Концепция подсистемы инженерного анализа для информационной системы управления доковыми операциями

УДК 624.042: 629.5.024

КОНЦЕПЦИЯ ПОДСИСТЕМЫ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДОКОВЫМИ

ОПЕРАЦИЯМИ

В. И. Сутырин

THE CONCEPT OF AN ENGINEERING ANALYSIS SUBSYSTEM FOR THE DOCK OPERATIONS MANAGEMENT INFORMATION SYSTEM

V. I. Sutyrin

В статье рассматриваются базовые принципы построения и алгоритмические особенности информационной подсистемы инженерного анализа, предназначенной для принятия решений при управлении доковыми операциями. Объектом анализа служит механическая система, объединяющая конструкции корпуса судна и дока, взаимодействующие через доковые опорные устройства (ДОУ). С целью моделирования большой системы используется метод конечных элементов. Структуризация задачи выполняется путем построения (генерации) преобразованных расчетных схем (ПРС) взаимодействующих конструкций. При этом матрицы жесткости и нагрузки глобальной модели приводятся к отдельным узлам ее конечно-элементной сетки. Результат указанной операции отображает жесткостные свойства и нагрузки исключаемой части исходной системы большого порядка на сравнительно небольшие сохраняемые ее части, чем обеспечиваются необходимая точность и оперативность определения реакций системы на внешние воздействия.

система «судно-опорные устройства-док», доковые операции, информационная система, инженерный анализ, управление, метод конечных элементов, метод структуризации

The article discusses basic principles of construction and algorithmic features of the information subsystem of engineering analysis, designed for decision-making in the dock operations management. The object of the analysis is a mechanical system that combines the structure of the ship hull and the dock, interacting through the dock cribbing (DC). The finite element method is used to model a large system. Partitioning of the problem is performed by constructing (generating) of transformed structural designs (TSD) of the interacting structures. In this case, the stiffness and load matrices of the global model are reduced to individual nodes of its finite element grid. The result of these operations displays stiffness properties and loads of the excluded part of the original system of large order for its relatively small parts, which provides the necessary accuracy and efficiency of determining the reactions of the system to external influences.

«ship-support devices-dock» system, dock operations, information system, engineering analysis, management, finite element method, partitioning method

ВВЕДЕНИЕ

Постановка судна в плавучий док предусматривает выполнение ряда ответственных технологических операций, требующих инженерного анализа и эффективного управления. Программный комплекс, обеспечивающий рекомендации для принятия решений при доковании судов, объединяет набор функциональных модулей (подсистем), интегрированных в бортовую информационную систему (ИС). В целях комплексной информационной поддержки инженерный анализ должен выполняться как на этапе технологической подготовки доковых операций, так и в процессе докования судна для того, чтобы предотвратить возможные опасные состояния взаимодействующих конструкций судна и дока.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Подсистема инженерного анализа включает два программных модуля (рис. 1).

1. Модуль технологической подготовки ориентирован на формирование и анализ пространственной (3-0) геометрической и конечно-элементной моделей системы «судно-док». Он позволяет производить необходимые проверочные расчеты и рекомендовать оптимальную схему докования. При помощи указанного модуля вычисляются характеристики плавучести и остойчивости судна, определяются реакции и оценивается прочность опорных устройств, а также прочность и устойчивость корпусных конструкций судна и дока при различных схемах балластировки. При этом учитывается ряд дополнительных условий и требований, связанных, например, с постановкой в док судна предельных размерений (в том числе со свесом оконечностей), одновременно двух судов, с наличием повреждений корпуса, с выполнением в процессе ремонта демонтажа обшивки и несущих связей ремонтируемого судна и др. Важной функцией модуля является предварительная подготовка преобразованных расчетных схем конструкций для их оперативного использования на этапе контроля докования. Преобразования выполняются с применением многопроцессорной вычислительной техники, обеспечивающей требуемую производительность многофакторного расчетного исследования дока, судна и опорных конструкций.

2. Модуль контроля над выполнением доковых операций использует результаты работы модуля 1 и преобразует потоки данных, поступающие от датчиков измерительной системы дока. Измеряются угловые и линейные перемещения конструкции дока, реакции в узлах опирания докуемого судна, а также уровни заполнения балластных цистерн, необходимые для определения внешней нагрузки. Результатом преобразований является динамичная картина изменения характеристик плавучести, остойчивости, НДС и коэффициентов запаса прочности (устойчивости) конструкций.

