ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ НА РАННИХ ЭТАПАХ РАЗРАБОТКИ ПРОЕКТА СУДНА ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
М. Э. Францев, канд. техн. наук
(e-mail: gepard629@yandex.ru) удк 629.12.001
Применение композитов позволяет создавать суда с высокими аэро- и гидродинамическими характеристиками, легкими надстройками, эффектным дизайном внешнего облика и рядом других достоинств. Композиты могут значительно сократить сроки строительства судна по сравнению с судами из традиционных материалов. Это обусловливает серьезную экономическую мотивацию развития массового судостроения из композитов. Мировой судостроительный опыт свидетельствует о высокой экономической эффективности производства такого типа судов.
Сегодня большую часть мирового малотоннажного промыслового, служебно-разъездного и прогулочного флота составляют суда, имеющие корпуса из композитов, однако в современной России они проектируются и строятся в весьма небольших количествах. Отечественный опыт проектирования судов из композитов ограничивается несколькими десятками проектов судов, как правило военного назначения, за редкими исключениями водоизмещающих, а также небольших катеров и мотолодок. В то же время во всем мире ежегодно создается множество проектов судов из композитов преимущественно гражданского назначения, в том числе, например, промысловые суда, которые в России не проектируются вообще. При этом необходимость в судах такого типа существует и в России. Это приводит к переориентации ряда отечественных судовладельцев на продукцию зарубежного судостроения. В качестве примеров, подтверждающих этот тезис, можно привести многочисленные факты приобретения рыбаками Дальнего Востока промысловых судов из композитов в Японии, где в эксплуатации находится более трехсот тысяч судов этого типа. Приобретают промысловые суда из компо-
зитных материалов в Норвегии и рыбаки европейского Севера России, в первую очередь ведущие промысел в бассейне Белого моря. В отечественном судостроении создается ничтожно мало проектов судов из композитов с использованием углепластиков и органопластиков, которые сейчас широко используются в мировой судостроительной практике.
Для расширения возможностей создания отечественных судов из композитов в настоящее время необходимо решить ряд проблем, как в области совершенствования проектных характеристик судов и их оптимизации, так и в области улучшения структуры всего процесса проектирования. Необходима разработка способов проектного обоснования таких судов, учитывающих различные аспекты их последующей эксплуатации и обеспечивающих их конкурентоспособность.
Известно, что в области мирового малотоннажного судостроения, подобно автомобилестроению, сформировалась практика создания модельных рядов малых судов, которая позволяет производителям эффективно конкурировать между собой. Очень часто при разработке новой модели малого судна производители ориентируются на наличие или отсутствие в предполагаемом размерном интервале продукта конкурентов. Предполагаемые характеристики новой модели судна предлагаются, в первую очередь, маркетологами на основании проведенного анализа рынка и в дальнейшем уточняются конструкторами в процессе проектирования. Существенное конкурентное преимущество современного производителя заключается в своевременном обновлении им модельного ряда выпускаемых судов.
В этой связи представляется востребованной вариативная модель проектирования, опирающаяся на
использование параметрических методов. Она позволяет проектанту, в рамках экономической целесообразности, быстро переходить от одного размера судна к другому, связывая конструктивные элементы судна и характеризующие их параметры посредством проектных ограничений, определяемых условиями эксплуатации. Накладывая и удаляя такие ограничения, а также варьируя значения параметров, разработчик может изменять элементы проектируемого судна.
Современные стандарты проектирования предусматривают последовательное снижение затрат на такие наиболее дорогие и сложные разделы проекта, как разработка гидродинамического комплекса, а также прочностные расчеты, которые реализуются на базе единожды выполненных научных исследований и накопленного опыта эксплуатации. Этим же обусловлена все более широкая замена при разработке проекта натурного эксперимента численным расчетом. При создании современного проекта судна из композитов гражданского назначения большая часть затрат направляется на дизайнерскую проработку проекта в части экстерьера судна, эргономики его интерьеров, цветовых решений, применяемого оборудования и отделочных материалов. При этом судно должно обладать сбалансированной совокупностью эксплуатационных качеств, отвечающих ожиданиям потенциальных заказчиков. Поэтому в современных условиях быстрого технологического развития экономики весьма остро стоит вопрос об оптимизации конструкции малотоннажного судна, проектирование которого ограничено ресурсами, когда у разработчика нет возможности искать оптимальное решение методом проб и ошибок.
