автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Методология автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна

158

На правах рукописи

ТРЯСКИН ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

л-ог.

МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСА СУДНА

Специальность 05 08 03 - проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2007

003062158

Работа выполнена на кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Петинов Сергей Владимирович

Доктор технических наук, профессор Фирсов Валентин Борисович

Доктор технических наук, профессор Шауб Петр Александрович

Ведущая организация ФГУ Российский морской Регистр

судоходства

Защита диссертации состоится « 10 » апреля 2007 г в актовом зале на заседании диссертационного совета Д 212 228 01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул , д 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Автореферат разослан « 0 Л> ^ 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета д т н , профессор

А И Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Современные условия рыночной экономики, темпы развития науки, производственных технологий выдвигают перед создателями новой техники требования конкурентоспособности их продукции Автоматизированное проектирование (АП) с использованием информационных технологий - единственная альтернатива для проектантов, чтобы соответствовать требованиям сегодняшнего дня

В отечественном судостроении работы по проблемам АП начались еще в 60-70-х годах прошлого века Основополагающие работы по автоматизации проектно-конструкторских работ были выполнены РААлликом, ВСДориным, В Н Волковым, В А Марковым, В М Москаленко, Н И Петровым, В Е Солдатовым, М А Радушинским, М Н Рейновым, Ю М Фишкисом

Методологические и методические принципы системы автоматизированного исследовательского проектирования корабля сформулированы и развиты в работах И Г Захарова, Н В Никитина, В В Родионова, О В Третьякова, В Б Фирсова, Л Ю Худякова, П А Шауба Важную роль для методологического обеспечения автоматизированного решения задач проектирования судна сыграли работы В М Пашина, Ю Н Полякова, А И Гайковича, Ю Н Семенова Проблемы автоматизации задач общего проектирования судна также исследовали А Н Суслов, Б А Царев

Значителен вклад в АП на этапе рабочего проектирования корпуса А Н Ситникова, В И Спирина, А М Плотникова - создателей отечественной CAD/CAM системы «Ритм-КОРПУС» Большое значение имеют работы зарубежных специалистов, создавших такие системы, как AutoCAD, «TRIBON», «FORAN», и некоторые другие Методы автоматизированного решения задач проверочного расчета или проектирования отдельных конструкций представлены программными разработками коллективов, возглавляемых Е М Апполоновым, Г В Егоровым, В А Кулешом, А А Оснячом, А А Родионовым, Г П Шемендюком

Однако работы по проблемам АП практически не затрагивают вопросов автоматизированного проектирования корпусных конструкций судов в системной постановке. Одна из проблем АП конструкций при системном подходе, требующая от разработчика универсальных знаний в предметной области, - параметрическое проектирование (ПП) ПП - процесс определения размеров конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (Правил/Норм прочности) Проблемы ПП конструкций длительное время разрабатываются на кафедре

Конструкции судов СПб ГМТУ в период с 70-х до начала 90-х годов под руководством Э Н Гарина (Ю А Смирнов, С А Степанов, О Я Тимофеев, В Н Тряскин), с середины 90-х годов - под руководством автора диссертации (Д Б Киселев, Л П Неверовская, О Н Рабинович, А В Ридигер, Ю А Смирнов, В Н Тряскин) Математические методы оптимального проектирования, которые являются основой ПП конструкций, систематизированы и развиты в работах А А Родионова

Существующие CAD-CAM системы, используемые в судостроении, ориентированы главным образом на подготовку производства (технологическую, организационную) В практике конструкторских бюро определение размеров конструктивных элементов в основном выполняется по Правилам Регистра с использованием электронных таблиц, отдельных программ, с помощью которых осуществляются проверочные расчеты прочности конструкций Для решения задач автоматизированного параметрического проектирования (АПП) конструкций необходимо разработать специализированную систему для автоматизированной подготовки исходной информации, обеспечения процедур компьютерного проектирования корпусных конструкций

В процессе эксплуатации корпус судна подвергается проверке технического состояния В отечественной практике применяются несколько автоматизированных систем для формирования и обработки данных по техническому состоянию корпусов судов, составления прогнозных оценок Можно отметить системы «СОИКС», «DEFHULL» разработанные, соответственно, под руководством А С Брикера и В А Кулеша

В создании отечественных нормативных документов по оценке технического состояния корпуса судна, их совершенствовании (в частности, «Инструкции по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов», далее - Инструкции РМРС) принимали участие Е М Апполонов, Г В Бойцов, А С Брикер, А В Дидковский, Г В Егоров, В В Козляков, В А Кулеш, А И Максимаджи, Г В Маркозов, А Б Нестеров, А А Осняч, Р Л Рейнер, С В Тананыкин и др Структура требований Инструкции РМРС такова, что для определения допускаемых толщин листов, характеристик балок набора, поперечного сечения корпуса, следует знать значения соответствующих параметров, регламентируемых действующими Правилами Оперативное решение проблем оценки технического состояния корпуса не возможно без автоматизации используемых при этом расчетных процедур Поскольку оценка техсостояния корпуса выполняется на той же нормативной основе,

что и проектирование новых конструкций, предлагаемая в работе система автоматизированного ПП может обеспечивать решение и этих задач

Объектом исследования в рассматриваемой диссертационной работе являются конструкции корпуса морских плавучих сооружений таких как водоизмещающие морские суда различного назначения, водоизмещающие надводные корабли и плавучие доки

Предмет исследования - автоматизированное ПП конструкций корпуса морских сооружений с использованием предлагаемого методологического подхода, современных методов и средств

Цель работы - обоснование методологических принципов автоматизированной системы, предназначенной для ПП конструкций корпуса нового судна и для оценки технического состояния корпуса судна, находящегося в эксплуатации

Для достижения поставленной цели требуется рассмотреть совокупность проблем, которые могут быть сформулированы как задачи исследования

1 Обоснование методологии автоматизированного - ПП параметрического проектирования конструкций корпуса судна,

2 Разработка структуры системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна,

3 Разработка методов и алгоритмов геометрического моделирования корпуса судна, его внутренних структур,

4 Разработка принципов структурной декомпозиции корпуса судна на отдельные структурные составляющие и конструктивные элементы, методологии конструктивного моделирования, иерархического кодирования конструктивных элементов,

5 Разработка структуры базы данных по конструкции корпуса судна и алгоритмов ее формирования,

6 Разработка общей формы модели задачи автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, обоснование применения методов математического программирования в качестве аппарата принятия решения,

7 Обоснование применения аппарата планирования эксперимента для моделирования и решения задач проектирования конструкций,

8 Обоснование применения предложенной методологии, разработанных методик, алгоритмов, программного обеспечения для решения задач автоматизированного ПП конструкций и оценки технического состояния корпуса морских технических сооружений

Основная научная задача диссертации - реализация методологии системного подхода к проектированию конструкций корпуса, как одной из подсистем судна Методы решения моделирование объекта и процесса проектирования, математическое программирование как аппарат принятия проектного решения

Основные научные результаты и их новизна

1 Предложена методология автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, которая базируется на системном подходе к проблеме проектирования сложных технических объектов

2 Разработана общая структура системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна и структура каждого блока, входящего в ее состав Обоснованы структура базы данных системы, методические принципы ее формирования

3 Разработаны принципы структурной декомпозиции корпуса судна и его составляющих Создана система кодирования, позволяющая получить уникальный признак (код) для каждого элемента корпуса

4 Разработаны методики геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих, программные процедуры, необходимые для решения практических задач проектирования новых конструкций, оценки технического состояния корпуса эксплуатирующихся судов

5 Обосновано применение аппарата метода планирования эксперимента для задач автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна Разработан алгоритм и программное обеспечение решения задач проектирования конструкций с использованием этого аппарата

6 Исследованы задачи проектирования элементов конструкций различного иерархического уровня с использованием основных положений методологии автоматизированного ПП конструкций

7 Разработаны методические основы и программное обеспечение для автоматизированного решения задач оценки технического состояния корпуса судна Предложены методики формирования базы данных по геометрии и конструкции корпуса судна на основе имеющейся проектной документации

Практическая ценность работы определяется эффективностью (сокращение сроков, повышение качества) проектирования корпусных конструкций в результате применения разработанной системы АПП, надежностью оперативной оценки технического состояния корпуса, которая обеспечивается благодаря использованию специализированной автоматизированной системы,

предлагаемой в диссертационной работе Результаты работы используются при подготовке современных специалистов - морских инженеров, бакалавров, магистров по морской технике и технологиям, а также могут применяться в проектных организациях На защиту выносятся следующие результаты работы

1 Методология автоматизированного ПП конструкций корпуса судна

2 Структура системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна и форма представления результатов ее работы Структура базы данных системы, методические принципы ее формирования

3 Принципы и методика структурной декомпозиции корпуса судна Система кодирования элементов судовых конструкций

4 Методики геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих

5 Методика применения аппарата метода планирования эксперимента для задач автоматизированного проектирования конструкций корпуса морских сооружений

6 Постановка и решение типовых задач ПП конструкций морской техники с применением предлагаемой методологии автоматизированного проектирования и разработанных программных средств

7 Методология автоматизированного решения задач оценки технического состояния корпуса судна Методики формирования базы данных по геометрии и конструкции корпуса судна на основе имеющейся проектной документации

Внедрение результатов работы Программные комплексы, разработанные на основании результатов диссертации, применяются для проектирования конструкций корпуса морских судов, надводных кораблей и плавучих доков (Северное ПКБ, ЦМКБ «АЛМАЗ») По заказу Северного ПКБ выполнено проектное обоснование модернизации судна пр 15760 Для Западного ЦПКБ (ныне ЦМКБ «АЛМАЗ») выполнены проектные разработки конструкции корпуса плавучего ремонтного дока (пр 19490) Разработанная автоматизированная система использовалась для оценки технического состояния корпуса судов и морских сооружений различного назначения ледоколов, навалочников, танкеров, лесовозов, рыбопромысловых судов, рефрижераторов, буксиров, парусника «Седов», плавучих доков Работы выполнялись по заказу государственных организаций и частных компаний (всего более 80 проектов) Результаты диссертационных исследований использованы для разработки требований к конструкциям плавучих доков в Правилах Российского морского Регистра Методические

разработки по формированию модели конструкции корпуса судна, обоснованные в диссертации, приняты Российским морским Регистром в качестве рекомендаций для использования в международном проекте CAS (создание автоматизированной системы оценки технического состояния корпуса судна на протяжении всего жизненного цикла) На основе материалов диссертации разработана специальная дисциплина «Автоматизированное проектирование конструкций корпуса судна» для студентов, проходящих подготовку по специальности 180101 «Кораблестроение» и по магистерской программе 552601 «Кораблестроение и морская техника»

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на ряде Международных конференций по морским интеллектуальным технологиям МОРИНТЕХ (СПб, 1997, 2001, 2003, 2005), на -второй международной конференции по судостроеникНБС'Эв, (оЛб ,1998), на 14-ой Азиатской технической конференции по морским конструкциям, ТЕАМ'2000, (Владивосток,2000), на Первой всероссийской научно-практической конференции по вопросам решения оптимизационных задач в промышленности «Ресурсосберегающие технологии

математическое обеспечение оптимизационных задач в системах автоматизированного проектирования»-ОПТИМ-2001, (СПб ,2001), на Региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука-2003», (СПб ,2003), на научно-технических конференциях «Бубновские чтения», (СПб ,1997,2004), на конференциях по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю А Шиманского (СПб, 1999,2001,2003), на конференциях по строительной механике корабля, посвященной памяти академика П Ф Папковича (СПб , 2000,2002,2005)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 научно-технические работы (из них 11 в соавторстве) и выпущено 8 научно-технических отчетов

