Методика обоснования характеристик и элементов рыболовных судов для Социалистической Республики Вьетнам с учетом стохастических и динамических факторов их функционирования

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель
и задачи исследования, научная новизна и основные научные результаты,
выносимые на защиту, приведена практическая ценность и достоверность
научных результатов, представлены сведения об апробации, внедрении и
публикациях основных результатов работы.
В первой главе выполнен анализ состояния и перспектив развития
рыболовства Вьетнама, рассмотрены особенности и тенденции развития
рыболовного флота Вьетнама и проведен обзор современного состояния
методологии проектирования рыболовных судов. На основе результатов анализа
сформулирована задача диссертационного исследования.
Согласно данным Министерства сельского хозяйства и развития сельских
районов, в ближайшие годы Вьетнам будет укреплять и развивать морской
рыболовный флот в удаленных районах промысла и уменьшать количество
рыболовных судов в прибережных районах (рис. 1 и в табл. 1).
Таблица 1. Основные районы и объекты промысла
ДопустимыйУдаленность,
Районы промыслаОсновные объекты промысла
вылов, тыс.тмиль
Винь Бак Бо (I)280100
Центральный (II)265100Белый окунь, скумбрия, камбала,
лоцман рыба, ставрида, анчоусы,
Юго-восточный (III)860200кальмар, осьминог, краб
Юго-западный (IV)240100
Центральный (V)360100-200Тунец, макрель, марлин, парусник,
Международный (VI)445200-375анчоус, палтус, рыба-сабля, окунь

Создание морского промыслового флота и
береговойинфраструктурыпланируется
осуществлятьсучетомотечественного
(Вьетнамского) и зарубежного (в том числе
Российского) опыта в области проектирования,
изготовления и эксплуатации рыболовных судов.
Большой вклад в развитие теории
проектирования судов внесли В.В. Ашик, А.В.
Бронников, А.И. Гайкович, Г.Ф. Демешко, А.Н.
Крылов, С.И. Логачев, В.А. Мацкевич, Л.М. Ногид,
В.М. Пашин, В.Л. Поздюнин, Б.А. Царев.
Существенныйвкладвразвитие
методологии проектирования промысловых
судов внесли В.И. Апполинариев, Г.В.
Рисунок 1 Карта распределения
районов промысла ВьетнамаАракельян, Н.Ф. Воеводин, И.Г. Захаров, М.В.
Войлошников, В.П. Иванов, В.И. Краев, В.М.
Пашин, А.И. Раков, Н.В. Севастьянов, М.С. Труб, Л.Ю. Худяков, Dudin, H.V.
Gaspar, John Fyson и многие другие.
Особенности функционирования судов во многом зависят от
гидрометеорологических условий, сезона промысла, характеристик промыслового
район и ряда других факторов, в том числе стохастического и динамического
характера. Для подобных исследований применение оптимизационных и
имитационных методов чрезвычайно актуально и эффективно, что отмечено в
работах В.Г. Бугаева, М.В. Китаева, И.В. Максимея, И.П. Норенкова, А.
Прицкера, Ю.Н. Семенова, О.В. Таровика, В.А. Фетисова.
Дальнейшее развитие методов проектирования и оптимизации судов
связано с внедрением методов многокритериальной оптимизации, суть которых
заключается в выборе варианта судна из Парето-оптимального множества на
основе субъективной информации о вероятности безотказной работы. Эти
вопросы были рассмотрены и исследованы в работах Г.С. Антушева, Н.П.
Бусленко, И.В. Максимея, И.П. Норенкова, А. Прицкера, Р. Шеннона и других.
Интенсивное развитие CAD/CAE/CAM-систем вносит новые тенденции в
развитие методов проектирования судов. Очевидна взаимосвязь между
математической моделью судна (с учетом функционирования) и 3D-моделями его
подсистем, что дает более информативные и точные результаты и способствует
адекватному принятию решения.
При решении задач гидродинамики судов и прочности судовых
конструкций широкое распространение получили численные методы. Здесь
можно отметить работы по оценке ходкости, местной прочности, прочности судов
ледового плавания А.Ш. Ачкинадзе, И.К. Бородай, С.В. Егорова, Л.С.
Лаврищевой, В.А. Лобанова, В.А. Манухина, О.П. Орлова, А.В. Печенюка, А.А.
Родионова, А.А. Рудниченко, Т.И. Сайфуллина, А.Е. Таранова, А.Ю. Яковлева и
зарубежных авторов Molland A.F., Turnock S.R., Hudson D.A.
