Im Rahmen dieser Masterarbeit ist das vorhandene MUPAD-Programm zur Berechnung der Querschnittswerte eines beliebigen dünnwandigen mehrzelligen offenen oder geschlossenen Querschnitts bezüglich der Ermittlung der Torsions- und Verwölbung algorithmisch zu optimieren. Insbesondere wird ein geeignetes allgemeines Verfahren entwickelt, dass die komplette Zellentopologie automatisch aus den geometrischen Eingabedaten des mehrzelligen Kastens, d.h. die gerichtete Abfolge der jeweiligen Zellenabschnitte, bestimmt. Das bestehende Querschnittswerte-Programms wird in eine modulare Form umwandelt mit Verifizierung anhand von Schiffsquerschnittsprofilen. Zuletzt wird das umgeschriebene Querschnittswerte-Modul in das bestehende MUPAD-Programmtool implementiert, um mit einer Testrechnung die Eigenmoden des Schiffskörpers zu ermitteln.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN
2.1 DIE THEORIE DER WÖLBKRAFTTORSION
2.1.1 Die freie Torsion
2.1.2 Die Wölbkrafttorsion
2.2 BERECHNUNG DER QUERSCHNITTSWERTE BELIEBIGER DÜNNWANDIGER QUERSCHNITTE
3 BESTIMMUNG DER ZELLENABSCHNITTE
3.1 THEORIE DER BESTIMMUNG DER ZELLENABSCHNITTE
3.1.1 Aufbau der Matrix der Abschnittsliste
3.1.2 Positive Darstellung der Zellenabschnitte
3.1.3 Charakterisierung der Zellenabschnitte
3.1.4 Residuum der Zellenabschnitte
3.1.5 Filterung der Zellenabschnitte
3.1.6 Darstellung des einzeln Abschnitts
3.1.7 Darstellung der gemeinsamen Zellenabschnitte mit den fiktiven Schnittpunkten
3.2 ZUSAMMENFASSUNG DES PROGRAMMS UND DIE ERWEITERUNG DES PROGRAMMS
4 DAS MUPAD-PROGRAMMS IN EINER MODULAREN FORM
4.1 AUFBAU DES MODULAREN PROGRAMMS
4.2 PROGRAMMERWEITERUNG
4.2.1 Import der Eingabedatei
4.2.2 Verarbeitung der Eingabedatei
4.2.3 Berechnung der Querschnittsfläche und des Flächenmoments
4.2.4 Berechnung des Verdrehwinkels und den Hauptträgheitsachsen und Hauptträgheitsradien
4.2.5 Berechnung der Anzahl der Zellen und der Dicke-Zellen
4.2.6 Bestimmung des Schubflusses bei geschlossenen Profilen hier
4.2.7 Aufstellen der Matrix ,,FI_Zellen und der Matrix ,,OM_Hilfe
4.2.8 Berechnung der Wölbfunktion für evtl. vorhandene offene Profilteile
4.2.9 Berechnung von ,,It, ,,OM, ,,A_w und ,,OM_O
4.2.10 Ermittlung der Verwölbung auf den Schwerpunkt und Wechsel des Bezugsystems
4.2.11 Berechnung der unbekannten Flächenmomente erster Ordnung der Verwölbung
4.2.12 Bestimmung der Wölbwerte bezogen auf den Schubmittelpunkt
4.2.13 Berechnung des Wölbmoments
4.2.14 Vorbereitung und Erstellung der Ausgabe
4.3 VERIFIZIERUNG UND PERFORMANCE DES PROGRAMMS
4.3.1 Die Performance des MUPAD-Programms für die zur Verfügung gestellten Schiffskörper-Querschnitte
5 BERECHNUNG VON SCHIFFSKÖRPER-EIGENMODEN
5.1 EINBAU DES UMGESCHRIEBENEN QUERSCHNITTSWERTE-MODULS IN DAS BESTEHENDE MATLAB-PROGRAMMTOOL
5.2 ANPASSUNG DER DATENSTRUKTUREN FÜR DIE EINGABE
5.2.1 Erstellung der Querschnitts-Datei
5.2.2 Anpassung der Datenstruktur des bestehenden MATLAB-Programmtools
5.3 VERIFIZIERUNG UND PERFORMANCE DES PROGRAMMS
5.3.1 Ausgewählte Eingabedatei zur Überprüfung der Rechnung
5.3.2 Durchführung der Testrechnung
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die algorithmische Optimierung eines MUPAD-Programms zur Berechnung der Querschnittswerte komplexer, dünnwandiger Schiffskörper-Profile. Die Arbeit zielt darauf ab, die Zellentopologie automatisch aus geometrischen Eingabedaten zu bestimmen und das bestehende Programm in eine modulare Form zu überführen, um letztlich die Eigenmoden des Schiffskörpers präziser mittels Testrechnungen ermitteln zu können.
- Optimierung der algorithmischen Zellentopologie-Bestimmung
- Transformation des Querschnittswerte-Programms in eine modulare Softwarearchitektur
- Implementierung der Wölbkrafttorsions-Theorie für mehrzellige Profile
- Integration des Querschnittswerte-Moduls in bestehende MATLAB-Tools
- Verifizierung der Performance anhand von Schiffsquerschnittsprofilen
Auszug aus dem Buch
1 Einleitung
Um Resonanzzustände zu vermeiden, spielt die effiziente Abschätzung von Schiffskörperei genschwingungen eine sehr wichtige Rolle. Unter der Anwendung von CAS lassen sich die Eigenmoden des Schiffskörpers anhand von einfachen FE-Balkenmodellen ermitteln. Aller dings sollten die benötigten geometrischen Querschnittswerte an mehreren Schnitten des Schiffskörpers genau ermittelt werden. Der Querschnitt des Schiffskörpers wird als dünn wandiges Profil beschrieben.