Структура и объем работы Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 312 страниц основного текста (включая 21 таблицу и 87 рисунков), 5 страниц оглавления, список литературы из 206 названий Приложения 1-5 имеют объем 153 страницы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, приводится постановка задачи, сформулированы результаты работы, которые выносятся на защиту, дана оценка новизны, практической ценности полученных результатов и краткая аннотация содержания работы по главам

В первой главе диссертации обсуждаются методологические аспекты автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна, обоснована структура системы автоматизированного ПП конструкций, показана структура базы данных системы и рассмотрены методические принципы ее формирования Предложены методические рекомендации компоновки выходной информации - результатов параметрического проектирования, реализованные в специализированной автоматизированной системе

Методология автоматизированного проектирования определяется как совокупность принципов структурной и логической организации процесса проектирования, методов и технических средств реализации процедур проектирования Практическая ее реализация возможна лишь с использованием информационных технологий в рамках САПР Определены наиболее характерные методологически особенности процесса автоматизированного проектирования

Системный подход с применением декомпозиции корпуса судна и процесса проектирования судовых конструкций,

Программное моделирование как один из основных методов решения задач проектирования,

Рациональная стратегия проектирования, реализующая итеративную последовательность компьютерных решений проектировочных проблем

Системный подход в АП предполагает декомпозицию сложных объектов (систем) на отдельные подсистемы с учетом существенных структурно-функциональных отношений между различными иерархическими уровнями системы и элементами каждого иерархического уровня Декомпозиция объекта проектирования приводит к декомпозиции процесса проектирования - представлению его в виде совокупности более простых проектировочных процедур различного иерархического уровня

Декомпозиция корпуса судна на отдельные составляющие обеспечивает упрощение решения проектировочных задач, но требует учета всех существенных взаимных (прямых и обратных)

связей между подсистемами различных иерархических уровней и элементами подсистемы данного уровня

Прием декомпозиции используется для представления процесса проектирования конструкций корпуса судна в виде двух взаимосвязанных этапов автоматизированного конструирования (АК) и автоматизированного параметрического проектирования (АПП) АК предназначено для формирования визуальной информации об «устройстве» конструкции, ее конструктивном «облике», структурном составе АПП предназначается для определения размеров конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (Правил/Норм прочности)

При разработке систем автоматизированного проектирования понятие «моделирование» используется как определение способа приближенного представления «устройства» проектируемой конструкции, условной расчетной схемы Это понятие определяет также систему зависимостей - математическую модель, составленную в соответствии с условной расчетной схемой В первой главе диссертации дана общая характеристика моделей, предлагаемых для решения задач параметрического автоматизированного проектирования геометрических,

конструктивных, математических моделей поискового проектирования

Предлагаемый методологический принцип организации процесса АПП, может рассматриваться как модель АПП (рис 1) Основная идея этого принципа - организация процесса АПП «снизу вверх», от простой модели к сложной, от проектирования конструктивных элементов (листовых, балочных), конструкций, обеспечивающих местную прочность, до проектирования продольных связей эквивалентного бруса Значения конструктивных параметров, полученных в результате действия модели нижнего уровня, используются в математической модели задачи проектирования следующего уровня в качестве ограничения «снизу» Возможное изменение таких параметров - (поисковое) увеличение значения в случае доминирования проектировочного условия на рассматриваемом уровне проектирования Такой подход позволяет эффективно решать проблему дефицита начальной информации

В диссертации определяется необходимый структурный состав системы автоматизированного ПП конструкций, состав функциональных программных блоков, степень детализации описания объекта проектирования - корпуса судна (морского

сооружения) и его конструкций Общая структура системы представлена на рис 2

В систему входят блоки подготовки информации общепроектного характера, включающей информацию о геометрии корпуса, разделении корпуса на отдельные отсеки / помещения, распределении весовой нагрузки и пр, а также блоки описания структуры конструкции - конструктивного моделирования Блок проектирования конструкций различного иерархического уровня реализует предложенную в работе концепцию ПП, основанную на последовательном усложнении моделей и алгоритмов проектирования Блок проектирования усилений конструкций (ледовых, от слеминга, и т д) выделен отдельно в связи со спецификой внешних воздействий, расположением районов усилений, особенностью конструктивных схем и нормативных требований Блок проверочных расчетов прочности предназначен для решения задач в режиме проверочного расчета, которые требуют сложного моделирования работы конструкции (например, с применением МКЭ)

В составе системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна необходимо иметь общую базу данных и базу данных конкретного проекта В рассматриваемой системе под базой данных (БД) понимается совокупность блоков информации, организованных в виде файлов различной структуры и формата Файловая структура определенным образом упорядочена каталог, папка, книга (документ)

В общей БД хранится информация (по определению) общего характера. Она используется для формирования «частной» БД судов различного назначения и архитектурно-конструктивного типа Общая БД содержит блоки информации, указанные на рис 3 БД конкретного проекта формируется в процессе работы с общей базой Структура БД проекта судна показана на рис 4

Выходная информация - результаты работы системы по рассматриваемому проекту систематизируется в БД - каталоге с именем этого проекта - <М_Рг> Внутри каталога информация группируется по принципу организации библиотечных фондов

Во второй главе диссертации излагаются методические основы геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих Решение задач геометрического и конструктивного моделирования позволяет обеспечить эффективную автоматизацию параметрического проектирования конструкций

Под руководством и при участии автора диссертации разработаны методы автоматизированного формирования

геометрической модели формы корпуса судна на различных стадиях проектирования

■ Формирование геометрической модели с использованием специализированного графического редактора,

Формирование геометрической модели методом преобразования формы корпуса судна-прототипа (аффинного преобразования, введения/изменения длины цилиндрической вставки, подгонки формы корпуса под заданное значение коэффициента общей полноты и (или) под заданное значение абсциссы центра величины),

■ Формирование геометрической модели методом объединения различных геометрических форм,

■ Формирование геометрической модели методом «импорта» геометрических моделей корпуса, разработанных в других системах

В диссертации разработаны метод и алгоритмы геометрического моделирования внутренних структур корпуса судна с использованием информации об этих структурах в так называемых контрольных сечениях, где точно известны параметры, определяющие форму структуры Геометрическая модель внутренней структуры корпуса судна (второго дна, палубы, платформы, продольной переборки и т д) - это совокупность геометрических параметров, определяющих форму структуры в пространстве и в плане (в проекции на плоскость) Для выбора контрольных сечений используются общепроектные или конструктивные чертежи На начальных этапах проектирования информация о предполагаемой форме структур может быть получена из предварительно разработанных упрощенных схем Для наглядности процедуры задания параметров структуры в контрольном сечении на экран выводится рисунок - подсказка (см например рис 5а,б,в)

Структурная декомпозиция корпуса судна, предложенная в диссертации, построена по функционально-конструктивному принципу - с учетом функционального назначения структур (днище, палуба, переборка, шпангоут, продольная балка, и т д) и конструктивной взаимосвязи смежных структур Структурной декомпозиции корпуса судна ставится в соответствие определенная система кодирования Структурная декомпозиция корпуса судна определяется общим иерархическим каталогом (списком) структур -каталогом верхнего уровня (приведен в диссертации) Каталог верхнего уровня может дополняться новыми группами структурных составляющих При разработке системы кодирования структурных составляющих корпуса и их элементов принятая структура каталога должна быть жестко зафиксирована Для более низких уровней

структура каталога должны быть унифицированной для различных групп структур

Для универсальности системы кодирования принято допущение о том, что все структурные группы представляют собой двойные конструкции Структура кода, который в общем случае включает четырнадцать разрядов, следующая

XX XX XX XX XX XX XX

| 7 Номер (тип) элемента в подгруппе

_6_ Индекс подгруппы элементов

_5 Индекс группы элементов__________

_4_ Номер (тип) структуры в подгруппе

_3_ Индекс подгруппы структуры

_2_ Порядковый номер группы структур

_1_ Индекс группы структур

Первые четыре уровня кода формируются на этапе геометрического моделирования - при декомпозиции корпуса судна на отдельные структурные составляющие и формировании их геометрических моделей, оставшиеся уровни - при формировании базы данных по конструкции каждой структурной составляющей

Такая система кодирования (индексации) обеспечивает возможность уникальной идентификации конструктивных элементов в структурах корпуса различного типа В качестве примеров в диссертации приводятся фрагменты системы кодирования ряда структурных групп корпуса судна Некоторые из них показаны на рис 6, 7

Формализованные результаты конструктивного моделирования - кодовая конструктивная модель Так для поперечной рамы 04 01 05 XX (рис 7) она может быть представлена в виде_

Стенка рамной балки - 04 01 05 XX 01 01 01 04 01 05 XX 01 01 02 04 01 05 XX 01 01 03 04 01 05 XX 01 02 01 04 01 05 XX 01 02 02

Подкрепляющие ребра жесткости - 04 01 05 XX 03 01 01 04 01 05 XX 03 01 02 04 01 05 XX 03 01 03 04 01 05 XX 03 01 04 04 01 05 XX 03 01 05 04 01 05 XX 03 01 06

Упорные бракеты - 04 01 05 XX 05 01 01

04 01 05 XX 05 01 02 04 01 05 XX 05 01 03

Свободный поясок - 04 01 05 XX 04 01 01 04 01 05 XX 04 01 02 04 01 05 XX 04 02 01 04 01 05 XX 04 02 02

Полученная кодовая модель позволяет визуально представить результаты конструктивного моделирования, реализовать необходимые расчеты, а также передать результаты параметрического проектирования в подсистему

автоматизированного конструирования

Методологические и методические разработки диссертации по проблеме конструктивного моделирования (структурной декомпозиции) реализованы при формировании базы данных «Конструкция» специализированной автоматизированной системы

В третьей главе диссертации исследуются проблемы моделирования задач автоматизированного проектирования конструкций Рассмотрены основные принципы моделирования «поведения» конструкций и создания моделей принятия решения (поиска эффективного решения) Понятие модели «поведения» конструкции в общем смысле - это совокупность зависимостей, устанавливающих связь между некоторыми характеристиками и параметрами конструкции Вид функциональных зависимостей связан с иерархическим уровнем рассматриваемой структурной составляющей корпуса судна Так для листовых и балочных элементов эти зависимости могут быть представлены в аналитическом виде (аналитические модели) Для структурных составляющих более высокого уровня (перекрытие, конструктивный отсек) такие зависимости могут быть получены после обработки результатов численного моделирования В ряде случаев модель «поведения» может быть представлена только в виде совокупности программ для ЭВМ и свойства конструкции (характеристики) будут определяться структурно-логическими связями между соответствующими подпрограммами в алгоритме «программной модели» Для установления аналитических связей между конструктивными параметрами и характеристиками конструкции в этом случае может быть эффективен аппарат теории планирования эксперимента Модель «поведения» здесь представляется регрессионными зависимостями

Принятие решения базируется на оптимизационно-поисковых процедурах Модель принятия решения - это формализованное представление (модель) задачи проектирования

/(X) Ех1г

ограничения (1)

/г/Х) = 0,7 = 1, .,т

gJ{X)>0,J = m + \, ,р граничные условия

где X = [х,, . ,хА]Г- вектор-столбец независимых переменных -конструктивных параметров, /(X) - функция цели, Л (X) -ограничения в виде равенств, gJ(X) - ограничения-неравенства