В последние годы (2010÷2019 гг.) во Вьетнаме начали появляться
современные методы проектирования рыболовных судов для Вьетнама,
наибольший интерес из которых представляют методы предложенные Нгуен Вьет
Хоан, Май Куок Чыонг, Нго Куок Тханг, Зыонг Ван Тхань.
Современное состояние методологии проектирования судов и сложных
систем позволяет выделить основные направления совершенствования методов их
проектирования: системный подход, предполагающий учет внутренних и
внешних связей системы и декомпозиционные принципы построения моделей
подсистем;использованиевероятностныхметодовиметодов
многокритериальной оптимизации; применение CAD/CAМ/CAE-систем для
создания 3D-моделей подсистем и оптимизации их параметров.
В данной работе рассматривается системный подход к решению задачи
проектирования судов, основанный на применении оптимизационно-имитационной
модели для оценки надежности функционирования судна с учетом влияния
стохастических факторов, и численных методов оптимизации подсистем,
представленных в виде 3D-моделей (рис. 2).
На верхнем подуровне решается задача оптимизации характеристик и
элементов судна (грузоподъемности, скорости, главных размерений, длин отсеков
и пр.) с учетом особенностей его функционирования в стохастической внешней
среде. Задача формулируется в терминах математического программирования, в
качестве критерия принимается, либо вероятность безотказной работы по
экономическим показателям, либо их математическое ожидание.
3D-модель «Судно» представляет собой сложную сборку, состоящую из
совокупности подсистем k, в полной мере определяющих его архитектурно-
конструктивный тип, формообразующие и конструктивные связи.
Задачаоптимизацииk-й
подсистемырешаетсяпосле
оптимизациихарактеристики
элементов судна и определения
оценок ограничений (множителей
Лагранжа) (на верхнем подуровне).
Основной особенностью задачи
оптимизацииk-йподсистемы
является структура локального
критерияэффективности,
учитывающегодвойственные
переменные ограничений. В этом
случае глобальный и локальные
критерии измеряются в одних и тех
же единицах, что снимает проблему
непротиворечивости и упрощает
согласование решений.
С учетом анализа результатов
исследований в первой главе
определены основные проблемы и
перспективы развития рыболовного
Рисунок 2 – Укрупненная блок-схема алгоритмафлота, сформулированы цель и
оптимизации характеристик судна и элементов задачи исследования, определены
его подсистемметоды их решения.
Во второй главе рассмотрены методика и математическая модель
оптимизации характеристик и элементов рыболовных судов для СРВ с учетом
стохастических и динамических факторов внешней среды.
Для достижения цели:
• разработана математическая модель проектирования судна;
• разработана имитационная модель функционирования судна;
• разработанаоптимизационно-имитационнаямодельобоснования
характеристик и элементов судов на основе надежности их функционирования.
Задача оптимизации характеристик и элементов судна формулируется
следующим образом: необходимо найти такой вектор X  {x1 , x 2 ,…, x n }
оптимизируемых переменных, при котором критерий эффективности
(вероятность безотказной работы) достигает экстремального значения в
стохастической внешней среде С
PCT (X, C) = max ∏m
j=1 Pj (X, C),
и выполняются требования, предъявляемые к судну, заданные ограничениями

Yk (X, С) ≥ ak , k = 1−, mk ; x i max  x i  x i min ,i  1, n ,
где Pj (X, C)) = P{yj (X, C) ≥ aj }, j = 1−, m – вероятность удовлетворения j-го
условия работоспособности (прибыль, срок окупаемости) и определяется с
помощью имитационной модели функционирования судна;
Yk (X,С) – ограничения (требования к мореходным и эксплуатационным
качествам);
ak, aj – значение параметра, определяющего границу допустимой области;
j, k, i – индекс условия работоспособности, ограничения и неизвестной;
m, mk, n – количество условий работоспособности, ограничений и переменных.
В состав комплексной модели оптимизации характеристик и элементов
судна входят (рис. 3): модель внешней среды (случайных факторов);
математическая модель проектирования судна (ММПС); имитационная модель
(ИМ) функционирования судна; оптимизационная модель (ОМ) обоснования
характеристик и элементов судна на основе надежности его функционирования.

Рисунок 3 – Укрупненная схема математической модели оптимизации судна
Блок-схема математической модели оптимизации судна приведена на рис. 4.
Дляоптимизации
характеристик и элементов
судна создано программное
обеспечение”V_SHIP”с
использованиемфункции
«fmincon»математического
пакета MATLAB. fmincon –
поиск минимума скалярной
функции многих переменных
при наличии ограничений.
