Говорит Михаил Францев
Говорит Михаил Францев
Экспертное мнение специалиста по речному флоту

На пороге эры композита. Часть 2

- A + КомментарииПрочитано 147 раз   |
Выделение групп судов из композитов с различными версиями эффективности и формирование принципиальных блок-схем их рационального проектирования.

Проектирование судна из композиционных материалов включает два основных этапа: внешнюю и внутреннюю задачи проектирования. Внешняя задача проектирования содержит информацию о судах-претендентах, эксплуатационный и экономический блоки модели, рассматривающие различные аспекты использования судна и экономических результатов его применения, а также информацию о доминирующих факторах эксплуатации неэкономической природы.

При этом из внешней задачи в качестве самостоятельной подзадачи выделен функциональный блок. Это связано с тем, что современные подходы к проектированию судов в условиях рыночной экономики рассматривают судно в качестве функциональной подсистемы бизнес-структуры. Функциональный блок содержит функциональную часть модели применения судна и определенные на ее базе целевые функции, а также критерии оценки. В качестве отдельного компонента в функциональный блок входят различные варианты сроков автономности судна и численности его экипажа, что в большой степени определяет, как функциональную часть модели, так и критерии оценки ее эффективности.

Отдельной частью внешней задачи проектирования является группа проектных ограничений и граничных условий, в которую включены различные конвенциальные и сертификационные требования надзорных органов.

Известно, что качество эксплуатации судна оценивается совокупностью критериев, являющихся одинаково значимыми. Такая постановка задачи приводит к задаче оптимизации судна с векторной целевой функцией:
 
 

Многокритериальная оптимизация судна представляет собой минимизацию вектора целей F(x), на который накладываются дополнительные ограничения и граничные условия:
 
 

Рассмотрим область допустимых решений Ώ в параметрическом пространстве
 
 

(forall x in X)которое удовлетворяет всем принятым ограничениям, т.е.
 
 

при ограничениях
 
 

Отсюда может быть определена соответствующая область допустимых решений для пространства целевых функций Λ такая, что:
 
 


На рис. 1. представлена двумерная геометрическая интерпретация в виде случая, когда вектор характеристик F(x) отображает параметрическое пространство Ώ в пространство целевых функций Λ.
 
 

Рис. 1. Отображение параметрического пространства Ώ в пространство целевых функций Λ

Так как целевая функция F(x) является вектором, то любые компоненты Fi(x) являются конкурирующими и отсутствует единое решение поставленной задачи. Взамен этого, для описания характеристик целей может быть введена концепция множества точек неулучшаемых решений, так называемая оптимальность по Парето. Неулучшаемое решение есть такое решение, в котором улучшение в одной из целей приводит к определенному ослаблению другой. Следовательно, многокритериальная оптимизация судна должна включать в себя, в том числе, и выбор точек с неулучшаемыми решениями.

Пространство целевых функций Λ содержит множество точек неулучшаемых решений. Точка
 

является неулучшаемым решением, если для некоторой окрестности x* нет некого Δ x такого, что
 
 


На рис. 2 представлена геометрическая интерпретация множества неулучшаемых решений пространства целевых функций Λ. Множество точек неулучшаемых решений лежит на кривой между точками С и D. Точки А и В представляют специфические неулучшаемые точки.
 
 

Рис. 2. Множество неулучшаемых решений

Точки А и В являются безусловными точками неулучшаемых решений, поскольку любое улучшение для одной цели F1 вызывает ухудшение для другой выбранной цели F2, т.е. F1B <F1A, F2B >F2A.

Принятый в практике отечественного судостроения метод оптимизации с ε – ограничениями имеет много преимуществ. При применении метода ε – ограничений осуществляется минимизация основной цели Fp(x) и при представлении остальных целей в форме ограничений типа неравенств.
 
 

при выполнении условия
 
 

На рис. 3 представлена геометрическая интерпретация метода ε – ограничений для задачи с двумя целями.
 
 

Рис. 3. Геометрическая интерпретация метода ε – ограничений для задачи с двумя целями.

