号会由于缺少传感器、测试结构复杂等原因造成小样本问题越来越突出，因此进行“船舶结构振动信号的样本空间扩容”研究具有一定的理论意义和实际工程应用价值。

本文旨在通过空间样本扩容的手段，摆脱对外界激励测量的依赖，处理船舶振动信号测量中的小样本现象带来的问题。主要研究内容和结论包括（1）分析了空间样本扩容的基本原理和分析步骤；（2）使用SOLIDWORKS绘制圆盘装置的模型、仿真软件ANSYS揭示其固有频率，并通过对比分析确认了模型的正确性；（3）运用有限元软件ANSYS模拟实际结构并获得仿真条件下测点的振动信号数据，通过计算仿真条件下目标测点之间的传递率函数进而推得实际情况下未知测点的信息，从而扩充在实际测试过程中难以获得的振动响应数据，完成扩容实验，后通过圆盘装置实验证明该方法可以用于解决空间小样本问题。

关键词：船舶；小样本问题；空间样本扩容；传递率函数；有限元方法

Abstract

The vibration of ship structure has influenced human production and life, which has become one of the main reasons for the loss of ship equipment. However, in the process of vibration signal test under the condition of real ship, the problem of small sample caused by the complex structure and the insufficient number of sensors becomes more and more prominent. Therefore, the research on "sample space expansion of vibration signal of ship structure" has certain theoretical significance and practical engineering application value.

The purpose of this paper is to solve the problem of small sample in the measurement of ship vibration signal by means of expanding the capacity of space sample. The main point and conclusions include: (1) analyzing the basic principle and analysis steps of spatial sample expansion; (2) establishing a three-dimensional solid model of disk with the help of Three-dimensional Modeling Software SOLIDWORKS, using ANSYS to reveal its natural frequency, and the correctness of the model is confirmed through comparative analysis; (3) The software ANSYS is used to get the actual structure and obtain the vibration signal data of the test point under the simulation condition. By calculating the transfer rate function between the target test points under the simulation condition, the information of the unknown test point in the actual situation can be obtained, so as to expand the vibration response data that is difficult to obtain in the actual test process, and complete the expansion experiment, which is proved by the disk device experiment The method can be used to solve the problem of small space samples.

Key Words: Ship; Small sample problem; Space sample expansion; Transfer rate function; Finite element method

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容及技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 3

1.4 本章小节 3

第2章 空间样本扩容的基本原理 5

2.1 空间样本扩容方法的提出 5

2.2 空间样本扩容方法的理论基础 5

2.2.1 传递率函数的理论基础 5

2.2.2 方法实质 6

2.3 空间样本扩容方法的步骤 7

2.4 本章小节 7

第3章 实验模型的有限元仿真及模型验证 9

3.1 圆盘模型的建立 9

3.1.1 建模方案的选择 9

3.1.2 圆盘模型的建立 10

3.2 模型的模态分析及正确性验证 11

3.2.1 有限元模型的网格化分析 11

3.2.2 圆盘模型模态分析 12

3.2.3 圆盘装置正确性的验证 18

3.3 本章小节 19

第4章 扩容方法正确性验证 20

4.1 验证实验设计 20

4.2 仿真获取振动信号 20

4.3 传递率函数的计算 24

4.4 数据扩容 27

4.5 误差分析 29

4.6 本章小节 30

第5章 总结与展望 31

5.1 总结 31

5.2 展望 31

致 谢 32

参考文献 33

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

在科技引领时代和社会发展的今天，科学技术水平也对船舶事业也产生了重大的影响。近些年来我国工业发展及其迅速，造船业尤为突出，已经迅速成长为世界前列的造船大国。对于船舶而言，其运行期间产生的振动大小不仅是影响船舶舒适性的重要因素，更是衡量船舶安全性和经济性的重要指标之一，高强度的振动噪声不仅会对船员的身体健康造成影响，更甚者会对整个船舶的正常航行带来不可估量的影响。针对此类问题，国内外有众多关于船舶结构振动的研究^[1]-[6]，他们或从控制船舶整体振动的思路出发进行研究，或从各类单体部件的振动控制方法进行研究，目标都是提出更加合理的优化方案，在这些有关船舶结构振动的研究中最为重要的步骤之一是对振动信号的测量。在实船条件下，测量设备振动信号时常因工况众多、实验样本贵重等问题导致采集样本不足，从而产生了船舶振动信号的小样本问题，如何恰当的处理船舶振动信号小样本问题成为了研究过程的重中之重。

国内外均很早就针对小样本问题展开了研究^[7][8]，但对于小样本条件下模式识别问题真正意义上的研究还是在近十年^[9]-[11]。小样本问题中最重要的元素之一就是“信息”，小样本问题之“小”即为通过现有手段获取信息极其困难。从信息的角度可以看出，国内外学者针对存在小样本问题的条件下，有关模式识别问题主要在以下两个方面进行着力研究：一方面着力研究如何深度挖掘小样本本身的信息，通过构建出更加适合小样本问题的分类器以解决问题；另一方面着力研究怎样通过利用先验知识，通过合理生成虚拟样本的方法，为解决问题对小样本进行合理的扩充，即“样本扩容”。