Функция цели (ФЦ), модели «поведения» (ограничения), могут быть представлены в аналитическом виде, определяться в итерационных циклах методом численного моделирования или, используя аппарат планирования эксперимента, заданы регрессионными зависимостями

Постановка поисковой задачи проектирования, выбор метода решения - также важные элементы методологии автоматизированного проектирования Эти проблемы обсуждаются в разделе 3 4 диссертации, где рассмотрены основные принципы моделирования оптимизационно-поисковых задач и выбора метода их решения, сформулированы следующие выводы

1 Большинство задач проектирования корпусных конструкций следует решать с использованием поисковых процедур соответствующих методов математического программирования Результат такого подхода всегда эффективен, т к оценивается наилучшим значением критериальной функции (ФЦ) и учитывает требования (ограничения), предъявляемые к проектируемой конструкции

2 Особенности структуры ФЦ и ограничений в задачах проектирования конструкций корпуса судна на основе требований Правил Регистра, Норм прочности позволяют достаточно эффективно применять различное программное обеспечение для решения оптимизационно-поисковых задач Эти функции обычно плавно и монотонно изменяющиеся

3 Для повышения эффективности решения желательно представить задачу в нормализованном виде варьируемые параметры должны иметь одну размерность или лучше, чтобы они были вообще безразмерными, целевая функция и ограничения должны быть представлены в относительном виде

4 Аппарат планирования эксперимента можно рассматривать как общий подход для решения наиболее сложных задач проектирования

Аппарат планирования эксперимента дает возможность представить целевую функцию и ограничения задачи математического программирования в виде аналитических зависимостей (линейных и/или квадратичных) Применение специальных методов планирования (например, центрального композиционного планирования) позволяет получить регрессии, в которых коэффициенты полиномов независимы Их значение и знак позволяют судить о количественном и качественном влиянии конструктивного параметра, индекс которого совпадает с индексом полиномиального коэффициента, на значение соответствующей функции

В планировании эксперимента ставится задача подобрать некоторую эмпирическую функцию /г(Х,р) (эмпирическую модель) известной структуры, но с неопределенными параметрами (коэффициентами регрессии) Р = {Д,/?2,. ,рк}, которая

наилучшим образом (в смысле минимизации дисперсии прогноза) аппроксимирует статистическую зависимость между варьируемыми параметрами и показателями функционирования системы (функцию регрессии)

При решении таких задач наибольшее распространение получили линейные модели -

Л(Х,Р) = /0о + ХДх1 (2)

<=1

модели типа неполный квадрат -

к к

Л(Х,Р ) = Д+ £ (3)

<=1 1> 1=1

и полиномиальные модели второго порядка (квадратичные модели) -

к к к

Л(Х,Р) = Л)+Хд*, +ЕАЛ2 + £ Рцх1х) (4)

1=1 1=1 у>|=1

По результатам эксперимента можно установить только выборочные значения коэффициентов регрессии ,Ь$,

которые являются лишь оценками для теоретических коэффициентов регрессии /?0,Д,/?2, Коэффициенты

регрессии В = {Ь0,Ь{,Ь2, ,Ь5}Т находятся в результате решения

матричного уравнения ХТХВ = ХТУ, которое представляет систему нормальных уравнений метода наименьших квадратов

Решение этого уравнения имеет вид В = (XхX)"1 ХТУ

В диссертации показана методика применение аппарата планирования эксперимента и обеспечение его основополагающих допущений для случая, когда между конструктивными параметрами и результатом численного эксперимента существует детерминированная функциональная или «программная» связь, те результаты численного эксперимента - неслучайные величины Адекватность модели предлагается оценивать путем анализа

значений относительных отклонений £и = {уи~ У и)! Уи , где уи -значение функции отклика, предсказанное уравнением регрессии, уи - его точное значение, определенное расчетом Условие

адекватности - £и<£ при всех и, где и - порядковый номер численного эксперимента, е - требуемая точность предсказания у Для целей проектирования конструкций значение £ может быть принято в диапазоне 0 025 < £ <0 100 в зависимости от постановки задачи

В случае, когда заданная точность не обеспечивается, предлагается либо уменьшить интервалы варьирования независимых переменных - конструкивных параметров, либо ввести

логарифмическое преобразование функции отклика §"(>') = 1пи

строить уравнения регрессии вида

к к

У и = ехр(г>0+2>ш +^Ьих1+ИЬих.ихл, +

/=1 1=1 ]>1

т>]>1

В работе предлагается следующая общая структура алгоритма построения многофакторных регрессионных моделей «поведения» конструкции

1 Отбор существенных факторов (конструктивных параметров) и оценка реальных границ областей их определения,

2 Формирование матрицы планирования эксперимента,

3 Выполнение численных экспериментов над программной моделью конструкции, формирование массива значений функции отклика,

4 Выбор модели и расчет коэффициентов регрессии,

5 Статистический анализ уравнений регрессии и принятие решений, если выбранная полиномиальная модель неадекватна

Предлагаемый алгоритм заложен в основу программного комплекса «ПОЛИНОМ», реализующего планирование эксперимента и построение полиномиальных моделей для целей проектирования конструкций корпуса различных морских сооружений, разработанного автором диссертации

Метод планирования эксперимента был применен при решении различных задач Так, при разработке требований Правил Российского морского Регистра к перегону плавучих доков с помощью аппарата аппроксимации, были построены зависимости для определения расчетных значений коэффициентов волнового изгибающего момента в зависимости от факторов, определяющих соотношения главных размерений дока и расчетную относительную осадку при перегоне Численный эксперимент выполнялся с «программной» моделью, описываемой системой

дифференциальных уравнений, представляющей поведение дока при качке на регулярном морском волнении

Была решена задача о «настройке» программной модели и корректировке соответствующего программного обеспечения расчета резонансных частот при общей ходовой вибрации корабля, которые используются в практике конструкторских бюро Получены новые (уточненные) значения редукционных коэффициентов

Х = Х\(П)Х и к = х2{п)к в результате решения задачи минимизации нелинейной функции /(Х„) = |ЯП(Х;1)-^КСП|, в

которой Х1КСП - значение резонансной частоты п -го тона, полученное в результате натурного эксперимента,

/=1 /=1 у>/=1

зависимости резонансных частот от корректирующих факторов

хх(п) и х2(п) , полученные в результате обработки результатов

численного эксперимента с моделью процесса общей ходовой вибрации корпуса корабля

В четвертой главе диссертации показано решение типовых задач параметрического проектирования конструкций корпуса судна с использованием общих принципов автоматизированного поискового проектирования Рассмотрены задачи различных иерархических уровней проектирования листового элемента и

изолированного балочного элемента, балки набора как элемента балочной системы, обшивки плоских и гофрированных переборок, пиллерсов и распорных бимсов, а также - продольных связей корпуса судна (эквивалентного бруса) Математические модели задач формулируются на основе требований Правил Регистра и представляются в виде (1)

Минимальная масса корпуса - основная цель поискового проектирования конструкций транспортных судов и других морских сооружений В диссертации при решении задач проектирования в качестве целевых функций принимались в общем случае характеристики стоимости материала конструкции, которые при фиксированном значении предела текучести материала превращаются в характеристики массы Предлагаемая структура целевой функции позволяет решать задачи обоснования выбора материала

Функция, характеризующая стоимость материала листовой конструкции, подкрепленной балками основного набора, имеет вид С = рс 2Х а 1я + рс /0 / + рс ДА / =

= 1(Г4Р^Г/[1<Ь « (г)+2; /о (у)+

_ (7)

+г2(о ц,(/0)дкг<ъ>{7))]

где рс - плотность стали, т/м3, 2Х0), руб/т - удельная стоимость (стоимость одной тонны) листового проката из стали нормальной прочности с пределом текучести ЯеН = И^ = 235 МПа, 2Х , 2г и

2г, руб/т - удельная стоимость листового, профильного и полосового проката из стали с пределом текучести ЯеН МПа, 2Х = 2(20) / 2[й> - относительная стоимость профильного и

листового проката из стали нормальной прочности, 2г = 2[0) /2Х0) - относительная стоимость полосового и листового проката из стали нормальной прочности, /¿''(/О, 2)(г), /с'(У) - Функции аргумента г = ЯеН / , определяющие удельную стоимость

листового (/с000). профильного (/¿2)00) и полосового (/с3,00)

проката при различных значениях предела текучести стали, / -пролет балочного элемента (большая сторона листового элемента),

м, 5 - толщина листового элемента, мм, /0 - площадь сечения изолированного балочного элемента из профильного проката, см2, 50, мм и Д/г, см - толщина и добавка к высоте балочного элемента

(при проектировании составного профиля)

Если предел текучести стали не входит в состав варьируемых параметров конструкции, то функция (7) значительно упрощается и превращается в характеристику массы листовой конструкции, подкрепленной балочным элементом

С? = 10"4рс /(Ю5й + /0 + 0 Ц,ДЛ) (8)

Постоянные множители в зависимостях (7) и (8) не влияют на результаты решении задач проектирования листовых и балочных элементов конструкции Поэтому можно использовать целевые функции в форме

С = С/(1(Г4 рс2[0>)- <5 = С/(1(Г3рс) (9)

Структура функций , , определяющих удельную

стоимость листового и профильного проката при различных значениях предела текучести стали, получается обработкой данных прейскурантов цен на листовой и профильный прокат Предлагается следующая общая структура этих функций

/с(7) = 1 + К_а(г -\) + К_Ь(7-I)2 + К_с(7-I)3 (10) где К_а, К_Ь, К с - числовые коэффициенты, определяемые значениями удельной стоимости листового проката при различных значениях предела текучести стали (рекомендации для выбора этих коэффициентов обоснованы в диссертации) Значение

характеристики Z1 = / может быть принято в диапазоне

1,17-1,23, 1,20 - среднее значение Характеристика 2г - / 2{0> достаточно хорошо аппроксимируется формулой

22 =1 047б5<-°0506) (1 1 )

В задачах проектирования других конструкций (элементов переборок, рамного набора конструкций, пиллерсов и т д ) структура целевой функции отличается, хотя принципы учета прочностных и стоимостных характеристик материала остаются неизменными

Процесс проектирования листового элемента при заданной структурной компоновке и выбранном материале листовой конструкции сводится к поиску значения его толщины, удовлетворяющего, в общем случае, требованиям к местной

прочности , устойчивости , минимальным толщинам 5тш

Очевидно, что требуемая толщина листового элемента должна отвечать условию

5>шах{^,56,5тт} (12)

Ближайшее большее сортаментное значение толщины листового элемента и будет решением задачи

Более сложные автоматизированные процедуры проектирования листовых элементов могут использоваться при обосновании структурной компоновки конструкции (системы набора или схемы расстановки подкрепляющих ребер жесткости, параметров конструктивной схемы), выборе марки материала

Задача проектирования балочных элементов, подкрепляющих листовую конструкцию, в диссертации представлена в общем виде В качестве независимо варьируемых параметров приняты толщина листовой конструкции 5 = х,, расстояние между балками основного

набора (шпация) а = х2, площадь сечения изолированного

балочного элемента /0=х3, предел текучести стали листов и балок

ЯеН = х4, дополнительная высота стенки балочного элемента

А/г = , вводимая при компоновке составного профиля

Предполагается, что расстояние между рамными балками I, определяющее пролет балочного элемента, не изменяется Материал листов и балок считается одинаковым Вектор

