CC BY
17
Проектирование и конструкция судов
Научная статья УДК 629.128
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/38-49
В.Г. Бугаев, Ю.В. Бондаренко, Дам Ван Тунг, А.А. Ковалев
БУГАЕВ ВИКТОР ГРИГОРЬЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0001-8778-620X
БОНДАРЕНКО ЮЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА - аспирант, bondarenko.iuv@dvfu.ПJн Политехнический институт Дальневосточный федеральный университет
КОВАЛЕВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - инженер, [email protected] АО «Центр судоремонта «Дальзавод» Владивосток, Россия
ДАМ ВАН ТУНГ - кандидат технических наук, преподаватель, [email protected] Факультет морской инженерии, Департамент промышленного инженерного менеджмента Вьетнамский морской университет Хайфон, Вьетнам
Оптимизация конструкций корпуса судна с учетом их технологичности
Аннотация. Изложен достаточно простой и эффективный способ оптимизации конструкций корпуса судна на ранних стадиях проектирования по критерию себестоимости изготовления с учетом ходкости и прочности в целях снижения их металлоёмкости и повышения технологичности. Решаются две задачи: первая - оптимизация формы корпуса для обеспечения ходкости (по критерию минимума сопротивления воды движению судна) и, одновременно с этим, рациональное увеличение длины цилиндрической вставки, площади и числа плоских секций, участков поверхности, имеющих кривизну одного направления и, следовательно, минимальное количество типовых узлов и конструкций; вторая - оптимизация конструкций корпуса судна по критериям минимума массы и себестоимости их изготовления. Приведены результаты оптимизации формы и конструкций корпуса судна, которые позволяют выявить наилучшие конструктивные и технологические решения и оценить экономический эффект. Особое внимание уделяется исследованию зависимости массы и себестоимости изготовления конструкций от топологии, величины шпации, размеров шпангоутов и бимсов, толщины обшивки и флоров, а также от организации и технологии производства.
Ключевые слова: оптимизация, технологичность, себестоимость конструкций корпуса, компьютерное моделирование
Для цитирования: Бугаев В.Г., Бондаренко Ю.В., Дам Ван Тунг, Ковалев А.А. Оптимизация конструкций корпуса судна с учетом их технологичности // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2023. № 1(54). С. 38-49.
Введение
Обеспечение технологичности конструкции изделия предполагает комплексное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда (эффективности производства) и снижение материальных ресурсов на всех стадиях проектирования изделия, при технологической подготовке производства и при его изготовлении, а также количественную оценку технологичности конструкции (трудоемкость, материалоемкость и себестоимость изготовления) согласно ГОСТ 14.201-83.
© Бугаев В.Г., Бондаренко Ю.В., Дам Ван Тунг, Ковалев А.А., 2023 Статья поступила: 19.01.2023; рецензирование: 03.02.2023.
Судно является комплексной системой, состоящей из взаимосогласованных подсистем. Поэтому рассматривать технологичность конструкций корпуса необходимо с учётом подсистем, в наибольшей степени влияющих как на технологичность конструкций, так и эффективность судна в целом. К таким подсистемам, в первую очередь, относятся судовая поверхность и корпус судна. В качестве комплексного критерия при оптимизации подсистем может быть принято приращение критерия эффективности, найденного при обосновании характеристик и элементов судна на верхнем подуровне проектирования [9]. Инструментом для определения приращений являются множители Лагранжа как мера влияния ограничений на функционал.
В последнее время широкое распространение при решении задач гидродинамики судов и прочности судовых конструкций получили методы инженерного и экономико-математического анализа [1-6, 14, 16, 18]. Эти методы позволяют оценить не только прочность конструкций корпуса, но и их технологичность, выявить, какие элементы будут снижать эксплуатационную надежность и технологичность конструкций, проводить оптимизацию конструкции по критериям: минимум массы, минимум себестоимости изготовления, максимум приращения эффективности судна и др. [12, 13, 15].
Цель исследования - оптимизация формы и конструкций корпуса судна в целях снижения металлоёмкости и повышения технологичности конструкций и эффективности судна. В качестве объекта исследования выбраны поверхность корпуса рыболовного судна и конструкции трюма в районе цилиндрической вставки. Для достижения поставленной цели необходимо решить две задачи.
Первая задача - оптимизация формы корпуса по критерию минимума сопротивления воды движению судна и одновременно рациональное увеличение длины цилиндрической вставки, площади и числа плоских секций, участков поверхности, имеющих кривизну одного направления и, следовательно, минимальное количество типовых узлов и конструкций.
Вторая задача - оптимизация конструкций корпуса по критериям минимума массы или себестоимости конструкций с учетом прочности и пригодности для изготовления на механизированных линиях и участках в зависимости от технических характеристик оборудования (технологии и организации производства).
