Содержание к диссертации
Введение
1. Методология и структура системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна 2!
1.1. Основные принципы методологии автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна 21
1.1.1. Общие положения 21
1.1.2. Системный подход и декомпозиция в автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна 22
1.1.3. Моделирование в автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна 26
1.1.4. Рациональная стратегия проектирования и итерационные решения задач автоматизированного проектирования конструкций 29
1.2. Структура системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна 32
1.2.1. Общие положения 32
1.2.2. Общая структура системы автоматизированного параметрического проектирования 35
1.2.3. Блок общепроектных задач. Блок расчета нагрузок на тихой воде 37
1.2.4. Блок конструктивного моделирования 43
1.2.5. Блок проектирования конструкций в соответствии с общими требованиями Правил 45
1.2.6. Блок проектирования конструкций усилений 47
1.2.7. Блок проверочных рачетов прочности 50
1.2.8. Блок формирования отчетного документа 51
1.3. Структура базы данных и методические основы её формирования 52
1.3.1. Общие положения 52
1.3.2. База данных по судовым помещениям/отсекам, материалам, сортаментам 57
1.3.3. База данных проекта 66
1.3.4. Результаты работы системы 69
1.4. Выводы по главе 1 75
2 Геометрическое и конструктивное моделирование корпуса судна и его структурных составляющи 77
2.1. Общие положения 77
2.2. Геометрическое моделирование формы корпуса судна 83
2.2.1. Графический редактор 83
2.2.2. Методика трансформации геометрических форм 84
2.2.3. Методика геометрического моделирования путем объединения геометрических форм 89
2.2.4. Преобразование форматов описания геометрии корпуса корабля и его структурных составляющих 90
2.3. Геометрическое моделирование внутренних структур корпуса судна 93
2.3.1. Общие положения методики геометрического моделирования внутренних структур корпуса судна 93
2.3.2. Алгоритм формирования геометрических моделей внутренних структур корпуса судна 94
2.4. Конструктивное моделирование корпуса судна и его структурных составляющих 100
2.4.1. Принципы структурной декомпозиции и правила кодирования элементов конструкции 100
2.4.2. Общий алгоритм формирования базы данных «Конструкция». 114
2.4.3. Автоматизированное формирование базы данных «Конструкция» для заданного поперечного сечения корпуса судна 116
2.4.4. Автоматизированное формирование базы данных «Конструкция» для заданного района по длине корпуса судна 118
2.5. Выводы по главе 2 125
3. Моделирование задач автоматизированного параметрического проектирования конструкций . 128
3.1. Принципы моделирования оптимизационно-поисковых задач и выбор метода решения 128
3.1.1. Общи*? положения 128
3.1.2. Основные принципы моделирования 131
3.1.3. Методы решения задач математического программирования 139
3.2. Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна 143
3.2.1. Основные понятия теории планирования эксперимента 143
3.2.2. Применение положений теории планирования эксперимента к задачам проектировании конструкций корпуса судна 154
3.3. Алгоритм и программное обеспечение построения многофакторных регрессионных моделей поведения конструкций 165
3.3.1. Отбор существенных факторов и оценка реальных границ областей их определения 165
3.3.2. Формирование матрицы планирования эксперимента 167
3.3.3. Выполнение численных машинных экспериментов над программной моделью конструкции; формирование массива значений функции отклика 172
3.3.4. Выбор модели и определение коэффициентов регрессии 172
3.3.5. Статистический анализ уравнения регрессии 174
3.4. Выводы по главе 3 177
4. Применение методологии автоматизированного проектирования корпусных конструкций 179
4.1. Общие положения поискового автоматизированного проектирования 179
4.1.1. Автоматизированное проектирование элементов конструкций 179
4.1.2. Автоматизированное проектирование конструкций с применением моделей стержневых систем 181
4.1.3. Автоматизированное проектирование конструкций по требованиям к общей прочности 185
4.1.4. Целевые функции при поисковом автоматизированном проектирования 187
4.2. Ппоектипогіяние ттипттых чпементои коппусных констткпий 191
4.3. Проектирование балочных элементов корпусных конструкций 202
4.4. Проектирование конструкций гофрированных переборок 216
4.5. Проектирование конструкций по требованиям к общей прочности 231
4.6. Выводы по главе 4 237
5. Применение предлагаемых методик для решения проблем контроля технического состояния судовых корпусных конструкций 242
5.1. Общие положения 242
5.2. Геометрическое моделирование корпуса судна в условиях дефицита исходной информации 249
5.3. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования растяжки наружной обшивки 264
5.3.1. Общие положения 264
5.3.2. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования листовой конструкции растяжки наружной обшивки 266