независимых переменных Х = {хих2,хг,х4,х5}г Целевая функция

принята в форме (7) Проектирование балок основного набора приводится к решению задачи (1) В состав ограничений входят два неравенства #,(Х)>0,0 и £2(Х)>0,0 полученные, соответственно, из условий местной прочности, и два неравенства g3(X)>0,0 и £4(Х)>0,0, определяющие соответственно

требования Правил к устойчивости балочного элемента как сжатого стержня и местной устойчивости его стенки Задача дополняется также ограничениями £4+1(Х) = *|(пвх) - х, >0,0

£4+1(Х) = *,-я:1(тт)>0,0, 1 = 1, ,5, определяющими область допустимых значений варьируемых параметров Здесь могут быть ведены ограничения-равенства /г,(X) = х1 - х((/> = 0,0, г = 1, ,5,

если какой-то из параметров (например, хг) фиксируется на

определенном уровне

Задача исследована в диссертации Принципиально важным является введение в функции задачи зависимостей И0(х3), £0Сх3),

отражающих «сортаментную» связь между параметрами профиля и независимо варьируемой площадью сечения изолированного профиля /0 = хг ( 50- толщины стенки, /?0 - высоты стенки

профиля) Такой подход вносит некоторую степень нелинейности и дискретности в задачу проектирования балочного элемента

В диссертации показано применение методологии автоматизированного ПП к конструкциям плоских и гофрированных переборок Задача проектирования обшивки плоской переборки решена как с использованием моделей изгиба жестких пластин, так и пластин конечной жесткости (с учетом распора)

В качестве примера в автореферате приводятся результаты проектирования бесшельфовой гофрированной переборки Учтены технологические факторы - различные способы изготовления гофрированного полотнища штамповка / гибка «полного» гофра (рис 8), штамповка / гибка полугофра (рис 9) Условия согласования параметров гофрированного полотнища с шириной листового проката и соответствующие ограничения-равенства задачи проектирования гофра определяются геометрическими параметрами и технологическими факторами (технологический припуск, контуровочный припуск, некоторое уменьшение ширины листа в процессе гибки) Результаты решения задачи проектирования коробчатого гофра бесшельфовой переборки демонстрируются на рис 10 Видно, что при одних и тех же исходных данных (расчетные нагрузки, пролеты и тд) учет различных геометрических и технологических ограничений приводит к разным результатам проектирования

В диссертации рассмотрена задача проектирования корпуса по требованиям к общей прочности - проектирование продольных связей В соответствии с принятой методологией автоматизированного ПП - это завершающий этап процесса проектирования конструкций Проектирование по требованиям к общей прочности сводится к обеспечению выполнения условий

ЦГ<Ф°™> > Ц1(">рео) _ цг(фа^) > Ц7(,пре6) с учетом выполнения

требований к устойчивости листовых элементов, продольных балок набора и общей жесткости корпуса фак'") > 3(тре6)

При проектировании конструкций корпуса судна, корабля, плавучего дока могут быть следующие ситуации

1 ЖР > Щ}"'/'е3), \¥Р > \Ур'х6) - моменты сопротивления

сечения корпуса на уровне верхней и нижней фибры удовлетворяют требованиям Правил при размерах конструктивных элементов,

полученных на предыдущих этапах проектирования (ШР, Я^Р -

соответствующие значения моментов сопротивления) Это значит, что условия общей прочности выполняются и никаких изменений в конструкцию вносить не нужно

2 1¥р < \У{/'ре5\ Ц'Р > \Уррев) или \Ур > \урре5\

И^Р <]уррео)- моменты сопротивления сечения корпуса на уровне

верхней или нижней фибры не удовлетворяют требованиям Правил при размерах конструктивных элементов, полученных на предыдущих этапах проектирования Это значит, что необходимо добавить материал, соответственно, в верхний или нижний поясок эквивалентного бруса

3 1ГР < \ур"ей) и 1¥р < 1Урре6) - моменты сопротивления

сечения корпуса при размерах конструктивных элементов, полученных на предыдущих этапах, проектирования не удовлетворяют требованиям Правил как на уровне верхней, так и нижней фибры Такая задача может быть сформулирована как задача нелинейного программирования с ограничениями В диссертации показана постановка такой задачи для конструкций надводного корабля и плавучего дока

В диссертации на примере проектирования конструкций монолитного плавучего дока показана эффективность применения аппарата планирования эксперимента для решения такой задачи Задача включает нелинейную целевую функцию Л(Х) - площадь сечения продольных связей, 4 линейных и 12 нелинейных ограничений Нелинейные ограничения при помощи аппарата планирования эксперимента представлены в виде квадратичных полиномов Использовалось центральное композиционное планирование В качестве независимо варьируемых конструктивных

параметров приняты толщина днищевой обшивки д:, и толщина настила топ-палубы х2 (представлены в кодированном виде)

Анализировались четыре расчетных случая общего изгиба корпуса дока - при доковании судов и при перегоне дока (прогиб, перегиб)

Ниже показан вид целевой функции А(Х) и только тех ограничений, которые могут влиять на результаты решения задачи

А(Х) = 2 3061 + 0 2816х, +0 1 \1\х2 +0 0119х2

gl(X) = K(un(X)-1 = -0 1373 + 0 0419л:, + 0.2130х2 -

-0 0076л:,2 +0 0112jc22 +0 0090 х,х2 > 0

£2(Х) = /:,<2)(Х)-1 = 0 0612 + 0 0526 х, + 0.2612х2 -

-0 0095х,2+0 0136х2+0 0111х,х2 >0

gз (X) = 1 - (X) = 0 0765 + 0 0485 х, + 0 2390 х2 -

-О 0111х,2 -0 0466х2 -0 0139х,х2 > О

g4(X) = x,+l>0

где Kl'\X)- относительный запас предельной прочности для г-го

расчетного случая (отношение расчетного коэффициента запаса

предельной прочности к нормативному), <r^2)(X)- относительные

нормальные напряжения на уровне топ-палубы (в долях от допускаемых) для второго расчетного случая Для решения задачи использовалось программное обеспечение, реализующее метод скользящего допуска Получены результаты, согласующиеся с принятыми в проекте

В пятой главе диссертации рассмотрены особенности применения предлагаемых методик, алгоритмов и программного обеспечения для решения проблем контроля технического состояния корпуса судов в эксплуатации Оценка технического состояния корпуса эксплуатирующегося (особенно старого) судна выполняется обычно в условиях дефицита проектной документации Наличие растяжки наружной обшивки - необходимое условие выполнения дефектации Остальные документы часто отсутствуют или некомплектны Часть документов в технических отчетах с замерами толщин представлены схематично в виде эскизов, выполняемых «по месту» Таким образом, установление взаимосвязи элемента конструкции (листа, балки набора) с моделью корпуса судна является достаточно сложной задачей В большинстве существующих систем оценки технического состояния корпуса (СОИКС, DEFHULL, и др ) такая задача не ставится

Однако решение этой задачи необходимо, поскольку Инструкция РМРС для оценки технического состояния корпуса судна базируется на размерах элементов конструкции, требуемых Правилами Размеры элемента конструкции зависят от ряда параметров, характеризующих его положение в составе корпуса судна координат по длине, ширине и высоте, углов наклона листа, балки к главным плоскостям и т п Требуемые размеры элемента конструкции зависят также от того, какие отсеки ограничивают рассматриваемые конструкции, поскольку от этого зависят нормативные значения добавок на коррозионный износ Автоматизация процедур оценки технического состояния в этом случае требует параметрического описания элементов конструкций, которое может быть реализовано путем создания соответствующих баз данных

Эта задача решена при разработке автоматизированной системы «БувсИеск», в основе которой заложены методологические идеи, некоторые методики и алгоритмы автоматизированного ПП конструкций, обоснованные в диссертации Система «БувсМеск» обеспечивает возможность геометрического моделирования с использованием методик и алгоритмов, предложенных для. ПП конструкций новых судов графический редактор, аффинное преобразование прототипа, преобразование форматов (см выше) Дополнительно предложен метод преобразования формы корпуса судна, выбранного в качестве прототипа, по фрагментам, задающим форму корпуса рассматриваемого судна в отдельных поперечных сечениях, количество которых невелико, и определяется, например, числом сечений по поперечным водонепроницаемым переборкам, фрагментам палуб, платформ, второго дна После аффинного преобразования формы прототипа по длине и по ширине ординаты каждой точки рассматриваемого поперечного сечения У1(соп)

умножаются на корректирующую функцию к{2) = ро!у{к1} (рис 11),

которая строится по информации в ограниченном наборе контрольных точек г, и представляется в виде аппроксимирующего полинома В итоге окончательное значение У - координаты определяется по формуле У(2?) — У1(соп} к(2~) (рис 12) Контролем

правильность геометрического моделирования корпуса принято условие равенства значений абсцисс центра величины полученной формы корпуса и выявленной из проектной документации

В диссертации разработаны методики и алгоритмы конструктивного моделирования растяжки наружной обшивки, внутренних структур корпуса судна второго дна, палуб, переборок и

т д Методики и алгоритмы геометрического моделирования предполагают обработку информации проектных документов В основе методик конструктивного моделирования лежит концепция «базового размера» Для разных подструктур корпуса судна предложены различные подходы к выбору базового размера

При конструктивном моделировании растяжки наружной обшивки в качестве базового размера принимается расстояние по растяжке от основной плоскости (ОП) до точки соединения линий

борта и верхней палубы на миделе BD = /;(тах) Для палуб, платформ второго дна в качестве базового размера целесообразно принять половину ширины судна на миделе BD = 05B, для вертикально расположенных продольных переборок - высоту борта в средней части судна BD = D, а для наклонных - линейный размер переборки в плоскости переборки в заданном сечении по длине судна

Для поперечных переборок, учитывая, что структурная декомпозиция обшивки переборки (листовой раскрой) на соответствующем чертеже обычно размерами не фиксируется ни в вертикальном, ни в поперечном направлении, целесообразно принять два базовых размера BDZ - отстояние от основной плоскости до верхней кромки переборки по середине ее ширины на уровне палубы переборки, BDy - половина ширины судна в

плоскости переборки на уровне самой верхней палубы в этом сечении

Конструктивное моделирование с использованием концепции базового размера реализуется в соответствии со следующим алгоритмом

1 При помощи специализированного программного обеспечения определяется истинное значение базового размера BD_actual на геометрической модели рассматриваемой подструктуры корпуса судна

2 Находится коэффициент пересчета координат, снимаемых с чертежа или со схемы, в истинные координаты конструктивного объекта в составе судна С _ Scale — BD _ actual I BD

3 Истинные значения параметров, определяющих положение узловых точек листа в составе корпуса (на поверхности или на плоскости), рассчитываются по формуле rj_actual = 77 • С_Scale, с использованием полученных коэффициентов пересчета X, Y, Z

- координаты листа определяются из решения задач аналитической геометрии

4 Листы, выходящие на контуры наружной обшивки или пересекающиеся со смежными структурами, автоматически «обрезаются» на основе решения задач пересечения плоскостей, отрезков и плоскостей

На рис 13,14 показаны результаты решения задач конструктивного моделирования

В диссертации разработана методика конструктивного моделирования набора балок В основе методики заложены идеи конструктивного моделирования листовых конструкций Это разделение корпуса судна на районы, выделение в пределах района нескольких участков, задание информации о балках набора для каждого участка Используется понятие базового размера для расчета реальных координат положения балки в составе корпуса судна На рис 15 показаны схема конструктивного моделирования балок основного набора, расположенных на наружной обшивке Также, как и для листов обшивки, в качестве базового размера для балок основного набора принимается расстояние по растяжке от основной плоскости (ОП) до точки соединения линий борта и