Таким образом, основное содержание задач по обеспечению технологичности конструкции заключается в обосновании конструктивных и технологических решений, выявлении перспективных материалов, технологических процессов и технических средств производства.
Решение первой задачи осуществляется с помощью программного обеспечения FlowS-imulation SolidWorks, второй - с использованием Simulation SolidWorks и приложения Costing.
Задача 1. Для ее решения необходимо:
- выбрать параметры формы корпуса судна, в наибольшей степени влияющие на сопротивление воды движению судна и площадь участков поверхности высокой технологичности (плоских, одинаковой кривизны, кривизны одного направления);
- создать гибкую в управлении 3D-модель поверхности корпуса судна, позволяющую генерировать и проводить анализ формы корпуса в широком диапазоне значений варьируемых параметров и элементов;
- сохранить связь с задачей оптимизации характеристик и элементов судна на верхнем подуровне проектирования (через критерий экономической эффективности и ограничения), поскольку решение поставленной задачи целесообразно проводить после определения основных характеристик и элементов судна, общего расположения и множителей Лагранжа с помощью математической модели проектирования судна. Это позволит быстро войти в область допустимых решений и упростит создание начальных приближений 3D-моделей, анализ судовой поверхности и конструкций корпуса.
Основные положения и технологию решения рассматриваемой задачи достаточно просто можно изложить на примере проекта 170701 траулера «Капитан Осташков», выбранного в качестве прототипа (рис. 1).
а)
б)
Рис. 1. Поверхность корпуса судна «Капитан Осташков» (https://yandex.ru/video/preview/17986418565144417706): а) вид с носа; б) вид с кормы
Описание 3D-модели поверхности корпуса
Судно имеет плавные обводы без сломов, протяженный участок плоского борта и днища, инверсную носовую оконечность, лыжеобразную форму кормовой оконечности и транцевую корму; практически по всей длине кормовой оконечности скругление скулы имеет одинаковую кривизну. В процессе оптимизации возможно плавное изменение радиуса скруг-ления скулы. На рис. 2 приведена 3D-модель начального приближения поверхности корпуса судна, а в табл. 1 - его основные элементы.
Основные элементы 3Б-модели
Таблица судна
1
Рис. 2. 3D-модель поверхности корпуса судна:
1 - участок плоского борта и днища; 2 - скула с одинаковым радиусом скругления; 3 - участок днища с линейными элементами флоров; 4 - участок поверхности с кривизной одного направления Здесь и далее иллюстрации и табличные расчеты выполнены авторами
Элементы Значения
Длина максимальная (габаритная) Lнб, м 84,0
Длина между перпендикулярами) L, м 80,0
Ширина В, м 16,0
Осадка Т, м 6,0
Высота борта Н, м 10,0
Площадь смоченной поверхности м2 2010
Мощность главного двигателя, МВт 6,2
Производительность Р, т(рыбы)\сутки 100
Вместимость V, м3 14300
Водоизмещение D, т 6017
Скорость V, уз 15,0
Первую задачу можно сформулировать следующим образом: необходимо определить такие параметры формы корпуса Xk=i(L, B, T, Н, r, 1н, 1к, Ьн, W, ао), при которых судно имеет минимальное сопротивление R(Xk=i) ^ min и максимально возможную площадь плоских участков борта и днища, участков поверхности, имеющих кривизну одного направления, и выполняются требования, предъявляемые к элементам поверхности судна (водоизмещению, вместимости), представленные в виде ограничений lFj(Xk=i) > üj, j=1,m, где j - индекс ограничения, m - количество ограничений, üj - требования. Варьируемые параметры Xk=i: L - длина между перпендикулярами, м; В - ширина по ГВЛ, м; Т - осадка по ГВЛ, м; Н - высота борта по верхнюю палубу, м; r - радиус скругления скулы, м;
1н, 1к - длина цилиндрической вставки на уровне основной плоскости в носовой и кормовой оконечностях, м;
16н, 16к - длина плоского участка борта на уровне ГВЛ в носовой и кормовой оконечностях, м;
ао - угол наклона ГВЛ к ДП на носовом перпендикуляре, град.
Ограничения:
- водоизмещения по ГВЛ, Dmin < D(Xk=l) < Dmax, т;
- вместимость, Wmin < W(Xk=l) < ^^тах, м3;
- площадь плоского борта и днища, 81(Ак=1)> 81т1п, м2;
- площадь участка с одинаковым радиусом скругления скулы, <&2(Хк=1)> S2min, м2;
- площадь участка днища с линейными элементами флоров, Sз(Xk=l)> Sзmin, м2;
- площадь участков поверхности, имеющих кривизну одного направления, S4(Xk=l)> S4min, м2.
