Объектом исследования является крышка люкового закрытия сухогрузного судна, служащая для обеспечения непроницаемости грузовых помещений и перевозки на ней грузов и обеспечивающая безопасность сухогрузных судов и осуществляемой на них морской перевозки грузов. Большая материалоемкость крышек снижает экономическую эффективность судна, ведет к необходимости использования мощных и массогабаритных средств подъема крышек (для съемных люковых закрытий), либо поворота и передвижения крышек (для шарнирно-откидных закрытий). Целью статьи является существенное снижение материалоемкости крышек люкового закрытия за счет рационального выбора их материала и конструктивного оформления при одновременном обеспечении требуемого уровня их надежности. Параметрическая оптимизация традиционной стальной крышки люкового закрытия сухогрузного судна проекта RSD59 может привести к снижению ее массы не более чем на 15-17. Поэтому для достижения цели работы решается задача оптимизации конструкции алюминиевой крышки на основе комплексного подхода, состоящего в последовательном использовании топологических и параметрических оптимизационных методов и выполнении на последней стадии работы снижения уровня концентрации напряжений путем оптимизации формы узлов крышки. При этом на стадии выбора конструктивно-силовой схемы крышки применяются приёмы топологической оптимизации, на стадии выбора толщин и параметров силовых элементов способы параметрической оптимизации, а на стадии конструктивно-технологического оформления узлов методы оптимизации формы. Выполненные расчетные исследования привели к следующим основным результатам: к выявлению прогрессивных конструктивно-силовых схем и конструктивно-технологических решений, обеспечивающих значительное снижению массы крышек люковых закрытий при умеренных затратах на их изготовление к высоким оценкам эффективности использования современных алюминиевых сплавов для изготовления люковых закрытий, способствующим существенному снижению их материалоемкости (примерно двукратному и более по сравнению с использованием стали), улучшению условий их функционирования и проведения погрузочно-разгрузочных работ на сухогрузных судах к выводу об эффективности использования разработанных конструкторских решений для крышек люковых закрытий при создании перспективных сухогрузных судов.A bulk carrier hatch cover, which provides cargo compartments impermeability and cargo transportation on the cover, as well as safety of bulk carriers and sea cargo transportation in them, is studied. Cover high material consumption decreases vessel profitability, causes the necessity to use either powerful and mass-dimensional cover lifting devices (for removable hatch covers) or covers rotation and movement (for hinged covers). The purpose of this paper consists in considerable decrease of hatch cover material consumption through rational selection of covers material and design at provision of the required covers reliability level. Parametric optimization of a conventional steel cover of RSD59 project bulk carrier could result in cover mass decrease by more than 15 to 17. Therefore, to achieve the work purpose, a problem of aluminum cover structural optimization was solved based on a comprehensive approach that consisted in successive use of topologic and parametric optimization methods and decrease of the stress concentration level at the last step via cover assemblies shape optimization. At that topological optimization methods were applied at the stage of selecting cover structural arrangement parametric optimization methods were applied at the stage of selecting load-carrying elements thickness and parameters, and shape optimization methods were used at the stage of structural and technology design of assemblies. The performed calculation studies resulted in the following: revealing the advanced structural arrangements and design and technology solutions that provide considerable hatch covers mass decrease at reasonable costs for their manufacture high assessment of using advanced aluminum alloys for manufacturing hatch covers that promote considerable decrease of their material consumption (approximately up to twofold or greater in comparison with steel), improving conditions of cover functioning and handling operation in bulk carriers conclusion on effectiveness of using developed design solutions for hatch covers when creating prospective bulk carriers.
Coupled topology and shape optimization using an embedding domain discretization method
