Statement and solution the problem of designing of water-tight bulkheads web frames for large container vessels by using DNV-GL rules requirements and optimization techniques

Поперечные переборки крупнотоннажных контейнерных судов представляют собой сложные конструкции, при проектировании которых обычно используется методология проверочного расчета на основе метода конечных элементов (МКЭ). Для создания конечно-элементной модели необходимо знать размеры всех элементов конструкций, входящих в состав переборки. Поэтому такой подход к проектированию является итерационным, что обуславливает высокую трудоемкость процесса проектирования. На ранних стадиях проектирования размеры конструкций поперечных переборок контейнеровоза могут быть быстро и достаточно точно оценены на основе аппарата нелинейного программирования, относительно простой модели составной (конструктивно-ортотропной) пластины и нормативных требований Правил классификационных обществ. Такой подход применяется в Российской практике при проектировании двойных конструкций типа двойное дно или понтон плавучего дока. В статье предложено решение задачи проектирования рамного набора поперечной переборки крупнотоннажного контейнеровоза на нагрузки от контейнеров, действующие на переборку при качке судна. Конструкция переборки приводится к условной модели «коффердамного» типа. Затем используется методика приведения составной «конструктивно-ортотропной» пластины к изотропной пластине с несколько иным соотношением сторон, но с такими же параметрами изгиба. Это позволяет применить существующие табличные данные для определения расчетных изгибающих моментов и перерезывающих сил, которые после аппроксимации представляются в виде полиномов – аналитических зависимостей. Показана постановка оптимизационно-поисковой задачи математического программирования. Целевая функция – характеристика массы рамного набора. Ограничения задачи формируются на основе нормативных требований DNV-GL и математических зависимостей модели составной пластины. Для решения задачи используется инструмент MS Excel «Поиск решения» Представлены результаты тестового проектного расчета применительно к конструкции крупнотоннажного контейнеровоз с контейнерной вместимостью 18 тыс. TEU. Сопоставление результатов проектирования с оригинальными расчетами фирмы – проектанта показали удовлетворительное соответствие. The transverse bulkheads of the large container vessels are complex structures that are commonly designed using the finite element method (FEM) verification methodology. To create a finite element model, it is necessary to know the dimensions of all structural elements of the bulkhead. Therefore, this approach to design is iterative, which leads to a high complexity of the design process. At the early stages of design, the dimensions of the structures of the transverse bulkheads of a container vessel can be quickly and accurately estimated based on the nonlinear programming technique, a relatively simple model of a composite (structural-orthotropic) plate, and the regulatory requirements of the Rules of Classification Societies. This approach is used in practice in Russia when designing double structures such as a double bottom or pontoon of a floating dock. The article proposes a solution to the problem of the transverse bulkhead web frames designing in application to a large-tonnage container vessel for loads of containers acting on the bulkhead when the vessel is moving on the waves. The bulkhead structure is reduced to the conditional "cofferdam" type model. The technique is used to reduce a composite "structurally-orthotropic" plate to an isotropic one with a slightly different aspect ratio, but with the same bending parameters. This allows applying the existing tabular data to determine the design bending moments and shear forces, which, after approximation, are represented as polynomial analytical dependencies. The statement the optimization-search problem of mathematical programming is shown. The goal function is the characteristic of the bulkhead's webs mass. The constraints of the problem are formed on the DNV-GL regulatory requirements and mathematical relationships of the composite plate model. MS Excel tool "Solver" is used to solve the problem. The results of a test calculation are presented as applied to a large-capacity container ship with container capacity of 18000 TEU. Comparison of the design results with the original calculations of the designer’s company showed satisfactory agreement.