Цель (критерий): минимальное сопротивление Я(Хк=1)^тт.
Точность и сходимость результатов исследований, на наш взгляд, обеспечиваются рациональным использованием сплайновой математики при создании 3D-модели поверхности корпуса судна, точностью исходной информации (тип течения: ламинарное и турбулентное; шероховатость: 100 мкм; расчетная область: исключает влияние внешних граничных условий на картину обтекания корпуса), управлением сетки исходя из условия сходимости целей.
Результаты оптимизации формы корпуса судна в однородном потоке (при скорости движения 8 м/с) представлены в табл. 2. Длина между перпендикулярами Ь, ширина по ГВЛ В, осадка по ГВЛ Т и высота борта Н в процессе решения тестовой задачи 1 не изменялись и принимали значения, полученные на верхнем подуровне проектирования (см. табл. 1). На рис. 3 и 4 показаны картины распределения давления в плоскости ГВЛ, на поверхности и обтекания корпуса судна после оптимизации.
Таблица 2
Результаты оптимизации (задача 1)
Вариант исследования Наименование переменной, ограничения, цели
L, м В, м Т, м Н, м г, м 1н, м 1к, м 1бн, м 1бк, м ао, град D, т W, м3 51, м2 S2, м2 Sз, м2 S4, м2 ^ кН
Начальное приближение 80,0 16,0 6,0 10,0 1,7 0,0 0,0 22,8 40,9 68 6017 14546 1281 239 561 1457 315,0
Оптимум 80,0 16,0 6,0 10,0 1,5 2,4 9,6 24,0 41,4 65 6045 14596 1490 218 447 1398 328,7
Применение цилиндрической вставки (ЦВ) приводит к снижению себестоимости изготовления конструкций; в то же время ЦВ, выбранная в разумных пределах (по длине и расположению), оказывает незначительное и неоднозначное влияние на сопротивление.
Плавное увеличение радиуса скругления скулы по мере приближения к носовому перпендикуляру позволяет сформировать инверсную носовую оконечность и обеспечить плавное обтекание поверхности корпуса потоками воды как в носовой оконечности, так и в районе ЦВ (без резких изменений линий тока и перепада давления) (см. рис. 3, 4).
а) б)
Рис. 3. Визуализация результатов: а) картина (скорость) в плоскости ГВЛ и (давление) на поверхности корпуса; б) траектории потока
а) б) в)
Рис. 4. Траектории потока и картина (давление) на поверхности корпуса: а) вид сбоку, корма; б) вид сноса; в) вид сбоку, нос
В кормовой оконечности, как было отмечено, судно имеет лыжеобразную форму с вертикальным бортом, горизонтальным днищем и неизменяющимся по длине радиусом скругле-ния скулы. При этом ширина ГВЛ в кормовой оконечности выбрана из соображений обеспечения остойчивости и размещения грузов и оборудования.
При таких обводах часть потока воды обтекает корпус со стороны борта и уходит за корпус, создавая кормовую волну, а часть проходит по днищу вдоль батоксов, образуя равномерный поток в плоскости диска гребного винта (см. рис. 4).
Результаты численных расчетов сопротивления воды движению судна (начального приближения в табл. 2), выполненные в FlowSimulation SolidWorks (315,0 кН), достаточно хорошо согласуются с традиционными расчетами с помощью математической модели судна на верхнем подуровне проектирования (расхождение 4,2%). Оптимизация формы корпуса с учетом налагаемых ограничений приводит к незначительному увеличению сопротивления воды (около 4,3%), при этом увеличиваются длина ЦВ и площадь плоского борта и днища Si (на 16,3%). Одновременно с этим уменьшились площадь участка с одинаковым радиусом скругления скулы S 2 (на 8,8%), площадь днища с линейными элементами флоров S з (на 20,3%) и площадь поверхности участка с кривизной одного направления S4 (на 4,0%). Незначительное увеличение сопротивления и изменения площадей участков поверхности корпуса S1^S4 можно объяснить достаточно высокой степенью адекватности математической модели судна и удачным выбором параметров 3D-модели начального приближения поверхности корпуса судна.
Следует отметить, что данные выводы можно сделать применительно к рассматриваемому объекту исследования, однако методический подход приемлем для судов различных размеров и назначений.
Задача 2. В процессе решения второй задачи необходимо найти такой вектор Xk=2, определяющий топологию и размеры связей конструкций корпуса, при котором критерий эффективности достигает экстремального значения и выполняются требования, представленные в виде ограничений [1, 3, 5, 7, 12, 13,15].
Известными величинами являются параметры формы корпуса судна Xk=i, полученные
V*
в результате решения первой задачи, и характеристики и элементы судна Х - на верхнем подуровне проектирования.
