بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله به معرفی نرمافزار تدوین شده برای مدلسازی عددی فرآیند فروپاشی تدریجی و تحلیل استحکام نهایی شاهتیر بدنه کشتیها میپردازد. به همین منظور از روش اجزای محدود غیر خطی و به ویژه نرمافزار اجزای محدود انسیس و قابلیتهای آن برای تدوین یک نرمافزار جانبی و کاربردی با هدف ارزیابی استحکام نهایی شاهتیر بدنه کشتیها استفاده شده است. نرمافزار حاضر، فرآیند مدلسازی عددی شرایط حدی هاگینگ و سگینگ و ارزیابی فروپاشی شاهتیر بدنه کشتی را تحت خمش خالص فراهم میسازد.
این نرمافزار از قابلیت تولید مدل هندسی، مدل اجزای محدود و احتساب جنبههای غیرخطی مادی و هندسی در کنار مدلسازی عیوب اولیه برخوردار است. به منظور اعتبار سنجی رویه عملکرد نرمافزار و نتایج حاصل از آن، نتایج عددی حاصل از کاربرد نرمافزار و روش اجزای محدود با نتایج آزمونهای تجربی مقایسه شده است. مقایسه صورت گرفته نشاندهنده دقت قابل قبول نرمافزار تدوینشده و روش اجزای محدود است. به دنبال اطمینان از صحت نرمافزار یک نمونه شاهتیر جعبهای شبیهساز مقطع میانی یک تانکر با کف دوجداره نیز در حالات حدی سگینگ و هاگینگ بررسی شده و منحنی گشتاور - انحنا حاصل از روند انهدام مدل منتخب مورد بحث قرار گرفته است.
مقدمه
استحکام نهایی شاهتیر بدنه کشتیها موضوعی است که همواره مورد علاقه محققان بوده است، چراکه به هنگام ارزیابی ایمنی سازهای کشتیها این موضوع دارای اهمیت بسیار میباشد . به دنبال انجام تحلیلهای مختلف آزمایشگاهی و تجربی، با هدف ارزیابی استحکام نهایی کشتیها، نرمافزارهای محاسباتی نیز متناسب با انواع روشهای تحلیلی توسعه یافته است. این نرمافزارها با هدف تسهیل فرآیندهای مدلسازی هندسی و مادی شاهتیر بدنه کشتیها، انجام فرآیند محاسبات و مشاهده نتایج تدوین شدهاند.
نرم افزارهای مذکور توسط محققین دانشگاهی، شرکتهای تجاری تولید نرمافزار، موسسات ردهبندی، ارگانهای دولتی و نظامی ایجاد میشوند. برخی از نرمافزارهای ایجاد شده هدفگرا بوده و تنها به منظور تحلیل استحکام نهایی شاهتیر بدنه کشتیها ایجاد شدهاند؛ و برخی دیگر نیز به صورت ماژول محاسباتی زیر مجموعه نرمافزارهای کاملی هستند که با هدف طراحی، تحلیل و بهینهسازی سازههای دریایی تدوین میشوند. از جمله نرمافزارهای پیشین هدفگرا که توسط محققان توسعه یافته است، میتوان به نرمافزار BOX،اُستاپنکو و همکاران[1] 1، نرمافزار HULLST، یائو، نیکولوو و همکاران[2] 2، نرمافزار RESULT، بجین و همکاران[3] 3، نرمافزار HULCOL،گوردو و سوارِز[5-4] 4 و نرمافزار NEPTUNE، اوزگوک و همکاران[6] 5 اشاره کرد.
