ЛОГИСТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА В СИСТЕМЕ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА СУДОВЫХ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
В. И. Сутырин, докт. техн. наук, e-mail: vsutyrin@mail.ru (Институт транспорта и технического сервиса Балтийского федерального университета им. И. Канта) удк 681.322:629.5.024.004
Логистические аспекты функционирования системы технического обслуживания и ремонта (ТОР) связаны с минимизацией издержек, материальных ресурсов и времени при обязательном обеспечении обслуживающим предприятием исправного состояния, эксплуатационной безопасности и надежности объектов морской техники. При этом конкурентоспособность предприятия достигается эффективным управлением (преобразованием)входящего материального потока техники, а также порождаемых им потоков финансов и информации при помощи многочисленных логистических операций, требующих непрерывной рационализации.
Информационную поддержку в системе ТОР обеспечивают автоматизированные системы управления (АСУ ТОР). В наиболее разработанном виде они существуют в применении к судовым техническим средствам [1]. Элементы подсистемы АСУ ТОР корпусных конструкций промысловых судов разрабатывались в рамках целевой программы «Ремонт» [2]. Однако их реализация средствами вычислительной техники не была завершена в требуемом объеме. Вместе с тем разработка подобных систем остается актуальной в связи с исключительной важностью подсистемы корпуса в системе судна по условиям безопасности мореплавания и логистических издержек ТОР.
Важная роль в АСУ указанного типа принадлежит программным средствам инженерного анализа — так называемым САЕ-системам (Computer Aided Engineering), позволяющим выявлять характеристики напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости корпусных конструкций с учетом фактических характеристик (изно-сов, повреждений), а также воздействия внешней среды. САЕ-комплексы представляют, по сути, автоматизированные информационные системы (АИС), предназначенные для поддержки принятия эффективных инженерных решений [3, 4]. Подобные решения должны снижать объемы и сроки выполнения
ремонтных работ, повышать эффективность эксплуатации судна, назначать рациональные режимы эксплуатации, обеспечивать безопасность (прочность) корпуса судна в аварийных ситуациях и т. п. Задачи ТОР предъявляют к САЕ-системам весьма специфичные требования, предусматривающие, в частности, минимизацию издержек и времени, затрачиваемого на формирование расчетных схем корпусных конструкции и их инженерный анализ при одновременном обеспечении его многовариантности, комплексности, полноты и высокой точности. Таким образом, важнейшие требования можно отнести к категории логистических, инженерных, а также вычислительно-технологических (информационных, математических). На практике перечисленные требования оказываются многоаспектными и весьма противоречивыми. Поэтому решение задач ТОР с применением информационных средств требует мобилизации весьма серьезных интеллектуальных ресурсов.
Инженерная деятельность по организации и выполнению анализа корпусов морской техники порождает интенсивные информационные потоки. Важно не только оптимизировать (рационализировать) управление потоками информации АИС, отслеживающих фактическое состояние техники, формирование расчетных схем, характеристик НДС, технологических схем ТОР, но и обеспечить гармоничное включение указанных потоков в систему управления знаниями предприятия (рис. 1).
При таком подходе информационные технологии, обеспечивая эффективное выполнение операций ТОР, максимально содействуют поиску новых инженерных решений, коллективному творчеству, непрерывному профессиональному росту (обучению) специалистов, воспроизводству и распространению инженерных знаний более высокого уровня. Достичь указанных целей можно лишь на основе системных подходов к организации и управлению автоматизированным инженерным анализом, к совершенство-
Рис. 1. Цикличность информационных процессов инженерного анализа в рамках системы ТОР морской техники
ванию его базовых информационно-вычислительных процедур.
Метод конечных элементов (МКЭ), положенный в основу большинства известных САЕ-комплексов [5, 6], характеризуется широкой научно-методической базой, значительным инновационным потенциалом. Уникальность метода определяется тем, что он по существу реализует
все этапы системного подхода к расчетному анализу сложных конструкций. Метод обеспечивает широкие возможности для использования прикладных методик различного назначения, что особенно важно для поддержки операций ТОР. Вместе с тем, обладая весьма большими количественными возможностями, подсистемами автоматизации моделирования
(препроцессорами) и иллюстрациями результатов (постпроцессорами), САЕ-комплексы в их современном виде все же не в полной мере отвечают потребностям ТОР Информационный процесс замыкается в них на поиске характеристик НДС или оптимальных параметров конкретной конструкции (структурно-компоновочной схемы) (рис. 2).