Модуль контроля функционирует непосредственно в составе бортовой ИС. Он используется для предупреждения оператора о возможном наступлении опасного (аварийного) состояния и определения оптимального технологического варианта его предотвращения. Поэтому важнейшие требования к построению и функционированию модуля связываются с адаптивностью, полнотой, достаточной точностью и высокой оперативностью инженерного анализа. Итогом работы по созданию информационной подсистемы должны стать наглядные и максимально

полные компьютерные отображения особенностей поведения и реакций конструкций в реальном режиме времени докования.

Для достижения обозначенной цели показатели эффективности метода конечных элементов (МКЭ), положенного в основу информационной подсистемы, должны быть увеличены на порядки. Получение желаемого результата в рамках традиционной расчетной схемы МКЭ оказывается весьма проблематичным вследствие исключительно большого порядка разрешающей системы уравнений. Для решения задач ИС необходимо максимально мобилизовать резервы эффективности вычислений МКЭ на основе многопроцессорной вычислительной техники. Предлагаемая автором методология построения подсистемы инженерного анализа предусматривает, с одной стороны, распараллеливание алгоритма решения системы разрешающих уравнений, а с другой, - максимально глубокую структуризацию расчетных моделей судна и дока. Достигаемые при этом показатели эффективности расчетного анализа конструкций оказываются достаточными для того, чтобы обеспечить информационные потребности бортовой ИС принятия решений с требуемой полнотой.

Характеристики судна, дока и опорных устройств Особые требования и условия (дефектовочные _ведомости и др.)_

Данные измерительной системы

о перемещениях (реакциях) опорных устройств, о заполнении балластных цистерн

Модуль выработки решений

при технологической

подготовке докования

Формирование расчетной

модели системы

"судно-док"

Преобразования ПРС

расчетных схем

Оптимизация

технологических

операции

Модуль контроля и выработки решений при доковании

Оценка коэффициента запаса системы по прочности и устойчивости

Предупреждения об опасных состояниях

Рекомендации оператору

Технологические решения

Рис. 1. Функциональное назначение модулей подсистемы инженерного анализа Fig. 1. Functional area of the engineering analysis subsystem modules

Структуризация задачи выполняется модулем 1 путем построения (генерации) преобразованных расчетных схем (ПРС) взаимодействующих конструкций [1, 2]. Идея заключается в том, чтобы предварительно привести жесткости и нагрузки глобальной модели (рассчитываемой системы «судно-док») к отдельным узлам ее конечно-элементной сетки. Результат указанной операции сводится к отображению жесткостных свойств и нагрузок исключаемой части исходной системы на сохраняемую (сравнительно небольшую) ее часть. Для максимального использования преимуществ подобного отображения предлагаются три подхода к инженерному анализу.

1-й (функциональный подход) состоит в объединении в рамках ПРС узлов приведения (расчетных узлов, далее РУ) определенного функционального назначения (ПРС I и II, таблица). РУ выбираются так, чтобы ввести в расчет равнодействующие гидростатических нагрузок, а также отследить с необходимой точностью реакции корпусов на доковые операции. Отображение жесткости и нагрузок конструкции (исключаемой из рассмотрения области Q) на ее расчетные узлы (сохраняемой области 5) производится путем выполнения следующих вычислительных операций:

Подсистемы РУ выстраиваются в рамках пространственных моделей судна, дока, опорных устройств и стыкуются затем в общую разрешающую систему сравнительно небольшого порядка:

Ее решение позволяет определить перемещения РУ. Обратное отображение найденных перемещений 8 на область Q выполняется на основе следующего матрично-векторного равенства:

{qn}= Rix^PQ-Rix^RQeiqs}.

Равенство (3) используется модулем 2 в случае, когда перемещения РУ определены средствами измерительной системы дока. От узловых перемещений {qs} расчетной модели можно перейти к внутренним усилиям (напряжениям {an}) в конечных элементах Q. Особенности подобного перехода известны [3].