Интерфейспрограммы
разработанспомощью
приложения GUI в MATLAB.
Исходнаяинформация
включает:вектор
оптимизируемых переменных Х
и граничных условий; элементы
судна-прототипаи
характеристикирайона
Рисунок 4 – Блок-схема математической модели промысла; цену рыбопродукции
оптимизации суднаи топлива; правые части
ограничений; критерий эффективности и координаты «идеальной точки».
В состав вектора оптимизируемых переменных Х входят: х1 – длина между
перпендикулярами, L; х2 – ширина судна по КВЛ, B; х3 – осадка судна по КВЛ, T;
х4 – высота борта до верхней палубы, H; x5 – коэффициент общей полноты, δ; х6 –
коэффициент полноты конструктивной ватерлинии, α; х7 – коэффициент полноты
мидель шпангоута, β; x8 – грузоподъемность судна, т; х9 – скорость судна, м/с.
Величина налагаемых ограничений определяется требованиями Правил
РМРС и условий эксплуатации. В программе вводятся ограничения на: период
бортовой качки t  t i ; грузовместимость W  Wi ; метацентрическую высоту h  h i ;
максимальное плечо статической остойчивости lst  li ; критерий погоды k  1 ;
грузоподъемность судна Рgmin≤Рg≤Рgmax; скорость судна vmin≤v≤vmax.
В качестве критерия эффективности могут быть приняты:
• оценка математического ожидания прибыли судна, тыс.$;
• вероятность удовлетворения условиям по сроку окупаемости и прибыли;
• оценка математического ожидания срока окупаемости судна, лет.
Результаты расчетов оптимизации представлены на рис. 5 и 6.

Рисунок 5 – Элементы оптимального судна

Рисунок 6 – Гистограммы плотности распределения выходных параметров
В качестве иллюстрации результатов тестового расчета на рис. 7 приведены
поверхности, отражающие влияние грузоподъемности и скорости судна на
прибыль и срок окупаемости и вероятность безотказной работы.

а)б)
Рисунок 7 – Влияние грузоподъемности (Ргр) и скорости (v) на: а) прибыль и срок окупаемости;
б) вероятность безотказной работы

В результате решения задачи, рассмотренной во второй главе,
определяются: характеристики и элементы судна в виде таблицы параметров;
компоновка общего расположения (цифровой макет судна); эксплуатационно-
экономические показатели и оценки ограничений; вероятности выполнения
условий работоспособности и вероятность безотказной работы.
В третьей главе рассмотрена методика оптимизации формы корпуса и
винто-рулевогокомплексасудна, приведенырезультатычисленного
моделирования мореходных качеств судна и взаимодействия корпуса судна и
винто-рулевого комплекса.
Выбор программного продукта SolidWorks связан с наличием
дружественного интерфейса, специализированных модулей трехмерного
моделирования и инженерного анализа, достаточно высокой точностью решения.
Задача оптимизации формы корпуса формулируется следующим образом:
необходимо определить такие параметры формы корпуса судна Xk(L, B, T, xшнс, lб,
bб, hб), при которых судно имеет минимальное сопротивление R(Xk)→min и
выполняются требования, предъявляемые к вместимости, остойчивости и посадке.
Известными величинами являются характеристики и элементы судна
∗
Xk =(L, B, T, H, α, β, δ, хc, zc), оценки ограничений yj, найденные на верхнем
подуровне проектирования и представленные в виде таблицы параметров для
создания базового варианта 3D-модели поверхности корпуса судна.
Варьируемые переменные Xk и граничные условия: длина между
перпендикулярами, Lmin LLmax; ширина по ГВЛ, Bmin BBmax; осадка по ГВЛ,
ТminТТmax; высота борта, НminННmax; положение шпангоута наибольшего
сечения, ХшнсminХшнс Хшнсmax; удлинение (протяженность) бульба lбmax lб lбmin;
ширина бульба bбmax bб bбmin; высота бульба (точки наибольшей длины бульба)
hбmax  hб  hбmin.
Ограничения: абсцисса и аппликата центра величины, хсmaxхсхсmin и
yсmaxyсyсmin; вместимость, W(Xk)≥Wmin; водоизмещения по ГВЛ Dmin DDmax.
Цель (критерий): минимальное сопротивление R(Xk)→min
R(Xk)= Rд + Rтр,
где Rд – сопротивление давления, кН; Rтр – сопротивление трения, кН.