В то время как практика ТОР характеризуется исключительной многочисленностью типов и характеристик технического состояния корпусных конструкций, вариантов их исполнения (подкрепления, модернизации и т. п.), условий воздействия внешней среды и т. д. Для большинства САЕ-комплексов характерен подход, связанный с совокупным формированием и анализом разрешающей системы уравнений. В результате применяемой линейной технологической схемы расчетных исследований (рис. 3) многочисленные корректировки расчетных моделей конструкции, которые по существу и являются следствием изменения технического состояния техники и учета особенностей эксплуатации, приводят к крайне неэффективному многократному переформированию и пересчету расчетных моделей. В результате достижение высокой производительности (оперативности) анализа, снижение его издержек оказываются проблематичными.
Предлагаемое изменение парадигмы расчетного исследования сводится к применению объектного подхода, заключающегося в пере-
Рис. 2. Функционально-технологическая схема комплекса САЕ-класса
Рис.4. Подход к расчетному анализу корпуса на основе системных преобразований и построения преобразованных расчетных схем
Таблица 1
Типовые преобразования расчетной схемы конструкции корпуса
ходе от разового расчета корпуса к многократному выборочному расчету его элементов без пересчета глобальной системы разрешающих уравнений. Источником для разработки новой методологии автоматизированного инженерного анализа могут служить классические подходы и методы строительной механики. В этой связи следует особо подчеркнуть эффективность применения методов структуризации (анализа систем по частям, диакоптики [5—8]), приобретающих особую актуальность в связи с увеличением производительности компьютерной техники и размерности решаемых задач. Направления развития указанных методов в наибольшей степени отвечают тенденциям развития многопроцессорной вычислительной техники, способной уже в ближайшем будущем обеспечить инженерный анализ корпуса судна в режиме реального времени.
Эффективная структуризация расчетных моделей обеспечивает, с одной стороны, распараллеливание вычислений (высокую производительность), а с другой — сокращение порядка и простоту описания задач, целостность, полноту и комплексность расчетных исследований. Новые концептуальные подходы к построению информационных систем связываются с определением всего комплекса задач: с подготовкой данных, структуризацией системы разрешающих уравнений, расчетным анализом корпусной конструкции и процессом ее фрагментарной оптимизации. При этом расчетная модель корпуса (глобальная система разрешающих уравнений) может не строиться целиком. Важнейшим ресурсом процесса служит мультипроцессорный сервер с установленным на нем специализированным программным средством — генератором граничных условий[9, 10]. Субъекты системы могут обращаться к нему с запросами на построение преобразованных расчетных схем (ПРС) фрагментов корпусной конструкции. В практическом плане речь идет о стратификации, обобщении глобальной разрешающей системы без ее совокупного перестроения. ПРС объединяет лишь ограниченное число узлов приведения, конкретизирует локальные граничные условия, обеспечивает кратчайшее взаимодействие выделенных
Рис.5. Подструктура конструктивного узла с обобщенными граничными условиями:
1 — контурные узлы; 2 — расчетные узлы модели
Рис. 7. Анализируемый вариант экспресс- подкрепления корпуса транспортного рефрижератора (а. с.1088984 СССР, МКИВ63В9/04), получившего вмятину борта при выполнении швартовки в штормовых условиях: 1 — элементы жесткого контура; 2 — подкрепляющие струны; 3 — накладной лист; 4 — подложка
подструктур и процесс экономичного преобразования внешних нагрузок в реакции произвольно расположенных фрагментов корпуса. Целостность системного исследования при этом сохраняется [10]. Предлагаемый подход в корне меняет технологическую схему анализа (рис. 4), делает ее эффективнее по сравнению с традиционной схемой (см. рис. 2).
Методология построения подсистемы многовариантного инженерного анализа объединяет три базовых подхода.
Функциональный подход предполагает применение максимально эффективной структуризации глобальной модели корпуса. Она выполняется путем построения (генерации) конструкции корпуса, на основе которого применяются многочисленные прикладные методики расчетного анализа. Идея заключается в том, чтобы предварительно алгебраически уплотнить жесткости и нагрузки глобальной системы в отдельных (сохраняемых) узлах конечно-элементной сетки. Результатом уплотнения является передача свойств исключа-
Рис. 6. Расчетные области модели конструктивного узла
Рис. 8. Картина распределения напряжений Мизеса в районе подкреплений поврежденного участка бортового перекрытия
емой части системы на сохраняемую ее часть [11]. В рамках ПРС объединяются узлы приведения различного функционального назначения (табл. 1, рис. 5—8).
Последние подразделяются на контурные и расчетные. Расчетные узлы назначаются в местах непосредственного контроля реакций корпуса, в местах приложения изм
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.