CC BY-NC
18
СЕКЦИЯ C
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2^-1-83-88 УДК: 629.5.023
Г.Б. Крыжевич (2 , Е.С. Норьков, А.Р. Филатов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ПРИНЦИПЫ И СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СУДОВЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ
На основе ранее разработанного авторами подхода к проектированию судовых конструкций выполнена оптимизация большепролетного палубного перекрытия, учитывающая наличие нескольких расчетных случаев нагружения. Использование топологической оптимизации помогло выявить рациональную конструктивно-силовую схему перекрытия, а применение параметрической оптимизации позволило подобрать прочные размеры связей с одновременным снижением массы перекрытия. Дополнительного снижения массы удалось достичь за счет вырезов в стенках рамных связей.
Ключевые слова: перекрытие, проектирование, топологическая оптимизация, конструктивно-силовая схема, параметрическая оптимизация.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION C
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-83-88 UDC: 629.5.023
G. Kryzhevich, Ye. Norkov, A. Filatov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
PRINCIPLES AND OPTIMAL DESIGN METHODS FOR LARGE SHIP GRILLAGES
Based on the previously developed approach to structural ship design, the authors optimize a large-span deck grillage taking into
account several design loading scenarios. Topological optimization made it possible to find an optimal structural layout of the
grillage, and parametric optimization yielded the scantlings of beams and simultaneously reduced grillage weight. Additional gain
in structural weight was achieved by means of the openings in beam webs.
Keywords: grillage, design, topological optimization, structural layout, parametric optimization.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С., Филатов А.Р. Принципы и современные методы оптимального проектирования крупногабаритных судовых перекрытий. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: 83-88.
For citations: Kryzhevich G., Norkov Ye., Filatov A. Principles and optimal design methods for large ship grillages. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 2: 83-88 (in Russian).
Высокие требования к показателям эффективности судов и кораблей, к надежности и безопасности корпусов, а также к весовому совершенству их конструкций обусловливают необходимость кардинального совершенствования методов проектирования корпусов и их элементов. Такое совершенствование возможно за счет использования комплексного подхода к проектированию судовых конструкций [1], при котором для формирования конструктивно-силовой схемы изделия используется топологическая оптимизация; для выбора толщин и других размеров связей конструкции применяются методы параметрической оптимизации, а для снижения концентрации напряжений и обеспечения достаточного уровня усталостной прочности привлекаются методы оптимизации формы. Разработанные алгоритмы этого подхода позволяют успешно повышать весовое совершенство конструкций. В работе [2] показано, что по сравнению с традиционным конструктивным решением, полученным конструкторским бюро (КБ), экономия массы путем оптимизации конструктивного решения крышки люкового закрытия сухогруза может составлять порядка 30 %, а при одновременном оптимальном выборе материала конструкции достигать 50 %. Вместе с тем пока не накоплены обширные количественные данные о степени эффективности комплексного подхода при экономии массы и выработке новых решений для традиционных материалоемких судовых конструкций. К таким конструкциям можно отнести, в частности, крупногабаритные судовые перекрытия, ограничивающие сверху помещения для перевозки транспортной техники на судах паромного типа. Целью настоящей работы является отыскание оптимального конструктивного
решения для такого перекрытия верхней палубы, участвующего в восприятии нагрузок от общего изгиба судна и испытывающего действие местных нагрузок от наката волн, а также оценка снижения массы за счет оптимизационного подхода к проектированию [1] по сравнению с традиционным решением, найденным проектно-конструкторским бюро. Такое решение представлено на рис. 1, на котором изображена трехмерная модель вытянутого вдоль судна перекрытия с настилом (толщина 10-15 мм), продольными ребрами жесткости и рамными балками (бимсами и карлингсами). Материал перекрытия - сталь D40S.
Настил подкрепляют полособульбовые ребра жесткости, шпация между ними - 500 мм. Бимсы (52 шт.) и карлингсы (6 шт.) имеют высоту 1000 мм и толщины стенок 30 мм. Пояски бимсов -400^24 мм, пояски карлингсов - 300*14 мм.
При обеспечении предельной общей прочности судна напряжения в верхних фибрах эквивалентного бруса доведены до предела текучести при действии предельной нагрузки. Распределение по длине судна расчетной местной погонной нагрузки от наката волны (в м вод. ст.) представлено на рис. 2.