Решение общей задачи оптимизации формы корпуса целесообразно
разделить на два этапа. Задача первого: необходимо определить такие параметры
формы корпуса Xk(L, B, T, xшнс), при которых водоизмещение судна имеет
заданное значение D и выполняются требования, предъявляемые к элементам
поверхности корпуса. Решение этой задачи позволяет сформировать область,
состоящую из вариантов с заведомо приемлемыми элементами, но не всегда
наилучшими с точки зрения ходкости. Задача второго этапа посвящена выбору из
совокупности допустимых вариантов наилучших с точки зрения ходкости с
одновременной оптимизацией формы носовой (формы бульба) и кормовой
оконечностей. Такое решение задачи позволяет: уменьшить её размерность и
сократить время расчетов; обратить больше внимания на отработку наиболее
проблемных участков поверхности.
3D-модель поверхности корпуса. В практике проектирования рыболовных
судов достаточно широко используются как лекальные, так и упрощенные формы
обводов корпуса, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. В
работе рассматриваются два вида формы корпуса судна: с плавными обводами без
сломов и протяженных плоских участков, с бульбовой носовой оконечностью и
транцевой кормой (рис. 8а), и с упрощенными обводами, состоящей из линейчатых
поверхностей, соединенных между собой сломами, без бульба (рис. 8б).
Базовый (начальный) варианта 3D-модели поверхности корпуса судна
построен на основе формообразующих каркасных линий: килевой линии, мидель-
шпангоута (шпангоута наибольшего сечения), форштевня, ахтерштевня, верхней
палубы, грузовой ватерлинии, баланс-шпангоутов, ватерлинии на уровне
наибольшей длины бульба, и управляется таблицей параметров, созданной на
верхнем подуровне проектирования.

а)б)
Рисунок 8 – Поверхность корпуса судна: a) с плавными обводами; б) с упрощенными обводами
Алгоритм оптимизации формы корпуса судна предполагает быструю замену
и использование в расчетах обеих форм корпуса (лекальную или упрощенную).
Оптимизация. В качестве основного расчетного варианта загрузки принят
выход из района промысла с полным грузом и с количеством запасов,
обеспечивающих осадку судна по грузовую ватерлинию.
Точность и гибкость модели обеспечивается использованием сплайновой
математики и широкими возможностями управления размерами сетки. Сеточная
независимость наступает при наличии сетки в 2,5 миллиона ячеек. Течение потока
ламинарное и турбулентное. Шероховатость поверхности корпуса принимается в
диапазоне 100÷250 мкм.
Правые части ограничений и критерий эффективности определяются с
помощью датчиков CAD/CAE-систем, которые при проведении оптимизации
рассчитываются на каждой итерации.
Иллюстрация результатов оптимизации формы корпуса судна представлена в
табл. 2. На рис. 9 показаны картины обтекания корпуса судна после оптимизации.
Достаточно четко просматриваются зоны повышенного давления и
изменения скорости потока жидкости, которые приводят к образованию носовой
и кормовой групп волн. Результаты расчетов сопротивления воды движению
судна численными методами (R1), достаточно хорошо согласуются с расчетами
по методу В.А. Ерошина (R2).
Таблица 2 – Результаты оптимизации (этап 2)

Рисунок 9 – Диаграмма объемной
концентрации воды в плоскости ГВЛ
Максимальныйэффектот
оптимизации бульба по сравнению с
начальным вариантом достигает 5–6%, однако на практике часто применяются
бульбы, близкие к оптимальным, но удобные с точки зрения маневренности и
эффективности в эксплуатации. Поэтому особый интерес представляет анализ
околооптимальной области влияния формы бульба на сопротивление.
На рис. 10 приведены в качестве иллюстрации поверхности отображающие
влияние на сопротивление судна: длины lб и высоты hб бульба, при ширине
бульба bб=1,5 м (рис. 10а); длины lб и ширины bб бульба, при высоте бульба hб=1,3
м (рис. 10б); высоты hб и ширины bб бульба, при длине бульба lб=1,0 м (рис. 10в).

а)б)в)
Рисунок 10 – Зависимость сопротивления судна от параметров формы бульба
Результаты оптимизации позволяют определить не только наилучшие с
точки зрения сопротивления параметры формы корпуса, но и провести детальный
анализ решений, которые невозможно строго описать математически. К таковым
относятся выбор углов наклона ГВЛ к ДП, углов килеватости и конструктивного
дифферента, степени V- и U-образности шпангоутов в оконечностях.
