СПОСОБ МАНЕВРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛИ СУДНА В ОПЫТОВОМ БАССЕЙНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК B63B9/02 G01M10/00 

Изобретение относится к судостроению, в частности к экспериментальным методам испытаний модели судна в опытовом бассейне.

Известен способ маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне, заключающийся в буксировке модели под тележкой вокруг вертикальной оси по круговой траектории, реализуемый на ротативной установке, и измерении гидродинамических сил и моментов, действующих на модель (см., например, А.В.Васильев. Управляемость судов, Л.: Судостроение, 1989 г.). При таком движении модель имитирует движение судна на циркуляции.

Недостатком известного способа является необходимость больших радиусов вращения для получения надежных результатов и как следствие значительных размеров опытового бассейна. При минимальном размере модели, равном 1,5 - 2 м, рабочий радиус ротативной установки должен составлять 8 - 10 м. Для получения более надежных результатов наметилась тенденция использования моделей длиной 4 - 6 м. Для таких моделей необходимый радиус установки возрастает до 20 - 30 м, а для ее размещения требуются бассейны значительных размеров: до 75 м в диаметре (см., например, А.В.Васильев. Управляемость судов, Л.: Судостроение, 1989 г., с.90).

Отсутствие льда и как следствие невозможность испытаний моделей во льдах и измерения сил и моментов, действующих на модель со стороны ледового поля, являются другим недостатком известного способа.

Известен также способ маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне с помощью планарного механизма, заключающийся в буксировке модели судна вместе с тележкой и наложения на это движение гармонических колебаний модели относительно тележки по одной координате - в поперечном направлении или по их совокупности и измерении кинематических параметров движения и гидродинамических нагрузок, действующих на модель (см. А.В.Васильев. Управляемость судов, Л.: Судостроение, 1989 г., с. 92 - 93), принятый за прототип.

Недостатком известного способа являются непрерывно меняющиеся радиус циркуляции и мгновенная скорость вращения центра тяжести модели. Этот способ не применим для испытаний судна во льдах, особенно в сплошных, так как разрушение ледового поля движущейся моделью судна является случайным и нестационарным процессом (см. , например, В.И.Каштелян и др. Сопротивление льда движению судна, Л. : Судостроение, 1968 г.). Поэтому для получения достоверных результатов испытаний модели необходимо задавать постоянную во времени скорость движения ее центра тяжести с известным радиусом циркуляции.

Известно устройство для испытаний моделей судна в опытовом бассейне, содержащее корпус с подшипниками, установленный на тележке и связанный через вертикальный вал с приводом поворота модели, включающим электродвигатель с редуктором и электромагнитным тормозом, рычаг, жестко соединенный с валом, динамометр с тензорезисторами и датчик угла поворота (см. авт. св. СССР N 617317, кл. B 63 B 9/02), принятое за прототип.

Недостатком известного устройства является невозможность проведения маневренных испытаний во льдах с регулируемым радиусом циркуляции и круговых колебаний модели относительно вертикальной оси в заданных пределах, а динамометр обладает недостаточной точностью измерения, так как он установлен на тележке и связан с моделью через ряд звеньев, в том числе через зубчатую пару с люфтами, и подвержен влиянию значительных изгибающих моментов из-за большого удаления от модели судна, на которую воздействуют силы. Измерительные погрешности динамометра и недостатки конструкции устройства, особенно проявляются при воздействии на модель ударных знакопеременных нагрузок, например, при разрушении моделью ледового поля. Приводной двигатель с редуктором и электромагнитным тормозом жестко прикреплены к корпусу и через него подвешены к динамометру. Поэтому массогабаритные размеры, а следовательно, и инерционность системы привода модели существенно ограничены. При воздействии на модель внешних переменных сил (например, при разрушении ледового поля корпусом модели) равномерность кругового движения модели будет нарушаться: возникающие при этом на модели инерционные силы будут передаваться динамометру и искажать результат измерений, а само движение модели вокруг вертикальной оси нельзя считать равномерным.

Заявляемое изобретение направлено на обеспечение возможности проведения маневренных испытаний модели судна во льдах в ограниченном по ширине пространстве ледового опытового бассейна, повышение эффективности использования ледового поля и ледового бассейна в целом, а также повышение достоверности результатов измерения действующих на модель внешних сил и моментов.