верхней палубы на миделе ВО = т](тах)

По результатам конструктивного моделирования формируется база данных по конструкции корпуса судна, в которой содержится вся необходимая информация для решения задач параметрического проектирования, анализа технического состояния

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертации решена народнохозяйственная задача, имеющая практическое значение для повышения эффективности и ускорения процесса проектирования конструкций корпуса судна, повышения качества проектных работ, а также для оценки технического состояния корпуса и его контроля на протяжении всего жизненного цикла судна В диссертации получены следующие научные и прикладные результаты

1 Предложена методология автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, которая базируется на системном подходе к проблеме проектирования сложных технических объектов, методах моделирования объекта и процесса проектирования, эффективной стратегии проектирования, ориентированная на ее реализацию при помощи технических средств и аппарата современных информационных технологий

2 Разработаны структура системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, структура базы данных системы и методические принципы ее формирования Обоснован состав функциональных программных блоков, обеспечивающий функционирование системы и решение основных задач проектирования конструкций корпуса судна Предложены методические принципы представления результатов работы системы и компоновки отчетной документации

3 Разработаны принципы и методика структурной декомпозиции корпуса судна и его составляющих Предложена система кодирования элементов судовых конструкций, соответствующая объективно существующей структуре корпуса транспортных судов, максимально унифицированная для различных групп структур, позволяющая получить уникальный признак (код) для каждого элемента корпуса

4 Разработаны методики и алгоритмы геометрического моделирования корпуса судна и его структурных составляющих, учитывающие предложенные принципы структурной декомпозиции корпуса судна, правила кодирования структурных составляющих, пригодные для решения задач проектирования конструкций новых и оценки технического состояния корпуса эксплуатирующихся судов

5 Разработаны методики и алгоритмы конструктивного моделирования корпуса судна и его структурных составляющих

6 Предложен общий подход создания моделей, описывающих «поведение» конструкций, а также моделей принятия решения (поиска эффективного решения) Модели поведения конструкций строятся на основе требований Правил классификации и постройки морских судов В общем случае, определение значений требуемых параметров конструкции осуществляется на основе оптимизационных поисковых процедур Апробированы методы решения задач параметрического проектирования конструкций корпуса судна и других морских сооружений

7 Обосновано применение аппарата метода планирования эксперимента для задач автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна Разработана методика применения этого аппарата, предложены алгоритмы построения моделей задач нелинейного программирования, разработано соответствующее программное обеспечение Показана эффективность применения такого подхода к решению ряда задач автоматизированного проектирования конструкций

8 Предложены постановка и решение типовых задач параметрического проектирования элементов конструкций морской техники с применением методологии автоматизированного

проектирования и разработанных программных средств Представлены алгоритмы и результаты решения ряда задач с использованием аппарата планирования эксперимента

9 Обосновано применение предложенных методик, алгоритмов, программного обеспечения для решения задач оценки технического состояния корпуса судна

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах-

Публикации в изданиях Перечня ВАК РФ

1 Применение аппарата планирование эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна (на англ яз ) Experiment planning tools in computer-aided design of ship hull structures, (статья) Transactions of the Krylov Shipbuilding Research Institute Strength and Endurance of Ship Structures, СПб 2002, с 8195, (в соавторстве с В И Спиридопуло, автор - 75%)

2 Прогнозирование волновых нагрузок на корпус судна с учетом слеминга на нерегулярном волнении (на англ яз ) Prediction of hull wave-induced loads account of slamming under irregular sea, (статья) Transactions of the Krylov Shipbuilding Research Institute, Issue 23 (307) Problems in Ship Hull Strength, СПб 2005, с 79-92 (в соавторстве с О H Рабинович, Ю А Смирновым, автор - 35%)

3 Методологические основы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна, (статья) «Судостроение», №3, 2006, с 9-12 (автор - 100%)

4 Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования балок основного набора при оценке технического состояния корпуса судна, (статья) Труды ЦНИИ им акад А H Крылова, Выпуск 28(312), Вопросы прочности транспортных судов, СПб , 2006, с 108-121 (автор -100%)

5 Методические принципы и алгоритмы конструктивного моделирования корпуса судна и его структурных составляющих при автоматизированном параметрическом проектировании (статья) Труды ЦНИИ им акад А H Крылова, Выпуск 28(312), Вопросы прочности транспортных судов, СПб , 2006, с 122-145 (автор -100%)

6 Методология и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования растяжки наружной обшивки при оценке технического состояния корпуса судна (на англ яз ) Methodology and algorithm of simplified structural modelling of shell expansion while assessment of ship hull technical condition, (статья) TRANSACTIONS of the Krylov Shipbuilding Research Institute, Issue 29(313), Problems in ship hull strength, СПб, 2006, с 75-90 (автор -100%)

Прочие публикации.

7 Применение теории планирования эксперимента при проектировании конструкций корпуса судна, (статья) Труды ЯКИ, Проблемы проектирования корпусных конструкций, Л , 1987, с 26-35 (автор -100%)

8 Применение аппарата планирования эксперимента в САПР корпусных конструкций, (статья) Труды ЛКИ, Проблемы проектирования конструкций судов, Л , 1990, с 41-50 (автор -100%)

9 Проектирование конструкций плавучего дока по требованиям к общей прочности, (статья) Л «Транспорт», Регистр СССР, Научно-технический сборник, вып 18, 1991, с 3-18 (автор -100%)

10 Основные положения требований к конструкциям плавучих доков в Правила Регистра СССР 1990 (статья), Л «Транспорт», Регистр СССР, Научно-технический сборник, вып 18, 1991, с 18-37 (в соавторстве с Э H Гариным, автор - 90%)

11 Обоснование требований Правил Регистра СССР к перегону доков (статья), Л «Транспорт», Регистр СССР, Научно-технический сборник, вып 18, 1991, с 37-63 (в соавторстве с Э H Гариным и Ю В Плехановым, О H Рабинович, автор - 50%)

12 Автоматизированное проектирование судовых конструкций в соответствии с требованиями общей прочности, (тезисы доклада) СПб Труды конференции «Бубновские чтения» 1997, 119-120 (автор -100%)

13 Методология параметрического проектирования в специализированных САПР судовых конструкций, (статья) СПб Труды конференции МОРИНТЕХ '97, т 4, с 270-273, (в соавторстве с Э H Гариным и Ю А Смирновым)

14 Методические принципы и алгоритмы формирования базы данных «Конструкция корпуса» в системе автоматизированного проектирования судовых конструкций (статья), СПб Труды второй международной конференции по судостроению - ISC'98, секция А, том 1, 1998, с 224-229, (в соавторстве с А В Кульцепом, Ю А Смирновым, А H Сусловым, автор - 90%)

15 Некоторые методические основы автоматизированной системы для проверки соответствия конструкций корпуса судна требованиям Правил Регистра, (тезисы доклада) СПб , ЦНИИ им А H Крылова, Труды конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти П Ф Папковича 2000, с 48-50, (в соавторстве с Ю А Смирновым, автор 75%)

16 Система автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса корабля «Фрегат_К» (на англ яз ) System «Frigate_H» for computer-aided parametric designing of the ship hull structures, (статья) Владивосток, Труды 14 Азиатской

технической конференции по морским конструкциям, ТЕАМ'2000, 2000, с 481-484, (в соавторстве с ВП Волохиным, В И Спиридопуло, автор 75%)

17 Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса корабля, (статья) СПб, ЦНИИ им АН Крылова, Труды конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти Ю А Шиманского 2001, с 48-53, (в соавторстве с В И Спиридопуло, автор - 75%)

18 Возможность и целесообразность применения системы «РОКАЫ40/50» для обеспечения расчетов прочности и параметрического проектирования конструкций корпуса корабля, (тезисы доклада) СПб, Сборник тезисов докладов конференции МОРИНТЕХ'2001, т 2, с 146-148, (в соавторстве с В И Спиридопуло, автор 50%)

19 Система автоматизированного проектирования конструкций корпуса корабля, (статья) СПб, Труды конференции ОРТ1М'2001, с 232-236, (в соавторстве с В И Спиридопуло, автор 80%)

20 Методические основы и опыт использования автоматизированной системы для проверки соответствия корпуса судна требованиям Правил Российского морского Регистра судоходства, (тезисы доклада) СПб , ЦНИИ им А Н Крылова, Труды конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти П Ф Папковича 2002, с 52-53, автор 100%

21 Параметрическое проектирование гофрированных переборок, (статья) СПб Труды конференции МОРИНТЕХ '2003, т 2, с 80-84, автор 100%

22 Параметрическое проектирование листовых элементов конструкций корпуса судна, (тезисы доклада) СПб, ЦНИИ им А Н Крылова, Труды конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю А Шиманского 2003, с 36-37, автор 100%

23 Параметрическое проектирование балочных элементов конструкций корпуса судна, (тезисы доклада) СПб, ЦНИИ им А Н Крылова, Труды конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю А Шиманского 2003, с 38-40, автор 100%

24 Автоматизированное проектирование пиллерсов, распорных бимсов, распорок, (статья) СПб ГМТУ, Материалы региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука - 2003, том 1, 2003, с 168-174, автор 100%

Рисунки:

Рис 1 Структурно-логическая схема процесса автоматизированного параметрического проектирования конструкций

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ РАЗЛИЧНОГО ИЕРАРХИЧЕСКОГО уровня

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ УСИЛЕНИИЙ

. результаты: . кг« Нэе ания

ПРОВЕРОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ

прочности

гГ

ОТЧЕТНЫМ ДОКУМЕНТ

Рис. 2 Общая структура системы автоматизированного параметрического проектирования

ОБЩАЯ-БАЗА ЦДНВЫХ

Рис 3 Структура общей БД

$АЗА ЙАННЬЙС

г. Проекта

Рис 4 Структура БД проекта судна

а)

Рис 5а, б Задание параметров формы второго дна в контрольном

сечении

Рис 5в Задание параметров формы продольных переборок или внутреннего борта

!*Л\п( Л1 ппч п( '•*."-*■*•"•*»■

■ : ■:...:■•:■■:.;{.•:. ........:..;;л;л.

01 01 0? 02 01 03 01

мжо1 01 ог ог ш озог

:01 С1 г.1 ог от е2С1

01 91-02 02 01 02 02 '

1 : 01 01'02 01 оТог 04 ;

: 01 01 02 ад 01 £>2 43 ■ :

. .. .. .,■: .- ( 01 01 02 £101 32 02. _ ± Л.__„

: 01 01 02 01 01 02 01_ ' ' ^

!-: 01 01 02 01 01 01 01 " "

. <1........

II. -

-1 '05 01 02 01 01 01 ог: —. ~ ■ . I* '.:

■ — — ГГ тг -

: 01 01 02 01 0! 02 05 ■

.......... I,

щ ЩШ :

'01 01 02 0J 01 £2 06 . 1....... .

_ I. _ |

О' 01 02 01 01 £207 ' ^О1 01 02 03 01 Щ 0Г

1

X \

01 01 02 01 01 53 08 н „ ?Г

■ о* от о; оз от о? о? :

01 02 03 01 Ш 01 Й-.;.-.;.