5.4. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования листовых конструкций внутренних структур корпуса судна 281
5.4.1. Общие положения 281
5.4.2. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования лотовой конструкции внутренней структуры 284
5.4.3. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования листовой конструкции поперечной водонепроницаемой переборки 292
5.5. Методика и алгоритм упрощенного конструктивного моделирования балок основного набора 300
5.5.1. Общие положения 300
5.5.2. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования балок оонпнногп поперечного бортового набора (шпангоутов) 301
5.5.3. Методика и алгоритмы упрощенного конструктивного моделирования продольных балок основного набора 312
5.6. Выводы по главе 5 315
Заключение 318
Список литературы 320
- Структура системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна
- Геометрическое моделирование формы корпуса судна
- Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна
- Ппоектипогіяние ттипттых чпементои коппусных констткпий
Введение к работе
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/САМ 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 А.Н.Крылова под руководством В.С.Дорина [54,111,22] (В.И.Брэгман, В.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).
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 г [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/САМ системы «Ритм-КОРПУС».
Ряд проектных бюро и судостроительных заводов используют для целей разработки проектной документации и технологической подготовки производства лицензионные специализированные судостроительные f 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 конструкций 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, р 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 ПП 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 совершено і виванию 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., Короткий 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 диссептатч-!и.
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 (САЕ - системах). Можно назвать несколько систем, предназначенных для этого: SafeHull (ABS), Poseidon (GL), Nauticus Hu!! (DNV), VeryStar (BY), ShipRight (LR), Руслан (РМРС) [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.). Для 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 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 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-18С98, (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 САПР_К2.
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.
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.
Структура системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна
Параметрическое проектирование (ПП) конструкций - одна из проблем автоматизированного проектирования конструкций корпуса судов и других морских сооружений, требующая от разработчика универсальных знаний в предметной области. Параметрическое проектирование конструкций - ли процесс определения размеров конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документов (Правил / Норм прочности) [148]. Во всех существующих CAD-CAM системах, ориентированных на судостроение, проблема ПП судовых конструкций не решается, т.к. они главным образом нацелены на подготовку производства (технологическую, организационную). В существующей практике конструкторских бюро информация о размерах конструктивных элементов в основном формируется с использованием электронных таблиц и отдельных программ, по которым выполняются проверочные расчеты прочности конструкций. Поэтому, для решения задач автоматизированного ПП конструкций целесообразна разработка специализированной системы, в которой подготовка исходной информации для процедур проектирования реализуется с использованием упрощенных методов, алгоритмов и созданного на их основе программного обеспечения. Нормативная база системы - Правила классификации и постройки морских судов [120].
Опыт научных исследований и решения практических задач в области проектирования конструкций корпуса судов, плавучих доков, надводных кораблей, накопленный более чем за 30, позволил сформировать представление об общей структуре системы автоматизированного ПП конструкций, составе функциональных программных блоков, степени детализации описания объекта проектирования - корпуса судна (морского сооружения) и его конструкций.
Традиционная схема ПП конструкций может быть представлена в виде следующей последовательности этапов: Разделение корпуса судна на районы обусловлено различиями в характере внешних воздействий на корпусные конструкции, отличиями в общепроектной компоновке и форме корпуса в различных районах по длине судна. Указанные факторы приводят, как правило, и к качественно различным конструктивным схемам (иной системе набора, появлению местных усилений).
Декомпозиция корпуса в пределах района на отдельные составляющие (структуры) позволяет организовать процесс проектирования в виде последовательности достаточно простых процедур (см. 1.1).
