Computational Method for Evaluation of Hull Girder Strength in Concept Design Stage

Abstract

Laivan suunnittelussa rakennemuutoksien toteuttaminen sekä uusien rakennevaihtoehtojen analysointi on edullisinta suorittaa laivan rakenteiden alkusuunniteluvaiheessa. Tehokkaampia ja kehittyneempiä laskentaohjelmia kuitenkin tarvitaan jotta alkusuunnittelussa tutkittavien rakennevaihtoehtojen lukumäärää pystytään lisäämään.

Tässä työssä on kehitetty alkusuunnitteluvaiheen nopeaan analyysiin soveltuva rakennesuunnitteluohjelma. Suunnitteluohjelmalla voidaan analysoida epäprismaattisen 3D-laivamallin rakenteita sekä suorittaa automatisoitu rakennemittojen optimointi geneettistä algoritmiä käyttäen. Geneerisen suunnittelutyökalun kehittämisessä painopiste on olemassa olevien laskentamallien yhdistämisessä. Rakenneanalyysi muodostuu viidestä moduulista: geometriamalli, globaalin vasteen laskenta, kuormat, paikallislujuuden laskenta sekä optimointi.

Geometriamalli perusta on NAPA Steel malli, josta laivan rakenteet tuodaan automaattisesti suunnitteluohjelmaan. Globaalin vasteen nopeaan analysointiin konseptisuunnitteluvaiheessa käytetään Coupled beam menetelmää. Menetelmällä laskettuja normaali- ja leikkausjännityksiä on verrattu palkkiteorialla ja elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Eri rakennetasoilla vaikuttavat voimat on yhdistetty käyttäen superpositioperiaatetta ja rakenne-elementtien diskretointia. Paikallislujuusanalyysi on suoritettu erikseen rakenteen jokaiselle jäykistetylle levyelementille, sisältäen kymmenen kriteeriä rakenteen pettämiselle. Optimoinnin mahdollistamiseksi koko rakenne analyysi on automatisoitu, mukaan lukien globaalin vasteen laskenta jokaiselle uudelle rakennevaihtoehdolle.

Kaikki suunnitteluohjelman laskentamoduulit onnistuttiin liittämään saumattomasti toisiinsa ja automatisoitu rakenneoptimointi suoritettiin onnistuneesti. Optimoinnin tuloksena rakenteen teräspaino keveni yhdeksän prosenttia. Couple beam menetelmällä lasketun globaalin vasteen laskenta osoittautui tarkaksi ja luotettavaksi. Ennen kaikkea analyysin nopeus sekä mahdollisuus yhdistää coupled beam menetelmä optimointiin osoittivat menetelmän soveltuvan ominaisuuksiltaan täydellisesti rakenteiden alkusuunnitteluun.