автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Разработка методики генерирования судовых обводов судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева

УДК 629.12.001

КОРЯКИН Андрей Александрович

На правах рукописи

4851556

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ

Специальность 05.08.03 - проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

14 т 20Л

Нижний Новгород 2011

4851556

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Кораблестроение и авиационная техника» ГОУ ВПО «Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева» (НГТУ им. P.E. Алексеева).

Научный руководитель: д.т.н., профессор

Зуев Валерий Андреевич

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор

Ваганов Александр Борисович к.т.н., доцент

Шмаков Виктор Михайлович

Ведущая организация: ОАО КБ «Вымпел», г. Нижний Новгород

Защита состоится 12 октября 2011 г., в 12й8 часов в ауд. 1258 НГТУ им. P.E. Алексеева на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 по специальности 05.08.03 — Проектирование и конструкция судов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ им. P.E. Алексеева.

Отзывы просим направлять в двух экземплярах, заверенных печатью на имя Ученого секретаря диссертационного совета Д 212.165.08 по адресу: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24. Факс: (831) 436-94-75

Автореферат разослан « 23» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Грамузов Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Применение ЭВМ для решения сложных технических задач растет с каждым годом, что приводит к необходимости пересмотра традиционных методов проектирования и широкому применению методов системного анализа, искусственного интеллекта, теории выбора и принятия решений и т.д.

Важнейшим этапом проектирования судна является создание формы поверхности корпуса. Существует множество программных средств, которые проектируют судовую поверхность, но задача именно ее генерирования однозначного решения в наши дни не имеет. Решается она разными способами и в зависимости от способа имеет iy или иную ценность и практическую применимость. В настоящей работе предлагается проектировать поверхность с применением методов теории принятия решений, в качестве способа отбора благоприятных вариантов и оптимизации получаемого результата. Применение указанных методов не может быть единственным путем решения проблемы, его использование опирается на результаты расчетов, анализа и других данных, полученных при использовании других подходов, таких как методы эмпирического и аналитического проектирования судовой поверхности.

Следует отметить значительный вклад в решение данного вопроса таких ученых, как Алексанов A.B., Алымов И.П., Афанасьев В.И., Ашик В.В., Бесполов Ф.Е., Богданов A.A., Бубнов И.Г., Васильев Д.Н., Ваганов А.Б., Гайкович А.И., Готман А.Ш., Карпов А.Б., Ковалев В.А., Курдюмов A.A., Ничипоров М.Н., Ногид Л.М., Павленко Г.Е., Первов В.А., Рейнов М.Н., Троицкий Б.А., Ханович И.Г., Яковлев И.А., Гилмер Дж., Кервин Дж., Купер Г., Тейлор Д. и др.

Необходимость исследований в данной области обусловлена недостаточной проработкой различных вопросов, связанных с проектированием судов с большим коэффициентом общей полноты, тогда как количество подобных судов растет. Подобная ситуация требует создания метода генерирования судовой поверхности, в котором будут решены указанные задачи.

Весомой трудностью является принцип параметризации судовой поверхности, поскольку большинство авторов по-разному задают параметры геометрии и их количество. Во многих методах параметрами выступают формальные величины (коэффициенты многочленов, показатели степеней и

т.д.), которые управляются сложными и неоднозначными зависимостями между параметрами и исходными данными.

Математический аппарат метода генерирования должен, по возможности, проще реализовываться на ЭВМ. В последние годы в судостроении получили широкое применение системы обработки знаний (или основанные на знаниях) ориентированные на решение плохоформализуемых, задач, свойственных человеку и характеризующихся неопределенностью, противоречивостью поступающей информации, субъективизмом процесса принятия решений. Именно такие задачи часто требуется решать при генерировании судовой поверхности.

Таким образом, разрабатываемый метод должен определять следующие базовые положения:

- геометрическую сущность метода;

- математический аппарат метода;

- аппарат методов теории принятия решений;

- технологию реализации математического аппарата метода на ЭВМ.

Из всего вышесказанного можно заключить, что создание современного

метода генерирования судовой поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты является актуальной задачей для современной судостроительной науки и производства.

Цель работы. Целью данного научного исследования является создание методики генерирования судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Для выполнения данной задачи подлежали решению следующие вопросы:

- разработка системы параметров геометрии для описания всего комплекса судовых обводов;

- разработка математической модели описания судовых обводов;

- статистическая обработка данных по судам с полными обводами и установление зависимостей между параметрами геометрии;

- определение расчетных формул для определения параметров геометрии;

- разработка метода использования эмпирических знаний;

- разработка способа устранения неопределенности на различных этапах проектирования на основе теории принятия решений;

- разработка программного комплекса для генерирования судовой поверхности.

Объект научного исследования. Объектом данного научного исследования является судовая поверхность судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Предмет научного исследования. Предметом данного научного исследования является генерирование судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Методы исследования. В ходе работы применялись следующие методы исследования:

- элементы математического анализа (для определения возможности применения полиномов и дуг эллипсов для описания судовых обводов);

- численные методы (для составления зависимостей между параметрами геометрии);

- статистические методы (для исследования выборки судов);

- методы теории вероятностей (для устранения неопределенностей при проектировании);

- методы нечеткой логики (для использования знаний экспертов в виде правил);

- методы теории принятия решений (для выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна);

- элементы теории множеств (для создания объектной модели судовой поверхности);

- методы вычислительной математики (при составлении алгоритмов для реализации на ЭВМ);

Математические модели и методики разрабатывались до создания программ для расчета на ЭВМ.

Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:

- предложена система параметров геометрии, позволяющая, в отличии от имеющихся систем, описывать весь комплекс судовых обводов;

- доработан метод полиномиального описания обводов и впервые распространен на суда с высоким коэффициентом общей полноты;

- предложен подход в описании обводов указанных судов с помощью дуг эллипса;

- проведено статистическое исследование судов с полными обводами и установлены зависимости между параметрами геометрии;

- предложены расчетные формулы для определения параметров геометрии современных полных судов при практическом применении;

- разработан метод оценки параметров геометрии на основе теории принятия решений;

- предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна;

- разработана архитектура программного комплекса, реализующего указанные выше подходы.

