microbik.ru
1 2 ... 4 5


На правах рукописи


ДАНИЛОВСКИЙ

Алексей Глебович
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ

ОБОСНОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

ПО СУДОВЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ УСТАНОВКАМ

Специальность: 05.08.05 – Судовые энергетические установки

и их элементы (главные и вспомогательные)
Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Санкт-Петербург

2010
Работа выполнена в ГОУВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре «Судовые энергетические установки, системы и оборудование».

Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Безюков Олег Константинович,
доктор технических наук, профессор Шадрин Александр Борисович,
доктор технических наук, старший научный сотрудник Кривуля Александр Анатольевич.

Ведущая организация: Военный учебно-научный центр ВМФ «Академия им. адмирала Н.Г. Кузнецова».

Защита состоится «11» октября 2010 г. в 14 часов на заседании

диссертационного совета Д212.228.03 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, дом 3, СПбГМТУ, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт- Петербургского государственного морского технического университета.


Автореферат разослан «__»______ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.228.03

доктор технических наук, профессор А.П. Сеньков

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Развитие отечественного судостроения должно базироваться на проведении широких исследований в направлении определения характеристик конкурентоспособных судов перспективной постройки, их энергетических установок и судового оборудования. Проведение таких исследований возможно только с привлечением комплексных систем автоматизированного проектирования, которые способны поднять качество проектных исследований на основе оценки системной эффективности принимаемых технических решений.

На всех этапах жизненного цикла судов и их энергетических установок обосновываются технические и технико-экономические решения, оказывающие влияние на их эффективность. В отечественной практике отсутствуют комплексные системы обоснования технических решений по судовой энергетике, базирующиеся на широком использовании информационных технологий и системного анализа. Значительный вклад в это направление в 70-х годах ХХ века сделали В.М. Пашин, В.С. Дорин, Н.В. Голубев, М.А. Радушинский, Ю.Н. Киреев, В.И. Николаев, А.Н. Гайкович, Ю.Н. Семенов, А.Н. Вашедченко, В.П. Шостак. Однако в связи с началом перестройки экономической формации финансирование перспективных работ прекратилось, а с ним и сами работы.

В настоящее время большинство предприятий водного транспорта и судостроительной отрасли приобретают у внешних производителей проекты грузовых судов с определенным уровнем готовности и дорабатывают эти проекты с применением систем автоматизированного проектирования типа TRYBON и CADMATIK, реализующих этапы рабочего и технологического проектирования. Вместе с тем наиболее важные, значимые технические решения по СЭУ, оказывающие определяющее влияние на эффективность судов, принимаются на более ранних этапах эскизного и технического проектирования. На мировом рынке отсутствуют САПР, реализующие эти этапы.

Наиболее значимые технические решения по СЭУ принимаются на начальных этапах проектирования. Одновременно начальные этапы проектирования наименее информативны. Погрешность определения глобальных критериев эффективности превосходит вклад любого технического решения по СЭУ в состав этих критериев. Это приводит к необходимости разработки и применения более информативных критериев для обоснования принимаемых технических решений.

СЭУ – сложная техническая система (СТС) – наиболее сложная подсистема СТС – транспортного судна. Её энергетические комплексы, механизмы, аппараты, устройства и системы имеют сложные связи со всеми подсистемами судна. Существующие методики обоснования технических решений по СЭУ базируются на применении либо чисто экономических критериев (приведенных затрат), либо иерархических моделей критериев эффективности, соединяющих с помощью коэффициентов веса в единый критерий разнородные показатели. Они не учитывают указанные системные связи.

Ещё одно важное направление проектирования СЭУ в настоящее время не охвачено вниманием исследователей. Это –оптимизация компоновок и расположений СЭУ. В начале 70-х годов были достигнуты значительные успехи в области типизации расположений и агрегатирования. В этом направлении успешно работали А.Л. Васильев, Г.В. Бавыкин, Б.А. Царев, З.Р. Шеннинг, Ф.М. Узяков, Н.М. Марков, работники ЦНИИ им акад. А.Н. Крылова, ЦКБ Изумруд и др. Однако эти работы также были прекращены по тем же причинам отсутствия финансирования. Вместе с тем качество расположений и компоновок энергетического оборудования – существенный фактор повышения эффективности не только СЭУ, но и судов в целом.

Указанное определяет актуальность проблемы, поставленной в диссертации, важность её решения для выбора объективно лучших технических решений по судовой энергетике.

Цель работы и задачи исследования. Целью исследования является создание современной методологии, методов и моделей оценки эффективности технических решений по СЭУ, принимаемых на начальных этапах проектирования грузовых судов.