2-й (объектно-ориентированный) подход обеспечивает сохранение в процессе редукции исходной (глобальной) системы густой конечно-элементной сетки локальных компонентов (конструктивных модулей) корпуса (ПРС III, таблица), что позволяет анализировать их вне (но с учетом влияния) глобальной системы. В этом случае предварительный расчет также выполняется с использованием равенств (1-3) с той лишь разницей, что он распространяется не к области РУ 8, а к назначенной группе узлов локальной сетки КЭ (области Е,). С ПРС конструкций связываются уточненные граничные условия для локализованных областей, методы их расчетного анализа (прочности, устойчивости, в том числе с учетом нелинейности работы материала), а также возможности параллельного (многопроцессорного) обслуживания запросов 1-го модуля ИС на построение ПРС.

3-й (функционально-объектный) подход к расчетному анализу предусматривает объединение (композицию) 1 -го и 2-го подходов (ПРС IV, таблица). При его применении обеспечивается взаимосвязь построенных подструктур с последующим отображением обобщенной деформационной картины поведения взаимодействующих корпусов на локализованные фрагменты и изучение их реакций с необходимой степенью подробности. Подобное исследование может выполняться средствами бортовой вычислительной системы, поскольку оно не связано с необходимостью совокупного анализа исходных моделей взаимодействующих конструкций.

Функционально-объектный подход предусматривает возможность предварительного накопления в базе данных разнообразных подструктур с различными вариантами нагрузки. Формируемые подструктуры отслеживают взаимосвязи конструктивных элементов в системе, причинно-следственные влияния одних элементов (особенностей) на другие. С их помощью обеспечиваются простота описания, комплексность, оперативность и полнота анализа сложного объекта.

Если перемещения РУ кильблоков отслеживаются датчиками измерительной системы дока, то их показания преобразуются ИС сначала в опорные реакции (с этой целью обобщенная матрица жесткости РУ кильблоков умножается на вектор их относительных вертикальных перемещений), а затем, уже с использованием ПРС судна и дока, в требуемые характеристики НДС конструкций.

Таким образом, расчетная информация, вырабатываемая ИС, дополняет информацию, полученную от датчиков измерительной системы, что особенно важно в связи с множественностью вариантов докования и необходимостью прогнозирования последствий выполнения технологических операций.

Таблица. Типовые преобразованные схемы в системе «судно-ДОУ-док» Table. Typical transformed circuits in the «ship-DC-dock» system_

1. Функциональный подход к построению ПРС

Подструктура расчетных узлов, назначенных в местах опирания корпуса на кильблоки

©

¡^ ¡^ Г^Г ^^ Г^Г Г^Г ^

Подструктура расчетных узлов конструкции дока, отслеживающая выталкивающие силы и реакции кильблоков

2. Объектно-ориентированный подход к построению ПРС

3. Функционально-объектный подход к построению ПРС

Подструктура произвольного конструктивного узла корпуса судна

Композиция РУ в системе «судно-ДОУ-док» с густой локальной сеткой для оценки влияния реакций опирания на НДС конструкций

В качестве примера на рис. 2 иллюстрируется каскад ПРС, позволивший осуществить эффективный расчетный контроль состояния корпусных конструкций судна и составного дока в процессе выполнения всего комплекса доковых операций [4, 5].

Рис. 2. Каскадное преобразование расчетных схем в системе «судно-ДОУ-док»: 1, 2 - расчетные узлы ДОУ; 3, 5- расчетные узлы, назначенные в местах приложения сил поддержания док-понтона и док-матки;

4 - расчетные узлы в местах контактного взаимодействия дока и док-матки Fig. 2. Cascade conversion of design schemes in the «ship-DC-dock» system: 1, 2 - DC calculated nodes; 3, 5 - calculated nodes assigned in the places of application of forces of maintenance of dock -pontoon and base dock; 4 - calculated nodes at the points of contact between the dock-pontoon and the base dock

Анализ осложнялся коррозионным износом обшивки корпуса дока, предопределившим отказ от симметрии его расчетной модели и более тщательный, чем обычно, контроль напряженно- деформированного состояния. Преобразованные расчетные схемы дока учитывали остаточные толщины конструкции, содержащиеся в актах дефектации, и объединяли для оперативного контроля дополнительные области возможных концентраций напряжений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты анализа показали, что использование целесообразных преобразований расчетных схем расширяет возможности существующих бортовых ИС по контролю и управлению доковыми операциями