Таким образом, на защиту выносятся результаты комплексного научного исследования, посвященного разработке метода генерирования судовой поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту:

- описание обводов с высоким коэффициентом полноты полиномами и эллипсами;

- практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса;

- методика построения судовых обводов;

- способ оценки неопределенности при выборе параметров геометрии судовой поверхности;

- метод выбора прототипа для проектируемого судна;

- архитектура программного комплекса, использующего эмпирические знания.

Практическое значение. Разработан практический метод описания судовой поверхности судов с эллипсоидными обводами при помощи полиномов и дуг эллипсов. Даны практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса, а также применимые на практике способы оценки влияния неопределенности при выборе параметров судна. Предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна. Все указанные методы и приемы реализованы в специально разработанном программном комплексе.

Достоверность. Достоверность результатов исследования подтверждается близостью результатов, получаемых с помощью предложенных подходов, с характеристиками судов, находящихся в настоящее время

эксплуатации. Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.

Апробация работы. Результаты работы были доложены:

- На V, VI, VII, VIII и IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 годах;

- На Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве", посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009 г.

Публикации. Основные материалы исследования отражены в восьми публикациях автора, в том числе две статьи в «Сборнике трудов 1 ЦНИИ МО РФ», входящем в перечень, рекомендованный ВАК РФ.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 236 страниц основного машинописного текста, в том числе 56 рисунков и графиков, 16 таблиц, список литературы из 107 наименований, 5 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, описываются основные результаты научных работ предшественников, излагаются цели настоящего исследования и приводится краткое описание содержания работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору методов генерации судовой поверхности. Рассмотрены различные подходы и приемы проектирования судовой поверхности:

- Эмпирические, под которыми подразумеваются методы, основанные на опыте, статистической обработке данных и т.д. Необходимость анализа данных методов обусловлена тем, что это первые методы, применявшиеся в

практике проектирования судовых обводов, и многие их аспекты используются и в современных методах. Кроме того, в любом проектировании заложен как опыт человека непосредственно создающего объект, так и опыт предыдущих исследователей данного вопроса, что учитывается в эмпирическом подходе.

- Аналитические методы описания судовой поверхности являются базовыми методами, поскольку на их основе строятся все способы генерации и согласования судовых обводов. Рассмотрены основные аналитические методы, проанализированы их достоинства и недостатки. При этом сделан акцент на методах, которые позволяют генерировать обводы, но также рассматриваются методы, разработанные для аппроксимации точек, образующих обводы (сплайн-функции и иные, базирующиеся на них методы). Подобный интерес к сплайнам связан с тем, что любую методику необходимо реализовать на ЭВМ, что можно наилучшим образом выполнить при помощи сплайнов.

- Методы искусственного интеллекта и теории принятия решений позволяют производить проектирование и расчеты при наличии разного рода неопределенностей и знаний, которые трудно формализовать. Одним из рассматриваемых направлений являются способы, позволяющие минимизировать перебор возможных решений, методики сравнения и выбора оптимального решения. Подобные методы существенно помогают решить проблему нехватки входной информации для проектирования.

Также рассмотрены:

Особенности обводов судов с высоким коэффициентом общей полноты. При стремлении коэффициента общей полноты к большим значениям (0,9 и выше), обводы корпуса приобретают цилиндрический (эллипсоидный) или бульбовый вид (см. рисунок 1, а и б соответственно).

Кормовые обводы имеют, как правило, более сложную форму, что существенно усложняет их генерирование. Исследование указанного набора судов показало, что объем скега составляет ■ 0,05-0,09 % от водоизмещения судна, что значительно меньше допустимой погрешности вычислений. Влияние скега на основные линейные параметры формы (Хс, Xf и т.д.) не превышает 0,01%. Таким образом, скег не оказывает существенного влияния на геометрию корпуса судна, поэтому генерация поверхности без скега, с возможным последующим его добавлением, является возможной.

Структура современной САПР. Любой метод генерации судовой поверхности должен быть реализован в виде программного комплекса. Для выполнения этой задачи был произведен анализ структуры и методов построения современных САПР (модульность, применение объектно-ориентированного программирования, различных технологий использования баз данных и т.д.).

Вторая глава посвящена разработке математической модели генерации судовой поверхности.

Для описания обводов корпуса необходимо определить обозначения и ввести необходимые термины. Современная идеология проектирования технических средств предполагает параметрический подход. Это означает, что вид проектируемого объекта зависит от неких параметров, изменение которых приводит к автоматическому изменению зависимых параметров и всего объекта в целом. Для реализации параметрического подхода была определена геометрия корпуса судна и его обводов, а также составлены необходимые зависимости между параметрами геометрии судовой поверхности.

Произведено обобщение метода полиномиального описания обводов. Большинство исследователей описывали корабельные обводы при помощи полиномов, на которые накладывались граничные условия для обеспечения приемлемости получаемой формы кривой. Был использован подход, предложенный Ковалевым, когда функция для описания корабельных обводов определяется как решение краевой задачи дифференциального уравнения, правая часть которого зависит от вектора параметров а1 = (а„а1,...,а1):

0 = /(*,*,), 0<хй1. (1)

Наложением граничных условий и двукратным интегрированием получим функцию, которая может содержать произвольное количество параметров и имеющая вид, приемлемый для корабельной кривой:

т

Л*)*" Л0'*"' +с1*+с2- (2)

При наложении граничных условий, позволяющих применять функцию (1) для описания части обвода (см. рисунок 2), получим:

т

>(У) = ]Га,*"' +Ьс + Т]. (3) 1-1

Из (3) можно получить полиномы различного вида. При описании корабельной кривой несколькими полиномами необходимо связать коэффициенты полнот и центры тяжести отдельных участков с аналогичными параметрами для кривой в целом. Поскольку практически любой обвод можно описать монотонно-убывающей функцией (определенно расположив систему координат), то свяжем указанные параметры обводов соответственно следующими выражениями:

н п _

Р = - и Хс=^~п-. (4)

м

Для описания какого-либо обвода при помощи выражения (3), необходимо наложить на него граничные условия, в результате чего получим систему уравнений. Решив ее, найдем коэффициенты полинома. Приведенные выше рассуждения касаются какой-либо части обвода (носовой или кормовой). Проведенные исследования показывают, что одним полиномом нельзя описать оконечность с высоким коэффициентом полноты, поскольку в нуле функция должна быть горизонтальна, а в единице угол наклона приближается к 90 градусам. Для решения был предложен метод описания одной оконечности двумя полиномами третьей степени (см. рисунок 3).