Для достижения цели работы должны быть решены следующие задачи:

– установить принципы основания технических решений по судовым энергетическим установкам и их комплектующему оборудованию на ранних этапах проектирования судов при наличии значительной неопределенности исходных данных;

– разработать метод обоснования технических решений по судовым энергетическим установкам адекватный этапу решения проектной задачи и обеспечивающий выбор объективно лучших технических решений, оптимизирующих судно;

– разработать метод автоматизированного проектирования расположения энергетического и общесудового оборудования, намеченного для размещения в МКО;

– разработать методику обоснования технических решений по СЭУ, адекватную этапам проектирования;

– разработать основы создания САПР СЭУ, как комплекса согласованных моделей и программ, связанных по управлению и информации между собой, а также с программными комплексами более высокого иерархического уровня – САПР судна;

– разработать структуры САПР начальных этапов проектирования СЭУ;

– разработать математические модели объектов проектирования – энергетических комплексов и оборудования в составе СЭУ. Все оборудование СЭУ является стандартным и выбирается из типоразмерных рядов по определенным закономерностям. Отражение этих закономерностей в виде алгоритмов проектирования и составляют означенные выше модели;

– разработать модели анализа устойчивости оптимальных решений к изменениям конъюнктуры рынка и условий использования судов;

– разработать информационные базы (ИБД) данных главного, основного и вспомогательного оборудования СЭУ, типовых конструктивных и тепловых схем, схем энергетических систем, компоновок и расположений оборудования в МКО;

– выполнить примеры исследования значимости факторов, влияющих на выбор оптимальных технических решений по СЭУ и устойчивость результатов оптимизации к изменению конъюнктуры рынка и условий использования судна;

– разработать методики проведения оптимизационных исследований с использованием системного анализа СЭУ, систем автоматизированного проектирования и баз данных.

Объект исследования. Объектом исследования являются судовая энергетическая установка, составляющие её энергетические комплексы и оборудование на начальных этапах проектирования грузовых судов.

Предмет исследования СЭУ как сложная техническая система, системные связи и влияния в сложной технической системе грузовое судно – СЭУ – энергетическое оборудование и отражение этих связей в виде методологии, методов, моделей и алгоритмов обоснования технических и технико-экономических решений по СЭУ.

Научная новизна. В диссертации проведено исследование, обобщение и развитие методологии принятия решений на начальных этапах проектирования энергетических установок грузовых судов:

– обоснована методология принятия решений при проектировании СЭУ, включающая анализ влияния решений по СЭУ на прибыль грузового судна с помощью согласованных критериев эффективности и анализ устойчивости оптимальных решений при изменении конъюнктуры рынка и условий использования судна;

– разработано методическое обеспечение оценки эффективности технических решений по СЭУ, включающее в себя создание моделей глобальных, локальных и согласованных критериев эффективности, определения поправок на изменение системно-важных параметров;

– разработаны подсистемы автоматизированного проектирования СЭУ, реализующие два начальных этапа – эскизного (САПР Э) и технического (САПР Т) проектирования СЭУ, обеспечивающие детальную разработку вариантов, принятых за базу, проверку работоспособности сравниваемых вариантов и определение изменений системно-важных параметров вариантов, альтернативных базовому;

– создана система технико-экономического обоснования проектных решений по СЭУ, разработан метод, методическое и математическое обеспечения, модели и программные пакеты сравнения вариантов технических решений по СЭУ на этапах эскизного и технического проектирования;

– создана автоматизированная база данных характеристик выполненных проектов судов, комплектующего оборудования СЭУ, типовых расположений и компоновок оборудования СЭУ в МКО;

– разработан метод автоматизированного проектирования расположений СЭУ в МКО грузовых судов, обеспечивающий с высоким быстродействием генерацию вариантов расположений, пригодных для автоматического анализа допустимости и других связанных работ;

– созданы модели анализа допустимости вариантов расположений и компоновок оборудования, автоматизированного редактирования расположений, автоматической трассировки трубопроводов и кабельных трасс, определения сухой, рабочей и полной массы энергетических связей СЭУ, затрат энергии на их функционирование, анализа весовой нагрузки МКО;

– разработаны метод и модели анализа эффективности вариантов расположений и компоновок СЭУ.

Методы исследования и достоверность результатов. Исследования проводились с применением методов системного анализа, математической статистики, теории вероятности, теории алгоритмов, теории баз данных, компьютерных технологий, языков программирования (Фортран, Паскаль), графических систем (Autocad, Компас-9), системы визуального проектирования (Delfi-8), корреляционного и регрессионного анализа, аппроксимации методом наименьших квадратов, наибольшего правдоподобия, статистической обработки данных. Полученные результаты исследования тестировались по результатам выполненных ранее проектов. Применяемый метод согласованной системной оптимизации позволяет получить объективно наиболее достоверные результаты в заданных условиях. Колебания экономической конъюнктуры компенсируются анализом устойчивости оптимальных решений.