й?§01 01 02 03 01 щ -■-■---■--■

Рис. 6 Пример кодирования листов настила второго дна

$4 01 05 XX 01 02 01 04 01 ОБ XX 01 02 02

04 01 05 XX 01 01 01 04 01 05 XX 01 01 03 04 01 05 XX 01 01 02

1

Т

04 01 05 XX 04 01 01 04 01 05 XX 04 01 02

04 01 05 XX 04 02 01

04 01 05 XX 04 02 02

О о 3 со о см о 3 1Г) о со о СО о

о о о о о о о о о

(О о ю о СО о го о ю о СО о 00 о ш о со о

X X й X X X X й X X X X X X

1Г> о 1Л о ю о ю о ю о ю о ьо о 1Г> о ш о

о о о о о о о о о

3 о о 5 3 о о т о о

04 01 05 XX 03 01 NN

04 01 05 XX 05 01 NN

Рис. 7 Пример кодирования элементов поперечной рамы палубы

танкера

(код 04 01 05), рамная балка N° XX

Рис 8 Первый способ изготовления гофров

-Цв 2 »|« ./„ 2-

Рис 9 Второй способ изготовления гофров

0,7

-0,7

- Уаг_1

-Уаг_3 -Уаг_4 -Уаг 5

Рис 10 Результаты проектирования коробчатого гофра

КВ = 6 17001Е-03 г2 - 9 95376Е-02 I + 1 15658Е+00

1 4 -

02 -

0 0-

00 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 16 0

г«

Рис 11 Аппроксимация корректирующего множителя полиномом

второго порядка

4 м

. - ПрОТОТИП — Проект

О 10 0 12 0

Рис 12 Результаты геометрического моделирования

Г}_ 5

(шах)

и5 У_/

Рис. 13 Пояснения к алгоритму определение фактического положения узловых точек листа на растяжке наружной обшивки и на контуре шпангоутного сечения.

Линия соединения верхней палубы и борта \

I

I

I - ыи лист наружном

обшгюки I

11

След пересечения крайнего междудонного листа с наружной обшивкой

След наружной обшивки на уровне второго дна

Рис 14 Схема задания координат узловых точек листа на чертеже (фрагменте чертежа) второго дна (по горизонтали в масштабе

чертежа)

Основные шпангоуты от 2-ой палубы до главной палубы НР 180 х 9

Основные шпангоуты от 2-го дна до 2-ой

палубы НР 200 х 12 I

J's | /Г

Н 4

ДП-

Палуба бака

/"¡Я

Главная палуба

2-я палуба

| i р I Линия 2-го

MJ II дна

jll] Днищевой

ГТ-ТаП I I стрингер

Вертик киль

Днищевые продольн балки НР 200 х 10

Рис 15 Пояснения к алгоритму конструктивного моделирования балок основного набора наружной обшивки

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 26 02 2007 Зак 3382 Тир 100 2,1 печ л

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДОЛОГИЯ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСА СУДНА. 2!

1.1. Основные принципы методологии автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна.

1.1.1. Общие положения.

1.1.2. Системный подход и декомпозиция в автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна.

1.1.3. Моделирование в автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна.

1.1.4. Рациональная стратегия проектирования и итерационные решения задач автоматизированного проектирования конструкций

1.2. Структура системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна.

1.2.1. Общие положения.

1.2.2. Общая структура системы автоматизированного параметрического проектирования.

1.2.3. Блок общепроектных задач. Блок расчета нагрузок на тихой воде.

1.2.4. Блок конструктивного моделирования.

1.2.5. Блок проектирования конструкций в соответствии с общими требованиями Правил.

1.2.6. Блок проектирования конструкций усилений.

1.2.7. Блок проверочных рачетов прочности.

1.2.8. Блок формирования отчетного документа.

1.3. Структура базы данных и методические основы её формирования

1.3.1. Общие положения.

1.3.2. База данных по судовым помещениям/отсекам, материалам, сортаментам.

1.3.3. База данных проекта.

1.3.4. Результаты работы системы.

1.4. Выводы по главе 1.

9 ГРПМРТРИиРГ^ПР И KT)f-irTT>VIfTMnunn \/fO TTJ7 ТТТЛРГШ А Т-ПЛТГ

КОРПУСА СУДНА И ЕГО СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ

2.1. Общие положения.

2.2. Геометрическое моделирование формы корпуса судна.

2.2.1. Графический редактор.

2.2.2. Методика трансформации геометрических форм.

2.2.3. Методика геометрического моделирования путем объединения геометрических форм.

2.2.4. Преобразование форматов описания геометрии корпуса

Г корабля и его структурных составляющих. 90 "

2.3. Геометрическое моделирование внутренних структур корпуса судна.

2.3.1. Общие положения методики геометрического моделирования внутренних структур корпуса судна.

2.3.2. Алгоритм формирования геометрических моделей внутренних структур корпуса судна.

2.4. Конструктивное моделирование корпуса судна и его структурных составляющих.

2.4.1. Принципы структурной декомпозиции и правила кодирования элементов конструкции.

2.4.2. Общий алгоритм формирования базы данных «Конструкция».

2.4.3. Автоматизированное формирование базы данных «Конструкция» для заданного поперечного сечения корпуса судна

2.4.4. Автоматизированное формирование базы данных

Конструкция» для заданного района по длине корпуса судна.

2.5. Выводы по главе 2.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

3.1. Принципы моделирования оптимизационно-поисковых задач и выбор метода решения.

3.1.1. Общие положения.

3.1.2. Основные принципы моделирования.

3.1.3. Методы решения задач математического программирования

3.2. Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна

3.2.1. Основные понятия теории планирования эксперимента.

3.2.2. Применение положений теории планирования эксперимента к задачам проектировании конструкций корпуса судна.

3.3. Алгоритм и программное обеспечение построения многофакторных t регрессионных моделей поведения конструкций.

3.3.1. Отбор существенных факторов и оценка реальных границ областей их определения.

3.3.2. Формирование матрицы планирования эксперимента.

3.3.3. Выполнение численных машинных экспериментов над программной моделью конструкции; формирование массива значений функции отклика.

3.3.4. Выбор модели и определение коэффициентов регрессии.

3.3.5. Статистический анализ уравнения регрессии. г, 3.4. Выводы по главе 3.

4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1. Общие положения поискового автоматизированного проектирования.

4.1.1. Автоматизированное проектирование элементов конструкций

4.1.2. Автоматизированное проектирование конструкций с применением моделей стержневых систем.

4.1.3. Автоматизированное проектирование конструкций по требованиям к общей прочности.

4.1.4. Целевые функции при поисковом автоматизированном проектирования.

4.2. Ппойк-типойяние тшглттьтх -элементов коппусных констт/кттий.

4.3. Проектирование балочных элементов корпусных конструкций.

4.4. Проектирование конструкций гофрированных переборок.

4.5. Проектирование конструкций по требованиям к общей прочности

4.6. Выводы по главе 4.

5. ПРИМЕНЕНИЕ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕТОДИК ДЛЯ РЕШЕНИЯ

ПРОБЛЕМ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

СУДОВЫХ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

5.1. Общие положения.

I 5.2. Геометрическое моделирование корпуса судна в условиях дефицита исходной информации.

5.3. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования растяжки наружной обшивки.

5.3.1. Общие положения.

5.3.2. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования листовой конструкции растяжки наружной обшивки.

5.4. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного р моделирования листовых конструкций внутренних структур корпуса судна.

5.4.1. Общие положения.

5.4.2. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования лотовой конструкции внутренней структуры.

5.4.3. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования листовой конструкции поперечной водонепроницаемой переборки.

5.5. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования балок основного набора.

5.5.1. Общие положения.

5.5.2. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования балок оонпннпго поперечного бортового набора (шпангоутов).

5.5.3. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования продольных балок основного набора.

5.6. Выводы по главе 5.

Современные условия рыночной экономики, темпы развития науки, производственных технологий выдвигают перед создателями новой техники требования конкурентоспособности их продукции. Автоматизированное проектирование (АП) с использованием информационных технологий1 [63, 26,124,57] - единственная альтернатива для проектантов, чтобы соответствовать требованиям сегодняшнего дня. Информационные технологии аккумулируют накопленные знания в предметной области, предоставляют современные программные и технические средства для решения проектных задач.

Методы автоматизированного проектирования технических систем и корпуса судна, в частности, прошли последовательный путь развития: от решения частных инженерных задач сначала в пакетном, а затем в диалоговом режиме с использованием больших вычислительных комплексов, локальной автоматизации на базе мини ЭВМ с большими графическими возможностями до мощных CAD/CAM систем, эффективно работающих только на мощной дорогостоящей технике, охватывающих в той или иной степени весь жизненный цикл изделия от его разработки до изготовления и эксплуатации.

Основополагающие работы по автоматизации проектно-конструкторских работ были развернуты в 60 - 70-х годах прошлого века в ЦНИИ им. академика

A.Н.Крылова под руководством В.С.Дорина [54,111,22] (В.И.Брэгман,

B.Н.Волков, В.А.Марков, В.М.Москаленко, В.Е.Солдатов, М.Н.Рейнов, Ю.М.Фишкис). На основе этих работ была создана система «Проект-1». В дальнейшем, после организации «Отраслевой лаборатории САПР», под руководством М.А.Радушинского продолжалось совершенствование системы «Проект-1» и начаты работы по отдельным подсистемам судна (Р.А.Аллик, Н.И.Петров).

1 Информационные технологии - приемы, способы и методы применения средств вычислительной техники при выполнении функций хранения, обработки, передачи и использования данных.

Методологические и методические принципы автоматизированного исследовательского проектирования корабля сформулированы и развиты в работах И.Г.Захарова [58,59,60], Н.В.Никитина [86,87,88,89,32], В.В.Родионова ^ [32], О.В.Третьякова [32,89,142], В.Б.Фирсова [165,166], Л.Ю.Худякова [169], П.А.Шауба [172,173,174,175,176] и др. Результаты использованы при разработке системы автоматизированного исследовательского проектирования (САИПР-«Чертеж») 1-го ЦНИИ МО РФ и программного комплекса для решения задач обеспечения живучести корабля (ВМИИ). В САИПР-«Чертеж» реализуются принципы системного подхода, методы моделирования и оптимизации (в том числе и многокритериальной).

Важную роль для методологического обеспечения автоматизированного решения задач внешнего и внутреннего проектирования судна с учетом требований к экономической эффективности сыграли работы В.М.Пашина [97,98], Ю.Н.Полякова [98]. Основы теории проектирования сложных технических систем обобщены и развиты в работах А.И.Гайковича I [30,31,32,33]. Проблемы автоматизации задач общего проектирования судна исследовали Ю.Н.Семенов [127], А.Н.Суслов [136,137,138]. Идея о роли доминирующей подсистемы при проектировании судна была предложена в работах Б.А.Царева [171].

Достаточно широко используется в отечественных проектно-конструкторских бюро (для решения некоторых задач общего проектирования и теории корабля) система «АПИРС», созданная группой специалистов из Нижнего Новгорода (П.В.Ежов, А.А.Алексанов).

Большое количество исследований по проблеме САПР связано с автоматизацией этапа рабочего проектирования корпуса судна - как наиболее трудоемкого в общем процессе проектирования и постройки судна. Следует отметить значительные успехи в этой области специалистов ЦНИИ «Технологии судостроения»: А.Н. Ситникова, A.M. Плотникова, В.И. Спирина [128,129] - идеологов и создателей отечественной CAD/CAM системы «Ритм-КОРПУС».