Оптимизируемые переменные, в наибольшей степени влияющие на прочность, массу и технологичность конструкций:
a - шпация поперечного набора, мм;
si, S2, S4 - толщины палубной, бортовой и днищевой обшивок, мм;
ni, П2 - размеры бимсов и шпангоутов, мм;
ki, k2 - количество усиленных продольных балок и поперечных рам набора, ед.;
S3 - толщина флоров, мм.
Критерии эффективности:
- минимум массы корпуса судна:
(X*, Хк=2) ^ min М(Х*, а, п, к, s),
„3.
- минимум себестоимости изготовления конструкций корпуса: fk=2(X*,Хк=г) ^ Спр(X*,a,n,k,s).
Ограничения задаются исходя из условий поставленной задачи на основе Правил РМРС и норм прочности согласно ГОСТ 14.201-83 [5, 11]:
- себестоимость изготовления (при использовании критерия минимума массы), тыс. руб.;
- масса конструкций (при использовании критерия минимума себестоимости), кг;
- напряжения по Мизесу, МПа;
- момент сопротивления поперечного сечения корпуса, см3
- координаты центра масс, м.
В зависимости от специфики решаемой задачи и ресурсов вычислительной техники часть переменных и ограничений может быть погашена либо высвечена, ограничения преобразованы в критерий и наоборот.
Себестоимость конструкций определяется по формуле
Спр~^ (Сми+0^+Сщ+Сз{)+Сц+Сз,
где i - индекс детали конструкции (обшивка, кница, полособульб и др.); Смi - стоимость материалов; Cтрi — стоимость труда (заработная плата производственных рабочих); Сц и Сзi — цеховые и заводские расходы, относящиеся к детали; Сц и Сз — общие цеховые и заводские расходы.
Приложение SolidWorks Costing предоставляет достаточно широкие возможности для оценки себестоимости конструкций на ранних стадиях их проектирования в соответствии с показателями реального производства. В основе работы SolidWorks Costing лежат шаблоны, позволяющие настроить основные параметры себестоимости изготовления деталей и сборок (узлов, секций, блоков).
Краткое описание технологического процесса
Себестоимость изготовления конструкций во многом зависит от принятой на заводе технологии и организации судостроительного производства и технологического оборудования.
Изготовление деталей. Перед поступлением на склад листовой и профильный прокат правится и грунтуется. Прямолинейные детали из профильного проката изготовляются на автоматизированной линии, криволинейные — на профилегибочном станке с ЧПУ. Детали из листового проката вырезаются на машинах плазменной резки с одновременной разделкой кромок и маркировкой деталей (согласно ОСТ5.9092). Гибка листовых деталей производится на гидравлических прессах и станках с ЧПУ. Точное изготовление деталей предполагает сборку и сварку узлов, плоскостных и объемных секций в «чистый размер», а блоков — с припусками в необходимых местах.
Для деталей из листового материала (обшивка, флоры, стрингеры, кницы) в шаблонах задаются: материал, толщина, стоимость материала, станки (оборудование), затраты на наладку производства, стоимость работ, дополнительная стоимость, стоимость сгибов, библиотечные элементы и настройки. Материал выбирается из библиотеки материалов SolidWorks; его стоимость определяется в зависимости от сортамента с учетом расходов на закупку и хранение. Профили — также из библиотеки. В качестве примера приведен шаблон раздела «Материал механической обработки деталей» (рис. 5). Стоимости листового проката и профилей, сварочных и гибочных работ, плазменной резки получены из электронных ресурсов с учетом реального производства [7, 9, 11, 17].
Рис. 5. Шаблон раздела «Материал механической обработки деталей»
Сборка узлов, секций и блоков. Изготовление плоскостных секций производится на плоском стенде автоматизированной линии, криволинейных панелей - на коксовой постели, объемных и криволинейных секций - на плоском стенде или коксовой постели. Сварка узлов и таврового набора осуществляется на специализированной линии сварочными автоматами под флюсом. После окончания сборочно-сварочных работ проводится контроль качества сварных швов, местных сварных деформаций, размерный контроль секций и блоков с последующим испытанием на непроницаемость и герметичность в соответствии с ОСТ 5.1180, а также грунтовка и окраска (рис. 6).
Рис. 6. Шаблон раздела «Сварной шов сборки»
Таким образом, для сборок задаются: тип и себестоимость операций; затраты на наладку оборудования; сварочное оборудование, время настройки и стоимость работ; стоимость различных типов швов и т.п. Определение трудоемкости и себестоимости изготовления -достаточно сложная и трудоемкая задача, связанная, во-первых, с оптимизацией (топологии и размеров) конструкций и, во-вторых, нестабильностью отдельных составляющих стоимости, сильно зависящих от колебаний цен на материалы, оборудование, электроэнергию и размеров заработной платы.
