Введение к работе
Актуальность работы. Внутренний рынок судостроения РФ исключительно емок. Он требует насыщения судами различных типов и классов. Вместе с тем, конкурентоспособность отечественного гражданского судостроения остается низкой. В числе главных причин кризисного состояния судостроительной промышленности можно назвать сроки проектирования и постройки судов. Они оказываются в 2- 3 раза большими, чем за рубежом, что в значительной мере является следствием низкого уровня применения новых информационных технологий, в частности, систем интегрированной поддержки принятия проектно-конструкторских решений и обеспечения жизненного цикла судовых корпусных конструкций (CAD, САМ, САЕ -технологий). Их совершенствование является актуальной задачей, успешное решение которой будет содействовать прогрессу отечественного судостроения.
Диссертационная работа посвящена решению сложной, многоаспектной проблемы, лежащей на стыке специальностей и связанной с разработкой методологии и соответствующего аппарата (инструментария в виде алгоритмических и программных средств) для систем интегрированной информационной поддержки САЕ (Computer Aided Engineering) - класса. Указанные автоматизированные информационные системы ориентируются на создание эффективных и безопасных в эксплуатации корпусных конструкций, на уменьшение затрат на проектные работы, модельные исследования, постройку и эксплуатацию корпусов судов.
Современный САЕ- комплекс является объектом системотехники, сложной программной системой, отслеживающей многочисленные междисциплинарные связи. Он должен учитывать специфику судна, обладать высокой эффективностью и ориентироваться на применение самых современных вычислительных средств. При разработке САЕ - систем необходимо учитывать требования подсистем, имеющих отношение не только к этапу проектирования, но и к этапам технологической подготовки производства, постройки, эксплуатации и ремонта корпуса судна.
Актуальное направление научных исследований в указанной предметной области связано с созданием эффективных автоматизированных комплексов, в которых доминирующим является то, что называют «человеческим фактором». Важно придать процессу проектирования характер целенаправленного научного исследования (творческого поиска). Проблематичность подобных комплексных задач заключается в необходимости моделирования коллективной деятельности специалистов с увязкой многочисленных междисциплинарных теоретических решений.
Цель исследований заключается в построении системы (процесса) расчетного проектирования (инженерного анализа) корпусных конструкций, обеспечивающей повышение эффективности проектно- конструкторских решений на основе конечно- элементного моделирования и новых подходов к анализу сложных систем по частям (структуризации). Указанная цель предусматривает: -существенное уменьшение общей трудоемкости, времени и стоимости расчетных исследований; - обеспечение многофункциональности, возможности определения реакций и предельных состояний корпусных конструкций, причем как в детерминированной, так и в вероятностной постановке; «-сохранение устойчивости вычислительного процесса и достаточной точности результата; -возможности
применения высокопроизводительных (мультипроцессорных) вьшислительных средств и рациональные требования к их конфигурации, а также: -реализацию объектного подхода к инженерному анализу корпусной конструкции; - широкие возможности выбора объекта и метода исследования; «-эффективное управление процессом поиска оптимальных решений; «-организацию эффективного коллективного взаимодействия специалистов (субъектов системы) при выработке окончательных проектно- конструкторских решений; - применение эффективных технологий накопления и преобразования информации; - эффективную визуализацию результатов исследования.
Объекты исследований. В качестве объектов исследования рассматривались: - корпус судна (плавучего сооружения) как большая, пространственная, открытая, динамическая, стохастическая система взаимодействующих конструктивных элементов; - процесс деформирования корпуса внешними нагрузками; «-процессы моделирования системы и поиска проектных решений.
Задачи исследований заключались: в рассмотрении аспектов системного анализа процесса расчетного проектирования корпусных конструкций;
- в разработке и обосновании ресурсного обеспечения новой информационной
системы интегрированной информационной поддержки принятия решений;
- в применении информационной системы к исследованию корпусных конструкций
как сложных систем с детерминировано-случайными характеристиками элементов
и внешнего нагружения на всех этапах жизненного цикла, в частности:
к исследованию напряженно- деформированного состояния (НДС) при
проектировании корпусов судов с малой площадью ватерлинии (СМПВ);
к исследованию НДС узлов соединений раскосов плавучих
полупогружных буровых платформ (ППБУ);
к исследованию предельных состояний конструкций рыболовных и
транспортных судов, получающих массовые повреждения при выполнении
швартовных операций в открытом море;
к исследованию устойчивости палубных перекрытий указанных судов с
учетом влияния эксплуатационных повреждений и технологических
вырезов в бортах;
к исследованию НДС и определению монтажных смещений
протяженного валопровода, работающего в составе деформируемого
судового корпуса (в том числе в аварийных ситуациях);
к анализу напряженного состояния конструктивных компонентов
составного плавучего дока с целью определения допустимых вариантов
балластировки при постановке в док судов больших размерений;
- в разработке решений и рекомендаций по конструктивному оформлению
(модернизации и подкреплению) узлов корпусных конструкций судов и плавучих
сооружений.
