Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

20.10.2023

Размер:

8.42 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 202 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

необходимы для обеспечения достаточной прочности и жесткости конструкций.

Так, на рыбомучной базе типа «Пятидесятилетие С С С Р » по соображениям рациональности общепроектных решений принято

Требования	Q \| ^„
Независимые исходные	Зависимые параметры
характеристики Q'	<7l < Q" < <?2
	<7l < Q" < <?2
У

Определение расчетных пределов изменения зависимых параметров

Ча < Срасч^/ №') < Я,

	Проверка	совместимости условии	задания
	ч"	ч"				V
		V//////)>///A	1	г		V
			1		' ' * / f / /%
				У//У//Л
		Q расч	Q расч
Полная	совместимость	Частичная	Несовместимость
		совместимость	Несовместимость
		совместимость
	У
	Проектирование		Функционально-
			экономический анализ
без	ограничений	с ограничениями	и изменение			требова
без	ограничений	с ограничениями	ний задания
	по Q"	по Q"	ний задания
	по Q"	по Q"

Рис. 1. Проверка совместимости требований задания на проектирование.

определенное расположение палуб по высоте, в том числе и в ма шинно-котельном отделении, в котором для обслуживания группы вспомогательных механизмов (насосов и сепараторов) предусмот рен монорельс с тельфером. По условиям нормальной эксплуата ции при заданном межпалубном расстоянии монорельс_ должен отстоять от настила в ы ш е л е ж а щ е й палубы не более чем на 100 мм

( р и с . 2 ) . Это	потребовало ликвидации	карлингса в месте	прохода
монорельса,	а т а к ж е использования в	качестве опоры для	бимсов

расположенных сверху на палубе фундаментных балок при соот

ветствующем изменении их конструкции и		протяженности.
Д л я размещения	вспомогательных котлов, главного распреде
лительного щита или	другого оборудования	и механизмов приме-

А-А

J	1	1	1	Условная	ОЛ
J	1	1	1	i	:
	178		176
Шн	платформы			б-б
			S-1B-

Piic. 2. Изменение конструк ции набора палубного пере крытия па рыбомучной базе «Пятидесятилетне СССР» при


			ограничении		габаритов	балок.
няют	местные	развитые рецессы или уступы			в палубах.		Например,
при	установке	вертикального	стерилизатора		банок	непрерывного
действия на		рыбообрабатывающей базе «Кронид Коренов» при
шлось выполнить рецесс в двойном дне при					одновременном мест
ном	изменении	конструкций корпуса		в этом районе.
В	приведенных примерах		дана	качественная оценка			возмож
ных несовместимых требований задания к корпусным						конструкциям

и некоторые методы устранения несовместимости. Однако во всех этих примерах можно установить и количественные закономерности

(величины межпалубных расстоянии в свету, свободные раз меры палубы в плане, значения расчетных напряжении в конст

рукции с		учетом их	концентрации	и т. д.). Важно	отметить,	что
в	большинстве случаев устранение			несовместимости	по отношению
к	корпусу	можно	произвести конструктивными средствами			без

изменения принципиальных общесудовых решений (размерений, общего расположения), т. е. в рамках оптимального проекта судна, не ухудшая его технико-экономических показателей.

При проектировании судов и корпусных конструкций выявле ние необходимых исходных требований и проверка их совместимо сти осложняются тем, что условия эксплуатации, как правило, задаются не в явном количественном выражении, а в обобщенной форме.

Так, в задании не приводятся характер, величина и повторяе мость усилий, действующих на судно в целом и к а ж д у ю конструк цию в отдельности, а указываются общие условия эксплуатации, анализ которых позволяет получить необходимые количественные показатели с той пли иной степенью достоверности. Например, задание района плавания косвенным образом характеризует пара метры волнения, ледовые нагрузки, условия коррозии, температур ные режимы наружного воздуха и воды в течение ежегодного периода эксплуатации судна. Приведенная в задании номенклатура грузов позволяет оценить их объемно-весовые показатели и, следо вательно, усилия, действующие на перекрытия корпуса, требуемую температуру в трюмах, которая влияет на выбор марок материала конструкций корпуса. Большое значение имеют некоторые специ альные, оговоренные в задании, условия эксплуатации: швартовка в море, требующая специальных подкреплении бортовых перекры тий и смежных конструкций, плавание на мелководье (соответ ствующее подкрепление днищевых перекрытий), наличие корро- зионно-активных сред в отдельных помещениях судна, что, в свою очередь, заставляет прибегать к целому комплексу дополнительных конструктивных мероприятий. Перечень таких специальных требо ваний может быть продолжен, он постоянно расширяется по мере специализации флота и увеличения номенклатуры его операций.