При подобном подходе накладываются граничные условия, аналогичные описанным выше. Расчет коэффициентов полиномов ведется также аналогично.

граничных условий полинома

Применение указанного метода для построения обводов существующих судов показало, что значение параметра к должно лежать в интервале [0.75;0.85], а для более корректного описания обводов значения С, и 8| необходимо поправлять на величину Д£ = 0.1 и Дб1 = 0.2.

Также был предложен другой метод описания подобных обводов -дугами эллипса, поскольку они полностью удовлетворяют указанным граничным условиям. Несомненным плюсом описания обводов эллипсами является математическая простота, а отрицательным фактором - слабая варьируемость эллипсоидных кривых. Основным недостатком описания обводов эллипсоидными кривыми является постоянство коэффициента полноты и центра- тяжести площади под кривой (для четверти эллипса тс/4 и 4/(Зя) соответственно).

Рисунок 3 - К описанию оконечности обвода двумя полиномами

обеспечения большей

гибкости метода было предложено обобщить уравнения эллипса

Пг

у(х)-ЬМ—г следующим образом: У(.х)

1+ (*-!)#

(5)

Рисунок 4 - Схема преобразования эллипса

я/4-1

где а, Ъ — полуоси эллипса;

к - параметр, определяющий степень "приполнения" кривой (см. рисунок 4).

Накладывая на (5) граничные условия получим выражения для определения значения параметра

к =

л! 4-р

Для выполнения необходимой точности расчетов (обычно 0,5%),

значение к должно быть к 2 20. В тех случая, когда коэффициент к

превышает допустимые значения и погрешность становится больше 0,5%, следует заменить часть участка кривой на сплайн.

Для реализации предложенных методик было осуществлено статистическое исследование судов с высоким коэффициентом общей полноты и получены зависимости между параметрами геометрии. В качестве основных зависимостей приняты зависимости различных параметров формы (/Но, 'ко. Хс и т.д.) от коэффициента общей полноты 5 (см. рисунок 5). Исследования проводились для судов с эллиптическими и бульбовыми обводами. Ниже представлены основные зависимости для эллипсоидных обводов (для носовой

/но = -3,475 + 3,32 ±0,03 (6)

= -0,285+ 0,27 ±0,02 (7)

Х{ =-0,665 + 0,59 ±0,02 (8)

хь =0,1935 - 0,155 ±0,001 (9)

5Н0 = 3,055- 1,97 ±0,03 (10)

Уно = 3,095-2,06 ±0,03 (11)

ан0 = 3,145-2,13±0,03 (12)

/Бно = ~ 1,665+ 1,57 ±0,02 (13)

/Вно = -0,2995+ 0,334 ±0,02 (14)

*с(но) = 0,185но + 0,22±0,02 (15)

хцно) = 0,22уно + 0,21 ± 0,02 (16) х«но) = 0,27аНо + 0,19 ±0,02 (17)

Используя зависимости (6)-(17) и главные размерения построим диаметральный батокс, шпангоут наибольшего сечения и конструктивную ватерлинию. Для построения промежуточных ватерлиний используются строевые по ватерлиниям отдельных участков каждой ватерлинии в виде зависимостей коэффициентов полнот площадей оконечностей ватерлиний от аппликаты (осадки). Имея множество ватерлиний можно получить все остальные обводы и сечения.

Третья глава освещает построение модели программного комплекса (САПР), который автоматизирует реализацию описанных выше методов.

Для наиболее эффективной разработки программного комплекса и использования объектно-ориентированного программирования было проведено исследование предметной области с позиций системного подхода. Все основные объекты и их взаимодействие были описаны в рамках 12

Рисунок 5 - Порядок поиска параметров формы судовых обводов.

теории множеств: корпус в целом, каркас (диаметральный батокс, конструктивная ватерлиния, шпангоуты наибольшего сечения, палуба), промежуточные обводы (шпангоуты, ватерлинии, батоксы), а также способы получения одних обводов через другие (рассечение множества одних обводов соответствующими плоскостями).

Далее была разработана структура программного комплекса с учетом принципа модульности (т.е. независимые процессы и вычисления отнесены в разные модули), а также предложена схема взаимодействия модулей (см. рисунок 6).

Модупь расчета геометрических параметров

Модупь расчета геометрии

Эмпирические зависимости и расчетные формулы

/*, - - х-га * з.*:

/ко --0.476+ 0.59 *с 0.285 + 0.2" Пю-я.095 - 2.06 Осо в 0.45с + 0..Ч1

Исходные даты* ивд, Н.....0\М

1.«1оо — а>ю ЦК»20«»*е<1

I!______Г

Модуль выбора прототипа

Зависимости для пересчета данных с прототипа

Геометрические параметры 'во.*« .л .¿яо.По.ояо Лго. . тспк, . Т^го,

Графический модуль

Ш1ч:.и.з.. М! ш;-// и е.!еп

¡¿ь.з 6.

Модуль экспорта

т4/

Графическое изображение

Файл экспорта

Рисунок 6 - Принципиальная структура САПР

Пользователь вводит исходные данные - Ь, В, Т, Н и т.д., который в общем случае неполный, недостаточный для формирования набора данных для расчета геометрических параметров. Для дополнения исходных данных до необходимого комплекта используется модуль выбора прототипа, после чего данные прототипа пересчитываются для соответствия исходным данным. В результате получаем набор данных для построения, из которого, при совместной обработке с эмпирическими зависимостями модулем

расчета геометрических параметров, получаем геометрические параметры (/но,/кои т.д.).