Способ позволяет формализовать процессы выбора оптимальной структуры характеристик проектируемого малотоннажного судна из композитов с помощью разработанной методической общности задач анализа информации о ранее построенных судах подобного типа и синтеза проектных обоснований. При этом проектировщик оперирует на единой основе множеством технических показателей характеристик судов (масса, размеры, мощность и их соотношения) и показателей ка-
чества функционального использования (эксплуатационные и экономические характеристики) с помощью специфических экономико-информационных и математических моделей различного типа и вида.
Основным принципом, реализуемым в способе структурно-параметрического проектирования малотоннажного судна, является выявление и оптимизация макропеременных, опирающаяся на анализ связанных с ними технико-экономических показателей, определяемых показателями функционального использования судна в эксплуатации в рассматриваемом размерном интервале. При этом используется двухуровневая иерархия упрощенной логико-математической модели, в которой верхний уровень модели связан с эксплуатационными качествами судна, а нижний уровень представляет собой систему основных проектировочных уравнений, в которые в качестве переменных входит небольшое количество характеристик судна (параметров), к которым подстраиваются остальные [1, 2].
Физической моделью способа структурно-параметрического проектирования судов из композитов, в том числе скоростных, является подобие гидродинамических процессов на расчетных режимах движения в рамках единой компоновки всего судна. Подобие обусловлено относительно небольшим различием геометрических размеров наибольшего и наименьшего судов ряда(как правило, не более чем в пять раз).
Непосредственному структурно-параметрическому синтезу характеристик проектируемого судна предшествует разработка базы данных моделей множества возможных технических решений. Проектные характеристики построенных судов при этом организуются в виде множества возможных решений, а затем упорядочиваются по степени их относительной предпочтительности. Задача проектирования судна имеет несколько критериев оптимизации, из которых на последующих этапах проектирования выбирается основной критерий, поэтому при формировании базы данных необходимо стремиться к максимально возможному учету всех технико-экономических показателей, а также показателей функционального ис-
пользования (эксплуатационных качеств) [1, 2].
Параметрический ряд судов — это упорядоченная совокупность числовых значений их проектных характеристик. В параметрических рядах наряду с размерами судов, характеристиками их массы и мощности важную роль играют отдельные элементы нагрузки масс, расходные характеристики судовой энергетической установки, особенности их движительных комплексов и пр. В случае группировки судов в параметрическом ряду по одному или нескольким ключевым признакам, например таким, как особенности гидродинамического комплекса, а также другим конструктивно-технологическим решениям, можно говорить о типоразмерном параметрическом ряде.
При выборе параметров для параметрических рядов прежде всего решается вопрос о мерности рядов. Параметрический ряд, построенный для одного главного параметра, будет одномерным. Обоснованный выбор параметров для построения параметрического ряда имеет большое значение для создания оптимального набора сбалансированных характеристик как одного судна, так и группы судов нескольких размеров. Необходимо отметить, что построение параметрического ряда для одного главного параметра и его оптимизация не всегда позволяют создать судно с оптимальными параметрами. Более перспективно построение многомерных параметрических рядов, охватывающих не только основные, но и вспомогательные параметры судна. В то же время создание многомерных параметрических рядов судов — чрезвычайно сложная задача, и, по существу, создание оптимальных многомерных параметрических рядов судов находится на начальной стадии развития.
Проиллюстрируем изложенные выше соображения следующим примером. При разработке проекта скоростного глиссирующего судна из композитов основными неизвестными являются его главные размере-ния и другие характеристики:
5, в, ^ В, Т, Н, О, N.
Для анализа изменения проектных характеристик на интересующем проектанта размерном интерва-
ле должна быть сформирована база данных. База данных содержит значения проектных характеристик построенных судов данного типа, имеющих аналогичные гидродинамические комплексы и близкие архитектурно-компоновочные решения. Значения характеристик в базе данных могут быть представлены, например, в виде
5 = 5,, 8,, 8,...8 , ;
I' 2' 3 п' '
L/B = (t/B),; (L/B)2; (L/B)3...(L/B)-;
B/T = (B/T),; (B/% (B/T)3...(B/T)n;
H/T = (H/T),; (H/TI2; (H/T)3...(H/T)n.
В результате анализа базы данных могут быть получены изменения проектных характеристик, которые могут быть представлены в виде функций независимой переменной — геометрического параметра — базовой длины судна L* в заданном интервале в виде
L = f ,(L*) ;
B = №) ;
T = да ;
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.