Παραμετρική σχεδίαση και πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση-μελέτη πλοίου μεταφοράς Ε/Κ ελλειψοειδούς γάστρας

Abstract

Οι διεθνώς αυξανόμενες πιέσεις ανταγωνιστικότητας οδηγούν όλες τις βιομηχανίες σε συνεχή προσπάθεια μείωσης των χρόνων ανταπόκρισης, βελτίωσης των ισολογισμών εσόδων εξόδων και μείωσης του κεφαλαίου κίνησης καθώς πρέπει ταυτόχρονα να συμμορφώνονται με τους απαιτητικούς κανονισμούς προστασίας του περιβάλλοντος. Οι αποδοτικές και αποτελεσματικές μέθοδοι λήψης αποφάσεων αποτελούν πλέον σημαντικό παράγοντα στη διαχείριση χρόνου και χρήματος απαιτώντας την αυστηρή προσοχή των μηχανικών. Η βελτιστοποίηση είναι μια διαδικασία λήψης αποφάσεων όταν ένας μεγάλος αριθμός εναλλακτικών επιλογών είναι διαθέσιμος και η βέλτιστη λύση εξ αυτών πρέπει να προσδιοριστεί. Η μελέτη πλοίου είναι ένα τυπικό πρόβλημα βελτιστοποίησης, το οποίο συνεπάγεται πολλαπλές και συχνά αντικρουόμενους αντικειμενικούς στόχους και περιορισμούς. Στην πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση, η ανεύρεση της βέλτιστης συμβιβαστικής λύσης, σημαίνει τον ορισμό ενός μετώπου Pareto, η αλλιώς ενός συνόλου μη-κυριαρχούμενων λύσεων. Τα σύγχρονα συστήματα CAD/CAE επιτρέπουν την καθολική προσέγγιση της μελέτης, η οποία θέτει ως στόχο τη διερεύνηση πολλών, αν όχι όλων των πλευρών ενός προβλήματος βελτιστοποίησης συγχρόνως, σε αντίθεση με παραδοσιακές μεθόδους (Ελικοειδής καμπύλη μελέτης κατά Evans). Για την διερεύνηση και ανάπτυξη καινοτόμων λύσεων, ο σχεδιαστής χρειάζεται εργαλεία τα οποία δεν απαιτούν λεπτομερή ορισμό και επιτρέπουν την αναδιάταξη συνθέσεων και συστημάτων. Επικεντρώνοντας στην εξεταζόμενη περίπτωση, η συνολική αυτή προσέγγιση εφαρμόζεται σε μια πρωτότυπη ιδέα που αφορά σε πλοία μεταφοράς εμπορευματοκιβωτίων. Στο προκαταρκτικό στάδιο της μελέτης αυτής δημιουργείται ένα περιβάλλον CAE, στο οποίο προσομοιώνονται ταυτόχρονα πολλαπλά κριτήρια που έχουν περιθώρια βελτίωσης, για έναν ικανοποιητικό αριθμό εναλλακτικών σχεδιάσεων: Η γεωμετρία, το βάρος άφορτου πλοίου, το ωφέλιμο φορτίο, η χωρητικότητα, η ευστάθεια και η υδροδυναμική συμπεριφορά προσδιορίζονται μέσω κωδίκων υπολογιστικής προσομοίωσης. Παρουσιάζεται μια πλήρης προκαταρκτική έρευνα, όπου αναγνωρίζονται οι σύγχρονες ανάγκες, προτείνεται μια λύση και πραγματοποιείται μια πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση ούτως ώστε να επιτευχθεί ο στόχος. Αυτό που στην ουσία παρουσιάζεται δεν είναι μόνο μια καινοτόμα σχεδιαστική πρόταση αλλά και μια πρωτοποριακή μέθοδος ολιστικής διερεύνησης της μελέτης πλοίου σε πρώιμο στάδιο. Για αυτό τον σκοπό, χρησιμοποιείται ένα ισχυρό σχεδιαστικό πακέτο CAD/CAE,που βασίζεται σε τεχνικές παραμετρική μοντελοποίησης, το FRIENDSHIP-Framework, συζευγμένο με το εμπορικό λογισμικό επίλυσης ροών, SHIPFLOW, επιτρέποντας έτσι την γρήγορη δημιουργία και ανάλυση νέων μορφών γάστρας. Με αυτόν τον τρόπο διερευνούνται γρήγορα πολλαπλές εναλλακτικές σχεδιάσεις χωρίς την απαίτηση για δοκιμές σε πραγματικό μοντέλο. Λέξεις-κλειδιά: <<Βελτιστοποίηση, συστήματα CAD/CAE, ολιστική μελέτη, παραμετρική μοντελοποίηση, FRIENDSHIP-Framework, SHIPFLOW>>

Increasing international competitive pressures are motivating all industrial corporations to continually reduce cycle time, improve return on assets and reduce working capital complying also with demanding environmental regulations. Efficient and effective decision making becomes a significant factor for management of time and budget demanding the strict attention of engineers. Optimization is a process of decision making when a number of alternative choices are available and an optimal solution has to be determined. Ship design is a typical optimization problem involving multiple and frequently contradictory objective functions and constraints. When dealing with multi-criteria optimization, finding the best compromise means to define a Pareto-Frontier or else, a set of non-dominated solutions. Modern CAD/CAE systems allow a holistic design approach which aims at investigating many if not all important aspects of an optimization problem at the same time in contrast to traditional methods (design spiral, Evans). To investigate and develop innovative solutions, the designer requires a tool that does not enforce detailed definition and allows easy reconfiguration of arrangements and systems. Looking at the study case, the integrated approach is applied on a novel concept regarding containerships. A CAE environment is established combining the simulation of key measures of merit in the early phase of ship design for a considerable numbers of variants: Geometry, lightship weight, payload, capacity, stability and hydrodynamics were computed by means of simulation codes. A complete preliminary research is stated where today’s needs are identified, a conceptual solution is proposed and a multi-objective optimization is performed in order to meet the targets. What is fundamentally here presented is not only an innovative design, but also a pioneering methodology of holistic investigation of ship design at the early stage. For this purpose, a powerful CAD/CAE package based on parametric modelling techniques, the FRIENDSHIP-Framework, is employed and coupled with the commercial flow solver SHIPFLOW allowing the generation and analysis of new hull shapes leading to rapid design explorations without model testing. Key words: <<Optimization, CAD/CAE systems, Holistic design, Parametric modelling, FRIENDSHIP-Framework, SHIPFLOW>>