Title Metodologija konceptualnog projektiranja brodskih konstrukcija s interakcijom trup-nadgrađe Title (english) Decision support methodology for concept design of the ship structures with hull-superstructure interaction Author Jerolim Andrić Mentor Vedran Žanić (mentor)Committee member Izvor Grubišić (predsjednik povjerenstva)Committee member Vedran Žanić (član povjerenstva)Committee member Dragutin Ščap (član povjerenstva)Committee member Vedran Slapničar (član povjerenstva)Committee member Albert Zamarin (član povjerenstva)Granter University of Zagreb Defense date and country 2007-05-03, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 629.5 - Watercraft engineering Abstract Ro-Pax i putnički brodovi identificirani su kao perspektivni tipovi brodova, na kojima bi se u budućnosti mogao temeljiti veći dio proizvodnog programa hrvatskih brodogradilišta. Takve brodova karakterizira složena strukturna interakcija trupa i nadgrađa koja može značajno utjecati na razmatrane projektne atribute (težinu, cijenu, sigurnost, itd.). Kroz ovaj rad predložena je znanstveno utemeljena i praktično primjenjiva procedura projektiranja takvih konstrukcija u konceptualnoj fazi. Predstavljene su strukturne specifičnosti razmatranih konstrukcija te su razmotrene karakteristike i fizikalna pozadina strukturne interakcije trup-nadgrađe. Istaknuti su parametri koji utječu na interakciju te je kvalitativno razmotren utjecaj svakog od njih. Dan je pregled analitičkih i numeričkih metoda koji razmatraju problem kao i detaljan pregled svih relevantnih (autoru dostupnih) radova s tog područja. \Napravljen je metodološki pomak u pristupu problemu interakcije trup-nadgrađe. Identificiran je projektni problem te su dane osnovne značajke njegovih komponenti (cilj, varijable i ograničenja). Predložena metodologija podijeljena je u dva osnovna bloka: topološko istraživanje projektnog prostora i strukturna optimizacija odabranih varijanti. Definirane su sve komponente projektnog modela: strukturni model, model opterećenja, proračun odziva, podobnostni model i optimizacijski model. Predložen je i razrađen koncept projektno orijentiranih, pojednostavljenih generičkih 3D MKE strukturnih modela koji daju dovoljnu točnost na razini primarnog odziva. Razmatrani su mogući načini modeliranja s posebnim naglaskom na velike bočne otvore. Dane su usporedbe u točnosti (na bazi pomaka) modeliranja bočnih otvora za nekoliko različitih metoda. Predložen je model opterećenja koji je temeljen na kvazistatičkom principu ekvivalentnog vala te su ukratko predstavljene mogućnosti točnijeg modeliranja valnih opterećenja, a posebno procjena veličine vertikalnog valnog momenta savijanja trupa. Razmatrane su mogućnosti proračuna granične čvrstoće trupa kao potencijalnog projektnog atributa sa stanovišta globalne sigurnosti. Razvijeni pristup je temeljen na modificiranoj Smithovoj metodi te su rezultati uspoređivani sa sličnim metodama i nelinearnim MKE proračunom provedenim na konstrukciji putničkog broda u sklopu ISSC 2006. Istraživan je i redoslijed kolapsa paluba i utjecaj topologije na vrijednost graničnog momenta savijanja trupa. Predložena je metodologija za identifikaciju i istraživanje topoloških parametara koji bitno utječu na interakciju trup-nadgrađe. Metodologija je temeljena na teoriji eksperimenata (frakcionirani pokusi, ortogonalna polja, Taguchijev pristup i S\N omjer), brzom generiranju odziva raznih strukturnih varijanti korištenjem predloženih generičkih MKE modela i statističkoj obradi rezultata (F-test, ANOVA,..). U iterativnom postupku omogućena je brza identifikacija dominantnih parametara te pronalaženje vrijednosti pojedinog parametra koja maksimizira ili minimizira vrijednost promatranog projektnog atributa. Razmatrane su mogućnosti provođenja strukturne optimizacije korištenjem nekoliko različitih optimizacijskih algoritama. Razvijena je optimizacijska procedura za globalnu preraspodjelu materijala u poprečnom presjeku (temeljena na SLP) te dvije metode koordinacije lokalnog-globalnog optimizacijskog problema. Izložene su teorijske osnove algoritma te je izvršena nadogradnja projektnog sustava OCTOPUS. Osnove ostalih optimizacijski algoritama, evolucijskih strategija temeljenih na teoriji eksperimenata (FFE) i genetičkih algoritama (MOGA), također su predstavljeni kao i princip hibridnog optimizacijskog postupka. Karakteristike algoritama i njihova primjenjivost na razmatrani problem na kraju su sumirane. Testiranje razvijenih projektnih modula i metodologija obuhvatilo je: (1) usporedbu točnosti odziva (primarnih naprezanja) 3D MKE generičkog i MKE modela cijelog broda na dva realna primjera; (2) istraživanje utjecaja topologije na odziv konstrukcije putničkog broda; (3) strukturnu optimizaciju nekoliko odabranih topoloških varijanti konstrukcije putničkog broda kao nastavak istraživanja pod (2). Na kraju, predstavljeni su zaključci, istaknuti znanstveni doprinosi te prijedlozi za daljnja istraživanja.