Для создания эмпирических зависимостей и расчетных формул, а также для выбора прототипа используется база знаний, которая состоит из базы банных проектов судов-прототипов и базы правил. База данных обрабатывается модулем статистической обработки, в результате чего получаем зависимости и законы распределения различных параметров. Правила обработки, различные условия и ограничения хранятся в базе правил. Для получения расчетных зависимостей статистическая информация обрабатывается модулем логической обработки с учетом правил из базы правил. Итогом работы статистического и логического модуля является комплект расчетных формул, достаточных для расчета геометрических данных, достаточных (конечных) для построения обводов. Геометрические данные получаются обработкой геометрических параметров модулем расчета геометрии. Геометрические данные представляют собой точки и характеристики кривых (углы наклона и т.д.), которые аппроксимируются сплайнами и отображаются на экране с помощью графического модуля.

База данных состоит из одной главной таблице и п (по числу проектов в главной таблице) вспомогательных таблиц с геометрическими данными каждого проекта. В главной таблице содержатся основные данные по проекту (номер, класс, размерения, водоизмещение, скорость хода ит.д.), во вспомогательных таблицах хранится информация о геометрии отдельных участков корпуса.

Для реализации вероятностного подхода в определении и использовании величин, полученных статистическим путем, необходимо получить закон распределения (см. рисунок 7). При этом, наиболее вероятным будет значение, которое получается из зависимости, полученной по той же самой выборке, а остальные значения будут менее вероятны (реже встречаются в выборке). Для определения, на сколько менее вероятно

,Р(Хс),%

Р(ХС1)---

Хлл у V* V у<л

с Лс| Ас Ас2 Ас

Рисунок 7 - Распределение параметра геометрии

одно значение от другого, используем функцию приближения (18):

0 = 5>Л. О8)

м>! - весовой коэффициент /'-го параметра; Л, = ^- - частный критерий

эффективности, характеризующий отклонение частного параметра от наиболее вероятного. Для удобства запишем (18) в виде

е=5>,(*,-1). (19)

>>|

Тогда, если проектируемое судно описывается наиболее вероятными значениями параметров, то значение отношений Л, будет равно единице, а значение функции приближения (19) нулю, т.е. б(*()| 0.

Значение весовых коэффициентов сильно влияет на окончательный результат. Основная задача весовых коэффициентов - определить количественную составляющую приоритета одних данных над другими.

Предлагается также весовой коэффициент назначать в виде функции от критерия эффективности мг,= /(Л,). В этом случае (19) будет выглядеть как

я

б = -1). В этом случае весовые коэффициенты могут быть назначены

ы

путем обработки базы данных или при помощи правил из базы правил.

Другим аспектом применения вероятностного подхода является выбор прототипа для проектируемого судна, который является источником информации при неполном наборе исходных данных. Выбор прототипа производится из базы данных судов-прототипов в два этапа. На первом этапе производится отсев вариантов по ограничениям параметров (размерения, класс, район плавания и т.д.), в результате получаем множество судов, из которых необходимо выбрать наиболее близкий к проектируемому судну: А = {А;, А2,..., А],..., Л/у}. Для этого воспользуемся функцией приближения (18), которую запишем в виде:

=!>,№-1), (20)

ы

где Щ- коэффициент приближения прототипа к проекту; - весовой коэффициент г-го признака. Л,- - относительное отклонение показателей прототипа от проекта. Для вычисления Л/ используем следующее выражение:

R, =

aJ<

—. аЛР,

p< . (21)

Pi

— • <P, a„

Далее необходимо вычислить коэффициенты К для всех прототипов из А и выбрать наименьший, т.е. минимизировать (20) К -» min. Для того, чтобы в расчетах не участвовали отрицательные данные (например центр величины), было предложено нормировать подобные параметры (р) в

абсолютном р = у + р, или относительном + ^ виде.

Для подбора прототипа необходимо задать весовой коэффициент каждого параметра геометрии. Если все параметры равноценны, то весовые коэффициенты будут равны единице. С ростом числа параметров растет неоднозначность результата, т.к. второстепенные параметры начинают влиять на значение коэффициента приближения, поэтому при значительном числе параметров необходимо задавать весовые коэффициенты. Проведенные исследования показывают, что максимальное число примерно одинаковых по важности параметров (т.е. имеющих одинаковые весовые коэффициенты), которое не влияет на окончательный результат, равно пяти. Для получения адекватных результатов в случае отсутствия информации, позволяющей корректно задать весовые коэффициенты, следует отобрать для расчета примерно одинаковые по важности величины и произвести расчет по ним. При этом параметры разбиваются на группы, и каждой группе присваивается значение весового коэффициента. Тогда каждому параметру из группы будет соответствовать одинаковое значение весового коэффициента.

Можно назначать весовые коэффициенты с определенным шагом, для чего необходимо определить границы интервала изменений весовых коэффициентов W и разделить на количество групп (подмножеств) т-1, в результате получим величину шага:

dw=^W~MW. (21.1) т-1

Тогда значение весового коэффициента для каждого подмножества находится по следующему выражению:

w( =m{W + dw(i-l), I = 1 + в». (21.2)

Разумеется, подобные методы можно использовать только для предварительных исследований или на начальных этапах работы. Для получения более адекватных и корректных результатов необходимо назначать весовые коэффициенты для каждой группы параметров или для каждого параметра отдельно.

Для реализации описанных выше методов обработки информации в программном комплексе используется база правил, содержащая формализованные знания экспертов и различные зависимости, представленные в виде структурированного текста:

Правило 1 : ЕСЛИ [Условие 1] ТО [Заключение 1] (К^

Правило 2 : ЕСЛИ [Условие 2] ТО [Заключение 2] (К2) (22)

Правило п : ЕСЛИ [Условие п] ТО [Заключение п] (Кп),

где К{ - коэффициенты определенности или весовые коэффициенты соответствующих правил.

Зависимости условно разделим на используемые при проектировании и при проверке результата (для выдачи заключения или рекомендации). Все зависимости, используемые в виде правил при создании обводов корпуса, будем подразделять на "рекомендации" и "формулы". Разница состоит в степени формализации и однозначности входящих в зависимость величин и получаемых результатов. Все "формулы" в конечном итоге являются "рекомендациями", поскольку все уравнения имеют диапазон приемлемых значений аргументов, что автоматически добавляет неравенства в выражение.