Технический результат достигается тем, что криволинейную траекторию с радиусом циркуляции задают путем наложения на поступательное движение модели с тележкой в канале опытового бассейна, на поверхности которого образовано ледовое поле с заданными физико-механическими характеристиками, вращательного движения с постоянной угловой скоростью относительно вертикальной оси, отстоящей от центра тяжести модели на расстоянии r, причем после достижения моделью угла поворота не более ± 10^o направление вращения модели реверсируют, а расстояние r, угловую скорость вращения модели и скорость поступательного движения модели с тележкой задают по соотношению

где ω - угловая скорость вращения модели вокруг вертикальной оси;
V₀- скорость поступательного движения тележки;
R - радиус циркуляции центра тяжести модели;
r - расстояние от центра тяжести модели до оси вращения,
а значения ледовых нагрузок, действующих на модель, получают путем вычитания величин гидродинамических нагрузок, предварительно определенных на тех же режимах в отсутствии ледового поля, из измеренных в процессе испытаний нагрузок в ледовом поле.

Наложение на поступательное движение модели под тележкой с постоянной скоростью V₀ вращательного движения модели вокруг неподвижной оси с постоянной угловой скоростью ω в диапазоне углов разворота модели не более ± 10^o с реверсированием направления вращения обеспечивает движение по криволинейной траектории с известным радиусом циркуляции в ограниченном пространстве ледового поля опытового бассейна, моделирующее реальные процессы движения судна в натурных условиях.

Так как ледовые силы и моменты, действующие на модель судна, при разрушении ледового поля непрерывно меняются во времени, как процессы случайные, подчиняясь статистическим закономерностям, то получение достоверных результатов возможно только путем осреднения их за некоторый промежуток времени, в течение которого скорость движения и радиус циркуляции центра тяжести модели остаются неизменными.

Для углов поворота модели судна не более ± 10^o скорость центра тяжести модели с достаточной для практики точностью можно считать постоянной при заданных значениях V₀ и ω. При углах поворота более 10^o проявляются нелинейные эффекты и скорость центра тяжести судна уже нельзя считать постоянной: осреднение результатов измерения гидродинамических и ледовых нагрузок в этом случае может привести к значительным погрешностям. Значение ледовых нагрузок, действующих на модель, получают на ЭВМ путем вычитания величины гидродинамических нагрузок из измеренных в процессе испытаний нагрузок в ледовом поле. Гидродинамические нагрузки определяют предварительно на тех же режимах движения в отсутствии ледового поля.

Устройство для маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне, содержащее корпус, размещенный на тележке, с установленным в нем на подшипниках вертикальным валом, связанным с приводом поворота модели, включающим электродвигатель с редуктором, рычаг, жестко соединенный с вертикальным валом, динамометр с тензорезисторами и датчик угла поворота, дополнительно снабжено угловым редуктором, датчиком скорости движения тележки, концевыми выключателями, направляющими лыжами, направляющей державкой и ЭВМ, при этом направляющие лыжи закреплены на модели симметрично относительно ее диаметральной плоскости, а динамометр связан с моделью через направляющие лыжи и установлен на них с возможностью перемещения модели относительно динамометра и фиксации ее в заданном положении и через направляющую державку связан с нижним концом вертикального вала с возможностью вертикальных перемещений модели и фиксации ее относительно вала, при этом верхний конец вертикального вала через угловой редуктор и муфту связан с установленными на тележке и соединенными горизонтальным валом электродвигателем и редуктором, концевые выключатели установлены на тележке на угловом расстоянии не более ± 10^o относительно продольной оси бассейна с возможностью контактирования в этих положениях с рычагом, при этом динамометр выполнен в виде пятистержневой системы с центральным, установленным по оси вращения модели, и четырьмя периферийными стержнями, симметрично расположенными относительно центрального стержня в ортогональных плоскостях, одна из которых проходит через продольную ось модели и продольную ось сечения центрального стержня, а тензорезисторы, установленные на центральном и периферийных стержнях, заключенные в измерительные мосты, образуют датчики продольной и поперечной силы и момента вращения относительно вертикальной оси, выходы которых, а также датчиков угла поворота и скорости движения тележки соединены с ЭВМ.

Предложенное устройство обеспечивает равномерное вращение модели судна в ледовом поле, благодаря большой инерционности системы привода. Момент инерции системы привода, включающий достаточно мощный двигатель постоянного тока (например, Ne = 16 кВт, n = 2380 об/мин) и редуктор с большим передаточным числом (i = n/n_модели = 3120), определяемый как i²J_дв, значительно превышает момент инерции модели (i²J_дв = 3120² • (1/2) • (50/9.8) • 10^-2 = 248326 кг м с²; J_модели = (1/2)mR² = (1/2) • (300/9/8) • 1,5² = 34 кг м с²). Поэтому, независимо от действующих на модель знакопеременных внешних нагрузок, возникающих при разрушении ледового поля, вращение модели вокруг вертикальной оси осуществляется с постоянной угловой скоростью. При этом инерционные силы, создаваемые моделью, ничтожны.