ЭБ-модель конструкций корпуса представляет собой сборку, состоящую из отдельных увязанных между собой перекрытий и конструкций, обеспечивающих судну достаточную прочность, технологичность и экономическую эффективность в процессе его эксплуатации.
Корпус судна набран по поперечной системе набора с начальной шпацией 600 мм из судостроительной стали повышенной прочности марки А32 с гарантированным пределом текучести не менее 315 МПа в соответствии с ГОСТ 52927-2015. Возможно использование стали нормальной прочности с пределом текучести не менее 235 МПа. В районе миделевого сечения пластины обшивки днища подкреплены в продольном направлении стрингерами и вертикальным килем, а настилы палуб - карлингсами. В поперечном направлении днище, борт и палубы подкреплены, соответственно, флорами, шпангоутами и бимсами. Шпангоуты и бимсы изготовлены из полособульба и тавра.
Трехмерная модель конструкций корпуса:
- создана с использованием инструментов и библиотечных элементов, позволяющих реализовать технологические процессы и особенности производственного (технологического) оборудования, поскольку себестоимость детали рассчитывается по настроенным шаблонам SolidWorks Costing в соответствии с реальной её геометрией;
- имеет достаточное количество оптимизируемых переменных, что позволяет варьировать размеры конструкций корпуса в заданных пределах, имеет в составе корпуса минимальное количество типоразмеров проката, марок материалов и типовых узлов.
В качестве начального варианта принята 3D-модель конструкций, созданная с учетом элементов судна Х* и требований Правил РМРС без бортового стрингера в районе ГВЛ. В процессе оптимизации осуществляется введение в состав оптимизируемых переменных бортового стрингера (в качестве дискретной величины) (рис. 7).
Адекватность и точность 3Б-модели и условий задания исходной информации обеспечиваются надлежащим приложением расчетной нагрузки, выбором параметров соединения
деталей, крепления конструкций и создания сетки (см. рис. 7). Расчетные нагрузки, действующие на корпус судна со стороны моря, определяются по Правилам РМРС. Характеристики сетки: тип - на твердом теле, на основе кривизны; максимальный размер элемента - 78,67 мм; качество - высокое; всего узлов - 1453189; всего элементов - 756912.
а) б)
Рис. 7. 3й-модель конструкций корпуса: а) без бортового стрингера и схема крепления конструкций; б) с бортовым стрингером и сетка
Результаты исследований
Масса начального варианта конструкций отсека (без бортового стрингера) до оптимизации составляла 2x17076 кг, после оптимизации - 2x16700 кг, то есть произошло уменьшение массы на 2x376 кг (2,2%). При этом себестоимость изготовления отсека сократилась на 2x23,8 тыс. руб. (с 2x3192,9 до 2x3169,1 тыс. руб.) - менее 1 %. Расчетные напряжения по Мизесу не превышают допустимые пределы (максимальное 195 МПа), что говорит о достаточной прочности конструкций. Результаты оптимизации конструкций отсека приведены в табл. 3.
Таблица 3
Размеры конструкций отсека начального и оптимального вариантов
Обозначение Наименование, размерность Начальный вариант Начальный вариант со стрингером Диапазон варьирования Оптимальный вариант
а Шпация поперечного набора, мм 600 600 560, 600, 640 600
51 Толщина палубной обшивки, мм 8 8 7, 8, 9 8
52 Толщина бортовой обшивки, мм 9 9 7, 8, 9 8
П2 Шпангоут (полособульб) № 20б № 20б № 20б, № 18б № 18б
Толщина флоров, мм 9 9 7, 8, 9 9
Я4 Толщина днищевой обшивки, мм 12 12 9, 10, 12 10
к1 Количество бортовык стрингеров, ед. 0 1 0, 1 0
а Макс. напряжения по Мизесу, МПа 180 185 <315 195
М Масса, кг 17076 17247 <16800 16700
Спр Себестоимость изготовления, тыс. руб. 3 192,9 3 236,1 Минимум 3 169,1
Эпюра эквивалентные напряжений по Мизесу, возникающие в конструкцияx корпуса без бортового стрингера и с бортовым стрингером, показывает, что наличие бортового стрингера не оказывает существенного влияния на прочность конструкций и ни один из вариантов не попал в область эффективные решений с точки зрения как массы, так и себестоимости ик изготовления (рис. 8).
Распределение напряжений осуществляется по высоте шпангоута (днищевое перекрытие - палубное перекрытие) и по длине бимса (борт - ДП) до и после оптимизации (рис. 9).