Раскрой листовых конструкций структур на отдельные листы выполняется с целью выделения элементов листовых конструкций (листов), имеющих специальное назначение и, в связи с этим, специфические особенности (горизонтальный киль, ширстрек, палубный стрингер и т. п.). Кроме того, листовые элементы, принадлежащие различным листам, проектируются на разные расчетные нагрузки, что обеспечивает рациональное распределение материала в пределах листовой конструкции.
Трассировка (выбор положения) балок основного и рамного набора приводит к завершению формирования конструктивной схемы структуры. В процессе выполнения этого этапа проектирования конструкции осуществляется согласование конструктивных схем смежных структур, согласуется положение балок набора и вырезов в структуре, производится проверка выполнения требовании к взаимному расположению линий соединения отдельных листов структуры и балок набора.
Определение параметров конструктивной схемы - это этап формирования исходных данных для расчетных процедур параметрического проектирования конструкций. Здесь определяются размеры сторон опорного контура листовых элементов, пролеты балок основного и рамного набора, признаки граничных условий, выбирается форма поперечного сечения балок.
Реализация расчетных процедур - этап определения размеров конструктивных элементов в соответствии с расчетными зависимостями, регламентируемыми соответствующими Правилами. Требования Правил основаны на определенной декомпозиции корпуса и его составляющих частей. Принципы декомпозиции сформировались эволюционным путем и ориентированы на использование достаточно простых проектировочных процедур. Тем не менее, на основе требований Правил могут быть построены оптимизационно-поисковые процедуры, реализация которых требует ) применения вычислительной техники.
Автоматизированное ПП конструкций корпуса судна, очевидно, будет включать в себя все указанные этапы. Эффективность процесса проектирования обуславливается уровнем автоматизации каждого этапа. Наиболее трудоемкими (в плане автоматизации) являются процедуры подготовки исходных данных. Желание обеспечить возможность создания достаточно сложных конструктивных схем, учитывающих большое разнообразие и нерегулярность реальных конструкций, изменение формы корпуса судна в пределах рассматриваемого района приводит к усложнению этой задачи.
Значительная часть программного обеспечения для подготовки исходных данных создана при разработке систем автоматизированного проектирования конструкций корпуса гражданских судов [132], плавучих доков [41], надводных кораблей [27], силами специалистов кафедры конструкции судов СПб.ГМТУ под руководством и непосредственном участии автора диссертации. Нами также предложены методологические принципы организации процесса параметрического проектирования судовых конструкций (см. 1.1), методики и алгоритмы решения основных проектных задач, реализованные в специализированной системе автоматизированного проектирования і «SYSCHECK», которая используется в настоящее время в практической работе по проектированию новых конструкций и оценке технического состояния корпуса эксплуатирующихся судов [146]. Описание системы приведено в Приложении 5 к диссертации. Структура системы автоматизированного проектирования определяется
Геометрическое моделирование формы корпуса судна
Графический редактор - специализированное программное обеспечение, которое позволяет создать геометрическую модель корпуса и помещений / отсеков корпуса судна в трехмерной системе координат в интерактивном режиме. Форма геометрического объекта создается в виде совокупности поперечных сечений. Поперечное сечение задастся точками. Между соседними точками форма описывается линией - кусочно-линейное представление формы. Предусмотрена возможность контроля введенных данных в 2D- и ЗЭ-режимах.
Методические основы графического редактора - математический аппарат аналитической геометрии, программные процедуры работы с простейшими геометрическими объектами (точками, отрезками линий) в реальной системе координат и на экране дисплея и методы линейной интерполяции при определении координат точек внутри отрезка прямой линии и точек дополнительных (по отношению к заданным) поперечных сечений.