Динамометр, установленный на модели судна, практически огражден от вредного влияния изгибающих моментов, так как плечо от точки приложения внешних сил до оси динамометра относительно небольшое.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показано устройство для реализации способа маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне, на фиг. 2 конструкция динамометра, на фиг. 3 - сечение а-а динамометра.

Устройство для маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне состоит (фиг. 1) из корпуса 1 с подшипниками 2, установленного на тележке 3, вертикального вала 4 с шестерней углового редуктора 5, горизонтального вала 6 с шестерней углового редуктора 7, муфты 8, редуктора 9, приводного электродвигателя 10, подключенного к источнику регулируемого тока 11, в качестве которого используется тиристорный преобразователь, управляемый от программного устройства 12, контактных выключателей 13, 14, электрически связанных с программным устройством 12, направляющих лыж 15, закрепленных на модели судна 16, динамометра 17 с державкой 18, рычага 19, связанного с датчиками угла поворота 20 через поводок 21, датчика скорости 22, электронно-вычислительной машины 23.

Динамометр 17 (фиг. 2, 3) выполнен в виде пятистержневой системы и содержит центральный стержень 24 и четыре периферийных стержня 25 и 26 с тензорезисторами 27, 28, 29, заключенных между фланцами 30 и 31.

Модель судна 16 погружена в канал опытового бассейна, заполненного водой 32, на поверхности которого образовано ледовое поле 33 заданной толщины и прочности.

Центральный стержень 24 динамометра установлен по оси вращения модели Z, а ось X' его поперечного сечения совпадает с продольной осью X модели судна, ось У' параллельна поперечной оси модели У.

Периферийные стержни 25 и 26 расположены симметрично относительно центрального стержня в ортогональных плоскостях, при этом ось X' поперечного сечения двух стержней 25 также совпадает с осью X модели.

Тензорезисторы 27, закрепленные на центральном стержне на боковых поверхностях, нормальных к оси X', заключены в измерительный мост и образуют датчик продольной силы. Тензорезисторы 28, закрепленные на центральном стержне на боковых поверхностях, нормальных к оси У', заключены в измерительный мост и образуют датчик поперечной силы. Тензорезисторы 29, закрепленные на периферийных стержнях, заключены в измерительный мост и образуют датчик момента вращения относительно оси Z.

При вращении модели динамометр, будучи жестко связанным с ней, измеряет силы и момент в системе координат модели.

При выполнении технологических процедур, связанных с уборкой разрушенного в ходе проведения испытаний ледового покрова и намораживанием нового ледового поля, уровень воды и ледового поля в ледовом бассейне могут незначительно изменяться. Для компенсации этого изменения уровня нижний конец вертикального вала 4 связан с динамометром 17 через направляющую державку 18 с возможностью вертикальных перемещений модели и фиксации ее относительно вала в соответствии с уровнем воды в бассейне и загрузкой модели.

Предложенный способ и устройство работают следующим образом.

Модель судна 16 закрепляют через направляющие лыжи 15 на динамометре 17 на некотором заданном отстоянии r от центра тяжести модели, фиксируют вал 4 привода модели в направляющей державке 18. На поверхности воды 32 в канале опытового бассейна наращивают ледовое поле 33 заданной толщины и прочности. Буксируют модель 16 под тележкой 3 в ледовом поле 33 с постоянной скоростью движения V₀, которая измеряется датчиком скорости 22. Включают электродвигатель 10, предварительно задав в программном устройстве 12 необходимую угловую скоростью вращения ω, в соответствии с заданной скоростью движения V₀ и расстоянием r. Вращение якоря электродвигателя 10 через редуктор 9, муфту 8, горизонтальный вал 6, угловой редуктор с шестернями 5 и 7 и вертикальный вал 4 передается модели 16. На поступательное движение модели судна со скоростью V₀ вместе с тележкой накладывается вращательное движение модели относительно тележки вокруг вертикальной оси, совпадающей с продольной осью вала 4 и динамометра 17. При достижении моделью угла поворота относительно направления буксировки, совпадающего с направлением продольной оси канала бассейна, 10^o рычаг 19, жестко закрепленный на валу 4, замыкает концевой выключатель 13 или 14, при этом программное устройство 12 дает команду тиристорному преобразователю на реверсирование направления вращения двигателя 10. Модель изменяет направление вращения относительно тележки и рабочий режим движения повторяется снова. Действующие на модель 16 внешние гидродинамические и ледовые силы и моменты измеряются датчиками продольной, поперечной силы и момента вращения динамометра 17 в системе координат модели. Для получения надежных результатов измерения достаточно пробуксировать модель на расстояние не меньшее одной - полутора длины модели. Для модели судна длиной 4 м один режим испытаний составляет от 5,5 м до 15,5 м перемещения в ледовом поле. После завершения одного режима испытаний изменяют скорость V₀ и/или угловую скорость ω. Обычно в одном ледовом поле проводят от 3-х до 4-х пробегов на разных режимах. По измеренным в процессе испытаний значениям скорости поступательного движения тележки V₀, угловой скорости вращения модели ω (эту скорость находят по результатам измерений угла поворота во времени) и выставленному расстоянию r от центра тяжести до оси вращения определяют радиус циркуляции модели по формуле (1).

