BACKGROUND: Today, automation of hull structure design is of great interest in the shipbuilding industry. The development and advancement of Russian automated hull design systems for transport vessels, military ships, floating structures, including floating docks, are the most promising and priority tasks. Optimization and search design of hull structures allows formalizing the problem of automated decision-making and ensures the specified structural parameters, including low weight, labor intensity of manufacture or cost depending on the problem formulation.
AIM: This works aims to formulate and solve the problem of designing floating dock hull structures based on requirements to strength and stability under overall longitudinal bending state. Based on the automated parametric design method for ship structures developed by the Department of Ship Design and Maintenance of St. Petersburg State Marine Technical University and adopted as a basis for the development of automated design systems for ship and other engineering structures, the problem under consideration is designated as the high-level problem of designing the floating dock structures.
METHODS: It is assumed that the previous lower-level stages have implemented structure design processes based on requirements to the lowest thicknesses, local strength, strength, and stability of pontoon structures during its overall bending. The Rules of the Russian Maritime Register of Shipping (RMRS) are used as a technical standard providing the requirements to overall strength and stability. The structure of the Rules in relation to the floating dock hull design is such that it is required to apply iterative search methods to solve the problem under consideration. To solve the problem, it is proposed to use mathematic programming tools.
RESULTS: In this problem, the mathematical relationship of the cross-sectional area of the girder and the variable parameters is taken as the objective function. The trajectory of variables determines the required initial thicknesses allowance of the plate structures that have the most influence on the overall strength of the dock hull. Yield strength of such plate structures may also be included in the variable parameters. The constraints of this problem are determined based on design considerations and the RMRS Rules. Equality constraints allow to solve the problem for some fixed value of the selected variable. Equality constraints may include restrictions that allow automatic adjustment of the specified plate thickness of structures adjacent to structures of girder stays or the condition determining the yield strength. Inequality constraints are determined by the relevant overall strength and stability as specified in the RMRS Rules.
CONCLUSION: The described problem is tested by examples of structural designs of a cast-in-place dock with a carrying capacity of 12,000 tons and a pontoon dock with a carrying capacity of 29,300 tons. The study shows that the proposed method can adequately solve the problem and MS Excel’s Solver tool may be used to solve it.
Актуальность. В настоящее время в судостроительной отрасли большой интерес представляет автоматизация процесса проектирования корпусных конструкций. Разработка и развитие отечественных систем автоматизированного проектирования конструкции корпуса транспортных судов, военных кораблей, плавучих сооружений и в том числе плавучих доков, являются одними из наиболее перспективных и приоритетных задач. Применение оптимизационно-поисковых процедур при проектировании корпусных конструкций позволяет формализовать проблему автоматизированного принятия решения и обеспечивает получение заданных характеристик конструкции — минимальную массу, трудоемкость изготовления или стоимость в зависимости от постановки задачи.
Цель работы. Постановка и решение задачи проектирования конструкций корпуса плавучего дока по требованиям к прочности и устойчивости при общем продольном изгибе. В соответствии с методологией автоматизированного параметрического проектирования судовых конструкций, разработанной на кафедре Конструкции и технической эксплуатации судов СПбГМТУ, и принятой в качестве основы при разработке систем автоматизированного проектирования конструкций судов и других инженерных сооружений, рассматриваемая задача относится к задачам проектирования конструкций плавучего дока верхнего иерархического уровня.
Материалы и методы. Предполагается, что на предыдущих этапах более низкого уровня реализованы процедуры проектирования конструкций по требованиям к минимальным толщинам, местной прочности, прочности и устойчивости конструкций понтона при его общем изгибе. В качестве нормативного технического документа, регламентирующего требования к общей прочности и устойчивости, используются Правила Российского морского Регистра судоходства (РМРС). Структура требований Правил к конструкциям корпуса плавучего дока такова, что для решения рассматриваемой задачи необходимо применять итерационные поисковые процедуры. Для решения задачи предлагается использовать аппарат математического программирования.
Результаты. В настоящей задаче качестве целевой функции принимается математическая зависимость площади сечения эквивалентного бруса от варьируемых параметров. Вектор варьируемых переменных определяет требуемые добавки к начальным значениям толщин тех листовых конструкций, которые наиболее эффективно влияют на характеристики общей прочности корпуса дока. Предел текучести материала этих листовых конструкций также может быть включен в состав варьируемых параметров. Ограничения задачи формируются на основе конструктивных соображений и требований Правил РМРС. Ограничения-равенства позволяют получить решение задачи при некотором фиксированном значении выбранного варьируемого параметра. В виде ограничений-равенств могут быть представлены зависимости, позволяющие автоматически корректировать требуемые толщины листов конструкций, примыкающих к конструкциям, формирующим пояски эквивалентного бруса, или условие, фиксирующее значение предела текучести. Ограничения-неравенства формируются на основе соответствующих требований к общей прочности и устойчивости Правил РМРС.
Заключение. Апробация описанной задачи демонстрируется на примерах проектирования конструкций монолитного дока грузоподъемностью 12 000 т и понтонного дока грузоподъемностью 29 300 т. Показана эффективность предлагаемого метода решения задачи и возможность использования инструмента «Поиск решения» программного комплекса MS Excel.