Автоматизированное проектирование судовых энергетических установок

Введение

В современном мире не существует объектов, приближающихся к судам и кораблям по сложности состава, многообразию функций и спектру предъявляемых требований. Су­довая энергетическая уста­новка (СЭУ) – наиболее ответственная и сложная подсистема судна. Она за счет выработки в необходимом количестве трех видов энергии: механической, электрической и тепловой обеспечивает функциониро­вание судна по прямому назначению – перевозку грузов и различной техники, работу других подсистем судна, жизнедеятельность людей на судне (экипажа и пассажиров), оказывает определяющее влияние на безопасность и эффективность эксплуатации судна.

Для СЭУ характерна сложная, иерархическая структура: могут быть выделены несколько сотен элементов, выполняющих определенные функции в составе судна и СЭУ. В основном это оборудование энергетических систем и трубопроводов. Между этими элементами существуют сложные физические, параметрические и техни­ко-экономические связи. Для процессов, протекающих в энергетическом оборудовании, характерны значительные изменения параметров: температуры, давления, скорости, сил и моментов, напряжений и деформаций, турбулентности, шума и вибрации, теплопередачи и др. Учет особенностей этих процессов при проектировании СЭУ связан с необходимостью анализа сложного спектра номинальных и эксплуата­ционных, расчетных и нерасчетных, переменных и переходных режимов оборудования, энергетических систем и энергетических комплексов.

При традиционных, безмашинных методах проектирования используются приближенные, упрощенные модели, не вполне адекватно отражающие перечисленный выше сложнейший спектр проблем и не позволяющие выполнить анализ решаемых задач в требуемой полноте и сложности. Обычно взаимосвязь параметров прослеживается лишь вниз по иерархи­ческой схеме (удовлетворение требований), анализируются лишь лимитирующие режимы, комплексный анализ эффективности не произво­дится, сложные, имеющие системное значение связи либо не прослеживаются вообще, либо искусственно обрываются.

Автоматизированное проектирование – проектирование с широким, системати­ческим и системным применением вычислительной техники, программных средств, информационных и экспертных систем, баз данных – способно решить сложные задачи проектирования СЭУ на уровне, адекватно отражающем уровень развития вычислительной техники. По мере развития вычислительной техники – роста быстродействия и объемов памяти ЭВМ, возможностей операционных систем, языковых средств, программных оболочек возрастают требования к системам автоматизированного проектирования, глубине проработки решаемых задач, возникают новые задачи и новые постановки традиционных задач, использующие возросшие возможности технических средств.

В настоящее время наблюдается диспропорция между уровнем развития вычислительной техники и уровнем развития систем автома­тизированного проектирования СЭУ. Широко распространены IBM – совместимые персональные компьютеры с быстродействующими процес­сорами, на их базе создаются и используются сети ЭВМ. Применение сетевых средств, оверлейных структур, электронных дисков способно удовлетворить любые требования к оперативной и дисковой памяти, быстродействию ЭВМ. Разработаны программные оболочки – электронные таблицы, средства управления базами данных, графические средства ЭВМ, позволяющие вести проектирование в реальном масштабе времени, с применением информационных технологий, электронного макети­рования и др. Лишь малая часть этих возможностей используется в практическом проектировании, научных исследованиях и учебном процессе по судовой энергетике. Автоматизация проектирования СЭУ законсервировалась на несистемном уровне. Большое количество расчетных работ на базе ЭВМ выполняется изолированно, не работает прямо на конечный результат – повышение эффективности судна или системы однотипных судов.

Любая диспропорция вызывает возникновение напряжений – пoля сил, направленных на разрешение противоречия, что обязательно при­ведет к развитию систем автоматизированного проектирования СЭУ. Однако временной интервал разрешения этой диспропорции в определя­ющей степени зависит от подготовленности кадров, степени распро­странения информации о наличии потребности и возможности решения определенного круга технических проблем, существования примеров ее реализации. Распространению этой информации и разработке примеров решения задач автоматизированного проектирования СЭУ и посвящено настоящее учебное пособие.

Сначала выполняется анализ содержания процесса проектирования СЭУ с точки зрения возможности и целесообразности внедрения автоматизации. Далее на существующих примерах рассматривается, что может и чего не может дать применение автоматизации, какие задачи решены с применением автоматизации проектирования, как применение автоматизации влияет на процесс проектирования, как организуется связь отдельных проектных задач в рамках САПР. В заключение рассматриваются те задачи, которые пока еще не решены, но суще­ствует потребность и возможность их решения. Анализируются подходы к решению этих задач. Таким образом, главная цель настоящего учебного пособия – распространение информации о целях, методах, потребности и примерах внедрения автоматизации в определенной предметной области – проектировании судовых энергетических установок как сложных технических систем – энергетических комплексов современных судов.

В значительной степени настоящая книга базируется на собственных разработках автора, выполненных в середине 90-х годов ХХ века и поддерживаемых на современном информационном и техническом уровне. Они реализованы в виде САПР эскизного и технического проектирования СЭУ, информационной и экспертной подсистемах САПР СЭУ в учебном процессе и научных исследованиях СПбГМТУ, методически поставлены и находят применение в учебном процессе ряда вузов страны, в том числе в московском и петербургском университетах водных коммуникаций (МГАВТ и СПбГУВК).

Промышленность также не имеет подобных разработок, поскольку проектирующие подразделения переданы в состав судостроительных предприятий, а последние заинтересованы лишь в технологических аспектах проектирования. Таким образом, изложенный здесь материал представляет интерес не только для студентов и аспирантов вузов, но и для работников промышленности. Именно в результате привлечения к автоматизации задач проектирования молодежи, владеющей не только современными программными оболочками, но и примерами решения задач САПР, возможно эффективное внедрение этих методов в повседневную практику реального производства.