Разделение на проектировочные и проверочные правила позволяет создать более эффективный программный комплекс для проектирования обводов судна, поскольку дает возможность одновременно использовать различные правила и зависимости, т.к. существует значительное количество зависимостей для нахождения какой-либо величины, используемой при расчетах. Вычисление можно производить по одной формуле, а проверять при помощи других. Проверка всей совокупности зависимостей позволяет наиболее адекватно оценить правильность полученного значения.

В правилах используются три типа данных:

- целые числа (как правило, это количество чего-либо - винтов, шпангоутов, контейнеров и т.д., или обозначение типов и пр.);

- действительные числа (практически все расчетные величины выражаются в действительных числах);

- символьные данные (символами обозначаются сущности, которые затруднительно или нецелесообразно представлять целыми числами -символы класса, марки оборудования и т.д.).

Использование правил позволило использовать в расчетах слабо формализуемые данные и повысить эффективность предлагаемой методики.

Четвертая глава посвящена описанию программного комплекса, созданного на основе результатов и подходов, отраженных в предыдущих главах.

Для выбора средств программирования был произведен анализ существующих языков программирования, сред разработки программ, технологий работы с базами данных и т.д. В результате было принято решение создавать программный комплекс в интегрированной среде разработки приложений для Windows Delphi 7. Для работы с базами данных применяется система управления базами данных MS Access и технология ADO, позволяющая представлять данные из баз данных в объектно-ориентированном виде, который является основной парадигмой программирования. В некоторых случая применяется процедурная концепция.

Программный комплекс имеет модульную структуру, при которой части программного комплекса, которые могут или должны работать автономно, разнесены в разные модули. Подобный подход позволяет развивать комплекс более эффективно. Модульный подход предполагает, что код приложения каждого модуля содержится в отдельных файлах, не зависящих напрямую от остальных файлов программы. В ходе разработки программного комплекса была разработана структура, позволившая эффективно решить поставленные задачи.

Каждый модуль приложения состоит из файлов кода, которые хранятся в отдельных директориях. Кроме основных файлов кода, используются также различные библиотеки и файлы с вспомогательным кодом, которые хранятся в специализированной директории Source.

В основе программы лежит классовая архитектура, обеспечивающая работу

приложения. Классы приложения (кроме классов окон) представлены в таблице

1. 18

Таблица 1 - Назначение основных классов, определенных в программном комплексе.

Класс Назначение

ТБЫр Содержит базовую информацию о параметрах проекта (главные размерения, коэффициенты полнот и т.д.).

ТБЫрРгоЮ Содержит информацию о прототипе.

ТМегтесЛЛпез Описывает промежуточные обводы судовой поверхности.

ТЫпеБркп Описывает теоретический чертеж судна, получаемый обработкой судовой поверхности.

ТЗЫрХУкеРгате Описывает каркас судовой поверхности.

ТБЫрИеЫюпз Содержит данные о зависимостях межу геометрическими параметрами, а также функции получения и обработки зависимостей.

ТМЫ Содержит переменные, функции и структуры, необходимые для получения и обработки правил.

ТБЫрРгоЬаЬПку Инкапсулирует поля и методы, необходимые для реализации вероятностного подхода.

ТТгате Класс, описывающий шпангоут при занесении нового проекта в БД проектов судов.

ТНи11 Класс, описывающий весь корпус (набор шпангоутов).

Т1Лпе Класс, описывающий линию в составе шпангоута.

Для удобства пользователя был спроектирован дружественный интерфейс, позволяющий эффективно использовать программу. Интерфейс состоит из восьми основных окон, необходимых для реализации всех описанных выше методов. Классы соответствующих окон и их описание представлено таблице 2.

Таблица 2 - Назначение основных окон, определенных в программном комплексе.

Класс Назначение

ТРогтМ}а1а Класс главного окна.

ТРогтОВрпог Класс окна, управляющего выбором прототипа.

ТРогшАСАБ Класс окна, обеспечивающего построение судовых обводов в АЩоСАБе.

TFormRelat Класс окна, обеспечивающего построение зависимостей между параметрами геометрии.

TForm3View Класс окна, отображающего обводы вновь вносимого проекта

TFormKnow Класс окна, управляющего правилами.

TFormStat Класс окна, управляющего статистическими исследованиями

TFormC Класс окна, позволяющего создавать модель вновь вносимого в БД судна.

Использование программного комплекса позволяет получить качественные судовые обводы в трехмерном виде и теоретический чертеж, пример которых представлен на рисунке 8.

peacifr Corner of tindov, enter • scale factor fnl or nlP). or fre-.i ESC or DUES to eait. or rÍ9ht-cJick to display eborteut .

иоде. 07*20.0 «W

StW- GWÓ OfiTHO POLW ISliS LWT [MOML

Рисунок 8 — Трехмерная модель подводной части судовой поверхности в AutoCAD и теоретический чертеж, созданный по ней.

Пятая глава посвящена оценке адекватности разработанных методов, т.е. их верификации. Проведена оценка адекватности математической модели генерирования судовых обводов, для чего был спроектирован полный комплекс судовых обводов реального судна и получены приемлемые результаты (см. рисунок 9). Обводы описывались полиномами и дугами эллипса, после чего были построены в AutoCAD при помощи сплайнов.

—===

10 19.75 195 ¡9.15 19 ИИ Ш 1В 17.5 17

/

±

/

т-

1 0.75 0 5

10 19.7! 19.5 19.13 19 13.75 18.5 1Я 17.5 17

ДБ

. цг цз .

х'

/ /

5 4 > 1 1 0

да

5

ж

2

1 /I

Рисунок 9 - Полный комплекс судовых обводов в подводной части корпуса.

Проверка адекватности метода подбора наиболее близкого прототипа производилась с использование базы данных судов-прототипов. Среди используемых прототипов будем иметь в наличии заведомо самый близкий к проектному, чтобы правильность выбора была очевидной.