این نرم افزارها براساس روش اِسمیت6 و روشهای پایهگذاری شده بر مبنای اِسمیت توسعه یافته است. علاوه بر نرمافزارهای مذکور، پیک7 نیز برنامه ALPS/HULL را برای محاسبه رفتار فروپاشی تدریجی شاهتیر بدنه کشتیها و محاسبه استحکام نهایی مبتنی بر روش واحد سازهای ایدهآل شده8 و سپس روش اجزای محدود بسیار بزرگ و هوشمند9 توسعه داد
زیها و همکاران[9] 10 و همچنین توه و همکاران[10] 11 نیز، به ترتیب، برنامههای کامپیوتری ULTIS و ULST را براساس روند قوانین سازهای مشترک اتحادیه بینالمللی موسسات ردهبندی1 که گونهای از روش اسمیت است و به منظور تحلیل استحکام نهایی کشتیها تدوین کردند.
علاوه بر نرمافزارهای مذکور، نرمافزارهای موسسات ردهبندی نیز دارای قابلیت محاسبه و تحلیل استحکام نهایی کشتیها میباشند. از این دسته نرمافزارها میتوان به نرمافزار POSEIDON - موسسه ردهبندی - GL، نرم افزار MARS2000 - موسسه رده بندی - BV و نرمافزار NAUTICUS - موسسه ردهبندی - DNV اشاره کرد. در برنامههای مذکور امکان انجام محاسبات براساس الزامات آییننامهای و براساس روشهای مختلف همچون روش اجزایمحدود، روش اِسمیت و قوانین اتحادیه بینالمللی موسسات ردهبندی وجود دارد
در کنار نرمافزارهای تدوین شده توسط محققان و نرمافزارهای موسسات ردهبندی، نرمافزارهای مختلفی نیز توسط سازمانهای تجاری و نظامی توسعه یافته است. به عنوان نمونه نرمافزار ULTSTR یک برنامه کامپیوتری توسعه یافته توسط نیروی دریایی ایالات متحده امریکا به منظور ارزیابی استحکام فروپاشی نهایی و مشخصههای آسیبدیدگی مقاطع سازهای کشتی است. در این نرم افزار از پانلهای تقویتشده و اجزای گوشهای برای تشریح یک سازه استفاده میشود. این نرمافزار از قابلیت تعریف تنشهای پسماند جوشکاری نیز برخوردار میباشد
نرم افزار LBR5 نیز نرمافزاری یکپارچه برای تحلیل و بهینهسازی سازههای دریایی است. نرمافزار LBR5، عواملی همچون استحکام نهایی پانلهای تقویتشده - کف، عرشه، پوسته کناره و ... - و گشتاور خمشی نهایی شاهتیر بدنه کشتی را به عنوان محدودیتهای بهینهسازی در نظر میگیرد. این نرمافزار برای محاسبات استحکام نهایی در چرخه بهینهسازی از روش ارائه شده توسط پیک - روش واحد سازهای ایدهآل شده - استفاده میکند و از زیربرنامه فروپاشی تدریجی PROCOL نیز برای تحلیل پس از بهینهسازی، به منظور اعتبارسنجی، بهره میگیرد
در مجموعه نرمافزارهای مذکورعموماً از روشهای اسمیت و واحد سازهای ایدهآل شده و روشهای مشابه برای محاسبه استحکام نهایی کشتیها استفاده میشود. در این دو روش با توجه به تقسیمبندی مقطع عرضی شاهتیر بدنه به اجزای مستقل، اندرکنش بین اجزای سازهای در نظر گرفته نمیشود و بنابراین استحکام نهایی کمتر از مقدار واقعی محاسبه میشود
همچنین در نرمافزارهای مذکور به علت استفاده از منحنیهای تنش-کرنش از پیش تعریف شده، تاثیر عیوب اولیه به صورت صریح در نظر گرفته نشده است. با توجه به مشخصات و محدودیتهایی که برای نرمافزارهای موجود ذکر شد، میتوان دریافت استفاده از روشی همانند روش اجزای محدود2 که قابلیت حل مشکلات موجود در سایر نرمافزارها را دارد، میتواند به عنوان روشی در تدوین یک نرمافزار جدید استفاده شود. به همین منظور در این پژوهش از روش اجزای محدود و به ویژه نرمافزار اجزای محدود انسیس3 به منظور تدوین برنامهای جانبی و کاربردی براساس زبان پارامتری طراحی انسیس4 و با هدف مدلسازی فروپاشی تدریجی تدریجی و محاسبه استحکام نهایی کشتیها استفاده شده است. برنامه تدوینشده مجموعه دستورات لازم برای تحلیل استحکام نهایی کشتیها در محیط نرمافزار انسیس را با توجه به زبانبرنامه نویسی خاص این نرمافزار تولید میکند.