Для судов с малыми скоростями хода, обладающих незначительным
сопротивлением, целесообразно применение упрощенных обводов. Опыт
показывает, что для судов с упрощенными обводами стоимость корпуса
уменьшается в среднем на 20% по отношению к стоимости корпуса судна с
плавными обводами. Ниже основное внимание уделено судам с упрощенными
обводами, как наиболее перспективным для Вьетнама с технологической точки
зрения.
Взаимодействие корпуса и винто-рулевого комплекса
После создания 3D-модели сборки поверхность корпуса-винт-насадка снова
выполняется исследование, но уже с целью определения взаимодействия корпуса
и винто-рулевого комплекса, т.е. влияния элементов системы на работу системы в
целом.
Выбор размеров винто-рулевого комплекса осуществляется исходя из
соображений обеспечения требований ходкости и управляемости судна. Диаметр,
шаг, дисковое отношение гребного винта, а также коэффициенты раствора и
расширения насадки определяются из соображений ходкости. Длина насадки,
хорда и высота пера стабилизатора – из требований управляемости.
Методический подход и 3D-модели позволяют определить в функции
параметров формы корпуса и ВРК:
• гидродинамические характеристики винта и винто-рулевого комплекса
как в свободной воде, так и за корпусом судна;
• особенности взаимодействия корпуса судна и ВРК: влияние формы корпуса
на работу ВРК, обусловленное наличием попутного потока за корпусом судна,
наличием свободной поверхности, увеличением скорости потока, набегающего на
насадку, создаваемого винтом;
влияние параметров ВРК на
условияобтеканиякормовой
оконечности;
• поперечную силу F(y) и
силусопротивленияF(x),
создаваемые винтом в насадке за
корпусом судна при различных
скоростях набегающего потока,
частотах вращения винта и углах
поворота насадки (рис. 11);
Рисунок 11 – Зависимость гидродинамических• зависимостьдиаметра
характеристик насадки от углов её поворота с циркуляции Dц от скорости
вращающимся винтом за корпусом судна
движения судна v, частоты
вращения винта n и угла поворота насадки α.
После решения задачи оптимизации формы корпуса и винто-рулевого
комплекса в распоряжении конструктора имеются 3D-модели и методическое
обеспечение, которые позволяют оценить взаимное влияние элементов системы не
только с помощью числовых значений параметров, но и с помощью средств
визуализации результатов.
В четвертой главе рассматривается методика оптимизации конструкций
корпуса как подсистемы судна с целью снижения его металлоёмкости и
увеличения экономической эффективности судна. Особое внимание уделяется
исследованию зависимости массы конструкций, напряжений и перемещений от
величины шпации, размеров шпангоутов и бимсов, и толщины флоров с учетом
требований Правил РМРС и Вьетнамского Регистра (ВР).
Известными величинами являются элементы судна, архитектурно-
конструктивный тип, общее расположение Х∗ = (L, B, T, H, lT , bT , hдв ) и оценки
ограничений j , полученные на верхнем подуровне проектирования судна. Здесь
lT – длина отсека, м; bT – расстояние от борта до продольной переборки, м; hдв –
высота двойного дна, м.
В качестве оптимизируемых переменных приняты: a – шпация поперечного
набора палубы, борта и днища, м; s1, s2 – толщины палубной и бортовой обшивок,
мм; n1, n2 – размеры бимсов и шпангоутов (номер полособульба); l1, l2 – пролеты
бимсов и шпангоутов, м.
Величинами,функциональносвязаннымис оптимизируемыми
переменными, являются: W – моменты сопротивления балок набора палубы и
борта, см3; s3 – толщина флоров, мм.
Критерий эффективности:
• Задача 1. Минимум массы корпуса судна:
fk (X ∗ , Xk ) → min Мk (X ∗ , a, n, l, s, W),
где Мk (X ∗ , a, n, l, s, W) – масса конструкций корпуса в функции оптимизируемых
переменных a, n, l, s, W при найденных на верхнем подуровне главных
размерениях и компоновке судна X ∗, т.
• Задача 2. Приращение критерия эффективности по судну, вызванное
изменением нагрузки (масс), вместимости и координат центра тяжести (ЦТ) по
отношению к рассчитанным в задаче определения элементов судна на верхнем
подуровне, если таковые имеются
fk (X ∗ , Xk ) → max ∑mj=1 yj ѱjk ,
где yj – оценки ограничений, руб./размерность ограничения; ѱ1k – приращение
массы металлического корпуса; ѱ2k – приращение абсциссы ЦТ металлического
корпуса; ѱ3k – приращение метацентрической высоты и т.д.