Отработано на практике применение технологии обработки информации теоретического чертежа, используя следующий алгоритм: 1. Проекция корпус сканируется и экспортируется на область рисунка системы AutoCAD. 2. Каждый шпангоут (поперечное сечение) в режиме зуммирования обводится полилинией и сохраняется на отдельном слое. 3. Средствами системы AutoCAD реализуется процедура масштабирования поперечных сечений, в общем случае, с разными коэффициентами по ширине и высоте для приведения геометрической модели к реальной системе координат и обеспечения равенства расчетной ширины судна и высоты борта проектным значениям. 4. Результаты обработки проекции корпус сохраняются в формате .dxf. 5. Выполняется преобразование геометрического описания из формата .dxf в формат .s2g, используя специализированную программу «CONVERT». 6. При необходимости может быть выполнено дополнительное сглаживание формы поперечного сечения, используя, например, средства Microsoft_Excel. Для этого текстовый файл в формате .s2g конвертируется в формат .xls. 7. Сглаженные контуры поперечных сечений конвертируются обратно в формат .s2g. Полученный файл представляет собой геометрическую модель корпуса судна в текстовом формате. Рассмотренный алгоритм при соответствующем навыке может быть реализован в течение 2-4 часов. Формирование геометрической модели методом преобразования геометрических форм требует наличия геометрической модели судна -прототипа. Разработанные методики, алгоритмы и программное обеспечение позволяют выполнять следующие процедуры: аффинное преобразование; введение/изменение длины цилиндрической вставки; подгонка формы корпуса под заданное значение коэффициента общей полноты и(или) под заданное значение абсциссы центра величины. Процедуры реализуются программами «FORM» и «STATIC». Аффинное преобразование формы корпуса производится в соответствии со следующим алгоритмом: 1. Организуется чтение файла описания геометрии корпуса судна -прототипа; описание корпуса должно быть представлено в формате « Code_ Prototyped s2g» (Code _Prototype - код проекта судна - прототипа); Выполняется первое преобразование прототипа при помощи программы «FORM» при следующих значениях коэффициентов преобразования масштаба по длине - М_Х, ширине - M_Y, высоте борта - MZ: где В "" - максимальная ширина проектируемого судна; g m"mm. максимальная ширина судна - прототипа; )"р"пт . высота борта на миделе проектируемого судна; jy mmm. высота борта на миделе судна - прототипа; 3. Выполняется расчет длины L и ширины на миделе В по ватерлинии «преобразованного прототипа» при осадке d, равной её значению для проектируемого судна; результаты расчета должны быть следующими: {/і/лі ьш ппрототип , г\проскт ryipamamun , іпроскт jnpomomun , ппроект ппрототип , тпроект . jnpomomun , для выполнения расчетов используется программа «STATIC», реализующая расчеты статики корабля. 4. Выполняется второе преобразование «преобразованного прототипа» при помощи программы «FORM» при следующих значениях масштабных j проект г% проект коэффициентов: М Х = ; М Y = ; М Z = 1,0. При этом происходит пересчет максимальной длины судна и максимальной ширины в соответствии с формулами: Ь" кт =М_Х- г "р"тшт; тлпроент і ж "г nnpcnfi.прототип max — max 5. Выполняется проверочный расчет параметров полученной формы корпуса: L,xc,CR при расчетной осадке d (L - длина судна; хс - абсцисса центра величины; Св - коэффициент общей полноты); 6. Уточняются (при необходимости) значения масштабных коэффициентов и повторяется процедура трансформации с использованием программы «FORM»; результаты геометрического моделирования представляются в виде файла в формате « Code_Pr .s2g» (Code_Pr - код проекта). В результате реализации предлагаемого алгоритма получается геометрическая модель корпуса, у которой значения параметров L,B,d,D равны соответствующим параметрам проектируемого судна. Введение/изменение длины цилиндрической вставки осуществляется программой «FORM», если при запуске программы с соответствующим ключом указать координату расчетного сечения, где вводится цилиндрическая соответствующая часть корпуса удаляется. Длина судна при этом увеличивается/уменьшается на указанную длину вставки. Для подгонки формы корпуса под заданное значение коэффициента общей полноты и(или) абсциссы центра величины путем изменения длины и(или) смещения цилиндрической вставки с последующим аффинным преобразованием вдоль оси X реализуется процедура, которая приводится к решению задачи нелинейного программирования: установить значение целевой функции при ограничениях: где X = {xt}7 - вектор варьируемых переменных, в качестве которых
Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизированном проектировании конструкций корпуса судна
В соответствии с основными положениями методологии автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна (см. 1.1) проектирование элементов листовых конструкций - первый этап процесса проектирования. 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 s,, устойчивости sh, минимальным толщинам smin. Очевидно, что требуемая толщина листового элемента должна отвечать условию
Следовательно, необходимо определить по формулам (П4.2), (П4.9), (П4.17) Приложения 4 значения толщин sn sh, smin и, используя простейший поисковый метод прямого перебора, из полученных величин выбрать большую. Ближайшее сортаментное значение толщины листового элемента и будет решением задачи.