а) б)
Рис. 8. Результаты оптимизации, эпюры напряжений: а) конструкции без бортового стрингера; б) конструкции с бортовым стрингером
а) б)
Рис. 9. Распределение напряжений: а) по высоте шпангоута; б) по длине бимса
Одновременно с этим получена приблизительная себестоимость каждой детали и отсека в целом (рис. 10 а,б). Менеджер Costing имеет возможность для сравнения текущей стоимости с базовой и создания детального отчета о себестоимости конструкций (рис. 10 в).
Costing
(?) X
листовой металл Шаблон Costing
лист
Запуск редактора шаблона...
Категория: Сталь
Приблизительная себестоимость: Д...
2,06Е+5 руб/Деталь
Сравнение ох
Текущий Базовый ур...
Материал: Изготовление:
[1.91Е+5 руб] [15005,00 руб]
«
а фх
Шаблоны Costing Основной шаблон:
Сборы опеке 3
<1
¡"й Отсек
Запуск редактора шаблона.-,
Количество Общее количество сборок
1' Щ
Приблизительная себестоимость: С 3.17Ё+6 руб/Сборга
IX
3 3.17Е + Й руб
9 3.19Е+6 DV6
Рассчитанные детали: [1.3SE+6 ру6] Приобретенные детали: [ООО pyil операции: [1.79Е+6 руб] 44% 0% 56%
Имя сборки
С6ор»а2
Дата и время создания отчета: 02,05.2022 21:01:03
Общий вес: 16700,57 кг
Общий вес заготовки: 16976,90 кг
Количество
Общее число сборок: 1
Размер партии: 1
Приблизительная себестоимость сборки: 3169149,79 руб
Основной шаблон Costing: Сборка отсека.sldctc
Сравнение: # =тшт
Разбивка себестоимости
Рассчитанные детали: 1.36F+6 руб 44%
Приобретенные детали: 0.00 руб 0%
Детали Toolbox: 0,00 руб 0%
Операции: 1.79Е+6 руб 56%
Наценка: 0.00 руб 0%
а) б) в)
Рис. 10. Менеджер Costing, приблизительная себестоимость: а) детали - днищевой обшивки; б) сборки - отсека; в) фрагмент отчета
Системный подход предполагает определение экономического эффекта от оптимизации формы и конструкций корпуса, который достигается за счет уменьшения сопротивления
(увеличения скорости), массы корпуса и себестоимости его изготовления по сравнению с рассчитанным в задаче верхнего подуровня в процессе технико-экономического обоснования характеристик и элементов судна по формуле [8]:
fk(X*,Xk) = fk(Xk) + Z?=1yjA^jk,
здесь fic(Xk) - доля прибыли (критерия), получаемая за счет снижения стоимости корпуса;
Уу - множители Лагранжа, тыс. руб./размерность ограничения;
Atyjk - приращения ограничений (скорости, грузоподъемности, вместимости).
Выводы
Изложен достаточно простой и эффективный способ оптимизации конструкций с учетом формы и прочности корпуса по критерию минимума себестоимости их изготовления. Инструменты Costing предоставляют возможность оценить себестоимость изготовления конструкций корпуса на ранних стадиях их проектирования и сравнивать результаты для принятия окончательного решения.
Сварочные и наладочные работы, операции плазменной резки и гибки листового металла согласно принятой топологии конструкций и технологии изготовления отсека незначительно влияют на себестоимость (1-3%), поскольку масса конструкций и стоимость технологических процессов в этом случае изменяются незначительно. Существенное влияние на металлоемкость и технологичность конструкций оказывает оптимизация топологии конструкций в сочетании с выбором материалов и размеров основных элементов (например, бортовых стрингеров, карлингсов и др.). Здесь эффект может достигать 6 и более процентов.
Наряду с оптимизацией конструкций корпуса можно решать частные задачи, связанные с влиянием напряженно-деформированного состояния, концентрации напряжений, унификации узлов на массу, надежность и технологичность конструкций. Одновременно с этим оптимизация конструкций корпуса с учетом их технологичности включает в себя оптимизацию не только проектируемого судна и его подсистем, но и процесса проектирования и сопровождения изделия на всех этапах жизненного цикла, особенно на начальных.