Для оптимизации перекрытия используется метод SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization, твердый изотропный материал со штрафом) [3-5], основанный на рассмотрении материала с непрерывной псевдоплотностью. Этот метод представлен в программном комплексе ANSYS Workbench. При выполнении топологической оптимизации принято, что рамные поперечные балки перекрытия жестко заделаны на поперечных переборках и свободно оперты на переборки, ограничивающие контур пере-
•с*
Рис. 1. Вид снизу на перекрытие верхней палубы (габариты перекрытия - 118,4x20 м, кницы в зонах притыкания палубы к продольным переборкам не изображены): а) общий вид снизу; б) фрагмент кормовой части перекрытия (настил не показан)
Рис. 2. Распределение нагрузки от наката волны по длине судна
крытия. Топологическая оптимизация выполнялась последовательно для трех областей проектирования. Для первой области в форме параллелепипеда высотой 1 м с длинными ребрами и равными сторонам контура перекрытия в плане оптимизация привела к очень сложной конфигурации перекрытия с развитыми (материалоемкими) элементами, примыкающими к поперечным переборкам. Такая конфигурация в целом оказалась невозможной для создания перекрытия с использованием традиционной технологии его изготовления. Вместе с тем она показала возможность создания оптимального перекрытия при значительно меньшем числе поперечных рамных связей, при этом некоторые связи оказались относительно короткими (по типу интеркостельных, не простирающихся по всей ширине перекрытия).
Для создания второй области проектирования использована в значительной мере информация о топологии перекрытия, разработанной КБ. В соответствии с ней продольные ребра жесткости перекрытия были оставлены без изменения и в местах установки рамных балок (как продольных, так и поперечных) сформированы прямоугольные параллелепипеды с высотами и ширинами, равными 1 м. В итоге для проведения топологической оптимизации перекрытия была создана клетчатая конфигурация области проектирования, показанная на рис. 3а. В результате топологической оптимизации перекрытия, испытывающего действие местной нагрузки от наката волн, был получен образ конструкции (рис. 3б), существенно отличающийся от исходной конструкции, предложенной КБ. Для этого образа характерно следующее:
G: Высока балок 1м. равн.
ч G: Высок ба/>
а)
Рис. 3. Область проектирования (а) и образ конструкции (б), полученный в результате топологической оптимизации в условиях действия нагрузки от наката волн (настил и продольные ребра жесткости не показаны)
б)
1—-—-—s—^ /V
J: SIMP (SQP.p = 4.0)
Topology Density Type: Topology Density Iteration Number 51
[] Remove (0.0 to 0.4) □ Marginal (0.4 to 0.6) g Keep (0.6to 1.0D
Рис. 4. Общий вид снизу трехмерной модели области проектирования (а) и облик конструкции (б), полученный при топологической оптимизации в условиях совместного действия общей и местной нагрузки (настил не показан)
■ наличие мощных поперечных стержней, заменяющих рамные бимсы;
■ поперечные стержни как формируются поодиночке, так и соединяются в группы раскосами с общей заделкой на поперечных переборках, отделенных от перекрытия продольными переборками;
■ число стержней в такой группе колеблется от двух до пяти;
■ внутри контура, охватывающего одну группу, продольные стержни либо отсутствуют, либо имеют малую жесткость на изгиб;
■ непрерывные продольные стержни не формируются;
■ продольные стержни располагаются преимущественно либо между группами поперечных стержней, либо в зонах, примыкающих к поперечным переборкам на границах перекрытия;
■ в этих же зонах имеются косо расположенные стержни (раскосы), соединяющие крайние продольные стержни (у продольных переборок судна) с самими переборками.
При создании третьей области (рис. 4а) учтена тенденция к формированию в зонах, расположенных вблизи продольных опорных частей контура перекрытия, массивных образований (типа раскосов), соединяющих поперечные стержни в группы. Для
облегчения формирования соединительных элементов область проектирования в этих зонах увеличена. Кроме того, в местах опирания рамных бимсов на продольные переборки созданы дополнительные объемы для возможности формирования книц. Результаты топологической оптимизации при совместном действии местной нагрузки от наката волн и нагрузки от общего изгиба корпуса при ограничении высоты балок (не более 1,0 м) на основе использования такой области проектирования представлены на рис. 4б.