Практическая значимость работы и реализация. Практическая значимость работы заключается в создании и отработке комплекса средств обоснования оптимальных технических решений по СЭУ на начальных этапах проектирования и проведения исследований, а также для оценки технических решений, принятых в проектах, приобретаемых за рубежом.

В процессе выполнения диссертационной работы созданы алгоритмические, методические и программные средства, в том числе подсистемы САПР эскизного и технического проектирования СЭУ, которые используются в учебном процессе и научных исследованиях в ряде университетов, в практическом проектировании в проектных и исследовательских организациях водного транспорта и судостроительной отрасли.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы были представлены и одобрены на отечественных и международных конференциях и семинарах, в том числе многократно докладывались на конференциях с международным участием, проводимым в СПбГМТУ, на научно-технических конференциях, в том числе международных, проводимых в СПГУВК, ВМУ им. Дзержинского, ВМА им. адмирала Кузнецова, Балтийского университета им. Устинова.

Публикации. По теме диссертации опубликованы более 50 печатных работ, в том числе 7 статей в реферируемых журналах, включенных в перечень ВАК, 5 монографий, одна брошюра, 7 учебных пособий, в том числе 2 с грифом минвуза и УМО по кораблестроению и океанотехнике, более 30 статьи в сборниках трудов организаций судостроительной отрасли и водного транспорта, 5 свидетельств о регистрации программных комплексов.

На защиту выносятся:

Методология обоснования технических решений по СЭУ на начальных этапах проектирования транспортных судов;

Методики, алгоритмы и модели обоснования параметров выбора энергетических комплексов в составе СЭУ;

Модели, методики и алгоритмы выбора из типоразмерных рядов технически допустимых вариантов оборудования пропульсивных установок, судовых электростанций, вспомогательных котельных установок, опреснительных установок, оборудования систем СЭУ, трубопроводных элементов систем СЭУ;

Метод, методики, алгоритмы и модели согласованной системной оптимизации технических и технико-экономических решений по энергетическим комплексам и системам СЭУ;

Методики и модели анализа устойчивости оптимальных вариантов к изменению внешних факторов;

Методология разработки САПР СЭУ на этапах эскизного и технического проектирования;

САПР эскизного и технического проектирования СЭУ;

Методология разработки САПР и модели автоматизированного проектирования расположений СЭУ в МКО транспортных судов;

Комплекс моделей для оптимизации компоновки и расположения оборудования СЭУ в МКО транспортных судов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Общий объем 251 стр., в том числе 45 рисунков, 94 таблицы и список использованных источников из 142 наименований.
Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность проблемы, анализируется специфические особенности обоснования технических решений по судовой энергетике, в том числе низкая информативность начальных этапов, на которых принимаются технические решения по СЭУ, целочисленность решаемой задачи, большое количество факторов, требующих своего обоснования и невозможность решения задачи оптимизации СЭУ в целом с применением единой модели.

В первой главе выполнен обзор развития и анализ современного состояния исследования двух проблем:

а) методов обоснования технических решений по судовой энергетике на начальных этапах проектирования;

б) разработки систем автоматизированного проектирования судов и СЭУ как источников получения системной информации для определения значений критериев работоспособности и эффективности.

На основании выполненного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе изложена методология обоснования технических решений по судовой энергетике. Анализируются основные положения методики анализа эффективности СЭУ как сложной технической системы – подсистемы грузового транспортного судна. Рассматриваются критерии эффективности трех уровней – глобальные, локальные и согласованные.

Глобальный критерий эффективности – прибыль от работы судна по прямому назначению П = DРпmax, вследствие большой погрешности на начальных этапах проектирования судна, непригоден для обоснования технических решений по СЭУ.

Погрешность локального критерия эффективности – приращения полных расходов (приведенных затрат) по объекту проектирования по сравнению с базовым вариантом Рпij :

Рпij = Рпij Рпijб min

невысока, так как мы имеем полную информацию, как по альтернативному элементу, так и по базовому. Однако этот критерий не является объективным, так как не учитывает изменение системно-важных параметров объекта проектирования, способных привести к изменениям в других подсистемах судна и СЭУ, а также оказать прямое влияние на составляющие глобального критерия эффективности.

Информативным (одновременно объективным и достоверным) является согласованный критерий – сумма локального критерия Krлок и поправок на изменение системно-важных параметров – произведений частных производных глобального критерия на конечные приращения системно-важных параметров Pi:

max. (1)

Согласно исследованию В.М. Пашина, частные производные глобального критерия по системно-важным параметрам имеют постоянное значение в достаточно широком диапазоне изменения системных параметров и могут приниматься по данным базового варианта. Системными параметрами СЭУ и её комплектующего оборудования являются: полная масса, габаритные характеристики, затраты мощности на собственные нужды, энергетическая эффективность, эксплуатационная надежность. Кроме этого для отдельных элементов СЭУ выделяются специфические системно-важные параметры. Например, для таких элементов как главные судовые двигатели важными факторами являются энергия вторичных энергоносителей – выхлопных газов, продувочного воздуха, пресной воды и циркуляционного масла, а также связи с оборудованием энергетических систем, вспомогательной котельной установки, судовой электростанции и опреснительной установки. Для любого оборудования влияние его технических и системных параметров на величину глобального критерия эффективности реализуются через изменения трех составляющих: полных (приведенных) затрат Рп, влияющих на расходы, полной массы Gп и размеров МКО, способных оказать влияние на доходы от эксплуатации судна.