Проверка велась в двух вариантах:

1. Все параметры принимаются равнозначными, поэтому значения весовых коэффициентов для любого из параметров будем считать равным единице, т.е. iv, = 1.0 = const.

2. Весовые коэффициенты будем назначать в соответствии с методикой, предложенной ранее, т.е. разбив все параметры на группы по степени важности и назначив каждой группе весовых коэффициентов.

Результаты проверки показали приемлемость предложенного метода и подтвердили важность корректного назначения весовых коэффициентов.

Для проверки адекватности методики вероятностного подхода были использованы данные, полученные в предыдущем расчете. Расчет произведен, предполагая, что значения параметров подчиняются нормальному закону распределения. Расчет производился в трех вариантах:

1. Все параметры принимаются равнозначными, поэтому значения весовых коэффициентов для любого из параметров будем считать равным единице, т.е. w, = 1.0 = const.

2. Весовой коэффициент для каждого параметра назначим в соответствии с законом распределения этого параметра.

3. ВК назначим, разбив все параметры на группы по степени важности и назначив каждой группе весовых коэффициентов.

Верификация показала адекватность и корректность предложенной методики оценки приближения существующих или проектных параметров геометрии судовой поверхности к расчетным.

Оценка корректности обработки правил производилась при помощи расчетов, осуществленных с использованием простых и однозначно трактуемых правил, которые задействовались по одному или небольшими группами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тема диссертационной работы относится к одной из наиболее актуальных задач проектирования судов - проектированию судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Задача решается с помощью методов математического анализа, математической статистики, теории принятия решений и теории вероятностей.

В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие основные результаты:

1. Исследована возможность описания судовых обводов с высоким коэффициентом полноты с помощью полиномов различных степеней.

2. Разработан способ описания и управления полиномами для описания подобных обводов.

3. Разработан прием описания различных судовых обводов с высоким коэффициентом полноты дугами эллипса.

4. Проведено статистическое исследование проектов судов смешанного плавания для определения зависимостей между параметрами корпуса.

5. На основе данных зависимостей даны рекомендации по определению параметров геометрии судовой поверхности.

6. Создан способ учета неопределенности при выборе параметров геометрии.

7. Создан метод выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна.

8. Разработана структура программного комплекса, использующего различные эмпирические знания.

9. Разработана структура базы данных проектов судов и принцип обработки информации в ней для получения зависимостей между параметрами геометрии.

Ю.Разработан прием написания правил, содержащих эмпирические сведения.

11 .Разработана база правил, используемая для хранения эмпирических знаний и правил обработки различной информации в программном комплексе.

12.Разработан программный комплекс, реализующий идеи и результаты проведенного исследования.

13.Разработана методика построения полного комплекса судовых обводов на основе предложенных выше подходов.

М.Произведен численный эксперимент в виде проектирования судовых обводов реального проекта с применением предложенных средств.

15.Показана удовлетворительная сходимость результатов, полученных при использовании разработанных математических моделей и данных проекта.

Результаты выполненных в диссертации исследований использованы кафедрой "Кораблестроение и авиационная техника" Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева в учебной деятельности для разработки студентами теоретических чертежей судов и ОАО НОКБ «Лед» для инженерных разработок. Предложенные методы рекомендуются к использованию при проектировании судов смешанного плавания с эллипсоидными обводами с высоким коэффициентом общей полноты.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА

I. В издании, входящем в перечень ВАК РФ

1. Корякин A.A. Исследование геометрических характеристик обводов судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Сборник трудов 1 ЦНИИ МО РФ, №4, СПб, 2010 г, с. 201-208.

2. Корякин A.A. Обобщенный подход к полиномиальному описанию судовых обводов. Сборник трудов 1 ЦНИИ МО РФ, №4, СПб, 2010 г, с. 208-216.

II. Прочие издания

3. Корякин A.A. Новые способы генерирования теоретического чертежа судна. / Тезисы докладов V международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. P.E. Алексеева, Н.Новгород, 2006, с. 167-168.

4. Корякин A.A. Исследование особенностей аналитического проектирования поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты. / Тезисы докладов VI международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. P.E. Алексеева, Н.Новгород, 2007, с. 160-161.

5. Корякин A.A. Применение интеллектуального поиска решения при проектировании поверхности судов с полными обводами. / Тезисы докладов VII международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. P.E. Алексеева, Н.Новгород, 2008, с. 162.

6. Корякин A.A. Интеллектуальный поиск решения при проектировании поверхности судов с полными обводами. // Морская газета, специальный выпуск № 24 «Оборонный заказ», 23 сентября 2009, с. 25-27.

7. Корякин A.A. Использование методов искусственного интеллекта при разработке исследовательской САПР для проектирования поверхности судов с полными обводами. / Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве", посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева 17-20 ноября 2009г., Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009, с. 64-71.

8. Корякин A.A. Применение параметризации для проектирования поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты. / Тезисы докладов IX международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки". НГТУ им. P.E. Алексеева, Н.Новгород, 2010, с. 208.

КОРЯКИН Андрей Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 27.05.2011. Формат 60 х 84 1/{6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 422.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

61 11-5/3480

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е. Алексеева

КОРЯКИН Андрей Александрович

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ОБВОДОВ СУДОВ СМЕШАННОГО ПЛАВАНИЯ С ВЫСОКИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ОБЩЕЙ ПОЛНОТЫ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.08.03 - проектирование и конструкция судов

Научный руководитель -д.т.н., профессор В.А. Зуев

Нижний Новгород 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ............4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................6

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ..........................................................12

1.1 Эмпирический подход в проектировании судовой поверхности.... 12

1.2 Аналитических методы..........................................................14

1.3 Методы искусственного интеллекта и возможность их применения для генерирования судовой поверхности..................31

1.4 Особенности обводов судов с высоким коэффициентом

общей полноты.....................................................................39

1.5 Структура современной САПР................................................42

1.6 Выводы и постановка задачи исследования...............................48

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГЕНЕРИРОВАНИЯ СУДОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ..........................50

2.1 Параметризация геометрии корпуса........................................50

2.2 Обобщенный подход к полиномиальному описанию судовых обводов...............................................................................58

