CC BY
29
КОРАБЛЕСТРОЕНИЕ
УДК 629.5 Л.И. Чехранова
ЧЕХРАНОВА ЛИДИЯ ИГОРЕВНА - доцент кафедры кораблестроения и океанотехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lchehranova@mail.ru
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И МОДЕРНИЗАЦИИ ФАЛЬШБОРТОВ
Рассмотрено использование системного анализа для проектирования и модернизации фальшборта, выполнена оптимизация его математической модели и даны рекомендации для модернизации.
Ключевые слова: системный анализ, математическая модель, оптимизация, фальшборт, проектирование, модернизация.
The application of the systems analysis when designing and modernising bulwarks. Lidiya I. Chehranova - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The article deals with the application of the systems analysis when designing and modernising bulwarks. It offers the optimisation of its mathematical model and the suggestions about the modernisation.
Key words: systems analysis, bulwark, optimisation, mathematical model, designing, modernisation.
Системный подход к проектированию подсистемы «корпус судна» подчинен единому принципу - достижению наивысшей эффективности эксплуатации всей системы, т.е. судна в целом.
Критерием эффективности эксплуатации судна (верхнего уровня) является его рентабельность. Под этим критерием подразумеваются приведенные затраты, отнесенные к объему выполняемой судном работы.
Основой для критериев низшего уровня являются приведенные затраты по ремонтируемой подсистеме «корпус». Это позволяет одновременно удовлетворить требованиям непротиворечивости критерию высшего уровня и расчета критериев низшего уровня в рамках подсистемы «корпус». На практике осуществляется гибкая связь между задачами верхнего и нижнего уровней.
© Чехранова Л.И., 2012
Повреждения фальшбортов приводят к уменьшению прочности корпуса, потере работоспособности этих конструкций и нарушению водонепроницаемости судна, т.е. к снижению не только надежности подсистемы «корпус», но и эффективности эксплуатации судна. Методом, способствующим исследованию надежности фальшбортов, является анализ сведений о повреждениях. Проведение систематической работы по сбору статистического материала, основанного на обследовании повреждений, позволяет разрабатывать мероприятия по повышению надежности фальшбортов. Накопление и анализ повреждений этих элементов корпуса позволяет получить информацию, которая способствует определению путей их совершенствования. Повышение работоспособности фальшбортов обеспечит рентабельную эксплуатацию судна как системы.
Повреждения подвесных фальшбортов связаны с недостаточной их прочностью при местных нагрузках, а также с недооценкой усилий, воспринимаемых фальшбортами при общем продольном изгибе судна [1-5].
Частые повреждения фальшбортов на судах, построенных в разных странах, а также многочисленные варианты их конструктивного оформления требуют системного анализа взаимосвязи принимаемых решений на различных этапах жизненного цикла судна, а именно: проектирования, постройки, эксплуатации, ремонта и утилизации. На этапах проектирования и модернизации конструктор должен выбрать из большого количества альтернатив наилучшим образом отвечающую требованиям надежности, прочности, технологичности и экономичности в конкретных условиях эксплуатации. Будет ли принятое решение действительно оптимальным, зависит от многих факторов. Эффективным станет решение, в котором технические и экономические факторы доминируют. Оптимальная конструкция фальшборта - это наиболее приемлемый компромисс рациональности эксплуатации, надежности и технологичности изготовления и ремонта.
Конструктивно фальшборт состоит из сплошных листов высотой около 1 м, подкрепленных стойками. По верхней кромке листов устанавливают планшири, обеспечивающие прочность корпуса при действии поперечных нагрузок и служащие перилами при движении людей по палубе. Нормативные документы рекомендуют подвесной фальшборт, отсоединенный от надстроек, присоединять к палубе стойками с фланцами, срезанными на ус и расширяющимися у палубы в виде книц. Последние увеличивают прочность крепления стоек фальшборта к палубе, но часто повреждаются. Считается, что сплошная прорезь фальшборта вместе с подвижными соединениями исключает его из работы при общем изгибе. По концам такие фальшборты отсоединяют от надстроек подвижными соединениями. Результаты исследований [1, 2] свидетельствуют о том, что фальшборты протяженностью между подвижными соединениями порядка 10 м все-таки частично участвуют в общем изгибе судна. Недооценка усилий, возникающих при этом в конструкциях, является причиной возникновения трещин у основания стоек. Введение подвижных соединений значительно уменьшает местную прочность фальшбортов. Каждое такое соединение образует прерывистую конструкцию, по концам которой при общем продольном изгибе корпуса возникает концентрация напряжений, приводящая к отрыву крайних стоек от палубы.
Повреждения подвесных фальшбортов обусловлены:
- недостаточной их прочностью на местные нагрузки;
- недооценкой воспринимаемых усилий от общего продольного изгиба судна.
Причинами повреждения являются:
- воздействие волн;
- общий изгиб судна;
- перевозка леса на палубе;
- швартовка судов в открытом море.