Оценки в задаче 2 определены на верхнем подуровне при оптимизации
элементов судна (в нашем примере): y1 – приращения массы металлического
корпуса (грузоподъемности) y1=$50 тыс./т; y2 – приращения абсциссы ЦТ
металлического корпуса y2 = 0; y3 – приращения метацентрической высоты y3 = 0.
То есть ограничения по абсциссе ЦТ и метацентрической высоте не являются
лимитирующими.
Ограничения, определяющие область допустимых решений: a – шпация
поперечного набора лежит в пределах, a1∗ ≤ a(Xk )  a∗2 ; s1, s2, – толщины палубной
и бортовой обшивок не менее требуемых, s(Xk ) ≥ s ∗ ; l1, l2 – пролеты балок,
l(Xk ) ≥ l∗ ; W – моменты сопротивления балок палубы и борта не менее
требуемых, W(Xk ) ≥ W ∗ ; n1, n2 – размеры бимсов и шпангоутов; s3 – толщина
флоров не менее требуемой, s(Xk ) ≥ s ∗ ; напряжения не превышают
допустимых пределов, Хk) ≥предел.
Корпус судна набран по поперечной системе набора. Шпангоуты и бимсы
изготовлены из полособульба. Продольные и поперечные переборки – сварные
плоские, усиленные вертикальными ребрами жесткости. Три грузовых люка
установлены на верхней палубе для доступа в охлаждаемые танки. Между
люками установлены две продольные переборки, подразделяющие трюм на три
танка. 3D-модель охлаждаемого трюма приведена на рис. 12.
Нагрузка. Расчетное давление P, действующее на корпус судна со стороны
моря, определяется по Правилам РМРС.

а)б)в)
Рисунок 12 – Конструкции корпуса: а) 3D-модель охлаждаемого трюма; б) схема приложения
нагрузки; в) сетка в районе бортовой кницы
Результаты оптимизации приведены в табл. 3.
Таблица 3 – Размеры конструкций корпуса начального и оптимального вариантов
Обозна Наименование, размерностьНачальный ДиапазонОграничения Оптимальный
чениевариант варьирования(Правила)вариант
a Шпация поперечного набора, мм540450, 540, 600п. 1.1.3540
s1 Толщина палубной обшивки, мм6 (7)6,7, 81.6.4.46
s2 Толщина бортовой обшивки, мм8 (7)7, 8, 91.6.4.48
l1 Пролет бимсов, м2,22,2-2,2
l2 Пролет шпангоутов, м2,322,32-2,32
n1 Бимс (полособульб)109, 10, 121.6.4.1 – 1.6.4.29
n2 Шпангоут (полособульб)1210, 12, 141.6.4.1 – 1.6.4.210
s3 Толщина флоров, мм76, 7, 8п. 2.4.4.36
 Напряжения по Мизесу, МПа209<235229 М Масса, кг9862Минимизировать9644 Максимальные напряжения возникают в районах соединения бортового и палубного перекрытий и продольной переборки и палубы с помощью книц (σmax=229МПа). Несмотря на обеспечение прочности конструкций в оптимальном варианте, напряжения в бортовой книце все-таки достигают высоких значений, близких к пределу текучести. С целью снижения напряжений книце придали незначительное скругление и приварили поясок (σmax=179МПа) (рис. 13 и 14). а)б) Рисунок 13 – Результаты оптимизации: а – эпюра напряжений; б – зависимость напряжений и массы конструкций от шпации Экономическийэффектот оптимизацииконструкцийтанков достигает за счет уменьшения стоимости корпуса и увеличения грузоподъемности: j=1 yj ѱjk = fk (X ∗ , Xk ) = fk (Xk ) + ∑m fk (Xk ) + 50 ∗ 0,436 = 21,8 $тыс., здесь fk (Xk ) - доля прибыли (критерия), получаемая за счет снижения стоимости корпуса. Значение fk (Xk ) определяется в процессетехнико-экономического обоснования элементов судна. Рисунок 14 – Распределение напряжений вС целью выработки рекомендаций и районе бортовой кницыпринятия окончательных решений по конструкциикорпусапредлагается выполнить дополнительные расчеты: по определению прочности и металлоемкости палубного перекрытия (рис. 15); оценке влияния угла килеватости и коррозионного износа на прочность двойного дна; оценке влияния погиби шпангоутов на уровень прочности бортового перекрытия (рис. 16). Рисунок 15 – Результаты исследованияРисунок 16 – Связь коэффициента прочности палубного перекрытия.прочности с относительной погибью. В результате выполненных исследований формулу Правил РМРС для регламентации моментов сопротивления сечений не прямолинейных балок набора предлагается записывать в виде: pal2103 Wк , где k f  1  11,193  f  60,463  f  86,637  f . k f mk n В пятой главе рассмотрена оптимизация компоновки и размещения грузов и запасов рыболовного судна с целью обеспечения требований, предъявляемых к его вместимости, посадке и начальной остойчивости. Задача формулируется следующим образом: необходимо найти такой вектор переменных Хk, определяющих компоновку судна (количество и расположение продольных и поперечных переборок, высоту двойного дна и др.), размещение грузов и запасов, расположение оборудования, при которых критерий (в нашей задаче – дифферент) достигает заданного значения и выполняются ограничения, определяющие область допустимых решений. Согласно Правилам РМРС остойчивость и посадка судна проверяется для трех основных вариантов загрузки. 