Abstract (english) Ro-Pax and passenger ships are identified as perspective types of the vessels. Also, Croatian shipbuilding industry recognizes these type of ships as very interesting and demanding products that can become the basis of their market orientation. Hull-superstructure interaction is one of the dominant characteristics that can greatly influence design attributes (eg. weight, cost, safety) of those very complex structures. Methodology in the concept design phase for structural design of ships with the hullsuperstructure interaction is suggested through this dissertation. Physics of the hull-superstructure interaction is discussed and main parameters that are causing these phenomena are presented. Present structural characteristics, as well as, the future trends of the structural design of cruise ships are summarized. Review of all relevant analytical and numerical methods is given, along with extensive literature survey of the relevant references dealing with the problem. The methodological step forward was accomplished. The design philosophy was introduced before the analysis approach that was used as a common practice. Definition of the design problem and its main components (objectives, variables and constraints) is given. Suggested methodology consists of two main phases: (1) topology investigation of the design space and (2) scantlings optimization of the preferred variants obtained in the first phase. All modules of the design model (structural FE model, load model, response FE model, feasibility model and optimization model) are defined. Concept of the generic coarse mesh 3D FE models that can ensure accurate primary stress distributions and rapid generation of the topology different structural variants is developed. Special attention was given to the structural modelling of the large side openings on the coarse mesh level. Several methods using the equivalent stiffness principles are compared and evaluated. Load model based on the quasi-static wave approach is presented and calculation of the vertical wave bending moment is discussed. Hull girder longitudinal ultimate strength is identified as an important design attribute for the global safety. Developed simplified approach is based on the modification of the Smith method. Results are compared with the nonlinear FEM calculations of the simplified generic passenger ship structure (ISSC benchmark 2006). The collapse sequence of the sub-structures (eg. decks) composing a hull girder is investigated and the influence of the different topology variants on the ultimate hull girder vertical bending moment is discussed. The procedure for efficient investigation of the topology parameters that influence hullsuperstructure interaction is proposed. Procedure is based on the design experiments (fractional factorial experiments, orthogonal arrays, SN ratio, etc.), fast generation of the structural response using previously defined generic 3D FE models and statistic analysis (ANOVA, F-values, etc.). Using this procedure in the iterative way, the most dominant topology parameters are identified and the optimal level that maximizes or minimizes designs attribute value are determined. Strategy for performing efficient structural optimization using different optimization algorithms is considered. The optimization procedure for the global redistribution of the longitudinal material in the hull cross section (based on SLP) is further developed together with two methods for coordination of global-local optimization problem. Theoretical overview of the methods is given and integration in the design system OCTOPUS was successfully performed. The principle and characteristics of the other optimization algorithms: evolution strategy based on the design experiments and genetic algorithm are discussed. Test of the developed design modules and methodology are presented on the following examples: (1) comparison of structural response (primary stresses) of the generic 3D FE models and the full ship 3D FE model using two practical examples; (2) investigation of the optimal level of the topology parameters regarding preferred primary stress distributions; (3) structural optimization of the several preferred topology varia
Keywords
konceptualno projektiranje
brodska konstrukcija
strukturna interakcija trup-nadgrađe
putnički brodovi
teorija eksperimenata
metoda konačnih elemenata
strukturna optimizacija
Keywords (english)
concept design procedure
ship structure
hull-superstructure structural interaction
passenger and Ro-Pax ships
design experiment
ship structure topology
finite element method
structural optimization
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:235:054195 Study programme Title: Mechanical Engineering and Naval Architecture Type of resource Text File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Created on 2020-11-30 10:07:07