Подобный подход позволяет определить определенное количество неулучшаемых решений для случая вогнутой границы пространства целевых функций Λ. Особенностью данного метода является тщательный выбор ε – ограничений, который гарантирует допустимость решения. Особенности применения метода заключается в необходимости использования жестких ограничений для точного построения задаваемых целей на основе выбора приоритета для задаваемых целей. Процедура оптимизации выполняется в соответствии с выбранными приоритетами и в пределах допустимости принятых границ. Основная трудность данного метода заключается в точной интерпретации подобной информации на ранних стадиях оптимизационного цикла.

Необходимость представления в математическом описании предпочтений разработчика, а также допустимых уровней диапазона сочетаний значений выбранных целей обусловливают применение в сочетании с методом ε – ограничений различных методов теории принятия решений и теории игр, что обусловливает высокую сложность и трудоемкость использования метода.

В определенной степени упростить решение проблемы оптимизации судна позволяет метод достижения цели Гембики. Данный метод включает в себя выражение для множества намерений разработчика F*={F*1,F*2,…, F*i}, которое связано с множеством целей
 
 

Такая формулировка задачи допускает, что цели могут быть или недо- или передостижимыми, что и дает разработчику возможность относительно точно выразить исходные намерения. Относительная степень недо- или передостижимости поставленных намерений контролируется посредством вектора взвешенных коэффициентов ω={ω1,ω2,…,ωi} и может быть представлена, как стандартная задача оптимизации в следующем виде:
 
 

Член ωiγ вносит в данную задачу элемент ослабления, что, иначе говоря, обозначает жесткость заданного намерения. Весовой вектор ω дает исследователю возможность достаточно точно выразить меру взаимосвязи между двумя целями. Например, установка весового вектора ω как равного исходному намерению указывает на то, что достигнут тот же самый процент недо- или передостижимости цели F*. Посредством установки в ноль отдельного весового коэффициента (т.е. ωi=0) можно внести жесткие ограничения в поставленную задачу. Метод достижения цели обеспечивает подходящую интуитивную интерпретацию поставленной исследовательской задачи, которая, в свою очередь, является вполне разрешимой с помощью стандартных процедур оптимизации.
 
 

Рис. 4. Геометрическая интерпретация метода достижения цели.

На рисунке 4 представлена геометрическая интерпретация метода достижения цели для случая:
 
 

Задание компонентов намерений F*={F*1,F*2} определяет точку намерений P. Весовой вектор направляет поиск от точки P в сторону пространства допустимых функций Λ(γ). В процессе оптимизации происходит изменение величины γ, что вызывает изменение размера заданной допустимой области. Границы ограничений стягиваются к единственной в своем роде точке решения F1s, F2s.

Задание компонента намерений разработчика позволяет определить область предпочтительных значений характеристик судна на стадии перехода от внешней задачи проектирования к внутренней задаче и при дальнейшем использовании при проектировании метода последовательных приближений придерживаться этой области. Определение области предпочтительных значений характеристик производится способами исследовательского проектирования.

Результатом, полученным при определении области предпочтительных значений характеристик вновь проектируемого судна из композиционных материалов, является множество значений соотношений главных размерений и других характеристик судна. Эти значения определяются разработчиком, как методами математического анализа при обработке баз данных, так и методом экспертных оценок.

Этап определения соотношений главных размерений и других характеристик судна является завершающим циклом этапа исследовательского проектирования и при этом является начальным циклом верхнего уровня этапа внутренней задачи проектирования. Этот этап состоит в проектировании важнейших подсистем судна и проектном обосновании его эксплуатационных качеств.

К важнейшим подсистемам судна из композиционных материалов относятся подсистема, объединяющая архитектурно-компоновочную схему судна, его вместимость и нагрузку масс, подсистема, включающая гидродинамический комплекс, а также подсистема, рассматривающая мореходные качества.

