Введение к работе
Актуальность проблемы.
Основным инструментом анализа проблем проектирования судов являются оптимизационные математические модели, которые используются при решении различных кораблестроительных задач уже на протяжении почти ста лет, начиная с известной работы И.Г. Бубнова 1916 года. Однако на практике проектные решения, получаемые из анализа этих моделей часто не обладают необходимой обоснованностью и нуждаются в дополнительном анализе.
Повышение адекватности математических моделей теории проектирования судов является актуальной проблемой судостроения, так как ее решение непосредственно определяет затраты на строительство и проектирование новых судов и их эксплуатационные качества.
Причинами недостаточной адекватности многих моделей являются следующие, не до конца решенные в настоящее время, проблемы:
применение современных более точных прямых расчетных методик на ранних стадиях проектирования;
выбор критериев эффективности всего судна и отдельных подсистем с учетом их сложного характера, противоречивости и неформализуемости;
необходимость согласованной оптимизации подсистем в условиях отсутствия ясно определенного критерия эффективности судна;
снижение вычислительных затрат, необходимых для анализа сложных оптимизационных математических моделей;
Совокупность указанных проблем может быть решена с единых позиций. Для этого необходимо создание новой методологии, основанной на структурно-дифференцированных многоуровневых математических моделях исследуемых качеств судна или его отдельных подсистем. Такие модели в наибольшей степени учитывают всю сложность проблем, возникающих в процессе проектирования, благодаря сочетанию активного компьютерного диалога как средства оптимизации структуры модели и методов оптимизации как инструмента, определения характеристик проектируемого судна.
Практическое применение структурно-дифференцированных многоуровневых математических моделей требует создания новых ме-
тодов их анализа, использующих методологию активного диалога ( вычислительного эксперимента), предусматривающую непрерывную активную адаптацию структуры модели, которая позволяет при проведении анализа объединить процесс оптимизации самой математической'модели и процесс исследования проектантом ее свойств. Для этого необходима разработка специальных моделей и методов их анализа, опирающихся на универсальные алгоритмы решения задач оптимизации. .
Целью работы является создание методологии построения и исследования структурно-дифференцированных многоуровневых оптимизационных математических моделей задач совершенствования важнейших качеств и проектирования отдельных подсистем судна.
Развитие методологии активного диалога (вычислительного эксперимента) как эффективного средства анализа многоуровневых математических моделей и согласованной оптимизации отдельных подсистем.
Разработка структурно-дифференцированных математических моделей и методик их анализа для ряда конкретных задач с целью проверки практической эффективности развиваемого направления.
Создание универсальных эффективных алгоритмов решения задач практической оптимизации, основанных на предложенном методе опорной точки, предназначенных для использования в системах автоматизированного проектирования на основе активного диалога и обеспечивающих снижение трудоемкости анализа сложных оптимизационных математических моделей.
Разработка новых расчетных методов оценки различных характеристик транспортных и промысловых судов, ориентированных на использование в задачах оптимального проектирования.
Предает защиты - совокупность результатов научных исследований, формирующая новое научное направление в теории проектирования судов - структурно-дифференцированное оптимизационное моделирование и обеспечивающая решение ряда конкретных научно-технических проблем, имеющих важное методологическое и народнохозяйственное значение.
_. Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые с проектных позиций показана необходимость использования структурно-дифференцированных многоуровневых математических моделей для задач обоснования важнейших свойств судна и опти-
мизации характеристик отдельных подсистем.
Разработана методика формирования и корректировки таких моделей и методология их анализа на основе принципов активного диалога.
Создан математический аппарат поддержки активного диалога на основе метода опорной точки для анализа многоуровневых оптимизационных математических моделей теории проектирования судов. Показана эффективность этого аппарата при обосновании главных размерений и основных проектных характеристик судов.
Предложена и реализована методология проектирования формы корпуса судна с использованием активного диалога, позволяющая существенно повысить качество обводов судна. Разработана методика задания судовой геометрии в наибольшей степени адекватная практике проектирования, и методика оценки полного сопротивления судна на основе анализа поля давления.
. Выполнено теоретическое исследование задачи проектирования судовых конструкций с ограничениями на прочность. Получены необходимые условия оптимальности конструкции с ограничениями на устойчивость и частоту собственных колебаний и разработаны методики оптимального проектирования таких конструкций. Разработан модифицированный метод конечных элементов для расчета колебаний корпусных конструкций. Метод особенно эффективен при использовании в задачах оптимизации. Предложено несколько оригинальных численных методов решения систем уравнений и определения критических усилий и частот собственных колебаний позволяющих снизить вычислительные затраты при проектировании корпусных конструкций.
Практическая ценность работы заключается в том, что развиваемая в ней методология использования структурно-дифференцированных многоуровневых математических моделей и активного диалога позволяет по-новому, более эффективно решать проблемы повышения адекватности математических моделей, снизить затраты на проектирование и повысить его качество.
Для задачи выбора главных размерений и основных коэффициентов формы разработана многоуровневая модель и методика ее анализа с использованием активного диалога, позволяющая повысить точность принимаемых решений, которая реализована в виде комплекса программ и апробирована на практике в ряде КВ.
Разработана методология решения задачи премирования формы корпуса судна, реализованная в виде программного комплекса. Применение данной методики позволяет сократить объем необходимых модельных испытаний и время проектирования обводов судна. Эффективность и обоснованность получаемых решений подтверждена выполненными расчетами и модельными испытаниями, а также практикой использования разработанной методики в ряде КБ и НИИ.
Предложены математические модели и методы расчета для задач оптимального проектирования корпусных конструкций с ограничениями на прочность, устойчивость и частоту собственных колебаний, позволяющие значительно снизить трудоемкость получения решения и повысить его точность.
Программы, реализующие разработанный метод опорной точки для решения задач нелинейной оптимизации были использованы для решения различных практических задач на ряде предприятий и НИИ.
Достоверность разработанных расчетных методов подтверждается теоретическим исследованием их свойств и результатами, полученными, с их использованием. Достоверность методики оптимального проектирования формы корпуса судна подтверждена результатами модельных испытаний, выполненных в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова
Внедрение работы. Результаты диссертационного исследования внедрены -в практику ряда конструкторских бюро и научно-исследовательских организаций, в том числе в ГНЦ РФ - ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Инженерном центре ГП "Адмиралтейские верфи", ЦКБ "Валтсудопроект", ЦКБ "Черноморсудопроект", Институте "Гипрорыбфлот", Инженерном центре судостроения и СПб ГМТУ. .
Апробация работы. Результаты работы многократно докладывались на научных конференциях нрофессорско - преподавательского состава СПбГМТУ, научных семинарах ПОМИ РАН, были представлены на следующих основных научных конференциях: Всесоюзной научно - технической конференции " Применение экономике - математических методов при проектировании судов", Ленинград, 1976, Всесоюзной научно - методической конференции "Семиотические модели в управлении", Новосибирск, 1984, XXXVI "Кры-
ловские чтения", Санкт - Петербург, 1993, Международной конференции "б Congress of the IMAM", Varna, Bulgaria, 1993, Международной конференции "CADMO/94 and ITS/94", Southhampton, Международной конференции "PRADS'95", Seoul, Korea, 1995, Международной конференции "Моринтех'97", Санкт-Петербург, 1997. Международной конференции "22nd Symposium on Naval Hydrodynamics'', Washington, 1998
Публикации. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, отражены в 31 научной публикациях, из них 16 работ написаны только автором.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и пяти приложений. Она содержит 301 машинописных страниц, в том числе 41 таблицу, 46 рисунков и графиков, библиографию из 255 наименований (20 страниц).