Вклад авторов в статью: В.Г. Бугаев - постановка задачи, разработка методов исследования, анализ результатов; Ю.В. Бондаренко - разработка оптимизационной модели, выполнение расчетов, анализ результатов, оформление; Дам Ван Тунг - создание 30-модели, выполнение расчетов, анализ результатов, оформление; А.А. Ковалев - выполнение расчетов, анализ отечественных и зарубежных источников, перевод источников, оформление. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Бугаев В.Г., Дам Ван Тунг. Обеспечение прочности корпуса рыболовного судна // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2019. № 2(39). С. 49-56. DOI 10.24866/2227-6858/2019-2-6
2. Бугаев В.Г., Дам Ван Тунг, Бондаренко Ю.В. Оптимизация формы корпуса рыболовных судов // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2020. № 2(43). С. 35-45. DOI 10.24866/2227-6858/2020-2-4
3. Ераносян К.С., Маслич Е.А., Федонюк Н.Н. Оптимизация конструкции корпуса корабля из полимерных композиционных материалов // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Спецвыпуск 2. С. 124-130. DOI 10.24937/2542-2324-2018-2-S-I-124-130
4. Изменения к Правилам классификации и постройки морских судов. Применение в практике РС требований Финско-шведских правил для судов ледового плавания, 2010. Циркулярное письмо № 312-11 -812ц от 15.04. 2015. 44 с.
5. Крыжевич Г.Б., Филатов А.Р. Комплексный подход к топологической и параметрической оптимизации судовых конструкций // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. № 1(391). С. 95-108. DOI 10.24937/2542-2324-2020-1-391-95-108
6. Манухин В.А. О расчетах прочности и жесткости днищевого перекрытия с килеватостью // Морские интеллектуальные технологии. 2018. Т. 1, № 2(40). С. 57-61. EDN: XSHLFJ
7. МетТрансТерминал. URL: https://vladivostok.met-trans.ru/stal/list-stalnoy-cena-za-list (дата обращения: 18.04.2022).
8. Пашин В.М. Оптимизация судов. Ленинград: Судостроение, 1983. 296 с.
9. Плазменная резка. URL: https://skolkos.ru/skolko-stoit-plazmennaya-rezka-metalla-srednie-ceny (дата обращения: 18.04.2022).
10. Правила классификации и постройки морских судов. Ч. 2. Санкт-Петербург: Российский морской регистр судоходства, 2016. 224 с.
11. Провар.ру. URL: https://provar.ru/svarka-tsena (дата обращения: 18.04.2022).
12. Тряскин В.Н. Методология параметрического проектирования конструкций корпуса судна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2018. Спецвыпуск 2. С. 9—14. DOI 10.24937/2542-2324-2018-2-S-I-9-14
13. Gordo J.M., Leal M. A tool for analysis of costs on the manufacturing of the hull. Maritime Transportation and Harvesting of Sea Resources. London, 2018. P. 743—748. URL: https://www.re-searchgate.net/publication/320307726 — 04.02.2023.
14. Larsson L., Stern F., Visonneau M. CFD in ship hydrodynamics — result of the Gothenburg 2010 workshop. CIMNE, 2011. P. 17—36. URL: http://hdl.handle.net/2117/333127 — 04.02.2023.
15. Leal M., Gordo J.M. Hull's manufacturing cost structure. Brodogradnja: Teorija ipraksa brodogradnje ipomorske tehnike. 2017;68(3). DOI 10.21278/brod68301
16. Odd Magnus Faltinsen. Challenges in Hydrodynamics of Ships and Ocean Structures. Brodogradnja. 2017;58(3). URL: https://www.researchgate.net/publication/27201126 — 04.02.2023.
17. Rimax. URL: https://rimaxgrp.ru/folding-price — 18.04.2022.
18. Stern F., Agdraup K., Kim S.Y., Hochbaum A.C. еt al. Experience from SIMMAN 2008 — The First Workshop on Verification and Validation of Ship Maneuvering Simulation Methods. J. Ship Res. 2011;(55): 135—147. DOI 10.5957/jsr.2011.55.2.135
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2023. N 1/54
Ship Design and Construction www.dvfu.ru/en/vestnikis
Original article
DOI https://doi.org/10.24866/2227-6858/2023-1/38-49
Bugaev V., Bondarenko Yu., Dam Van Tung, Kovalev A.
VIKTOR G. BUGAYEV, Doctor of Engineering Sciences, Professor,
https://orcid.org/0000-0001-8778-620X, [email protected]
YULIA V. BONDARENKO, Postgraduate Student, [email protected]
Polytechnic Institute
Far Eastern Federal University
ANATOLY A. KOVALEV, Engineer, [email protected]
JSC Ship Repair Center Dalzavod
Vladivostok, Russia
DAM VAN TUNG, Candidate of Engineering Sciences, Lecturer, [email protected] Faculty of Marine Engineering, Department of Industrial Engineering Management Vietnam Maritime University Haiphong, Vietnam
Optimization of ship hull structures, taking into account their manufacturability
Abstract. A fairly simple and effective way to optimize ship hull structures at the early stages of design according to the criterion of manufacturing cost, taking into account propulsion and strength in order to reduce their metal consumption and improve manufacturability, is outlined. Two tasks are being solved: the first is optimization of the hull shape to ensure propulsion (by the criterion of minimum water resistance to the movement of the ship) and, at the same time, a rational increase in the length of the cylindrical insert, the area and number of flat sections, surface sections with a curvature of one direction and, therefore, the minimum number of standard units and structures; the second is the optimization of ship hull structures according to the criteria
of minimum weight and cost of their manufacture. The results of optimizing the shape and structures of the ship's hull are presented, which make it possible to identify the best design and technological solutions and evaluate the economic effect. Particular attention is paid to the study of the dependence of the mass and cost of manufacturing structures on the topology, spacing, sizes of frames and beams, thickness of the skin and floors, as well as on the organization and production technology.
