摘 要

船舶工业是现代综合性产业，也是军民结合的战略性产业，能够为海洋开发、水上交通运输、能源运输、国防建设等提供必要的技术装备，是国家装备制造业中不可缺少的组成部分。因而，对于船舶的结构健康监测就显得非常重要。

目前，出于对检测的准确性以及船舶无损的考虑，利用声或振动信号对船舶的状态实施监测和故障诊断已经成为了研究热点。本文采用声学故障诊断和互相关函数相结合的方法，应用于船舶的结构健康监测。船舶声学故障诊断问题本质上也可以看作是一种机械故障诊断，而且本文的目的是探讨互相关函数在船舶结构健康监测的应用机理，因此，本文的研究把环境振动限定为随机激励，从而在理论上探讨研究方法的可行性。本文的研究内容主要包括：

第一部分介绍了故障诊断的几种方法的应用机理和特点，比较了几种方法的异同，总结出了互相关函数应用于船舶结构健康监测的优越性。

第二部分对互相关函数的理论和特点等方面展开了分析，探讨了互相关函数和格林函数之间的联系，为下一步从互相关函数提取格林函数的研究提供了理论基础。其后，介绍了随机激励下基于互相关函数幅值向量在结构健康监测的应用机理和步骤。

第三部分在ANSYS软件中建立平板模型，用随机激励下的脉冲载荷作为输入载荷，其后，对平板做瞬态动力学测试得到实验数据，构建了损伤因子，最后用MATLAB软件进行了分析。

本论文用理论和仿真相结合的方法，验证了利用互相关函数在船舶声学故障诊断上的可行性，为船舶的结构健康监测提出了新思路。

关键词: 船舶；声学故障诊断；互相关函数；损伤因子；随机激励

Abstract

The shipping industry is both a modern comprehensive industry and a strategic industry for civilian military integration. A large amount of necessary technical equipment is born in the shipping industry including the ocean development, the water transportation, the energy transportation and the national defense construction, which makes it an indispensable component of the state equipment manufacturing industry. Hence, it is vital for the structural health monitoring of ships.

Considering the accuracy and the lossless, the state detection and the fault diagnosis of ships with sound or vibration signals has become a research hotspot in recent years. In this paper, an acoustic fault detection method based on the cross-correlation function is applied to the ship structural health monitoring. The ship acoustic fault diagnosis is a kind of mechanical fault diagnosis essentially. To theoretically explore the feasibility of the proposed method, a random signal is utilized as the ambient excitation. The whole paper is divided into three parts.

In the first part, the application mechanism and characteristics of several different fault diagnosis methods are compared and the advantages of cross-correlation function applied to ship structure health monitoring are proposed.

In the second part, the specific theory and characteristics of the cross-correlation function are analyzed and the relationship between the cross-correlation function and the Green's function are discussed, which provides a theoretical basis for the further study of extracting the Green's function from the cross-correlation function. Then. the application mechanism and steps of in the ship structural health monitoring based on the amplitude vector of the cross correlation function are introduced under random ambient excitation.

In the third part, a plate model is established in ANSYS. and a pulse signal in random excitation is utilized as an input load. The experimental data are obtained by transient dynamic test and the damage factor is constructed. Finally, the data are deeply analyzed in MATLAB.

In summary, the potential of ship acoustic fault diagnosis based on cross-correlation function is verified preliminarily through theory and simulation, which proposed a new idea for ship structural health monitoring.

Key words: ship; acoustic fault diagnosis; cross-correlation function; damage factor; random excitation.

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的内容及意义 1

1.2 国内外发展的现状 1

1.2.1 国外发展现状 1

1.2.2国内发展现状 2

1.3 本文研究的主要内容 3

第2章 船体结构损伤识别方法 4

2.1 模态识别法 4

2.1.1 模态识别法的概述 4

2.1.2 模态识别法的面临问题 7

2.2基于传递率函数的识别方法 8

2.2.1基于传递率函数识别法的概论 8

2.2.2 基于传递率函数识别法的面临问题 9

2.3基于互相关函数的理论 10

2.3.1 互相关函数的理论 10

2.3.2 基于互相关函数识别法的特点 11

2.4本章总结 11

第3章 基于互相关函数的结构损伤识别方法 13

3.1 互相关函数与脉冲响应函数的关系 13

3.1.1互相关函数与脉冲响应函数的理论关系 13

3.1.2互相关函数与脉冲响应函数的波形显示 13

3.2 随机激励下基于互相关函数幅值向量的应用 16

3.2.1 基于互相关函数幅值向量的原理 16

3.2.2 基于互相关函数幅值向量检测的主要步骤 16

3.3本章总结： 17

第4章 随机激励下的基于互相关函数幅值向量的仿真模拟 18

4.1 模型及损伤的建立 18

4.2 随机激励下模型的构建 20

4.3 数据处理 21

4.3.1 完好状态下的数据 21

4.3.2 缺陷状态下的数据 25

4.3.3 基于互相关函数幅值向量构建损伤因子 34

4.3.4 数据处理结果 35

4.4 实验总结 36

4.5 本章总结 37

第5章 总结和展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 38

参考文献 40

致谢 43

第1章 绪论

1.1课题研究的内容及意义

所谓声学故障^[1]，是指破坏水下航行器声隐身性的异常振动噪声，引发声学故障的包括声振源的不良噪声和声传递路径的缺陷，声振源的控制已有较多研究，而声传递路径的缺陷即传递路径声学故障鲜有研究。对船舶进行传递路径声学故障检测，本质上可以看作是一个对船舶进行结构健康监测问题。