1. Выход на промысел с полными запасами – 0% груза и 100% запасов. 2. Возвращение с промысла с полным уловом в трюме – 100% груза и 10% запасов. 3. Выход из района промысла с полным грузом и с количеством запасов, обеспечивающих осадку судна по грузовую марку. Таким образом, необходимо решить две задачи. Первая – оптимизация компоновки судна, при которой в первом варианте загрузки обеспечены требования к вместимости, посадке и остойчивости. Вторая задача – для компоновки судна, полученной при решении первой задачи, – размещение грузов и запасов с целью обеспечения заданной посадки и остойчивости судна (варианты 2 и 3). Судно имеет форпик, ахтерпик, три охлаждаемых танка, цистерны для воды, топлива, масла и балласта, машинное и румпельное отделения, жилые помещения. Поперечные переборки, стенки цистерн, перекрытие двойного дна созданы в контексте сборки и могут перемещаться в продольном и вертикальном направлениях и принимать форму поверхности корпуса судна. На рис. 17 приведена схема расположения основных помещений судна. Рисунок 17 – Схема расположения основных помещений судна: 1 – охлаждаемые танки; 2 – топливные и масленые цистерны; 3 – цистерны для пресной воды и балласта; 4 – машинное отделение; 5 – румпельное отделение; 6 – помещения экипажа; 7 – форпик; 8 – надстройка Известными величинами являются элементы 3D-модели поверхности и конструкций корпуса судна, архитектурно-конструктивный тип судна, предварительное расположение основного оборудования, жилых и служебных помещений Х∗ = (L, B, T, H, li , bi , hдв ), полученные на верхнем подуровне проектирования, и откорректированные при оптимизации подсистем. В качестве оптимизируемых переменных приняты: • компоновка основных отсеков в корпусе: li - длина i-го отсека, м; hi - высота i-го отсека (двойного дна) и т.д., м; • размещение грузов в отсеках в разных вариантах загрузки. Приращение длины каждого отсека осуществляется дискретно на величину шпации. Ограничения, определяющие область допустимых решений: Wi - объем помещений должен быть достаточным для размещения в них грузов, топлива и масла, балласта и экипажа, Wi(Х)Wi*, м3;  - максимальный дифферент не должен превышать допустимых пределов, 0,005||0 рад; h - исправленная начальная метацентрическая высота не должна быть менее, h0,35 м. На оптимизируемые переменные налагаются ограничения: li - длина отсека не должна превышать допустимых пределов, lmaxi≥ li ≥ lmin i, м; hдв - высота отсека не должна быть менее допустимой по Правилам РМРС, hдв ≥ hminдв , м. Расчет вместимости, нагрузки, дифферента, метацентрической высоты, выполняется по 3D-модели судна инструментами САПР. Период бортовой качки определяется по формуле: 2сВВLwl τ=, где с – коэффициент, с = 0,373 + 0,023 − 0,043, √hТ100 и в соответствии с рекомендациями Правил ВР не может быть менее 4,6 с. Критерием является посадка судна без дифферента: fk (X ∗ , Xk ) → (xc = xg (X ∗ , li , hi )), где xg (X ∗ , li , hi ) – абсцисса центра тяжести судна в функции оптимизируемых переменных li , hi при найденных на верхнем подуровне главных размерениях и предварительной компоновки судна X ∗ , м. Первый вариант загрузки: выход на промысел с полными запасами – 0% груза и 100% запасов. В результате оптимизации определено положение переборок, настила второго дна и размещение запасов, при которых обеспечены требования, предъявляемые в виде ограничений. Расположение танков и цистерн, размещение грузов (Ргр=0, в качестве ограничения выступает объем охлаждаемых танков Wгр), запасов пресной воды, топлива и масла в первом варианте загрузки приведены в табл. 4, а визуализация размещения жидких сред – на рис. 18. Таблица 4 - Постановка задачи и результаты оптимизации компоновки судна и размещения жидких сред в первом варианте загрузки Рисунок 18 – Расположение танков и цистерн в первом варианте загрузки (обшивка, конструкции и оборудование скрыты) Второй и третий варианты загрузки связаны с проверкой