Методы исследований. В теоретических исследованиях использовались: элементы системного подхода, методы системного анализа, структуризации; дифференциальные уравнения, линейная матричная алгебра, численные методы, методы теории вероятности и математической статистики, метод статистического моделирования; метод конечных элементов в комбинациях с рядом численных методов и процедур (модифицированным методом Гаусса, фронтальным методом,
методами прогонки и др.), методы решения сложных систем по частям, методы приведения (в форме метода контурных и расчетных точек, метода получения экономных решений Айронса - Зенкевича) и др.
В работе использовались результаты экспериментальных исследований натурных корпусных конструкций, а также конструктивно- подобных жестяных моделей, построенных с применением теории подобия. Научную новизну работы составляют:
-
Системный анализ предметной области, связанной с расчетным проектированием (инженерным анализом) корпусных конструкций на основе методов структуризации;
-
Математическая модель (алгоритм) системного преобразования (редукции) разрешающей системы МКЭ;
-
Системно- структурный метод фронтальной конденсации (МФК) для исследования сложной системы по частям;
-
Обобщенно- комбинированная расчетная модель корпусной конструкции;
-
Обобщенные подструктуры узлов конденсации и соответствующие преобразованные расчетные схемы для анализа реакций и предельных состояний системы конструкции корпуса;
-
Метод мультифронтальной структуризации сложной системы;
7. Методы статистической локализации и статистической конденсации нагрузок,
жесткостеи и масс для вариантных исследований сложных систем со случайными
характеристиками;
8. Концепция построения системы инженерных расчетов судового корпуса,
основанная на обслуживании запросов субъектов системы с помощью
программного генератора, вырабатывающего граничные условия для произвольно
расположенных конструктивных узлов в составе корпуса судна;
9. Подсистема структуризации, обработки информации и формирования базы
промежуточных данных комплекса задач на основе встречной разнонаправленной
матричной прогонки;
-
Объектный подход к расчетному анализу корпусных конструкций;
-
Структурно-функциональная модель коллективного взаимодействия субъектов проектирования (инженерного анализа) корпуса судна;
-
Способ управления (интерфейс) визуализации результатов анализа системы, стимулирующий творческий поиск разработчиков проекта.
13. Прикладные методики расчетного проектирования и анализа корпусных
конструкций судов и плавучих сооружений, а также работающих в их составе
машин и оборудования, в частности:
- методика определения обобщенной нагрузки, передаваемой на раскосы конструкции корпуса плавучей полупогружной буровой установки; -методика расчета протяженного валопровода в составе деформируемого корпуса судна; - методика проектирования доковых опорных устройств; -методика локализации корпусных модулей при проектировании судов с малой площадью ватерлинии; - методика расчета поврежденных и подкрепленных корпусных конструкций; «-методика построения передаточной функции, связывающей точки приложения внешней нагрузки с «горячими» точками конструкции при расчете усталостной долговечности (прочности) корпусной конструкции; - методика исследования устойчивости корпусной конструкции
с учетом локальных особенностей (повреждений, технологических вырезов и
др)-
-
Специализированные программные средства, реализующие базовую концепцию и аппарат структуризации сложных систем с использованием базы исходных и промежуточных расчетных данных и библиотеки расчетных методов.
-
Расчетно-экспериментальное обоснование аппарата инженерного анализа корпусных конструкций;
-
Данные о напряженно- деформированном состоянии и устойчивости конструктивных элементов и узлов, работающих в составе корпусных конструкций (в том числе корпусов судов нетрадиционных типов), расширяющие представления об их прочности и деформативности.
-
Конструктивные решения по корпусам судов (конструкции переборок, подкрепления перекрытий), а также плавучих сооружений (конструкции соединений раскосов с корпусом ППБУ).
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в развитии и обосновании методологии и аппарата расчетного проектирования (инженерного анализа) корпусных конструкций как сложных систем по частям, в разработке методов и методик решения прикладных задач проектирования, эксплуатации и ремонта корпусов судов, в разработке прикладного программного обеспечения, в выработке рекомендаций по конструктивному оформлению ряда корпусных конструкций с целью повышения их эффективности и надежности. Результаты выполненной работы нашли применение и внедрены:
-при проведении расчетно-экспериментальных исследований прочности и деформативности конструкции корпуса рыболовного бота- катамарана РБК-1 проекта 950 на судоремонтном заводе (г. Светлый Калининградской обл.);
-в проектной, научной и опытно-конструкторской практике ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова (г. Санкт- Петербург) при проектировании судов с малой площадью ватерлинии;
-при разработке (в рамках КЦП «Ремонт») расчетных методик по оценке прочности изношенных и поврежденных корпусов промысловых судов;
-в проектно- конструкторской практике завода металлоконструкций (КМЗ ООО «ЛУКОЙЛ- Калининградморнефть» г. Калининград) при проектировании и оценке технического состояния оснований буровых вышек и платформ;
-в проектно-конструкторской практике ОАО «Балткран» (г. Калининград) при проектировании кранов большой грузоподъемности;
-в проектной практике НИИ Промышленного Строительства (г.Уфа) при исследовании напряженно-деформированного состояния основания фундаментов опор линии электропередач, а также панельных зданий, предназначенных для строительства на закарстованной территории;
-при оценке несущей способности и проектировании подкреплений изношенных и поврежденных конструкций моста №1 через р. Преголю (г. Калининград);
-в практике вычислительного центра КГТУ при проведении опытной и промышленной эксплуатации комплекса для автоматизированных расчетов судовых корпусных конструкций "ПАРУС";
-в учебном процессе КГТУ и РГУ им. И.Канта при создании комплекса обучающих программных средств по дисциплинам «Строительная механика корабля», «Технология машиностроения», «Математическое моделирование» и др.