В связи с этим возникает чрезвычайно	в а ж н а я	и	сложная
задача — перевод неявных условий в явные, формулировка				требо
ваний задания в конкретном количественном	виде.	Эта		задача
представляет собой проблему внешних воздействий,		а	примени
тельно к корпусным конструкциям включает традиционную				первую
проблему строительной механики — внешние	силы	[96].		Однако

этим она не исчерпывается. В каждом конкретном случае необхо димо учитывать большое число дополнительных условий, которые определяют в той или иной степени конструктивное решение. К ним относятся габаритные ограничения, условия непроницаемости или

герметичности помещении, технологические возможности изготов ления и монтажа конструкций и многое другое.

Таким образом, первый этап проектирования заключается в качественном анализе функциональных и эксплуатационных тре бований задания, количественной формулировке величин внешних воздействий, проверке совместимости и в необходимых случаях

вкорректировке требований задания .

II этап. Разработка вариантов проектных решений. Судно в це лом, его корпус и л ю б а я конструкция могут быть выполнены в раз

ных	вариантах,	качественно отличающихся один		от	другого.
К а ж д ы й из них		соответствует различным	требованиям		техниче
ского	задания и	их совокупности. Поэтому	из всего	многообразия

принципиально возможных типов конструктивного решения при проектировании отбираются те, которые не противоречат исходным данным. В результате устанавливаются качественные характери стики одного или нескольких типов проектного решения для про ведения дальнейшего количественного анализа . Так, при проекти ровании корпуса судна решаются вопросы выбора системы набора различных перекрытий (продольная, поперечная, применение гоф рированных конструкций), вида конструктивного оформления узлов,


марок и сортамента			материала и т. д.
Во	многих	случаях		предварительное		рассмотрение		без		подроб
ного	качественного		и	количественного		анализа,	не	дает		возмож
ности с требуемой точностью однозначно						обосновать		преимущества
какого-либо типового решения по сравнению с другими										возмож
ными	вариантами, а т а к ж е выявить степень его						соответствия усло
виям	технического		задания . Тогда найти наиболее					рациональную
конструкцию можно путем параллельного определения									оптималь
ных решений для каждого из рассматриваемых типовых									вариантов
и их последующего			сопоставления.
После того		как	выбраны		основные	качественные			показатели
проектируемой		конструкции,			необходимо	описать	ее количественно.
Д л я этого вводится			определенное конечное число проектных пере
менных (t/i, J/2, • • •,			У»). К а ж д а я конкретная совокупность							У этих

переменных характеризует некоторое проектное решение в рамках выбранного конструктивного типа.

Переменными могут быть любые параметры, каким-либо обра зом характеризующие проектируемое сооружение и допускающие вариации своих величин. Корпусные конструкции описываются двумя группами переменных — физико-механическими константами материала (пределом текучести, ударной вязкостью и др . ), кото рые в заданных условиях эксплуатации целиком зависят от его марки, и геометрическими размерами конструкции (шпацией на бора, толщиной листов, р а з м е р а м и профилей, расстояниями между палубами или переборками и др . ) .

В а ж но подчеркнуть, что по характеру		изменения	проектные
переменные могут быть непрерывными (например, шпация				набора)
и дискретными (количество	днищевых	стрингеров,	карлингсов,
типоразмеры п р о к а т а ) . Это	различие не	сказывается	на	принци

пиальной схеме выбора оптимальных решении, но требует в от

дельных случаях		использования	специфического математического
аппарата .
К а ж д а я конструкция определенным				образом реагирует на				внеш
ние	воздействия,	соответствующие		эксплуатационным			требова
ниям Q. Поведение конструкции можно описать конечным								числом
количественных		показателей «• поведения			см,	стг,..., сг/;	ими	могут
быть	напряжения, деформации,		частота		и	амплитуда	колебаний,

усталостные характеристики. Выбор конкретных показателей в каж дом случае определяется спецификой эксплуатационных требова ний, предъявляемых к конструкции.