выполнения требований к посадке и остойчивости судна при выбранных в первом варианте загрузки расположении переборок и второго дна. В табл. 5 приведены результаты расчетов по трем вариантам загрузки. Таблица 5 - Сводная таблица результатов расчета Вариант загрузки, тDW, т Тср, м Xg, м Zg, м h, мH, м , рад , с Вариант 1: 0-100%257.0 53.52.350.282 2.651 0.7931.090.00046.89 Вариант 2: 100-10% 295.6 92.22.570.529 2.682 0.7129.240.00347.53 Вариант 3: 100-40% 305.5 102.0 2.610.509 2.693 0.7029.130.00167.72 Вместимость, посадка и остойчивость судна обеспечены во всех вариантах загрузки. Схема общего расположения дает достаточно полное представление об устройстве судна, о расположении основных помещений, о размещении грузов и запасов, а также оборудования, устанавливаемого на судне (рис. 19). С целью подтверждения достоверности разработанной методики и её математических моделей выполнена верификация. Расчеты подтвердили соответствие методики требованиям современной практике проектирования судов. Таблица 6 - Основные элементы судна Элементы суднаЗначение Длина между перпендикулярами Lпп, м 27,82 Ширина по ГВЛ В, м7,56 Осадка по ГВЛ Т, м2,61 Высота борта Н, м3,55 Коэффициент полноты мидель- 0,821 шпангоута β Коэффициент общей полноты δ0,543 Коэффициент продольной полноты φ0,661 Площадь смоченной поверхности Ω, м 241,6 Рисунок 19 – Схема общего расположенияВодоизмещение по ГВЛ D, т305,7 судна ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе выполненных исследований получены следующие результаты: 1. Выполнен анализ современного состояния методов проектирования рыболовных судов и направлений дальнейшего их совершенствования; проведена систематизациясуществующихтеоретическихиэкспериментальных исследований в области проектирования и оптимизации рыболовных судов; рассмотрен системный подход к проектированию судов и их подсистем в задачах автоматизированного проектирования. Внедрение системного подхода в сочетании с численным и трехмерным моделированием способствуют решению внешней и внутренней задач проектирования с единых позиций для достижения наивысшей эффективности судна в целом. 2. Разработана математическая модель оптимизации характеристик и элементов рыболовного судна и его подсистем с учетом требований, предъявляемых к технологии автоматизированного проектирования; разработана математическая модель и программное обеспечение оптимизации элементов рыболовного судна с учетом особенностей его функционирования в стохастической внешней среде. 3. Разработана методика оптимизации формы корпуса судна и характеристик винто-рулевого комплекса (гребного винта в насадке) численным методом; проведено численное моделирование мореходных качество судна и взаимодействия корпуса судна и винто-рулевого комплекса. Внедрение численных методов гидродинамики в процесс проектирования существенно облегчает и ускоряет решение задач оптимизации поверхности корпуса судна и сдвигает проведение испытаний в бассейне на более поздние этапы проектирования. Выполнен анализ формы корпуса судна с учетом его взаимодействия с винто- рулевым комплексом, и маневренности (поворотливости). 4. Разработана методика оптимизации конструкций корпуса судна численным методом; выполнен анализ влияния угла килеватости, коррозионного износа, погиби шпангоутов на уровень прочности конструкций двойного дна и борта. Разработаны рекомендации по совершенствованию формы корпуса судна с учетом требование к обеспечению технологичности и прочности конструкций. 5. Разработана методика обоснования элементов общего расположения судна с точки зрения мореходных и эксплуатационных качеств; создана модель оптимизация компоновки судна, размещения грузов и запасов, расположения оборудования, при которых обеспечены требования, предъявляемые к вместимости, посадке и начальной остойчивости. 6. Разработаны алгоритмы, программы и 3D-модели для оптимизации элементов судна и численного моделирования гидродинамических и прочностных качеств подсистем судна с использованием САПР. Полученные результаты и визуализация дают более полную и наглядную информацию по сравнения с традиционным подходом. Выполнена проверка точности и работоспособности, как всей методики, так и отдельных её моделей и алгоритмов. Выявлены факторы в наибольшей степени влияющие на эффективность работы судна в море.