Adapting Semi-Empirical Ship Vibration Analysis: A Hybrid ML Approach to Generalized Vibration Prediction

سال انتشار: 1404
نوع سند: مقاله ژورنالی
زبان: انگلیسی
مشاهده: 19

فایل این مقاله در 10 صفحه با فرمت PDF قابل دریافت می باشد

استخراج به نرم افزارهای پژوهشی:

لینک ثابت به این مقاله:

شناسه ملی سند علمی:

JR_IJMTE-21-2_001

تاریخ نمایه سازی: 7 مهر 1404

چکیده مقاله:

In marine engineering, ship vibration analysis is crucial for ensuring structural integrity, operational safety, and environmental sustainability. Traditional analysis, following classical paradigms established by early contributors such as Todd, Kumai, and Schlick, relies primarily on costly simulations and empirical tests. This study seeks to overcome these limitations by integrating machine learning (ML) methodologies with semi-empirical models to develop a predictive hybrid model, thereby advancing vibration analysis toward a data-driven paradigm. The research is significant for improving ship design, mitigating vibration-related risks, and reducing reliance on resource-intensive approaches, aligning with global efforts to promote energy-efficient and sustainable maritime operations. The proposed hybrid model combines Random Forest (RF) and Logistic Regression (LR), leveraging RF’s capacity for modeling nonlinear relationships and LR’s interpretability for linear adjustments. Trained on Kumai’s seminal dataset and validated on ۳۷۳ cases spanning ۳۴ ship types, the model accurately predicts critical parameters (α, τ₂, N₂, N₃, and c̄) with exceptional precision. Performance metrics demonstrate strong results, including near-perfect R² values (۰.۹۹۳۸ for α) and minimal MSE (۰.۰۰۰۰ for α, ۰.۰۷۰۱ for N₃). Natural frequency predictions exhibit less than ۳% error, as validated against empirical data for crude oil tankers. Feature importance analysis identifies structural parameters (length, displacement, block coefficient) as key predictors, enhancing interpretability for engineering applications. This work bridges the gap between classical vibration theory and modern ML, offering a cost-effective, scalable alternative to conventional simulations. By enabling precise vibration predictions across diverse vessels, the model facilitates predictive maintenance, design optimization, and operational safety. The findings highlight the transformative potential of hybrid ML in maritime engineering, paving the way for digital twins and sustainability-driven ship design.

نویسندگان

Kimia Nazarizadeh

Mechanical Engineering Department, Babol Noshirvani University of Technology

Hashem Nowruzi

Mechanical Engineering Department, Babol Noshirvani University of Technology

مراجع و منابع این مقاله:

لیست زیر مراجع و منابع استفاده شده در این مقاله را نمایش می دهد. این مراجع به صورت کاملا ماشینی و بر اساس هوش مصنوعی استخراج شده اند و لذا ممکن است دارای اشکالاتی باشند که به مرور زمان دقت استخراج این محتوا افزایش می یابد. مراجعی که مقالات مربوط به آنها در سیویلیکا نمایه شده و پیدا شده اند، به خود مقاله لینک شده اند :
  • Ahmadi, F., Rahbar-Ranji, A., & Nowruzi, H. (۲۰۲۳). Estimation of ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۰۰۷/s۴۰۴۳۰-۰۲۳-۰۴۳۰۰-zBarrios, J., Méndez, G., & Cavazos, A. (۲۰۲۰). Hybrid-learning type-۲ ...
  • Braunbehrens, R., Strecker, K., Anand, A., Felder, M., Petzschmann, J., ...
  • Charlou, M., Babarit, A., & Gentaz, L. (۲۰۲۳). A new ...
  • Connolly, D., Costa, P., Kouroussis, G., Galvín, P., Woodward, P., ...
  • Daniel, J., Schuster, M., Andresen-Paulsen, G., Holz, F., Wittekind, K., ...
  • https://doi.org/۱۰.۵۹۵۷/JSPD.۰۶۲۱۰۰۱۷Ding, J., Chen, Z., & Du, Y. (۲۰۲۱). Probability box ...
  • Dong, L., Zhang, H., Yu, J., & Hu, G. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۱۷۷/۱۰۴۵۳۸۹X۲۳۱۲۰۰۱۴۶Fu, C., Xu, Y., Yang, Y., Lu, K., Gu, F., ...
  • Gao, M. and Liu, W. (۲۰۲۲). Study on a base-galloping ...
  • García-Miguel, P., Zarilli, D., Alonso-Martínez, J., Plaza, M., & Arnaltes, ...
  • Hammad, K., Al-Turki, A., Sudirman, S., & Sawlan, Z. (۲۰۲۴). ...
  • https://doi.org/۱۰.۲۱۱۸/۲۲۱۰۲۸-MSHu, Y., Qiao, Y., Chu, J., Yuan, L., & Pan, ...
  • Lan, T., Hwang, H., Chen, J., & Long, Y. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۸۴۹۴/SAM۴۳۱۸Li, Z., Wang, S., Li, F., Li, L., Liu, L., ...
  • Lin, Y., Zhang, H., Liu, J., Ju, W., Wang, J., ...
  • Liu, L., Zhou, W., Guan, K., Peng, B., Xu, S., ...
  • Ma, X., Huang, S., Song, Y., & Zhang, Z. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۳۳۹۷/IN_۲۰۲۳_۰۷۴۶Marino, L. and Cicirello, A. (۲۰۲۳). A switching gaussian process ...
  • Mezouary, L., Hadri, A., Kharrou, M., Fakır, Y., Elfarchouni, A., ...
  • Miao, K., Yong, H., Zhang, L., Guo, L., & Hermans, ...
  • Mukangango, J., Muyskens, A., & Priest, B. (۲۰۲۴). A robust ...
  • Mylonas, C., Abdallah, I., & Chatzi, E. (۲۰۱۹). Deep unsupervised ...
  • Nowruzi, H., Shora, M. M., & Ghassemi, H. (۲۰۱۷). Using ...
  • Sankararaman, S., & Mahadevan, S. (۲۰۱۴). Uncertainty Quantification in Structural ...
  • Sengupta, M., Zhang, H., Zhao, Y., Jervis, M., & Graña, ...
  • Taghva, H. R., Ghassemi, H., & Nowruzi, H. (۲۰۱۸). Seakeeping ...
  • Venturini, M., Alvisi, S., Simani, S., & Manservigi, L. (۲۰۱۸). ...
  • Wang, Z., Sumbal, S., & Toumazou, C. (۲۰۲۵). A hybrid ...
  • Zhang, X., Li, X., Zhang, J., Song, L., & Li, ...
  • Zhang, Y., Sun, H., & Guo, Y. (۲۰۱۹). Wind power ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۱۰۹/ACCESS.۲۰۱۹.۲۹۴۲۰۱۲Zhou, W., Liu, L., Guan, K., Jin, Z., Peng, B., ...
  • Breiman, L. (۲۰۰۱). Random forests. Machine Learning, ۴۵(۱), ۵-۳۲ ...