2.3 Описание судовых обводов дугами эллипса..............................69

2.4 Статистическая обработка данных проектов судов с высоким 8 и получение зависимостей между параметрами формы судовой поверхности..........................................................................75

2.5 Методика построения судовых обводов предложенными средствами..........................................................................86

2.6 Резюме...............................................................................92

3 РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРЫ САПР С ЭЛЕМЕНТАМИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ........................................93

3.1 Системный анализ предметной области исследования................93

3.2 Разработка структуры САПР................................................100

3.3 Проектирование базы данных судов-прототипов и метода

ее обработки......................................................................106

3.4 Проектирование базы правил................................................119

3.5 Метод выбора прототипа для проектируемого судна.................128

3.6 Резюме..............................................................................135

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.......................136

4.1 Обоснование выбора средств программирования......................136

4.2 Структура программного комплекса........................................139

4.3 Разработка интерфейса и управления ПК................................146

4.4 Резюме..............................................................................157

5 ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ........158

5.1 Оценка адекватности математической модели

генерирования судовой поверхности......................................158

5.2 Оценка адекватности метода подбора прототипа......................165

5.3 Оценка адекватности вероятностного подхода..........................169

5.4 Оценка адекватности метода обработки правил........................173

5.5 Резюме.............................................................................177

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................178

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................185

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.........................................................................186

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.........................................................................189

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.........................................................................192

ПРИЛОЖЕНИЕ 5.........................................................................196

3

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АСНИ автоматизированная система научных исследований

БД база данных

БЗ база знаний

БП база правил

ВП вероятностный подход

ИИ искусственный интеллект

ИС интеллектуализированная система

КОП коэффициент общей полноты

КПП коэффициент полноты площади

ММ математическая модель

МШ мидель-шпангоут

ООП объектно-ориентированное программирование

пг параметры геометрии

ПК программный комплекс

САИПР система автоматизированного исследовательского проектирования

САПР система автоматизированного проектирования

СИП система с интеллектуальной поддержкой

СО судовые обводы

СП судовая поверхность

сив строевая по ватерлиниям

спш строевая по шпангоутам

ссп судно смешанного плавания

СУБД система управления базой данных

тз техническое задание

ТПР теория принятия решений

ФП функция приближения

ШНС шпангоут наибольшего сечения

эс экспертная система

/но относительная длина носовой оконечности

/ко относительная длина кормовой оконечности

относительная длина носовой оконечности цилиндрической

4гц

вставки

относительная длина кормовой оконечности цилиндрической

4ц

вставки

/ц относительная длина цилиндрической вставки

хс относительная абсцисса центра величины

относительная абсцисса центра тяжести ватерлинии хъ относительная абсцисса центра тяжести батокса

5но коэффициент полноты водоизмещения носовой оконечности 5ко коэффициент полноты водоизмещения кормовой оконечности уно КПП носовой оконечности батокса уко КПП кормовой оконечности батокса аНо КПП носовой оконечности ватерлинии аКо КПП кормовой оконечности ватерлинии /БНо относительная длина носовой оконечности батокса /Бко относительная длина кормовой оконечности батокса /Вно относительная длина носовой оконечности ватерлинии /вко относительная длина кормовой оконечности ватерлинии Хс(но) относительная абсцисса центра тяжести носовой оконечности хС(ко) относительная абсцисса центра тяжести кормовой оконечности относительная абсцисса центра тяжести носовой оконечности

*Ь(НО)

батокса

относительная абсцисса центра тяжести кормовой оконечности

*Ь(КО)

батокса

относительная абсцисса центра тяжести носовой оконечности

^(НО)

ватерлинии

относительная абсцисса центра тяжести кормовой оконечности

*Г(КО)

ватерлинии

ВВЕДЕНИЕ

Применение ЭВМ для решения сложных технических задач растет с каждым годом, что приводит к необходимости пересмотра традиционных методов проектирования. Стремление решать задачи последовательно и в комплексном объеме привело к созданию систем автоматизированного проектирования (САПР). Так как кораблестроение является одним из передовых направлений научно-технической мысли, то подобные изменения происходят и в практике проектирования и постройки судов. В современной теории проектирования широкое применение находят методы системного анализа, искусственного интеллекта, теории выбора и принятия решений и т.д. [27,43,88].

Важнейшим этапом проектирования судна является создание формы поверхности корпуса, поскольку она оказывает самое существенное влияние на мореходные качества корабля. Логическим завершением этой стадии проектирования в прошлом являлось изготовление теоретического чертежа корпуса судна. В наши дни существует множество программных средств, которые тем или иным способом проектируют чертеж или его согласовывают, но задача именно генерирования корпуса однозначного решения в наши дни не имеет. Решается она разными способами и в зависимости от способа имеет ту или иную ценность и практическую применимость. В настоящей работе предлагается проектировать поверхность с применением методов теории принятия решений, как одного из способов отбора благоприятных вариантов и оптимизации получаемого результата. Применение указанных методов не может быть единственным путем решения проблемы, его использование опирается на результаты расчетов, анализа и других данных, полученных при использовании других подходов, таких как методы эмпирического и аналитического проектирования судовой поверхности [13,55].

Тем не менее, выбор и проектирование обводов корпуса остается главной и наиболее сложной задачей на этом этапе. Следует отметить значительный вклад в решение данного вопроса таких ученых, как A.A. Богданов, A.A. Курдюмов, И.А. Яковлев, Г.Е. Павленко, В.А. Первов, А.Ш. Готман, JIM. Ногид, В.В. Ашик, А.Б. Карпов, В.А. Ковалев, Б.А. Троицкий, Е. Канторович, Дж. Кервин, Г. Купер, Дж. Гилмер и др. [6,27,32,77,80].

Необходимость исследований в данной области продиктована тем фактом, что разработка вопросов, связанных с проектированием судов с большим коэффициентом общей полноты ведется в недостаточном количестве, в то время, как количество подобных судов постоянно увеличивается. Имеются значительные пробелы в знании сопротивления полных судов, проектировании форм оконечностей и т.д. Недостаточно разработаны приемы аналитического описания обводов и их реализации на компьютере. Подобная ситуация требует создания метода генерирования судовой поверхности, в котором будут решены указанные задачи.