Ряд проектных бюро и судостроительных заводов используют для целей разработки проектной документации и технологической подготовки производства лицензионные специализированные судостроительные '' CAD/CAM системы «FORAN» [191], «TRIBON» [ 192] и некоторые другие.

Представленный анализ показывает, что работы по проблеме САПР практически не затрагивают вопросов автоматизированного проектирования корпусных конструкции судов и других морских сооружений о системной постановке. Одна из проблем автоматизированного проектирования конструкций, требующая от разработчика универсальных знаний в предметной области, - параметрическое проектирование. Параметрическое проектирование судовых конструкций (ПП) - это процесс определения размеров конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (Правил / Норм прочности).

Проблемы ПП конструкций длительное время разрабатываются на кафедре Конструкции судов СПб.ГМТУ. Первые работы кафедры, i посвященные решению отдельных задач АП конструкций появились в начале 70-х годов прошлого века (Э.Н.Гарин [35,36,37,38,39,47,183,184]). В период с 70-х до конца 80-х годов под руководством Э.Н.Гарина выполнен большой цикл исследований, в рамках разработки системы автоматизированного проектирования конструкций плавучих доков по заказу Западного ПКБ [92, 93,94,106,107,108] (Ю.А. Смирнов, С.А. Степанов, О.Я. Тимофеев, В.Н. Тряскин). Система разрабатывалась для больших ЭВМ типа ЕС. Был создан мониторно-исполнительный блок (Ю.А. Смирнов) [131], необходимое сервисное и функциональное программное обеспечение [41,44,139,140,141, 153,154,185]. Резкая (революционная) смена компьютерной техники, произошедшая в конце 80-х - начале 90-х годов, и экономические проблемы, возникшие в отрасли, не дали завершить эти работы.

В середине 90-х годов под руководством автора диссертации были начаты работы по созданию системы автоматизированного ГГП конструкций по заказу Северного ПКБ, а в 2000 г.- ЦМКБ «Алмаз» (В.П.Волохин, Гарин Э.Н.,

Д.Б.Киселев, О.Н.Рабинович, А.В.Ридигер, Ю.А.Смирнов, В.И.Спиридопуло, В.Н.Тряскин).

Первые исследования были направлены на обоснование методических принципов организации ПП и соответствующей автоматизированной системы, разработку структуры базы данных, методик и программных средств для ее формирования [40,42,45,46,64,132,155,157,158]. Выполнено большое количество исследований и программных разработок по совершеношиванию и расширению возможностей определения внешних воздействий на корпус судна как на основе нормативных документов [48,49,50] и так называемым «прямым» методом [5,6,10,72,104,105,125,149,159,168,181,198]. Эти исследования были основаны на работах, которые выполнялись под руководством Д.М. Ростовцева. Результаты исследований сопоставлялись с результатами теоретических и экспериментальных работ, полученными известными отечественными и зарубежными специалистами в этой области (Барабанов Н.В., Бойцов Г.В., Екимов В.В., Иванов Н.А., Козляков В.В., Короткин Я.И., Крыжевич Г.Б., Кулеш В.А.) [7,13,14,15,56,66,67,68,70,74,75,76,80,90,91,197]. Большое внимание уделялось автоматизации подготовки исходных данных и обработки результатов расчетов. Последняя версия программного комплекса, реализующего расчет внешних сил прямым методом, позволяет определять все параметры продольной качки судна, упругие перемещения корпуса, а также волновые нагрузки с учетом дополнительных воздействий на реальном нерегулярном волнении от днищевого, бортового слеминга и заливаемости верхней открытой палубы [72].

По итогам работ созданы и используются в проектных организация ряд программных комплексов системы [27,53,64,77,83,132,146,161,162], реализующих решение задач параметрического проектирования конструкций.

Математические методы оптимального проектирования развиты и систематизированы в работах А.А.Родионова [114,115,116,117,118]. Им указаны основные этапы процесса проектирования сложной системы и ее конструкций - как подсистемы. Отмечен объективно итерационный характер процесса проектирования и важность участия человека - конструктора в принятии решений. Отмечено сильное влияние функциональных требований (под которыми понимаются требования общепроектного характера) на выбор компоновочной (топологической схемы) конструкции, что существенно сужает область допустимых решений. Он отмечает необходимость применения методов декомпозиции задач оптимизации сложных конструкций с целью замены практически нереализуемого ка базе современных вычислительных машин решения большой исходной задачи последовательным решением более простых задач. Сделана постановка ряда задач, возникающих при проектировании конструкций морских сооружений, в виде задач математического программирования. Показаны пути их решения.

Во всех существующих CAD-CAM системах, ориентированных на судостроение, проблема параметрического проектирования судовых конструкций не решается. Конструктор-проектант, работающий с CAD-CAM системой, должен располагать результатами параметрического проектирования: должны быть известны расчетные толщины элементов листовых конструкций, размеры балок основного и рамного набора, ребер жесткости, соединительных элементов и т.п. В существующей практике конструкторских бюро такая информация в основном формируется с использованием электронных таблицы и отдельных программ, по которым выполняются проверочные расчеты прочности конструкций.

ПП конструкций корпуса судна начинается на этапе эскизного проектирования и в основном завершается в рамках технического проекта. Широкое применение «тяжелых» CAD-CAM систем для обеспечения решения этих задач на ранних стадиях проектирования и даже на этапе технического проекта, когда решаются основные вопросы параметрического проектирования конструкций корпуса судна, не оправдано. Создание геометрической и конструктивной моделей корпуса, пригодных для решения задач технологической подготовки производства, что является одной из основных задач таких систем, требует больших затрат времени и труда. Обычно этот этап завершается только на стадии рабочего проектирования. Поэтому, для решения задач автоматизированного ПП конструкций целесообразна разработка специализированной системы для автоматизированной подготовки исходной информации и проектирования корпусных конструкций. Значительная часть необходимого программного обеспечения создана силами специалистов кафедры конструкции судов СПбГМТУ под руководством и участии автора диссертации.

В процессе эксплуатации корпус судна подвергается проверке технического состояния, при которой выполняются замеры остаточных толщин элементов листовых конструкций и балок набора. Замеренные величины сопоставляются с минимально допустимыми значениями, которые регламентируются специальными Инструкциями классификационных организаций. Структура требований Инструкции Российского морского регистра судоходства (РМРС) [119] такова, что для определения допускаемых толщин листов, характеристик балок набора и поперечного сечения корпуса, необходимо знать соответствующие значения, регламентируемые действующими Правилами классификации и постройки. Для определения этих значений необходимо выполнить расчеты практически каждого листа, каждой группы однотипных балок набора всех структурных составляющих корпуса судна. В связи с этим оперативное решение проблем оценки технического состояния корпуса не возможно без автоматизации этих расчетных процедур средствами специализированных автоматизированных систем. Предлагаемая в диссертации система автоматизированного ПП может обеспечить решение и задач анализа технического состояния.

В отечественной практике применяются несколько автоматизированных систем для формирования и обработки данных по техническому состоянию корпусов судов, составления прогнозных оценок. Можно отметить системы «СОИКС» [20,21], «DEFHULL» [126] разработанные, соответственно, под руководством А.С.Брикера и В.А.Кулеша. При использовании этих систем результаты расчетов конструктивных элементов по требованиям Правил не автоматизированы и вводятся в диалоговом режиме.

Проверка прочности конструкций, усталостного и остаточного ресурса корпуса судна на стадии проектирования и эксплуатации реализуется в системах для инженерного анализа (CAE - системах). Можно назвать несколько систем, предназначенных для этого: SafeHull (ABS), Poseidon (GL), Nauticus Hu!! (DNV), VeryStar (BY), ShipRight (LR), Руслан (PMFC) [16, 2]. Структура и функциональное назначение этих систем во многом схожи. Все они имеют в своем составе аппарат конечно-элементного моделирования корпуса судна и анализа напряженно-деформированного состояния его отдельных элементов на основе специальных нормативов, согласующихся с таким моделированием. При помощи этого аппарата выполняются проверочные расчеты прочности корпуса, которые требуют привлечения сложных моделей, учитывающих взаимодействие одновременно нескольких подструктур корпуса судна, или которые обеспечивают возможность анализа напряженного состояния в конструктивно сложной локальной зоне (например, в узлах пересечения или соединения балок набора). Во всех системах существует возможность определения характеристик прочности корпуса с учетом уменьшения размеров конструктивных элементов в процессе эксплуатации судна и оценки его технического состояния по соответствующим нормативам.

Эти системы имеют в своем составе редактор поперечного сечения, позволяющий описать точками или набором параметров форму корпуса и геометрию внутренних структур, реализовать процедуры конструктивной декомпозиции корпуса на отдельные листы, листовые и балочные элементы в заданном сечении по длине судна. Затем имеется возможность выполнить проверочные расчеты соответствия корпуса судна в рассматриваемом поперечном сечении требования национальных Правил классификации и постройки. В РМРС для решения этих задач разработана специальная расчетная система СПАС [3], обеспечивающая экспресс оценку соответствия размеров конструкций требованиям Правил РМРС в диалоговом режиме.

Анализ показывает, что отечественные программные средства не обеспечивают эффективной автоматизации проверочных расчетов конструкций по требованиям Правил. Это связано с тем, что для выполнения расчетов по Правилам требуется достаточно большой объем дополнительной исходной информации (по геометрии корпуса и внутренних структур, по отсекам, по распределению весовой нагрузки, по материалам корпусных конструкций и т.п.). Дпя автоматизированной подготовки такой информации должно быть разработано достаточно сложное специализированное программное обеспечение, созданы необходимые базы данных (по конструкции корпуса, по отсекам, по материалам и т.п.).

Объектом исследования в рассматриваемой диссертационной работе являются конструкции корпуса морских плавучих сооружений таких как: водоизмещающие морские суда различного назначения, водоизмещающие надводные корабли и плавучие доки.

Предмет исследования - автоматизированное ПП конструкций корпуса морских сооружений с использованием предлагаемого методологического подхода, современных методов и средств.

Для достижения поставленной цели требуется рассмотреть совокупность проблем, которые могут быть сформулированы как задачи исследования:

1. Обоснование методологии автоматизированного ПП конструкций корпуса судна;

2. Разработка структуры системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна;

3. Разработка методов и алгоритмов геометрического моделирования корпуса судна, его внутренних структур;

4. Разработка принципов структурной декомпозиции корпуса судна на отдельные структурные составляющие и конструктивные элементы, методологии конструктивного моделирования, иерархического кодирования конструктивных элементов;

5. Разработка структуры базы данных по конструкции корпуса судна и алгоритмов ее формирования;

6. Разработка общей формы модели задачи автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, обоснование применения методов математического программирования в качестве аппарата принятия решения;

7. Обоснование применения аппарата планирования эксперимента для моделирования к решения задач проектирования конструкций;

8. Обоснование применения предложенной методологии, разработанных методик, алгоритмов, программного обеспечения для решения задач автоматизированного ПП конструкций и оценки технического состояния корпуса морских технических сооружений.

Основная научная задача диссертации - реализация методологии системного подхода к проектированию конструкций корпуса, как одной из подсистем судна. Методы решения: моделирование объекта и процесса проектирования, математическое программирование как аппарат принятия проектного решения.

Основные научные результаты и их новизна:

1. Предложена методология автоматизированного ПП конструкций корпуса судна, которая базируется на системном подходе к проблеме проектирования сложных технических объектов.

2. Разработана общая структура системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна и структура каждого блока, входящего в ее состав. Обоснованы структура базы данных системы, методические принципы ее формирования.