Значение ледовых нагрузок, действующих на модель, получают на ЭВМ путем вычитания величины гидродинамических нагрузок из измеренных в процессе испытаний нагрузок в ледовом поле. Гидродинамические нагрузки определяют предварительно на тех же режимах движения в отсутствии ледового поля.

Изобретение относится к судостроению, в частности к экспериментальным методам испытаний судна в опытовом бассейне, и предназначено для маневренных испытаний судна во льдах. Для этого криволинейную траекторию движения модели с радиусом циркуляции задают путем наложения на поступательное движение модели с тележкой в канале опытового бассейна вращательного движения с постоянной угловой скоростью относительно вертикальной оси. После достижения моделью угла поворота не более ± 10° направление модели реверсируют. Устройство содержит корпус, размещенный на тележке, вертикальный вал на подшипниках, связанный с приводом поворота модели, включающий электродвигатель с редуктором, рычаг, жестко соединенный с вертикальным валом, динамометр с тензорезисторами и датчик угла поворота. Устройство дополнительно снабжено угловым редуктором, датчиком скорости движения тележки, концевыми выключателями, направляющими лыжами, направляющей державкой и ЭВМ. Изобретение направлено на повышение эффективности использования ледового поля и ледового бассейна в целом, а также повышение достоверности результатов измерения действующих на модель внешних сил и моментов. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне, преимущественно во льдах, заключающийся в буксировке модели судна под буксировочной тележкой в канале опытового бассейна, заполненного водой, по криволинейной траектории с радиусом циркуляции, задаваемой путем наложения на поступательное движение модели с тележкой дополнительного движения относительно тележки, и измерении кинематических параметров ее движения и гидродинамических нагрузок, действующих на модель, отличающийся тем, что модель буксируют в канале опытового бассейна, на поверхности воды которого образовано ледовое поле с заданными физико-механическими характеристиками, а движение модели относительно тележки задают в виде вращательного движения с постоянной угловой скоростью относительно вертикальной оси, отстоящей от центра тяжести модели на расстояние r, причем после достижения моделью угла поворота относительно направления движения тележки не более ±10^o направление вращения модели реверсируют, при этом расстояние r, угловую скорость вращения и скорость поступательного движения задают по соотношению

где ω - угловая скорость вращения модели вокруг вертикальной оси;
V_o - скорость поступательного движения тележки;
R - радиус циркуляции центра тяжести модели;
r - расстояние от центра тяжести модели до оси вращения,
а значения ледовых нагрузок, действующих на модель, получают путем вычитания величин гидродинамических нагрузок, предварительно определенных на тех же режимах в отсутствие ледового поля, из измеренных в процессе испытаний нагрузок в ледовом поле. 2. Устройство для маневренных испытаний модели судна в опытовом бассейне, содержащее корпус, размещенный на тележке, с установленным в нем на подшипниках вертикальным валом, связанным с приводом поворота модели, включающим электродвигатель с редуктором, рычаг, жестко соединенный с вертикальным валом, динамометр с тензорезисторами и датчик угла поворота, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено угловым редуктором, датчиком скорости движения тележки, концевыми выключателями, направляющими лыжами, направляющей державкой и ЭВМ, при этом направляющие лыжи закреплены на модели симметрично относительно ее диаметральной плоскости, а динамометр связан с моделью через направляющие лыжи и установлен на них с возможностью перемещения модели относительно динамометра и фиксации ее в заданном положении и через направляющую державку связан с нижним концом вертикального вала с возможностью вертикальных перемещений модели и фиксации ее относительно вала, при этом верхний конец вертикального вала через угловой редуктор и муфту связан с установленными на тележке и соединенными горизонтальным валом электродвигателем и редуктором, концевые выключатели установлены на тележке на угловом расстоянии не более ±10^o относительно продольной оси бассейна с возможностью контактирования в этих положениях с рычагом, при этом динамометр выполнен в виде пятистержневой системы с центральным, установленным по оси вращения модели, и четырьмя периферийными стержнями, симметрично расположенными относительно центрального стержня в ортогональных плоскостях, одна из которых проходит через продольную ось модели и продольную ось сечения центрального стержня, а тензорезисторы, установленные на центральном и периферийных стержнях, заключенные в измерительные мосты, образуют датчики продольной и поперечной силы и момента вращения относительно вертикальной оси, выходы которых, а также датчиков угла поворота и скорости движения тележки соединены с ЭВМ.