Так, к палубам, на которых размещаются грузовые помещения, предъявляются требования достаточной прочности, и в качестве показателей поведения целесообразно принимать параметры напря женного состояния конструкции. Если ж е на палубе расположены неуравновешенные механизмы (дизель-генераторы, компрессоры

рефрижераторной установки), то в качестве показателен				поведе
ния следует принять вибрационные параметры и усталостные				харак
теристики конструкции.
Величина показателей поведения связана с эксплуатационными
требованиями Q и проектными переменными			У некоторыми	функ
циональными зависимостями,	которые	можно	записать в	форме
так называемых уравнений поведения
cp,.(Q, Y, <j) =	0 ( i = l ,	2, . . . .	t).	(1.1)

Простейшим примером таких уравнений могут служить зави симости между максимальными напряжениями и геометрическими характеристиками однопролетной свободно опертой балки при ста тическом поперечном изгибе:

\|<т\|—2^- =		0;	\| т \| — ^ - = 0,				(1.1а)
1 1	8117	1	1	2со			к
где о, т — максимальные	нормальные			напряжения	в	крайних фиб*-
pax балки в среднем пролетном сечении						и	максималь
ные касательные напряжения в опорном сечении, т. е.
реакция балки как		системы		на внешнее	воздействие;
q — интенсивность	равномерно			распределенной			нагрузки,

т. е. количественное выражение эксплуатационного тре бования по величине воспринимаемого внешнего воз действия;

/, W,	со — соответственно пролет,			момент сопротивления сечения
	и приведенная площадь стенки балки, т. е. геометриче
	ские	характеристики конструкции.
Д л я	каждой	произвольно	выбранной системы		проектных пере
менных	У формально может		быть	определена	соответствующая

система показателей поведения а при заданной совокупности экс плуатационных требований Q. Однако это не означает, что любые

проектные	решения	У реально осуществимы. Некоторые из взаимо
зависимых	систем	переменных У и а не	могут быть	приняты, так
как они	противоречат определенным		объективным	физическим

закономерностям или не удовлетворяют условиям нормальной без аварийной эксплуатации конструкции.

Такими недопустимыми или нежелательными решениями явля ются случаи неустойчивости элементов или конструкции в целом, чрезмерно малые толщины (ниже минимально допустимых), повы шенные габариты балок (которые могут, например, препятствовать нормальному размещению груза, обслуживанию или ремонту обо

рудования), недопустимый	уровень напряжении,	повышенные
деформации, резонанс при вибрационных нагрузках и т. п.
Следовательно, возникает	чрезвычайно в а ж н а я	задача норми

рования допустимых пределов изменения реакции конструкции на

внешние воздействия, т. е.			таких величин показателей	поведения,
при	которых	конструкция	выполняет свои функции с установлен
ной	степенью	гарантии. В	частности, сущность третьей	проблемы

строительной механики — выбор допускаемых напряжений и дефор

м а ц и й — заключается в устранении недопустимых по				условиям
безаварийной эксплуатации конструктивных решений.
Н и ж е будут рассмотрены	некоторые	частные	случаи	нормиро
вания допустимых пределов	изменения	реакции	конструкции или

ее размеров. В общем же виде решения, которые не удовлетворяют предъявленным функциональным требованиям и физическим зако

номерностям,	исключаются введением		различных	ограничений,
выраженных	системой	неравенств
	ip,.(Q,	Y, а ) > 0 ( / = 1 ,	2, . . . . /) .	(1.2)

Так, в рассмотренном примере изгиба однопролетной балки очевидным является ограничение максимальных действующих на пряжений определенным верхним пределом, обеспечивающим заданные гарантии неразрушимости конструкции:

°доп — М > ° ; т д о п — | т | > 0 .

(1.2а)

Во многих случаях требования совместимости конструкции корпуса с общесудовыми решениями удобнее формулировать не в виде исходных данных для проектирования корпуса, а в виде

дополнительных ограничений.

Ч а щ е всего

т а к а я форма позволяет

упростить

задачу

и уменьшить объем

необходимых

вычислений.

На

основании

уравнений поведения

(1.1)

с учетом

введенных

ограничений

(1.2)

находят

допустимые

проектные

решения,

кото

рые полностью

отвечают

функциональному

назначению

усло

виям

эксплуатации

конструкции.