  • Wang, J., & Liu, Y. (۲۰۱۹). A hybrid ensemble approach ...
  • Hosmer, D. W., Lemeshow, S., & Sturdivant, R. X. (۲۰۱۳). ...
  • Kim, D., Park, S., & Lee, J. (۲۰۱۸). Integrating tree-based ...
  • Ahmadi, F., Rahbar-Ranji, A., & Nowruzi, H. (۲۰۲۳). Estimation of ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۰۰۷/s۴۰۴۳۰-۰۲۳-۰۴۳۰۰-z[۲] Barrios, J., Méndez, G., & Cavazos, A. (۲۰۲۰). Hybrid-learning ...
  • Braunbehrens, R., Strecker, K., Anand, A., Felder, M., Petzschmann, J., ...
  • Charlou, M., Babarit, A., & Gentaz, L. (۲۰۲۳). A new ...
  • Connolly, D., Costa, P., Kouroussis, G., Galvín, P., Woodward, P., ...
  • Daniel, J., Schuster, M., Andresen-Paulsen, G., Holz, F., Wittekind, K., ...
  • https://doi.org/۱۰.۵۹۵۷/JSPD.۰۶۲۱۰۰۱۷[۷] Ding, J., Chen, Z., & Du, Y. (۲۰۲۱). Probability ...
  • Dong, L., Zhang, H., Yu, J., & Hu, G. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۱۷۷/۱۰۴۵۳۸۹X۲۳۱۲۰۰۱۴۶[۹] Fu, C., Xu, Y., Yang, Y., Lu, K., Gu, ...
  • Gao, M. and Liu, W. (۲۰۲۲). Study on a base-galloping ...
  • García-Miguel, P., Zarilli, D., Alonso-Martínez, J., Plaza, M., & Arnaltes, ...
  • Hammad, K., Al-Turki, A., Sudirman, S., & Sawlan, Z. (۲۰۲۴). ...
  • https://doi.org/۱۰.۲۱۱۸/۲۲۱۰۲۸-MS[۱۳] Hu, Y., Qiao, Y., Chu, J., Yuan, L., & ...
  • Lan, T., Hwang, H., Chen, J., & Long, Y. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۸۴۹۴/SAM۴۳۱۸[۱۵] Li, Z., Wang, S., Li, F., Li, L., Liu, ...
  • Lin, Y., Zhang, H., Liu, J., Ju, W., Wang, J., ...
  • Liu, L., Zhou, W., Guan, K., Peng, B., Xu, S., ...
  • Ma, X., Huang, S., Song, Y., & Zhang, Z. (۲۰۲۳). ...
  • https://doi.org/۱۰.۳۳۹۷/IN_۲۰۲۳_۰۷۴۶[۱۹] Marino, L. and Cicirello, A. (۲۰۲۳). A switching gaussian ...
  • Mezouary, L., Hadri, A., Kharrou, M., Fakır, Y., Elfarchouni, A., ...
  • Miao, K., Yong, H., Zhang, L., Guo, L., & Hermans, ...
  • Mukangango, J., Muyskens, A., & Priest, B. (۲۰۲۴). A robust ...
  • Mylonas, C., Abdallah, I., & Chatzi, E. (۲۰۱۹). Deep unsupervised ...
  • Nowruzi, H., Shora, M. M., & Ghassemi, H. (۲۰۱۷). Using ...
  • Sankararaman, S., & Mahadevan, S. (۲۰۱۴). Uncertainty Quantification in Structural ...
  • Sengupta, M., Zhang, H., Zhao, Y., Jervis, M., & Graña, ...
  • Taghva, H. R., Ghassemi, H., & Nowruzi, H. (۲۰۱۸). Seakeeping ...
  • Venturini, M., Alvisi, S., Simani, S., & Manservigi, L. (۲۰۱۸). ...
  • Wang, Z., Sumbal, S., & Toumazou, C. (۲۰۲۵). A hybrid ...
  • Zhang, X., Li, X., Zhang, J., Song, L., & Li, ...
  • Zhang, Y., Sun, H., & Guo, Y. (۲۰۱۹). Wind power ...
  • https://doi.org/۱۰.۱۱۰۹/ACCESS.۲۰۱۹.۲۹۴۲۰۱۲[۳۲] Zhou, W., Liu, L., Guan, K., Jin, Z., Peng, ...
  • Breiman, L. (۲۰۰۱). Random forests. Machine Learning, ۴۵(۱), ۵-۳۲ ...
  • Wang, J., & Liu, Y. (۲۰۱۹). A hybrid ensemble approach ...
  • Hosmer, D. W., Lemeshow, S., & Sturdivant, R. X. (۲۰۱۳). ...
  • Kim, D., Park, S., & Lee, J. (۲۰۱۸). Integrating tree-based ...
  • نمایش کامل مراجع