Предлагаемые подходы выходят за рамки судостроения. Их можно применять в сфере строительства и машиностроения к объектам, модели которых представляются аналогичными системами разрешающих уравнений. На защиту выносятся следующие результаты работы:
1. Общая методология и система расчетного проектирования (инженерного
анализа) корпусных конструкций на основе методов структуризации;
-
Математическая модель и алгоритм системного преобразования (редукции) исходной расчетной схемы МКЭ и построения преобразованной расчетной схемы корпусной конструкции;
-
Методы фронтальной и мультифронтальной структуризации для исследования сложных конечно-элементных систем;
3. Обобщенные подструктуры (преобразованные расчетные схемы) для анализа реакций и предельных состояний системы конструкции корпуса
5. Концепция системы интегрированной информационной поддержки
принятия решений при проектировании судового корпуса;
-
Программный генератор граничных условий (ГГУ) для организации эффективного расчетного анализа узлов корпусов судов;
-
Программный комплекс для выполнения многовариантных расчетных исследований прочности, устойчивости и колебаний сложных упругих и упруго-пластических систем с детерминированными и случайными характеристиками;
8. Пространственная комбинированная расчетная модель корпусной
конструкции;
-
Подсистема структуризации, обработки информации и формирования базы промежуточных данных комплекса задач на основе встречной разнонаправленной матричной прогонки;
-
Технология визуализации результатов анализа системы (СП-технология).
11. Модель коллективного взаимодействия субъектов системы расчетного
проектирования корпусных конструкций;
12. Прикладные методики структуризации и анализа корпусных
конструкций.
-
Результаты расчетных исследований, полученные с применением предложенной системы инженерного анализа.
-
Новые решения и рекомендации по конструированию корпусных конструкций, в том числе корпусов судов нетрадиционных типов, а также плавучих сооружений.
Достоверность научных результатов. Предложенные расчетные приемы и методы обоснованы строгими математическими преобразованиями, корректным использованием математического аппарата ранее разработанных аналитических и численных методов. Корректность принятых допущений, достоверность расчетных моделей, а также полученных результатов и выводов подтверждается решением ряда тестовых задач, а также экспериментами с натурными, полунатурными конструкциями и конструктивно- подобными жестяными моделями корпусных конструкций.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и региональных конференциях: *-на НТК «Прочность и надежность судов внутр. и смеш. плавания. 6-е Бубновские чтения».- Горький, 1982; *-на Всесоюзн. НТК «Проектирование судовых корпусных конструкций «Корпус-83». -Николаев, 1983; *-на III НТК
«Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов» Калининград, 1984; -на III Межвузовской НТК «Проектирование и эксплуатация судов».-Калининград, 1984; *-на Всесоюзной НТК по проблемам обеспечения прочности транспортных судов и плавучих сооружений (памяти П.Ф.Папковича).-ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, г.Санкт- Петербург, 1986; *-на IV НТК «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов». - КГТУ, Калининград, 1986; *-на XV Международной НТК «Математические модели, методы потенциалов и конечных элементов в механике деформируемых тел».-г.Санкт- Петербург, 1996; *-на XVI Международной НТК «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы граничных и конечных элементов».- г.Санкт- Петербург, 1998; *-на научно-техническом семинаре «Повреждаемость и прочность судовых конструкций», БГА, г. Калининград, 1998; -на XXX научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотр. и аспирантов РГУ им. И.Канта, г.Калининград, 1999; *-на XVIII Международной НТК «Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов».- г.Санкт-Петербург,2000; -на Международной НТК «Инновации в науке и образовании-2000», КГТУ, г.Калининград, 2000; *-на Международной НТК. «Инновации в науке и образовании-2005», КГТУ, г.Калининград, 2005; *-на Международной НТК «Наука и образование-2006», МГТУ, г.Мурманск, 2006; *-на Международной НТК «Obslugiwanie maszyn і uzadzen jkretowych. OMiUO-2006», Szczecin, 2006; *-на НТК «Technologies Science Materials», Klaipeda University, Klaipeda, 2006.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 38 работ (из них 11 работ входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК), 3 учебных пособия, 3 свидетельства на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 311 наименований. Диссертация содержит 369 стр. машинописного текста, 110 рисунков, 29 таблиц.