По статистическим данным, из 100 повреждений, обнаруженных на одном из судов, 3 приходилось на фальшборт [3]. Для сухогрузных судов наиболее повреждаемыми конструктивными узлами являлись соединения фальшбортов с надстройками, ширстреком и палубой, трещины появлялись в планшире фальшборта и у основания стоек верхней палубы [2, 3].
Повреждения конструкций фальшбортов на сухогрузных судах составляли 4,3%; для лесовозов - 10,9%; для навалочных судов - 1,6% [3].
Анализ результатов осмотров судов, эксплуатировавшихся в Дальневосточном бассейне, позволил сделать вывод о том, что фальшборты продолжали повреждаться в указанных ранее районах и проблема проектирования надежной и технологичной их конструкции осталась нерешенной (рис. 1, 2).
Эксплуатационная и ремонтная технологичность конструкций фальшборта тесно связаны с ремонтопригодностью, которая, в свою очередь, является важнейшей составляющей надежности. Основными показателями указанных свойств являются продолжительность и затраты труда на выполнение комплекса профилактических и восстановительных операций, осуществляемых в процессе эксплуатации судна.
Эксплуатационная и ремонтная технологичность конструкций фальшборта определяется рядом частных свойств, характеризующих их приспособленность к работе в составе подсистемы «корпус», и влияющих на работу судна в целом. Изменение этих свойств целесообразно рассматривать комплексно. Оценка эксплуатационной и ремонтной технологичности фальшборта по статистическим сведениям производится расчетом показателей с использованием материалов из хронометрических карт.
Рис. 1. Судно, потерявшее Рис. 2. Повреждения фальшборта пролет фальшборта
На основе теории составных стержней и метода полного факторного эксперимента была разработана математическая модель [2], позволяющая оценить степень участия в общем продольном изгибе корпуса отсоединенного от ширстрека и выбрать, используя многокритериальную оптимизацию, рациональное конструктивное оформление фальшборта.
Разработанная математическая модель была применена для оптимизации наиболее часто повреждаемого узла соединения фальшборта с палубой. Для расчета применялся метод зондирования пространства параметров, называемый Лп-поиском. Пробными точками в единичном многомерном кубе использованы точки Лп -последовательностей.
Первые публикации об Лп^-последовательностях появились к 1966 г. Название «Лп^-последовательность» - это сокращение фразы «последовательность, любой двоичный участок которой представляет собой п^-сетку». Лп^-последовательностью называется последовательность точек P0, Pl, ..., Pi, куба Кп, если любой ее двоичный участок, содержащий не менее чем 2Т + 1 точек, представляет собой п^-сетку.
Отличительная особенность этого метода - систематический просмотр многомерных областей. В качестве пробных точек в пространстве параметров используются точки равномерно распределенных последовательностей. Для оптимизации использован алгоритм, в основе которого лежит численное исследование (зондирование) пространства параметров конструкции фальшборта.
На первом этапе, который выполняется без вмешательства человека и заключается в подборе N пробных точек A1, ., AN, равномерно распределенных в G (подмножество параллелепипеда п), составляются таблицы испытаний. В каждой точке вычисляются значения всех критериев.
На втором этапе выбираются критериальные ограничения, и проектант назначает ограничения на каждый критерий.
Третий этап выполняется автоматически и заключается в проверке непустоты D (О -множество допустимых точек).
Во всех расчетах использованы точки Лп^-последовательности
^ ... , Qi, ..., О,
По декартовым координатам очередной точки Qi = ^д, ..., д^п) вычисляются декартовы координаты точки А\ принадлежащей параллелепипеду п.
А® = (Я1«, ..., Л а/0 = ) + (а)** - ) Ф)
где ) = 1, 2, ..., п (здесь * означает поразрядное сложение по модулю два в двоичной системе).
При А = А(^ рассчитывается проектная система и проверяется выполнение ограничений. Если условия выполнены, то точка А = А(^ отбирается в качестве пробной, в противном случае она отбрасывается.
Все декартовы координаты qi,j вычисляются по единой зависимости:
(1) (2) (т)
= е1 Ц) ) • е2 Ц) ) • ...» ет Ц, ) ,
где) 1 2, •••, п.
Расчет выполняется в диалоговом режиме. В результате проведенных исследований разработаны рекомендации для модернизации поврежденного узла. Осмотры эксплуати-
рующихся судов с измененными фальшбортами подтвердили правильность выбранного технического решения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барабанов Н.В., Иванов Н.А., Новиков В.В., Шемендюк Г.П. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций: 2-е изд. Л.: Судостроение,1989. 256 с.
2. Барабанов Н.В., Чибиряк И.М., Чехранова Л.И. Принципы проектирования подвижных соединений в фальшборте // Судостроение. 1984. № 5. С. 8-9.
3. Гаврилов М.Н., Брикер А.С., Эпштейн М.Н. Повреждения и надежность корпусов судов. Л.: Судостроение, 1978. 216 с.
4. Симанович А.И., Тристанов Б.А. Конструкция корпуса промысловых судов. Л.: Судостроение, 1991. 344 с.
5. Черных С.В., Чехранова Л.И. Повреждения судов, швартующихся в море // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. Вып. 47. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. С. 233-243.
