Optimization approach for passenger ship structures using Finite Element Method

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Date
2015-06-08
Department
Major/Subject
Meritekniikka
Mcode
K3005
Degree programme
Konetekniikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
49 + 15
Series
Abstract
Modern passenger ships have introduced new structural challenges and lightweight solutions, which require accurate calculation methods in early design stages. This thesis presents a rational based design method for passenger ship structures, which consists of three phases: response analysis, strength evaluation and structural optimization. Presented approach handles complex optimization problems flexible, with high accuracy and in reasonable time frame. It allows treating different structural mem-bers individually by selecting whether it is optimized and which constraints are evaluated. The response was analyzed by using 3D coarse mesh Finite Element (FE) model, where stiffened panels are modeled using equivalent shell elements, based on Equivalent Single Layer theory. Due to element layer-wise formulation it is possible to change panel scantlings directly from the material properties, without re-meshing the model. Primary stiffeners are modeled with offset beam elements. The load and strength was calculated using DNV classification society rules. Local strength problems were identified and left out from the strength evaluation. Optimization was carried out using Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm and the optimization process was incorporated into a Matlab-code. The method was applied for two case studies: a box-like ship and a RoPax vessel, while objective was to reduce steel weight. Optimized parameters were plate thick-ness, stiffener size and spacing. T-girders were optimized in the box ship, but were left out from RoPax ship case. In both case studies the mass saving from evaluated areas was significant, 28 % in box ship and 11.4 % in RoPax vessel. Also the load carrying mechanism of RoPax vessel changed. Scantlings of decks and side shell were reduced and longitudinal bulkheads and T-girders became more effective. The approach can be extended by including additional objective functions e.g. center of gravity and cost. T-girders of passenger ship are usually designed according to vibration limits, which could be included as an additional constraint. Future work can be also carried out by including additional loading conditions.

Nykyaikaiset matkustajalaivat tuovat mukanaan uusia rakenteellisia haasteita sekä kevytrakenteita, jotka vaativat tarkkoja laskentamenetelmiä aikaisissa suunnittelu-vaiheissa. Tämän työn tarkoituksena on esitellä rationaalinen suunnittelumenetelmä monimutkaisille matkustajalaivan rakenteille. Se koostuu vasteen laskennasta, lujuuden arvioimisesta sekä rakenteellisesta optimoinnista. Menetelmä käsittelee monimutkaiset optimointiongelmat joustavasti, tarkasti sekä järkevässä aikamääreessä. Se sallii jokaisen rakenteellisen yksityiskohdan käsitte-lemisen erillään valitsemalla analysoidaanko rakenne sekä laskettavat kriteerit. Vaste lasketaan käyttäen harvan verkon 3D Elementtimenetelmää, jossa jäykistetyt paneelit mallinnetaan ekvivalenteilla kuorielementeillä, joka perustuu ekvivalenttiin kerrosteoriaan. Elementti noudattaa kerrosmaista rakennetta, jonka avulla paneelin ainevahvuutta on mahdollista muokata suoraan elementin materiaalin määritelmän kautta ilman uutta verkotusta. Levykentän ensisijaiset jäykistäjät mallinnetaan offset-palkkielementein. Kuorman ja lujuuden laskennassa käytettiin DNV luokituslaitoksen sääntöjä. Paikalliset jännityskeskittymät tunnistettiin ja poistettiin lujuuden laskennasta. Optimointi suoritettiin käyttäen Parveilualgoritmia ja menetelmän osat yhdistettiin Matlab-ympäristössä yhdeksi kokonaisuudeksi. Menetelmää hyödynnettiin kahden rakenteen, laatikkomaisen laivan sekä auto-matkustajalautan optimointiin. Molempien rakenteiden optimoinnin tavoitteena oli pienentää rakenteellista massaa. Muuttujiksi valittiin levynpaksuudet, jäykisteiden tyyppi ja jäykistejako, lisäksi laatikkomaisen laivan muuttujina olivat ensisijaiset jäykistäjät. Merkittävä painonsäästö saavutettiin molemmille rakenteille: 28 % laa-tikkolaivalle sekä 11,4 % auto-matkustajalautan optimoiduille alueille. Lisäksi auto-matkustajalautan kuormankantomekanismi muuttui. Kansien ja laidoituksen aine-vahvuudet pienenivät kun pitkittäislaipiot sekä ensisijaiset levykentän jäykistäjät kantoivat enemmän kuormaa. Menetelmää voidaan laajentaa ottamaan huomioon useampia tavoitefunktioita kuten painopiste ja kustannukset. Ensisijaisten jäykistäjien mitoitus matkustajalaivoissa tapahtuu usein värähtely-rajoitteiden mukaan, joka olisi houkutteleva lisä menetelmään. Lisäksi useampia kuormitustapauksia on mahdollista sisällyttää.
Description
Supervisor
Remes, Heikki
Thesis advisor
Romanoff, Jani
Avi, Eero
Keywords
optimization, finite element method, passenger ship, ship structures, local strength problems
Other note
Citation