I ll

этап. Обоснование и выбор оптимальной

конструкции. Полу

ченные допустимые проектные

решения

составляют

целую

группу,

а во

многих

случаях — д а ж е

бесконечное

множество

различных

вариантов

одной

конструкции,

отличающихся

как

в количествен

ном, так п в качественном отношениях. Однако эти варианты не

эквивалентны между собой, и задача			рационального	проектирова
ния	заключается	в том, чтобы выбрать из всех возможных реше
ний	наилучшее.
	Вместе с тем	само по себе понятие	о п т и м а л ь н о е	р е ш е н и е

неопределенно. Оно приобретает реальный смысл только по отно шению к конкретному критерию оценки различных вариантов про екта. Следовательно, до начала поисков наилучшего варианта необ ходимо сформулировать этот критерий, выбрать показатель, по от ношению к которому желательно получить наиболее рациональную конструкцию, или проектное решение.

Любой критерий оценки должен зависеть от проектных пере


менных. Поэтому в самом		общем виде		его	можно	записать		как
некоторую	функцию F(Y),	которую	принято		называть		функцией
цели. Тогда задача сводится к нахождению					совокупности проект
ных переменных У0 рь при		которой	функция		F(Y),	рассматривае
мая только в области допустимых пределов					изменения		перемен
ных Г (или	их допустимых	дискретных		значений), достигает				опти

мальной величины.

Часто говорят об оптимизации проектного решения по отноше нию к нескольким различным критериям оценки. Однако выбран

ный таким	образом вариант конструкции является не оптималь
ным, а компромиссным. С а м о введение нескольких критериев		ука
зывает на	недостаточность знаний о поведении конструкции	или

о влиянии ее конструктивного оформления на эффективность экс

плуатации судна. Выбор компромиссного решения	показывает, что
в неявной форме субъективно вводится некоторый	единый	крите
рий оценки, обобщающий и сводящий к условным	единым	мерам
все учитываемые частные оценки.

Таким образом, оптимальное решение получают в результате последовательного проведения большого числа взаимосвязанных

ивзаимозависимых операций, а окончательный оптимальный

вариант может		быть найден	на основе	анализа	исходных	данных
на	к а ж д о м этапе. Итоговая		обобщенная	схема	выбора оптималь
ных	проектных	решений, предусматривающая возможность				вариа-

ции количественных и качественных характеристик конструкции

ид а ж е изменение исходных данных, показана на рис. 3. Математическая часть задачи оптимизации конструкции, как

отмечено выше, сводится к нахождению совокупности проектных переменных (t/i, уг,-• •, Уп) opt, доставляющих условный экстремум функции цели при наложенных ограничениях в форме уравнений

связи

(1.1),

число которых

t меньше

количества

проектных

пере

менных п,

неравенств

(1.2), число

которых

определяется

коли'

чеством ограничений, содержащихся в условиях задания на

проек

тирование

(включая

необходимость выполнения требований

П р а в и л

классификационных

обществ) . Д л я

решения

задач

такого

типа

разработаны

различные

способы: методы

дифференциального й

вариационного исчисления,

линейное

нелинейное

программиро

вание, метод

статистических

испытаний

(Монте - Карло), динамиче

ское

программирование

и др. К а ж д ы й

из

этих

методов

включает

множество

разновидностей,

пригодных

для

решения

определен

ного

круга

задач оптимизации. Особенно

важное

значение

имеет

алгоритмизация этих методов, возможность применения ЭВМ, про стота и надежность вычислительных программ.

Наиболее целесообразным является выбор ограниченного числа


расчетных методов и составление относительно небольшого						ряда
широко	применяемых программ на основе анализа				практически
в а ж н ы х	задач	оптимизации	и требуемой	точности	их решения.
В этом	случае	д а ж е такие	неформальные	этапы оптимизации,		как

выбор проектных переменных, показателей их поведения, запись уравнений связи и ограничений, составление выражений для функ ции цели, могут быть выполнены заранее в р а м к а х каждой про


граммы, так		что конструктору останется только				заполнить таблицы
исходных	данных » конкретных			величин,	входящих в		программу.
В к а ж д о м	конкретном случае нужно установить соответствие							между
решаемой задачей и выбираемой программой ее решения.
Однако		опыт работ	по оптимизации		конструкций		еще	очень
мал, и для создания парка унифицированных программ								необхо
димы дальнейшие теоретические исследования и проектные								разра
ботки. Особенно перспективны для проектирования							корпусных
конструкций		некоторые	методы	нелинейного		программирования

и статистических испытаний, которые использованы при оптими зации отдельных конструкций и корпусов судов [120].