Более сложные автоматизированные процедуры проектирования элементов листовых конструкций могут использоваться при обосновании компоновки конструкции (выборе системы набора или схемы расстановки подкрепляющих ребер жесткости, параметров конструктивной схемы -расстояний между балками набора) и выборе марки материала. Необходимость решения таких задач может возникать на ранних стадиях проектирования конструкций корпуса судна. Структура требований к элементам листовых конструкций такова (см. раздел П4.1 Приложения 4), что эти проблемы целесообразно формулировать в виде задач нелинейного программирования с ограничениями.
Представим задачу проектирования листового элемента в общем виде, когда независимо варьируемыми конструктивными параметрами принимаются: толщина s = х,, меньшая сторона листового элемента а = х2 и предел текучести стали листовой конструкции ReH = х,. Предполагается, что расстояние между рамными балками /, определяющее величину длинной стороны листового элемента, не изменяется. Вектор независимых переменных X = {х х х } 1 . От величины всех варьируемых параметров зависит масса листовой конструкции; от предела текучести стали зависит также удельная стоимость листового проката. Поэтому в качестве целевой функции выберем характеристику стоимости материала конструкции. Рассматриваемая проблема представляется в стандартной форме задачи нелинейного программирования следующим образом: минимизировать функцию при ограничениях - равенствах: при ограничениях - неравенствах: Целевая функция C(X) характеризует стоимость материала листовой конструкции. Функция f(0)(x}), входящая в состав целевой функции может принимать следующий вид: - при фиксированном значении предела текучести стали Rclf = const Ограничения - равенства (4.14), (4.15) позволяют получить частные решения задачи проектирования листового элемента: при фиксированном пределе текучести листового проката (заданном материале); при заданной конструктивной схеме конструкции (заданной шпации). Нелинейное ограничение g,(X) 0,0 получено из условия местной прочности листового элемента (П4.2). Функция /(х,) определяется зависимостью (П4.5) и при ReH = х, имеет вид: 1,0 /( ,) = 1,0 при 235 Ограничение g2(X) 0,0 получено из условия устойчивости листового элемента (П4.9). На начальном этапе проектирования конструкций транспортных судов расчетные сжимающие напряжения могут быть оценены по зависимостям: в которых: М ] - суммарный изгибающий момент, вызывающий сжатие рассматриваемого листового элемента, кНм; z - расстояние по вертикали от нейтральной оси до ближней кромки рассматриваемого листового элемента, м; Ііф){х3) - фактический момент инерции поперечного сечения корпуса судна основной плоскости (ОП), м; D - высота борта, м; zr - положение верхней фибры эквивалентного бруса относительно ОП, м; Wj"\xy) - требуемый момент сопротивления эквивалентного бруса на уровне верхней фибры, см3; кп 1,0 коэффициент, определяющий соотношение между фактическим и требуемым моментом сопротивления корпуса на уровне верхней фибры; w = 1,05-5-1,10 коэффициент, характеризующий скрытый запас общей прочности корпуса на возможную модернизацию судна в процессе эксплуатации (может вводиться по усмотрению конструктора). Расчетный изгибающий момент Mf в общем случае представляется суммой трех составляющих: момента на тихой воде М , волнового М и динамического М(,Р (ударного) изгибающих моментов. Момент на тихой воде может быть получен расчетным путем, либо оценен по статистическим данным через коэффициент момента kMxw по формуле М = -—. Волновые и ударные изгибающие моменты определяются по соответствующим рекомендациям Правил [120]. Нормативный момент сопротивления определяется из условия
Ппоектипогіяние ттипттых чпементои коппусных констткпий
В соответствии с основными положениями методологии автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна (см. 1.1) проектирование элементов листовых конструкций - первый этап процесса проектирования. 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 s,, устойчивости sh, минимальным толщинам smin. Очевидно, что требуемая толщина листового элемента должна отвечать условию
Следовательно, необходимо определить по формулам (П4.2), (П4.9), (П4.17) Приложения 4 значения толщин sn sh, smin и, используя простейший поисковый метод прямого перебора, из полученных величин выбрать большую. Ближайшее сортаментное значение толщины листового элемента и будет решением задачи.