معرفی نرمافزار تدوین شده
برنامه تدوین شده که با عنوان MPS-UST 5 معرفی میشود، به منظور تولید مجموعه فرآیندهای لازم برای انجام آزمون استحکام نهایی شاهتیر بدنه کشتیها در قالب یک فایل متنی حاوی دستورات قابل دریافت برای نرمافزار اجزای محدود منتخب - انسیس - تهیه شده است. در برنامه تدوین شده، براساس فرضیات و سادهسازیهای در نظر گرفته شده به منظور انجام فرآیندهای مدلسازی هندسی و مدلسازی اجزای محدود و متناسب با جزئیات دادههای ورودی و نیز متناظر با روش منتخب برای تحلیل فروپاشی تدریجی شاهتیر بدنه کشتیها، فرآیند آزمون خمش با هدف حصول استحکام نهایی انجام میشودبرنامه. تدوین شده از سه واحدِ وابسته برای انجام فرآیندهای پیش از پردازش، تحلیل در نرمافزار انسیس و پس از پردازش تشکیل شده است. برنامه MPS-UST متشکل از بخشهای مختلف شامل دریافتکننده دادههای ورودی، فایل اجرایی برنامه، تابع محاسبه عیوب اولیه و زیربرنامه ارائهدهنده منحنی گشتاور خمشی - انحنا و حداکثر ظرفیت شاهتیر بدنه میباشد.
ورودیها و خروجیهای نرمافزار تدوین شده
ورودیهای لازم در حالت کلی به پنج دسته شامل مشخصات هندسی، مشخصات مادی و مصالح، الگوی جزءبندی، شرایط بارگذاری - شامل حالات حدی سگینگ6 یا هاگینگ - 7 و شرایط حل - شامل تحلیل متقارن یا کامل و نیز تاثیر عیوب اولیه - تقسیمبندی میشوند. کلیه دادههای لازم به منظور انجام فرآیند تحلیل از طریق فایل دریافتکننده دادهها در اختیار زیربرنامه اجرایی نرمافزار قرار میگیرند.
خروجیهای برنامه نیز در دو دسته تعریف میشوند. دسته اول از خروجیها در برگیرنده منحنی گشتاور خمشی - انحنا و حداکثر ظرفیت شاهتیر بدنه است که به طور مستقیم از طریق برنامه قابل دستیابی است. مقادیر ارائه شده در این دسته مطابق با نتایج حاصل از تحلیلهای اجزای محدود بدست میآید. دسته دوم از خروجیها شامل سایر نتایجی است که به طور غیر مستقیم از طریق نرمافزار انسیس قابل دریافت است.
این بخش از خروجیها متناسب با حل انجام شده باید توسط کاربر استخراج شود. در این بخش از خروجیها میتوان به کانتورهای توزیع تنش و جابجایی و مقادیر عددی هریک اشاره کرد. نمونهای از ورود دادههای لازم به منظور تدوین دستورات تحلیل اجزای محدود به همراه نتایج حاصل از تحلیل اجزای محدود در قالب منحنی گشتاور خمشی - انحنا برای مدل انتخاب شده جهت انجام فرآیندهای تحلیل استحکام نهایی - شکل 1، جدول 1 و جدول - 2 در شکل 2 ملاحظه میگردد. مدل منتخب شبیهساز مقطع میانی یک تانکر با کف دوجداره است.
شکل :1 مقطع عرضی و وسعت مدل منتخب.
جدول :1 مشخصات هندسی اجزای سازهای تشکیلدهنده مدل منتخب.
جدول :2 مشخصات سراسری شاهتیر بدنه مدل منتخب.