При проектировании подсистемы, объединяющей архитектурно-компоновочную схему судна, его вместимость и нагрузку масс рассматриваются следующие вопросы:
  • определяются главные элементы и другие характеристики судна в виде фиксированных значений;
  • разрабатываются архитектура и компоновка корпуса и верхних строений судна;
  • определяется вместимость судна и проектируется общее расположение его объемов;
  • разрабатывается нагрузка масс и определяется расположение масс в первом приближении;
  • производится контроль положения центра масс по высоте, с точки зрения обеспечения остойчивости и плавности качки;
  • производится контроль положения центра масс по длине, с точки зрения устойчивости движения судна;
  • проектируется расположение основных помещений с точки зрения обитаемости, конструктивной противопожарной защиты и экологии;
  • производится сравнение полученных результатов с проектными ограничениями и граничными условиями.
Разработка подсистемы "Гидродинамический комплекс" включает:
  • определение основных режимов движения (водоизмещающий режим, переходный режим, глиссирование);
  • определение типа и особенностей обводов;
  • определение вида и количества движителей;
  • оценку управляемости и выбор применяемых систем стабилизации судна (активные органы управления, подруливающие устройства);
  • производится сравнение полученных результатов с проектными ограничениями и граничными условиями.
Проектное обоснование эксплуатационных качеств судна, в первую очередь, включает оценку его остойчивости, непотопляемости и мореходных качеств. При этом рассматриваются вопросы:
  • расположение надводных объемов корпуса судна и его верхних строений, надводного борта и палубных колодцев, с точки зрения остойчивости;
  • проверка соответствия выбранным критериям остойчивости взаимного расположения объемов и масс по высоте, а также абсциссы и аппликаты центра масс и центра величины;
  • оценка надводного борта, разделения на отсеки, расположения переборок, и блоков плавучести, с точки зрения непотопляемости;
Михаил Францев

Рис. 5. Блок-схема рационального проектирования судна из композиционных материалов.
  • оценка метацентрической высоты с точки зрения плавности качки и резонансных курсовых углов;
  • производится сравнение полученных результатов с проектными ограничениями и граничными условиями.
Оценка эксплуатационных качеств судна из композитов, связанных с его функциональным назначением производится на этом уровне методом экспертных оценок.

Нижний уровень внутреннего проектирования судна из композиционных материалов включает проектирование подсистем судна, выделенных в результате декомпозиции по конструктивному признаку:
  • подсистема "Корпус из композиционных материалов";
  • подсистема "Судовая энергетическая установка", включающая главные двигатели, оборудование и системы судовой энергетической установки, а также расходные характеристики механизмов;
  • подсистема "Электрооборудование";
  • подсистема "Управление судном", включающая движительно-рулевой комплекс и системы стабилизации;
  • подсистема "Радионавигация и связь";
  • подсистема "Общесудовые системы и устройства";
  • подсистема "Специализированные комплексы", связанная с функциональным назначением судна (промысловым, спасательным, патрульным и т.п.);
  • производится сравнение полученных результатов с проектными ограничениями и граничными условиями.
Представленная схема рационального проектирования судна из композиционных материалов, изображенная в виде блок-схемы на рис. 5, позволяет обеспечить преемственность проектных решений на верхнем и нижнем уровнях внутреннего проектирования. Кроме того, она позволяет получить судно, имеющее характеристики, сбалансированные в отношении критериев эффективности, определенных в рамках внешней задачи проектирования.

Продолжение следует
 
Михаил Францев
Поделиться новостью
Подписка Корабел.ру экономит ваше время
Подпишитесь на ежедневную рассылку новостей и будьте в курсе всего самого важного и интересного!

Комментарии   2.

Чтобы принять участие в обсуждении, пожалуйста Авторизуйтесь или Зарегистрируйтесь или
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 08.05.2018, 17:15По моему мнению, в приведенной схеме упущен важнейший момент - определение нормативной "ниши" судна. От нее будут зависеть возможность применения конструктивных решений, материалов, достижения эксплуатационных параметров. Композитные и малые суда - это "серая зона" с точки зрения правил, поэтому проект изначально проектировщиком/заказчиком важно направить в правильное русло. На этом этапе зависит, получим мы на выходе "ледокол" (вместо легкого сэнвичевого катера), либо будем иметь современный конкурентоспособный на мировом рынке проект/изделие. Даже в пределах одного КО, применение того или иного нормативного документа приводит к большим различиям в проекте...
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 15.05.2018, 08:04Альберт, не одними нормативами жив проект. Вы сами постоянно жалуетесь, что то или иное Классификационное общество "подрезает крылья" полету Вашей конструкторской мысли. Зачем же втискивать проект еще и в "прокрустово ложе" Правил? Выбор нормативной базы вопрос скорее юридический, нежели конструкторский. Он действительно зависит от массы факторов, но подавляющее большинство их имеет к технике весьма опосредствованное отношение. Мы же говорим исключительно о технике.

Предыдущая новость