Таким образом, выполнение		промежуточных		этапов процесса
оптимизации сводится к более		или	менее сложным		формальным
математическим преобразованиям,			не вызывающим		принципиаль
ных	затруднений. Наиболее в а ж н ы е этапы — формулировка зада
ния	и выбор критерия оценки, а	т а к ж е их запись		в количественном

выражении . От правильности и рациональности этих работ зависят результаты проектирования. |

А. И. БронскиЛ н др .

Формулировка требовании задания и выполняемых функций

Q (Qi,

• • .

Q,„)

Выбор конструктивного

типа

проектного

решения

Определение

переменных

проектных

поведения

У U/i,

Уг, • •

• ,Уп)

a(aj_,

а 2 ,

. . .

а,)

Математическая

запись

поведения

системы

ограничений

критерия

оценки

Ф ( 0 ', Q,

о) = о

Q. О") > О

решения

» = 1,2,

.ч

. . J

/ =

1,2,

. . .

F(Y)

Выбор проектных

переменных

У,

. , t)

анализ

системы

о к

ск (К)(& = 1,2,

. .

Контроль

ограничений

Оценка

(Y)

со

Оптимизация

оценки

F ( K ) =

opt

{

Анализ проектного

решения

Оптимальное

решение

Рис. 3. Выбор оптимальных

решений при проектировании.

§ 2. Критерии оценки конструкций корпуса судна

Сопоставление и оценка вариантов конструкции, из которых

выбирают	оптимальный,	осуществляются		по различным показате -
лям . К а ж д ы й из них о т р а ж а е т			некоторую	функциональную харак*
теристику	конструкции.	Д л я	принятия	какого-либо конкретного

показателя в качестве критерия оценки необходимо выявить суще ственные стороны конструкции, требования к которым могут слу жить этим критерием. Затем качественную характеристику следует выразить в количественной форме, позволяющей найти оптималь^ иое решение.

Очевидно, критерии оценки могут отличаться не только чис ленно, по величине, но и принципиально, по существу, в зависи


мости		от совокупности			эксплуатационных	требований, предъявляе
мых	к	конструкции,		и	конкретных условий производства. От вы
бора	ж е		критерия	оценки полностью		зависит	окончательный
результат			процесса	оптимизации, т. е. в		конечном	итоге проектное
решение. Это можно				показать на ряде примеров.

При проектировании различных перекрытий корпуса часто при ходится выбирать размеры сварных тавровых профилей при раз личных критериях оценки: массе профиля, его габаритах и т. д. Рассмотрим результаты проектирования, полагая заданным необ

ходимый момент сопротивления сечения профиля с

присоединен

ным

пояском

W=W(h,

tn),

(1.3)

где

/г, б — соответственно

высота

и толщина стенки

профиля;

b, t„ — ширина

и толщина

пояска.

П р и этом размеры присоединенного

пояска

следует

считать

заданными и неизменными

при вариациях элементов

профиля .

К р и т е р и й

м и н и м а л ь н о й

м а с с ы .

Характеристикой

массы профиля при одинаковых пролетах и расстояниях

м е ж д у

балками является площадь его поперечного

сечения

F = f1, +

fer=btn

hb,

(1.4)

где

/п и /ст — соответственно

площади

сечения

пояска

стенки.

Проектирование

таврового

профиля

минимальной

массы

рас

смотрено в ряде работ

[88]; [91]. При этом могут

быть

з а д а н ы :

— минимальная толщина

стенки

профиля бты (как это

пред

усмотрено, например,

П р а в и л а м и

Регистра

С С С Р дл я

вертикаль

ных рамных стоек или горизонтальных шельфов

переборок);

— постоянное соотношение м е ж д у толщиной

и высотой

стенки,

з а в и с я щ е е от предела

текучести

материала

(например, по

усло

виям устойчивости

стенки

при заданном

характере

нагружения

б а л к и ) ;

<<< < Предыдущая 12 / 202 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