Весомой трудностью является принцип параметризации судовой поверхности, поскольку большинство авторов по-разному задают параметры геометрии и их количество, тогда как эти параметры прямо влияют на построение аналитического описания обводов. Во многих методах параметрами выступают формальные величины (коэффициенты многочленов, показатели степеней и т.д.), изменение которых осуществляется посредством сложной, а иногда и неоднозначной зависимости между параметрами и исходными данными, что усложняет управление кривыми и лишает уравнения "физичности". Поскольку критерием эффективности является применение на практике, то метод генерирования должен, по возможности, проще переводиться в плоскость программирования и создания конкретных работающих сред разработки проектов судов.

В последние годы в различных областях получили широкое применение разнообразные интеллектуальные системы: поддержки принятия решений, экспертные, обучающие, тренажерные и др., являющиеся в своей основе системами обработки знаний. Системы обработки знаний (или основанные на знаниях) ориентированы, прежде всего, на решение плохоформализуемых, слабоструктурированных задач, свойственных человеку и характеризующихся некоторой нечеткостью, неопределенностью, противоречивостью поступающей информации, субъективизмом процесса принятия решений. Именно такие задачи часто требуется решать при генерировании судовой поверхности [25,34,72].

Другой современной, интенсивно развивающейся тенденцией, является разработка и интеграция баз технических знаний в комплексные системы проектирования, производство и контроль технических объектов. Определение принципов построения и основ функционирования интеллектуальных систем в области сложных производственных технологий, без которых затрудняется

развитие систем автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM), а также комплексных систем управления качеством [25,75].

Таким образом, разрабатываемый метод должен определять следующие базовые положения:

- геометрическую сущность метода;

- математический аппарат метода;

- аппарат методов теории принятия решений;

-технологию реализации математического аппарата метода на ЭВМ.

Из всего вышесказанного можно заключить, что создание современного метода генерирования судовой поверхности судов с высоким коэффициентом общей полноты является актуальной задачей для современной судостроительной науки и производства.

Цель работы. Целью данного научного исследования является создание методики генерирования судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты. Для выполнения данной задачи подлежали решению следующие вопросы:

- разработка системы параметров геометрии для описания всего комплекса судовых обводов;

- разработка математической модели описания судовых обводов;

- статистическая обработка данных по судам с полными обводами и установление зависимостей между параметрами геометрии;

- определение расчетных формул для определения параметров геометрии;

- разработка метода использования эмпирических знаний;

- разработка способа устранения неопределенности на различных этапах проектирования на основе теории принятия решений;

- разработка программного комплекса для генерирования судовой поверхности.

Объект научного исследования. Объектом данного научного исследования является судовая поверхность судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Предмет научного исследования. Предметом данного научного исследования является генерирование судовой поверхности судов смешанного плавания с высоким коэффициентом общей полноты.

Методы исследования. В ходе работы применялись следующие методы исследования:

- элементы математического анализа (для определения возможности применения полиномов и дуг эллипсов для описания судовых обводов);

- численные методы (для составления зависимостей между параметрами геометрии);

- статистические методы (для исследования выборки судов);

- методы теории вероятностей (для устранения неопределенностей при проектировании);

- методы нечеткой логики (для использования знаний экспертов в виде правил);

- методы теории принятия решений (для выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна);

- элементы теории множеств (для создания объектной модели судовой поверхности);

- методы вычислительной математики (при составлении алгоритмов для реализации на ЭВМ);

Математические модели и методики разрабатывались до создания программ для расчета на ЭВМ.

Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:

- предложена новая система параметров геометрии, позволяющая, в отличии от имеющихся систем, описывать весь комплекс судовых обводов;

- доработан метод полиномиального описания обводов и впервые распространен на суда с высоким коэффициентом общей полноты;

- предложен новый подход в описании обводов указанных судов с помощью дуг эллипса;

- впервые проведено статистическое исследование судов с полными обводами и установлены зависимости между параметрами геометрии;

- предложены новые расчетные формулы для определения параметров геометрии современных полных судов при практическом применении;

- разработан метод оценки параметров геометрии на основе теории принятия решений;

- предложен новый способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна;

- разработана архитектура программного комплекса, реализующего указанные выше подходы.

Таким образом, на защиту выносятся результаты комплексного научного исследования, посвященного разработке метода генерирования судовой поверхности.

Основные положения, выносимые на защиту:

- описание обводов с высоким коэффициентом полноты полиномами и эллипсами;

- практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса;

- методика построения судовых обводов;

- способ оценки неопределенности при выборе параметров геометрии судовой поверхности;

- метод выбора прототипа для проектируемого судна;

- архитектура программного комплекса, использующего эмпирические знания.

Практическое значение. Разработан практический метод описания судовой поверхности судов с эллипсоидными обводами при помощи полиномов и дуг эллипсов. Даны практические рекомендации по выбору параметров геометрии корпуса, а также применимые на практике способы оценки влияния неопределенности при выборе параметров судна. Предложен способ выбора наиболее близкого прототипа для проектируемого судна. Все указанные методы и приемы реализованы в специально разработанном программном комплексе.

Достоверность. Достоверность результатов исследования подтверждается близостью результатов, получаемых с помощью предложенных подходов, с характеристиками судов, находящихся в настоящее время эксплуатации. Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.

Апробация работы. Результаты работы были доложены:

- На V, VI, VII, VIII и IX Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижний

Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010 годах;

- На Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве", посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета имени P.E. Алексеева, Нижний Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева, 2009 г.

По теме диссертации опубликовано восемь работ.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры "Кораблестроение и авиационная техника" НГТУ им. P.E. Алексеева. Настоящая работа выполнена под руководством заведующего кафедрой "Кораблестроение и авиационная техника", д.т.н., профессора В.А. Зуева, которому автор выражает глубокую признательность за помощь и создание благоприятных условий для выполнения работы. Автор также считает своим долгом выразить благодарность д.т.н., проф. Е.М. Грамузов