Более сложные автоматизированные процедуры проектирования элементов листовых конструкций могут использоваться при обосновании компоновки конструкции (выборе системы набора или схемы расстановки подкрепляющих ребер жесткости, параметров конструктивной схемы -расстояний между балками набора) и выборе марки материала. Необходимость решения таких задач может возникать на ранних стадиях проектирования конструкций корпуса судна. Структура требований к элементам листовых конструкций такова (см. раздел П4.1 Приложения 4), что эти проблемы целесообразно формулировать в виде задач нелинейного программирования с ограничениями.
Представим задачу проектирования листового элемента в общем виде, когда независимо варьируемыми конструктивными параметрами принимаются: толщина s = х,, меньшая сторона листового элемента а = х2 и предел текучести стали листовой конструкции ReH = х,. Предполагается, что расстояние между рамными балками /, определяющее величину длинной стороны листового элемента, не изменяется. Вектор независимых переменных X = {х х х } 1 . От величины всех варьируемых параметров зависит масса листовой конструкции; от предела текучести стали зависит также удельная стоимость листового проката. Поэтому в качестве целевой функции выберем характеристику стоимости материала конструкции. Рассматриваемая проблема представляется в стандартной форме задачи нелинейного программирования следующим образом: минимизировать функцию при ограничениях - равенствах: при ограничениях - неравенствах: Целевая функция C(X) характеризует стоимость материала листовой конструкции. Функция f(0)(x}), входящая в состав целевой функции может принимать следующий вид: - при фиксированном значении предела текучести стали Rclf = const Ограничения - равенства (4.14), (4.15) позволяют получить частные решения задачи проектирования листового элемента: при фиксированном пределе текучести листового проката (заданном материале); при заданной конструктивной схеме конструкции (заданной шпации). Нелинейное ограничение g,(X) 0,0 получено из условия местной прочности листового элемента (П4.2). Функция /(х,) определяется зависимостью (П4.5) и при ReH = х, имеет вид: 1,0 /( ,) = 1,0 при 235 Ограничение g2(X) 0,0 получено из условия устойчивости листового элемента (П4.9). На начальном этапе проектирования конструкций транспортных судов расчетные сжимающие напряжения могут быть оценены по зависимостям: в которых: М ] - суммарный изгибающий момент, вызывающий сжатие рассматриваемого листового элемента, кНм; z - расстояние по вертикали от нейтральной оси до ближней кромки рассматриваемого листового элемента, м; Ііф){х3) - фактический момент инерции поперечного сечения корпуса судна основной плоскости (ОП), м; D - высота борта, м; zr - положение верхней фибры эквивалентного бруса относительно ОП, м; Wj"\xy) - требуемый момент сопротивления эквивалентного бруса на уровне верхней фибры, см3; кп 1,0 коэффициент, определяющий соотношение между фактическим и требуемым моментом сопротивления корпуса на уровне верхней фибры; w = 1,05-5-1,10 коэффициент, характеризующий скрытый запас общей прочности корпуса на возможную модернизацию судна в процессе эксплуатации (может вводиться по усмотрению конструктора). Расчетный изгибающий момент Mf в общем случае представляется суммой трех составляющих: момента на тихой воде М , волнового М и динамического М(,Р (ударного) изгибающих моментов. Момент на тихой воде может быть получен расчетным путем, либо оценен по статистическим данным через коэффициент момента kMxw по формуле М = -—. Волновые и ударные изгибающие моменты определяются по соответствующим рекомендациям Правил [120]. Нормативный момент сопротивления определяется из условия