Технология докования предполагает соблюдение ряда нормативных требований по плавучести и остойчивости судна. Для выработки решений в процессе докования требуется проведение интерактивного анализа характеристик плавуче -сти и остойчивости как судна, так и всей системы «судно-ДОУ-док». Указанный анализ необходимо осуществлять параллельно и во взаимосвязи с анализом жесткости, прочности и устойчивости конструкций. Необходимость подобного подхо-

да наглядно проявляется в случаях износов и повреждений корпуса судна, неблагоприятных погодных условий, а также при доковании транспортных судов без груза, имеющих, как правило, существенный дифферент на корму.

Объединение указанных видов анализа в составе двух функциональных модулей становится возможным на основе пространственного (3-0) моделирования системы. При этом междисциплинарный анализ может выполняться в рамках пошагово-итерационных вычислительных процедур, в которых связующими и взаимозависимыми данными являются жесткость и масса системы, топология (пространственное положение элементов), а также статические и динамические нагрузки.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Сапожников, А. И. Исходные и преобразованные схемы в практике расчета сложных пространственных конструкций / А. И. Сапожников, С. Ф. Горелов,

B. И. Сутырин // Прочность и надежность судов внутреннего и смешанного плавания (шестые «БУБНОВСКИЕ ЧТЕНИЯ»): науч.-техн. конф.: тез. докл. - Горький, 1982. - С. 29-30.

2. Сутырин, В. И. Методология конечно-элементного расчетного анализа судовых корпусных конструкций при их проектировании / В. И. Сутырин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - 2010. - № 2(81). - С. 171-178.

3. Зенкевич, О. К. Метод конечных элементов в технике / О. К. Зенкевич. -Москва: Мир, 1975. - 340 с.

4. Сутырин, В. И. Проектирование доковых опорных устройств с применением методов конденсации / В. И. Сутырин // Судостроение. - 1989. - № 10. -

C. 40-44.

5. Сутырин, В. И. Возможности повышения эффективности метода конечных элементов при проектировании корпусных конструкций / В. И. Сутырин // Судостроение. - 2003. - № 6. - С. 9-13

REFERENCES

1. Sapozhnikov A. I. Gorelov S. F., Sutyrin V. I. Iskhodnye i preobrazovannye skhemy v praktike rascheta slozhnyh prostranstvennyh konstrukciy [Original and transformed designs in calculating complex spatial structures]. Tez. dokl. k NTK «Prochnost' i nadezhnost' sudov vnutrennego i smeshannogo plavaniya» (shestye «Bubnovskie chteniya») [Abstracts to the Scientific and Technical Conference "Strength and reliability of vessels of internal and mixed navigation" (sixth "Bubnov readings")]. Gorky, 1982, pp. 29-30.

2. Sutyrin V. I. Metodologiya konechno-elementnogo raschetnogo analiza sudovyh korpusnyh konstrukciy pri ikh proektirovanii [Methodology of the finite element analysis of ship hull structures during their design]. Trudy Nizhegorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. R E. Alekseeva [Proc. of Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev]. Nizhnyy Novgorod, 2010, no. 2 (81), pp. 171-178.

3. Zenkevich O. K. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Finite element method in engineering]. Moskow, Mir Publ., 1975, 340 p.

4. Sutyrin V. I. Proektirovanie dokovykh opornykh ustroystv s primeneniem metodov kondensacii [Designing dock cribbing using condensation methods]. Sudostroenie, 1989, no. 10, pp. 40-44.

5. Sutyrin V. I. Vozmozhnosti povysheniya effektivnosti metoda konechnykh elementov pri proektirovanii korpusnykh konstrukciy [Possibilities of increasing the efficiency of the finite element method in the design of hull structures]. Sudostroenie, 2003, no. 6, pp. 9-13.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Сутырин Валерий Игоревич - Балтийский федеральный университет им. И. Канта; Инженерно- технический институт; доктор технических наук, профессор кафедры машиноведения и технических

систем; E-mail: vsutyrin@mail.ru

Sutyrin Valerii Igorevich - Emmanuel Kant Baltic Federal University; Institute of Engineering and Technology; Doctor of Engineering, Professor of the Department of Machine and Technical Systems; E-mail: vsutyrin@mail.ru.