Im Rahmen dieser Masterarbeit ist das vorhandene MUPAD-Programm zur Berechnung der Querschnittswerte eines beliebigen dünnwandigen mehrzelligen offenen oder geschlossenen Querschnitts bezüglich der Ermittlung der Torsions- und Verwölbung algorithmisch zu opti mieren. Insbesondere wird ein geeignetes allgemeines Verfahren entwickelt, dass die kom plette Zellentopologie automatisch aus den geometrischen Eingabedaten des mehrzelligen Kastens, d.h. die gerichtete Abfolge der jeweiligen Zellenabschnitte, bestimmt. Das beste hende Querschnittswerte-Programms wird in eine modulare Form umwandelt mit Verifizie rung anhand von Schiffsquerschnittsprofilen. Zuletzt wird das umgeschriebene Querschnitts werte-Modul in das bestehende MUPAD-Programmtool implementiert, um mit einer Test rechnung die Eigenmoden des Schiffskörpers zu ermitteln.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einleitung in die Bedeutung der effizienten Eigenmoden-Abschätzung für den Schiffbau und Definition der Zielsetzung zur Optimierung des MUPAD-Programms.
2 GRUNDLAGEN: Vermittlung der theoretischen Grundlagen der Wölbkrafttorsion und der Berechnung von Querschnittswerten für dünnwandige Profile.
3 BESTIMMUNG DER ZELLENABSCHNITTE: Ableitung des Berechnungsverfahrens zur automatischen Identifikation der Zellentopologie und Darstellung der logischen Regeln.
4 DAS MUPAD-PROGRAMMS IN EINER MODULAREN FORM: Zusammenfassung der modularen Programmstruktur und detaillierte Erläuterung der einzelnen Prozeduren zur Querschnittswerte-Berechnung.
5 BERECHNUNG VON SCHIFFSKÖRPER-EIGENMODEN: Beschreibung der Integration des optimierten Moduls in das bestehende MATLAB-Tool zur Ermittlung der Eigenmoden.
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Zusammenfassende Betrachtung der Ergebnisse und Diskussion möglicher zukünftiger Optimierungspotenziale des Programms.
Schlüsselwörter
Wölbkrafttorsion, Schiffskörper, Eigenmoden, MUPAD, Querschnittswerte, Zellentopologie, Dünnwandige Profile, MATLAB-Programmtool, Modularisierung, Strukturmechanik, FE-Balkenmodell, Verwölbung, Schubfluss, Schiffbau, Festigkeitsberechnung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Weiterentwicklung und algorithmische Optimierung eines MUPAD-basierten Programms zur präzisen Berechnung von Querschnittswerten für komplexe Schiffskörper-Profile.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Die Schwerpunkte liegen auf der Wölbkrafttorsionstheorie, der automatisierten Bestimmung von Zellentopologien bei mehrzelligen Kastenprofilen und der Modularisierung von Softwarecode.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Ziel ist es, die Zellentopologie automatisch aus geometrischen Eingabedaten zu gewinnen und das resultierende Modul in ein bestehendes Tool zur Eigenmoden-Abschätzung von Schiffen zu integrieren.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden mathematische Näherungsverfahren für dünnwandige Profile und die algorithmische Aufbereitung von geometrischen Daten in einer modularen Softwareumgebung (CAS) verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Herleitung der Zellenbestimmung, die schrittweise Dokumentation der Programmprozeduren und die anschließende Verifizierung mittels Testrechnungen.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen gehören Wölbkrafttorsion, Eigenmoden des Schiffskörpers, Zellentopologie, modulare Programmierung und Querschnittswerteberechnung.
Wie werden die Zellen in mehrzelligen Kastenträgern identifiziert?
Die Identifikation erfolgt durch ein mathematisches Verfahren, bei dem Kettenglieder von Vektoren gebildet werden, die mittels spezifischer Filterfunktionen und einer Knoten-in-der-Mitte-Analyse validiert werden.
Welchen Vorteil bietet die Modularisierung des Programmcodes?
Die Modularisierung verbessert die Übersichtlichkeit, erleichtert das Debugging und ermöglicht die flexible Wiederverwendung einzelner Rechenprozeduren in unterschiedlichen Hauptprogrammen.
Wie wird die Verifizierung des Programms durchgeführt?
Die Validierung erfolgt durch den Vergleich der Programmergebnisse mit den Daten aus Lehrveranstaltungen von PD Dr.-Ing. Evgueni Stanoev sowie durch Testrechnungen an verschiedenen Schiffsprofilvarianten.
Welche Rolle spielen fiktive Schnittpunkte bei der Berechnung?
Fiktive Schnittpunkte sind notwendig, um die Zellen im Querschnittsprofil korrekt zu definieren, wenn mehrere Zellen gemeinsame Abschnitte besitzen, um so die topologische Konsistenz für die Berechnung zu gewährleisten.
- Quote paper
- Zhengkun Liu (Author), 2013, Weiterentwicklung des MATLAB-Programmtools zur Eigenmoden-Abschätzung eines Schiffskörpers durch Kopplung mit einem Querschnittswerte-Programm für dünnwandige mehrzellige Kastenprofile, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/379111