大型机械的结构健康监测(SHM)对：航空维修和安全（例如飞机机翼，控制面，推进系统部件，等等），土木工程（例如桥梁，建筑物，近海结构），和商品运输（例如管道运输）至关重要。通过测量这些结构的振动特性，如谐振频率，振型和阻尼系数，振动特性的预测和诊断的工具可以被开发来确保结构完整性的长期维持。在实践中测量输入（例如力）相关的线性测量反应（例如加速度）获得的脉冲响应用来描述结构。今天可用的典型商业系统使用受控的有源源（例如音锤，可控震源车，或激光）。

但是，对于海上运输的船舶通常具有不同的航运工况，使得船体所受激励复杂化，同时，基于大型船舶结构的复杂性，可知，利用这种需要测量激励源的主动结构故障诊断方法对船舶进行结构故障诊断显然不切实际。实验和理论分析表明，利用噪声的互相关函数，传感器对之间的脉冲响应到达结构的时间可以被估计，在这种情况下，噪声是环境振动。本文的主要目的是通过利用互相关函数方法，摆脱对激励源的测量，实现对船舶结构的故障诊断。本文主要是在理论基础之上，通过数值仿真方法研究互相关函数运用关于船舶故障诊断的可行性，本文的目的是为船舶结构健康监测提供新的思路，确保船舶在安全健康的状态下运转。

1.2 国内外发展的现状

1.2.1 国外发展现状

近几十年来，许多国外研究者对互相关函数进行了研究。早在1997年，美国桑迪亚国家实验室的研究人员George H.James^[3，4]等人通过理论分析，提出了环境激励下两个响应信号的互相关函数与脉冲响应函数具有相同的波形，并证明得到可以从互相关函数中提取结构的共振频率和模态阻尼。至此以后，众多学者认可了结构两点的响应互相关函数和脉冲函数具有相似性的理论，并被广泛地应用到各种结构模态参数识别和结构损伤识别中。对于互相关函数在结构损伤方面的应用研究，美国乔治亚理工学院的Karim G.Sabra等人做了大量的研究工作^[6,7]，如在2007年，他以不规则铝板作为研究对象，探究了互相关函数方法对损伤的判别量及灵敏度，同年，Sabra通过两个实验，实验论证了互相关函数与脉冲响应函数(格林函数)在形式上的一致性，以及利用互相关函数进行损伤检测的可行性^[8]。在2011年，Sabra等人以美国海军舰艇作为实验对象，实测了高海况、高速舰艇航行状态下互相关函数方法的可行性及稳定性.在2010年，美国亚特兰大乔治亚理工学院的Zhu^[17]等人提出了一个损伤指标，这个指标是通过结构损伤前后响应信号的互相关函数幅值向量来定义的，同时进行了一个钢框架的实验测试，以验证损伤指标在结构损伤检测中的实用性。

1.2.2国内发展现状

随着互相关函数的广泛应用，国内对于互相关函数的研究也逐渐增多。在2006年，胥永刚^[18]等人利用互相关函数和盲源分离技术相结合的方法求出了机械振动信号中的不同通道之间的时延参数，这种方法在涡流传感器失效故障诊断和早期碰摩故障诊断中已经得到了很好的应用效果。对于利用互相关函数进行损伤检测及识别，西北工业大学的杨智春教授^[19,20,22]等人在复合材料损伤识别的研究上具有一定的理论和研究成果，尤其在基于互相关函数结构损伤识别的方面在国内研究处于领先地位。他们采用结构动力响应互相关函数幅值向量CorV(Cross Correlation Function Amplitude Vector)的方法，构造出了互相关函数幅值向量置信度判据CVAC(The Cross Correlation Function Amplitude Vector Assurance Criterion)，将损伤因子归一化处理，使结构损伤识别达到了量化的程度。并将互相关函数幅值向量和差分、小波等分析工具相结合，使互相关函数应用于航天复合材料的技术得以完善和成熟。李爱群^[24]等在互相关函数幅值向量的基础上，结合小波变换或内积向量对结构进行损伤识别，结果较为理想。相对于结构的物理参数模型和模态参数模型的变化，基于响应互相关函数的结构损伤识别方法具有明显优势，雷家艳^[25]等在动力响应互相关函数的基础上，以相邻测点的动力响应时程为基础，定义了新的互相关函数幅值向量和损伤指标，通过比较结构损伤前后测点动力损伤指标对结构进行损伤的定位并评估其损伤程度，实验数据证明该方法是有效的。安宁^[30]等通过仿真比较桥梁损伤前后测量点处互相关函数的变化值，提出了利用车激桥梁响应互相关函数灵敏度识别桥梁损伤的方法。雷鹰^[28]等根据宽平稳随机激励下结构响应互相关函数的相应性质，通过一个两层平面框架的实验模型，研究了互相关函数对于结构模态参数的识别以及对于结构损伤的识别。余敏^[29]以嘉兴某桥梁为研究对象，通过构造不同测点的互相关函数，对结构的损伤进行了分析，并通过对桥梁的实测温度和应变数据进行分析，研究了温度也对互相关函数结果的影响。

1.3 本文研究的主要内容

论文的主要目的是借鉴国内外关于船舶声学故障诊断的理论成果和互相关函数幅值向量的方法来对船舶结构损伤进行检测。文章从理论和模拟仿真实验验证了随机激励下基于互相关函数幅值向量的方法的可行性，为了进一步探讨互相关函数的监测机理，论证了互相关函数和格林函数的关系。文章的具体研究内容可分为四部分。

第一部分，介绍了船舶健康监测的几种方法，分别论述了模态识别法，基于传递率函数识别法和基于互相关函数识别法的应用机理，通过对比这三种方法的特点和方式，总结了基于互相关函数识别法的优越性，对开展论文的理论部分奠定了重要的基础。