哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
桥梁结构在遭遇船撞突发事件下，需通过监测数据或有限元计算分析及时
评估桥梁的安全性。然而，经典有限元方法在仿真计算方面需要较长的时间，
无法满足数字孪生实时性的需求。因此，本文提出了基于图网络的船桥碰撞仿
真计算方法，通过训练使网络获得桥梁的动力学信息，能够高效进行船桥碰撞
仿真计算，提高仿真模拟的计算效率。本文主要研究内容包括：
研究船桥碰撞有限元仿真数值计算方法的理论与过程，通过有限元仿真计
算软件ANSYS/LS-DYNA建立了船桥碰撞算例模型，验证了该模型的计算效
果。基于该模型设计了多种船桥碰撞工况并进行了有限元仿真计算，得到船桥
的动态响应，建立了船桥碰撞数据集。
建立了适用于船桥碰撞仿真计算的图消息传递网络模型，基于有限元网格
生成船桥图结构模型，输入为结构单元当前时刻的动力响应，采用编码器-解码
器架构和图上的消息传递网络模拟力学计算过程，输出为船桥系统下一时刻响
应。对图网络中节点和边的位移与应力特征进行了选取，对网络的超参数进行
了分析与对比。通过船桥碰撞数据集对网络进行了训练和评估，将网络的计算
结果和计算速度与有限元计算结果进行了对比，验证了图网络方法的有效性。
提出了基于图中心差分网络的船桥碰撞仿真计算方法。基于有限元的中心
差分法计算流程，在一个计算步长，先通过中心差分法计算下一时刻位移，再
通过位移-应变关系与材料的本构模型计算应力。对应在图结构中，分别建立位
移图网络和应力图网络进行仿真计算。通过船桥碰撞图结构，提取当前位移、
应力与上一时刻位移等特征作为位移图网络的输入，计算下一时刻位移；将该
输出位移与当前的位移应力合并，输入应力图网络计算下一时刻应力，二者合
称为图中心差分网络，共同完成一个步长的计算任务。对图中心差分网络进行
了训练与评估，与图消息传递网络相比，进一步提高了仿真计算的计算速度。
关键词：船桥碰撞；数值仿真；图网络；消息传递；中心差分法
-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract
Thesafetyofbridgestructureshouldbeevaluatedtimelybymonitoringdataor
finiteelementanalysisincaseofshipcollisionaccidents.However,theclassical
finiteelementmethodrequiresalongsimulationtime,soitcannotmeetthe
real-timerequirementsofdigitaltwinning.Thispaperproposesasimulation
calculationmethodforshipbridgecollisionbasedonGraphNetwork.Through
training,thenetworkcanobtainthedynamicinformationofthebridge,whichcan
efficientlycarryoutthesimulationcalculationofshipbridgecollisionandimprove
thecalculationefficiencyofthesimulation.Themainresearchcontentsofthis
paperinclude:
Thetheoryandprocessofthefiniteelementsimulationmethodforshipbridge
collisionare