Keywords: optimization, manufacturability, cost of hull structures, computer simulation
For citation: Bugaev V., Bondarenko Yu., Dam Van Tung, Kovalev A. Optimization of ship hull structures, taking into account their manufacturability. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2023;(1):38-49. (In Russ.)
Contribution of the authors: Bugaev V. - statement of the problem, development of research methods, analysis of the results; Bondarenko Yu. - development of an optimization model, calculations, analysis of results, design; Dam Van Tung - creating a 3D model, performing calculations, analyzing the results, designing; Kovalev A. - calculations, analysis of domestic and foreign sources, translation of sources, design. The authors declare no conflict of interests.
REFERENCES
1. Bugaev V.G., Dam Van Tung. Ensuring the strength of the fishing vessel hull. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2019;(2):49-56. (In Russ.) DOI 10.24866/2227-6858/2019-2-6
2. Bugaev V.G., Dam Van Tung, Bondarenko Yu.V. Fishing vessels hull shape optimization. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2020;(2):35-45. (In Russ.) DOI 10.24866/2227-6858/2020-2-4
3. Eranosyan K.S., Maslich E.A., Fedonyuk N.N. Optimization of the design of the ship's hull from polymer composite materials. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018;(S2):124-130. (In Russ.) DOI 10.24937/2542-2324-2018-2-S-I-124-130
4. Changes to the Rules for the Classification and Construction of Sea-Going Vessels. Application in RS practice of the requirements of the Finnish-Swedish Rules for Ice Navigation Vessels, 2010. Circular Letter No. 312-11-812c dated 15.04.2015. 44 p.
5. Kryzhevich G.B., Filatov A.R. An integrated approach to topological and parametric optimization of ship structures. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020;(1):95-108. (In Russ.) DOI 10.24937/2542-2324-2020-1-391-95-108
6. Manukhin V.A. About calculations of strength and rigidity of the bottom floor with deadrise. Marine intelligent technologies. 2018;1(2):57-61. (In Russ.)
7. Mettrans. URL: https://vladivostok.met-trans.ru/stal/list-stalnoy-cena-za-list - 04/18/2022. (In Russ.)
8. Pashin V.M. Ship optimization. Leningrad, Shipbuilding, 1983. 296 p. (In Russ.)
9. Plasma cutting. URL: https://skolkos.ru/skolko-stoit-plazmennaya-rezka-metalla-srednie-ceny -04.18.2022. (In Russ.)
10. Rules for the classification and construction of ships. Part 2. St. Petersburg, Russian Maritime Register of Shipping, 2016. 224 p. (In Russ.)
11. Provar.ru. URL: https://provar.ru/svarka-tsena/ - 04.18.2022.
12. Tryaskin V.N. Methodology of parametric design of ship hull structures. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2018;(S2):9-14. DOI 10.24937/2542-2324-2018-2-S-I-9-14
13. Gordo J.M., Leal M. A tool for analysis of costs on the manufacturing of the hull. Maritime Transportation and Harvesting of Sea Resources. London, 2018. P. 743-748. URL: https://www.re-searchgate.net/publication/320307726 - 04.02.2023.
14. Larsson L., Stern F., Visonneau M. CFD in ship hydrodynamics - result of the Gothenburg 2010 workshop. CIMNE, 2011. P. 17-36. URL: http://hdl.handle.net/2117/333127 - 04.02.2023.
15. Leal M., Gordo J.M. Hull's manufacturing cost structure. Brodogradnja: Teorija ipraksa brodogradnje ipomorske tehnike. 2017;68(3). DOI 10.21278/brod68301
16. Odd Magnus Faltinsen. Challenges in Hydrodynamics of Ships and Ocean Structures. Brodogradnja. 2017;58(3). URL: https://www.researchgate.net/publication/27201126 - 04.02.2023.
17. Rimax. URL: https://rimaxgrp.ru/folding-price - 18.04.2022.
18. Stern F., Agdraup K., Kim S.Y., Hochbaum A C. et al. Experience from SIMMAN 2008 - The First Workshop on Verification and Validation of Ship Maneuvering Simulation Methods. J. Ship Res. 2011;(55): 135-147. DOI 10.5957/jsr.2011.55.2.135