3. Разработаны принципы структурной декомпозиции корпуса судна и его составляющих. Создана система кодирования, позволяющая получить уникальный признак (код) для каждого элемента корпуса.

4. Разработаны методики геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих, программные процедуры, необходимые для решения практических задач проектирования новых конструкций, оценки технического состояния корпуса эксплуатирующихся судов.

5. Обосновано применение аппарата метода планирования эксперимента для задач автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна. Разработан алгоритм и программное обеспечение решения задач проектирования конструкций с использованием этого аппарата.

6. Исследованы задачи проектирования элементов конструкций различного иерархического уровня с использованием основных положений методологии автоматизированного ПП конструкций.

7. Разработаны методические основы и программное обеспечение для автоматизированного решения задач оценки технического состояния корпуса судна. Предложены методики формирования базы данных по геометрии и конструкции корпуса судна на основе имеющейся проектной документации.

Практическая ценность работы определяется эффективностью (сокращение сроков, повышение качества) проектирования корпусных конструкций в результате применения разработанной системы АПП; надежностью оперативной оценки технического состояния корпуса, которая обеспечивается благодаря использованию специализированной автоматизированной системы, предлагаемой в диссертационной работе. Результаты работы используются при подготовке современных специалистов -морских инженеров, бакалавров, магистров по морской технике и технологиям, а также могут применяться в проектных организациях.

На защиту выносятся следующие результаты работы:

1. Методология автоматизированного ПП конструкций корпуса судна.

2. Структура системы автоматизированного ПП конструкций корпуса судна и форма представления результатов ее работы. Структура базы данных системы, методические принципы ее формирования.

3. Принципы и методика структурной декомпозиции корпуса судна. Система кодирования элементов судовых конструкций.

4. Методики геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих.

5. Методика применения метода планирования эксперимента для задач автоматизированного проектирования конструкций корпуса морских сооружений.

6. Постановка и решение типовых задач ПП конструкций морской техники с применением предлагаемой методологии автоматизированного проектирования и разработанных программных средств.

7. Методология автоматизированного решения задач оценки технического состояния корпуса судна. Методики формирования базы данных по геометрии и конструкции корпуса судна на основе имеющейся проектной документации.

Внедрение результатов работы. Программные комплексы, разработанные на основании результатов диссертации, применяются для проектирования конструкций корпуса морских судов, надводных кораблей и плавучих доков (Северное ПКБ, ЦМКБ «АЛМАЗ»). По заказу Северного ПКБ выполнено проектное обоснование модернизации судна пр. 15760. Для Западного ЦПКБ (ныне ЦМКБ «АЛМАЗ») выполнены проектные разработки конструкции корпуса плавучего ремонтного дока (пр. 19490). Разработанная автоматизированная система использовалась для оценки технического состояния корпуса судов и морских сооружений различного назначения: ледоколов, навалочников, танкеров, лесовозов, рыбопромысловых судов, рефрижераторов, буксиров, парусника «Седов», плавучих доков. Работы выполнялись по заказу государственных организаций и частных компаний (всего более 80 проектов). Результаты диссертационных исследований использованы для разработки требований к конструкциям плавучих доков в Правилах Российского морского Регистра. Методические разработки по формированию модели конструкции корпуса судна, обоснованные в диссертации, приняты Российским морским Регистром в качестве рекомендаций для использования в международном проекте CAS (создание автоматизированной системы оценки технического состояния корпуса судна на протяжении всего жизненного цикла). На основе материалов диссертации разработана специальная дисциплина «Автоматизированное проектирование конструкций корпуса судна» для студентов, проходящих подготовку по специальности 180101 «Кораблестроение» и по магистерской программе 552601 «Кораблестроение и морская техника».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на ряде Международных конференций пи морским интеллектуальным технологиям: МОРИНТЕХ (СПб., 1997, 2001, 2003, 2005), на Второй международной конференции по судостроению-18С'98, (СПб., 1998), на 14-ой Азиатской технической конференции по морским конструкциям, ТЕАМ'2000, (Владивосток,2000), на Первой всероссийской научно-практической конференции по вопросам решения оптимизационных задач в промышленности «Ресурсосберегающие технологии: математическое обеспечение оптимизационных задач в системах автоматизированного проектирования»-ОПТИМ-2001, (СПб.,2001), на Региональной научно-технической конференции с международным участием «Кораблестроительное образование и наука-2003», (СПб.,2003), на научно-технических конференциях «Бубновские чтения», (СПб., 1997,2004), на конференциях по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А.Шиманского (СПб., 1999,2001,2003), на конференциях по строительной механике корабля, посвященной памяти академика П.Ф.Папковича (СПб., 2000,2002,2005).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 24 научно-технические работы (из них 11 в соавторстве) и выпущено 8 научно-технических отчетов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 312 с. основного текста (включая 21 таблицу и 87 рисунков), 5 страниц оглавления, список литературы из 206 названий. Приложения 1 - 5 имеют объем 153 стр.

Краткое содержание диссертации.

В первой главе диссертации обсуждаются методологические аспекты автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна, обоснована структура системы автоматизированного ПП конструкций, показана структура базы данных системы и рассмотрены методические принципы ее формирования. Предложены методические рекомендации компоновки выходной информации - результатов параметрического проектирования, реализованные в специализированной системе САПРК2.

Во второй главе диссертации излагаются методические основы геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна, его структурных составляющих. Кратко обсуждаются предложенные методики решения задач геометрического моделирования корпуса судна и его внутренних структур. Предложены принципы структурной декомпозиции корпуса и универсальная система кодирования конструктивных элементов, на которых основаны методики конструктивного моделирования. Приводятся фрагменты системы кодирования ряда структурных групп корпуса судна -кодовых конструктивных моделей структурных составляющих корпуса судна.

В третьей главе диссертации исследуются проблемы моделирования задач автоматизированного проектирования конструкций. Рассмотрены основные принципы моделирования «поведения» конструкций и создания моделей принятия решения (поиска эффективного решения). Понятие модели «поведения» конструкции в общем смысле трактуется как совокупность зависимостей, устанавливающих связь между некоторыми характеристиками и параметрами конструкции. Принятие решения базируется на оптимизационно-поисковых процедурах. Модель принятия решения - это формализованное представление задачи проектирования в общем виде задачи математического программирования. Показана методика применение аппарата планирования эксперимента для формирования и решения задач автоматизированного ПП конструкций корпуса судна и других морских технических сооружений.

2 САПРК - Система Автоматизированного Проектирования Конструкций

В четвертой главе диссертации показано решение типовых задач параметрического проектирования конструкций корпуса судна с использованием общих принципов автоматизированного поискового ' проектирования. Рассмотрены задачи различных иерархических уровней: проектирования листового элемента и изолированного балочного элемента, балки набора как элемента балочной системы, обшивки плоских и гофрированных переборок, пиллерсов и распорных бимсов, а также -продольных связей корпуса судна (эквивалентного бруса). Математические модели задач формулируются на основе требований Правил Регистра и представляются в общем виде задачи математического программирования.

В пятой главе диссертации рассмотрены особенности применения предлагаемых методик, алгоритмов и программного обеспечения для решения проблем контроля технического состояния корпуса судов в эксплуатации. Предложены оригинальные методики геометрического и конструктивного моделирования корпуса судна и его структурных составляющих как при } наличии проектной документации, таки при ее дефиците или отсутствии. Разработанные методики, алгоритмы и программы заложены в основу специализированной автоматизированной системы.

В заключении указаны основные научные и прикладные результаты, полученные автором диссертации.

Результаты работы программного модуля «Оценка технического состояния корпуса» по нормативам РМРС

Результаты оценки техсостояния Sea express по нормативам "Инструкции по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов" Правил классификационных освидетельствований судов Российского морского Регистра * г. шп-ов по листам Наименование элементов Индекс/ код элемента Толщина постр. мм Толщина миним. мм Расчетная величина мм Добавка на износ мм Коэффиц. допуск, износа Коэффиц. допуск, износа Допуск, величина мм Фактам, толщина Примечание

Р S Р S мм мм

- - - - •Го •^min s As т, т2 [S,] Sp -

1 0-10 Лист, примыкающий к ахтериг G3 22.0 14.7 14.7 2.04 0.75 0.65 11.0 16.5 15.4 годен годен

2 2-10 Лист днищевой обшивки G4 19.0 12.3 12.3 2.40 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

3 2-10 Скуловой пояс G5 19.0 123 12.3 2.40 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

4 2-10 Лист бортовой обшивки нз 13.0 12.3 12.3 1.20 0.75 0.65 83 9.8 9.1 годен годен

5 0-0 Лист днищевой обшивки G1 19.0 12.3 12.3 2.40 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен б 0-2 Лист днищевой обшивки G2 19.0 12.3 12.3 2.40 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

7 0-2 Лист бортовой обшивки HI 13.0 12.3 12.3 1.20 0.75 0.65 8.3 9.8 9.1 годен годен

8 0-2 Лист бортовой обшивки Н2 13.0 12.3 12.3 1.20 0.75 0.65 8.3 9.8 9.1 годен годен

9 2-10 Лист боковой стенки юта 12 11.0 8.9 8.9 1.20 0.70 0.55 5.5 8.3 7.7 годен годен

10 2-10 Лист боковой стенки кгга К2 11.0 8.9 8.9 1.20 0.70 0.55 5.5 8.3 7.7 годен годен

11 0-2 Лист боковой стенки юта 11 11.0 8.9 8.9 1.20 0.70 0.55 5.5 8.3 7.7 годен годен

12 0-2 Лист боковой стенки юта К1 11.0 8.9 8.9 1.20 0.70 0.55 5.5 8.3 7.7 годен годен

13 8-10 Лист, примыкающий к ахтериг А1 22.0 14.7 14.7 1.68 0.75 0.65 11.0 16.5 15.4 годен годен

14 8-10 Лист, примыкающий к ахтериг Е1 22.0 14.7 14.7 1.68 0.75 0.65 11.0 16.5 15.4 годен годен

15 8-10 Лист, примыкающий к ахтерш F1 22.0 14.7 14.7 2.04 0.75 0.65 11.0 16.5 15.4 годен годен

16 10-21 Горизонтальный киль FK1 16.0 12.2 12.2 2.40 0.75 0.65 8.0 12.0 11.2 годен годен

17 10-21 Лист днищевой обшивки В1 16.0 10.2 11.1 2.40 0.75 0.65 8.0 12.0 11.2 годен годен

18 10-21 Лист днищевой обшивки Е2 16.0 10.2 10.2 1.80 0.75 0.65 8.0 12.0 11.2 годен годен

19 10-21 Скуловой пояс F2 19.0 10.2 10.2 1.80 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

20 10-21 Скуловой пояс G6 19.0 10.2 10.2 1.68 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

21 10-21 Лист бортовой обшивки G7 19.0 10.2 10.2 2.04 0.75 0.65 9.5 14.3 133 годен годен

22 10-21 Лист бортовой обшивки G8 19.0 10.2 10.2 1.20 0.75 0.65 9.5 14.3 13.3 годен годен

23 10-21 Лист бортовой обшивки Н4 13.0 10.2 10.2 1.20 0.75 0.65 6.7 9.8 9.1 годен годен

24 10-21 Лист боковой стенки юта 13 9.5 7.4 7.4 1.20 0.70 0.55 4.8 7.1 6.7 годен годен

25 10-21 Лист боковой стенки юта КЗ 9.5 7.4 7.4 1.20 0.70 0.55 4.8 7.1 6.7 годен годен