Увеличение прибыли от перевозки полной массы оборудования Gп (суммы рабочей массы оборудования Gi и массы запасов рабочих тел на работу оборудования в течение рейса Gт) по сравнению с базовым вариантом DGоб:

DGоб = ( Gпб Gп) = kG (D Gр–1)б ( Gпб Gп), (2)

где kG – коэффициент, учитывающий возможность использования дополнительной грузоподъемности.

Габаритные характеристики относятся к системно важным для таких элементов СЭУ как агрегаты главных двигателей, дизель-генераторные агрегаты и валогенераторы. Эти элементы, в случае их расположения последовательно по длине МКО, могут оказать влияние на длину последнего L, что способно привести к увеличению грузовых отсеков, увеличить грузовместимость судна и повлиять на объем прибыли:

DLоб = ( Lб L) = kL(D Lгр–1)б ( Lб L), (3)

где kL – коэффициент использования изменения длины МКО для перевозки дополнительного груза.

Эксплуатационная надежность способна оказать влияние на величину критериев эффективности только одной из своих составляющих – долговечностью, характеристика которой – назначенный ресурс Тр непосредственно используется при установлении нормативов отчислений на амортизацию и входит в выражение для приведенных затрат. Показатели безотказности и ремонтопригодности могут не учитываться ввиду резервирования оборудования СЭУ, а также соотношения математических ожиданий среднего времени безотказной работы Tср бор и восстановления Tср вос : Tср бор>> Tср вос.

В соответствии с рассмотренной выше методикой разработано программное обеспечение, предназначенное для определения составляющих критериев эффективности в процессе обоснования проектных решений по СЭУ. Модели анализа сформированы в пакет прикладных программ, к которому обращаются модели проектирования для определения значений показателей эффективности технических решений по СЭУ. Сравнение альтернативных вариантов технических решений производится с использованием моделей технико-экономического анализа, специфичных для каждого типа анализируемых технических решений. Эти модели зарегистрированы Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Выполненный анализ особенностей проектирования СЭУ, оказывающих влияние на выбор метода отыскания оптимального решения, привел к необходимости применения метода перебора альтернативных вариантов с предварительным их отбором на основе анализа совокупности показателей качества и существующего опыта проектирования.

Выбор комплектующего оборудования и других технических решений, оптимизирующих показатели эффективности судна, производится при определенном сочетании влияющих факторов. Эти факторы могут изменяться в связи с изменением условий погоды, времени года, уровня солнечной радиации, коррозии, обрастания и проведением очистки корпуса, конъюнктуры рынка от случайных колебаний и дрейфа параметров. В связи с тем, что оптимизация ведется на одни параметры, а фактическая работа будет происходить при других, справедлива постановка вопроса: а сохранятся ли выводы об оптимальности принятых решений в новых условиях?

В случае, если влияющие параметры являются стохастическими величинами, возможно применение в анализе эффективности вероятностных оценок их математического ожидания. Это относится, например, к параметрам рейсов. Достаточные условия применения математических ожиданий в качестве оценки достоверного значения стохастической величины – наличие повторяемости и линейная зависимость критерия эффективности от вероятностных факторов или их произведений в первой степени.

Какие характеристики могут иметь отклонения от среднего и не обладать повторяемостью. Это многие характеристики, определяемые при проектировании однократно, и потом при постройке объекта также однократно реализующиеся. К таким параметрам относятся, например, характеристики первоначальной стоимости.

Анализируя структуру переменных зависимостей критериев эффективности, можно сделать вывод о необходимости проведения исследования устойчивости выводов об оптимальности вариантов комплектования энергетических комплексов в составе СЭУ при направленном варьировании переменных представленных в табл. 1.

Таблица 1

Диапазоны варьирования переменных

Коэффициенты изменения

Обозначение

Диапазоны

kmin

kmax

Цены на топливо ГД, ВКУ

kт ГД

1

1,4

Цены на топливо ДГ

kт ДГ

1

2,2

Стоимости:

главных двигателей

дизель-генераторов

вспомогательных котлов

опреснительных установок


kК ГД

kК ДГ

kК ВК

kК ОПР


1

1

1

1


2,2

2,4

2,3

1,7

Ставка за пользование капиталом


K


0,3


1





следующая страница >>