В результате такого подхода к топологической оптимизации перекрытия снова сформирован конструктивный облик, для которого характерно следующее:
■ наличие мощных поперечных и продольных стержней (заменяющих рамные бимсы и кар-лингсы);
■ поперечные стержни как формируются поодиночке, так и соединяются в группы раскосами с общей заделкой на поперечных переборках, отделенных от перекрытия продольными переборками (находящимися за опорным контуром перекрытия);
■ число стержней в такой группе обычно равно двум, а иногда доходит до трех;
■ мощные поперечные стержни формируются
преимущественно у поперечных переборок, где имеется возможность их жесткой заделки;
■ мощные продольные стержни (аналоги кар-лингсов) ограничены по длине перекрытия и не доходят до поперечной переборки, ограничивающей в кормовой части контур перекрытия. В носовой части перекрытия продольные стержни необходимы. Наблюдается тенденция к сокращению длины карлингсов при переходе от объектов, расположенных у продольных переборок (продольных частей опорного контура) к объектам в средней по ширине части перекрытия, причем в средней части длина карлингса не превышает четверти длины перекрытия; длинные карлингсы короче длины перекрытия примерно на 20 %;
■ высоты карлингсов на большей части их длины постоянны, равны установленному ограничению (1 м) и только в районе их кормового окончания имеют тенденцию к уменьшению. Перечисленные характерные черты конструктивного облика перекрытия использованы при создании его конструктивно-силовой схемы. Перекрытие с полученной конструктивно-силовой схемой
подвергалось параметрической оптимизации и окончательной валидации полученного конструктивного решения путем выполнения проверочных расчетов на основе МКЭ. В конечном итоге переработка конструкции перекрытия с использованием оптимизации привела к многократному уменьшению числа рамных бимсов (рис. 5). Исходная конструкция имеет 52 рамных бимса, а переработанная - 15. Кроме того, масса 11 рамных бимсов (из 15 оставшихся в наличии) была существенно уменьшена (примерно на 7 т) путем вырезания в стенках балок отверстий (рис. 5а, б). Тем же способом уменьшена и масса карлингсов, которые стали к тому же более короткими по сравнению с примененными в исходном варианте. Некоторые рамные бимсы соединены между собой в группы, состоящие из двух балок, с помощью интеркостельных связей. Например, на рис. 5в изображены интеркостельные карлингсы (стрингеры), соединяющие соседние рамные бимсы, и интеркостельные бимсы, соединяющие интеркостельные карлингсы с поперечными переборками судна.
Масса оптимизированной конструкции без вырезов в рамных балках составляет 489,6 т (при массе
Рис. 5. Фрагменты трехмерной модели оптимизированного перекрытия: а, б) виды снизу на кормовую и носовую части перекрытия соответственно; в) увеличенный фрагмент трехмерной модели с соединением группы из двух балок с поперечной переборкой с помощью интеркостельного бимса
исходной конструкции 760,7 т). Формирование вырезов в рамных бимсах позволяет уменьшить массу оптимизированной конструкции до 486,4 т. Масса оптимизированной конструкции с вырезами в рамных бимсах и рамных карлингсах равна 483,9 т. Таким образом, масса оптимизированного перекрытия с вырезами на 36 % меньше массы исходной конструкции, предложенной КБ.
Основные выводы
Современные подходы к оптимизации конструкции перекрытия [1-5] приводят не только к обеспечению его прочности при всех видах нагружения, но и к существенному снижению массы перекрытия (на 36 %). Эффективными конструктивными мерами по снижению материалоемкости являются:
■ снижение числа устанавливаемых рамных бимсов с 52 до 15;
■ вырезание отверстий в стенках рамных балок (бимсов и карлингсов);
■ уменьшение длины карлингсов и установка их только в носовой и средней частях перекрытия;
■ использование в конструкции перекрытия интеркостельных бимсов.
Список использованной литературы
1. 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.
2. Крыжевич Г.Б., Филатов А.Р. Оптимизация алюминиевой крышки люкового закрытия сухогрузного судна // Морские интеллектуальные технологии. 2020. № 1-3 (47). С. 58-65.
3. Bends0e M.P. Optimal shape design as a material distribution problem // Structural Optimization. 1989. No. 1. P. 193-202.
4. Zhou M, Rozvany G.I.N. The COC algorithm. Part II: topological, geometrical and generalized shape optimization // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1991. No. 89. P. 309-336.
5. Rozvany G.I.N. Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2001. Vol. 21. No. 2. P. 90-108.
Сведения об авторах
Крыжевич Геннадий Брониславович, д.т.н., профессор, начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 415-46-74. E-mail: g_kryzhevich@ksrc.ru.
Норьков Евгений Сергеевич, научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 415-48-21. E-mail: jugeneek@mail.ru.
Филатов Антон Романович, научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (812) 415-48-21. E-mail: st024540@student. spbu.ru.
Поступила / Received: 12.11.20 Принята в печать / Accepted: 21.12.20 © Коллектив авторов, 2020
