СПОСОБ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ БУЯ-НОСИТЕЛЯ АВТОНОМНОЙ БУЙКОВОЙ СТАНЦИИ, СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ТЕХНИЧЕСКОМУ ЗАДАНИЮ НА ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ Российский патент 2008 года по МПК B63B22/00 

Описание патента на изобретение RU2321519C2

Данное изобретение относится к измерительной океанологической технике и может быть использовано при проектировании буев-носителей (плавучестей) автономных буйковых станций различного назначения.

Современные буйковые станции в зависимости от положения основной несущей плавучести относительно поверхности воды, а также типа фиксации буйрепа условно могут подразделяться следующим образом:

- буйковые станции с буем-носителем на поверхности воды;

- заглубленные буйковые станции, т.е. с притопленным буем-носителем или распределенной плавучестью;

- свободно дрейфующие буйковые станции под действием ветров и течений.

Все эти системы, в том числе и выбор конструкции носителя, достаточно полно и подробно описаны в работах [1,2,3,4,5].

Но необходимо отметить, что все ранее разработанные и эксплуатируемые носители буйковых станций не могут обеспечить выполнение современных технических требований к носителям автономных буйковых станций. Технические требования к буям-носителям автономных буйковых станций с появлением спутникового канала связи и спутниковой системы определения их координат существенно изменились, что обусловлено необходимостью уменьшения величины вертикальных и угловых перемещений буев на тихой воде и при волнении.

Выбор формы корпусов буев-носителей, соответствующих требованиям технического задания на их проектирование, может быть произведен при сравнении результатов натурных экспериментов с образцами буев различной конструкции, но натурный эксперимент является трудоемким, дорогостоящим и требует наличия уже изготовленных буев, специального судна и обученного для постановки буйковых станций персонала.

Предлагаемый способ выбора конструкции буя-носителя автономной буйковой станции предусматривает: значительное сокращение времени, трудоемкости, стоимости проектирования и соответствия выбранной конструкции буя требованиям технического задания на его проектирование.

Сущность изобретения.

Целью изобретения является создание технологии проектирования буев-носителей автономных буйковых станций, разработки конструкции, соответствующей требованиям технического задания на их проектирование при сокращении времени и стоимости проектирования.

Способ осуществляется по следующей схеме.

На основе многолетнего опыта проектирования и использования океанологических буйковых станций в экспериментальных исследованиях в океане [6] и развивая это направление в сторону увеличения возможных модификаций буев-носителей автономных буйковых станций набираем серию конструкций буев-носителей.

Изготавливаем модели буев-носителей в масштабе 1:10,

Проводим всесторонние гидродинамические испытания изготовленных моделей в специально оборудованном бассейне.

Создаем массив данных гидродинамических характеристик буев-носителей автономных буйковых станций.

Осуществляем по этим данным выбор конструкции, соответствующей техническому заданию на проектирование буя-носителя автономной буйковой станции и обеспечивающей требования к допустимым величинам его вертикальных и угловых перемещений на тихой воде и при волнении.

На практике данная технология проектирования (способ) реализована следующим образом.

Проведение модельных испытаний макетов буев-носителей автономных буйковых станций производилось в кольцевом гидродинамическом бассейне, имеющем следующие характеристики:

Диаметр кольцевого бассейна 40 метров, ширина 2 метра, полная высота канала 5,6 метра, допустимая высота воды в канале 3 метра. Заполнение канала осуществляется морской водой. Ветер создается вентиляторными установками на крыше гидродинамического бассейна. Скорость ветра, создаваемая системой вентиляторов, может достигать 19 метров в секунду, при этом длина волны может достигать 20 метров, а их высота 1,5 метра. Скорость течения 0,3÷0,5 м/с. Подробно технические характеристики гидродинамического бассейна приведены в работах [7,8].

При проведении модельных испытаний в канале в качестве критериев приняты и регистрировались следующие характеристики:

- собственная частота вертикальных и угловых колебаний;

- амплитуда колебаний моделей на волнении;

- усилия в гибкой связи (якорной линии).

Для проведения модельных испытаний в гидродинамическом бассейне при отработке данного способа проектирования буев-носителей было изготовлено 7 моделей, выполненных в масштабе 1÷10 из аллюминиевого сплава АМГ-6 и пенопласта ПС-1. Масштаб модели выбран по формуле:

где - масштабный коэффициент.

ДН, ДМ - характерные размеры натуры и модели. Средние скорости течений в океане имеют значения VН˜1÷2 м/с. При VН=1÷2 м/с и λ=10 расчет по формуле скорости течения при проведении эксперимента (1) дает результат VM=0,3÷0,6 м/с, что подтверждает возможность проведения эксперимента в данном гидродинамическом бассейне.

В процессе эксперимента проведено определение параметров поведения моделей на тихой воде и волнении.

Путем качания моделей на тихой воде определялись собственная частота вертикальных и угловых колебаний и определялся коэффициент демпфирования. Проводился замер скорости течения у поверхности воды и дна бассейна. С использованием специальных датчиков (динамометров) замерялись усилия в якорной цепи (Фиг.4).

Полученный в процессе эксперимента материал после предварительной обработки сведен в таблицы 1-5 и является основой для выбора конструкций носителей автономных буйковых станций, соответствующих техническому заданию на их проектированию.

При описании эксперимента применялись следующие обозначения и сокращения:

ЦТ - центр тяжести модели,

Xg - координата центра массы, измерялась от середины модели по длине до центра массы ( в нос или корму ),

Yg - координата центра массы, измерялась от середины модели по ширине до центра массы к бортам,

Zg- координата центра массы, измерялась от основной плоскости до центра массы,

ηт.в - величина вертикальных перемещений на тихой воде,

ϕт.в. - величина угловых перемещений на тихой воде,

ηi - величина вертикальных перемещений на волнении,

θi - величина угловых перемещений на волнении.

На Фиг.1, 2, 3 показаны модели 7 буев-носителей. На чертежах моделей 1,2,3,4 цифрами 1, 2 показаны габариты буев-носителей, цифрой 3 - общий вертикальный размер, а цифрой 5 - расстояние от центра тяжести до точки крепления якорной линии.

Аналогично на моделях 5, 6 цифрами 1, 2 показаны габариты буев-носителей, цифрой 3 - общий вертикальный, а цифрой 4 - горизонтальный размеры.

На модели 7 цифрами 1,2 показаны габариты буя-носителя, цифрой 3 - общий вертикальный размер, цифрой 5 - расстояние от центра тяжести до точки крепления якорной линии буя.

В таблице 1 приведены основные характеристики моделей.

С изготовленными макетами были проведены работы по статической и динамической тарировке, полученные результаты сведены в таблицу 2, где:

D0 - вес или весовое водоизмещение модели,

Т0 - начальная осадка модели,

Jy, Jx - моменты инерции массы модели относительно осей X, Y, проходящих через центр тяжести буя-носителя.

Моменты инерции массы моделей относительно осей X, Y определялись способом маятниковых колебаний с определением периода колебаний.

Момент инерции определяется по формуле:

где m - масса модели (кг),

l - длина подвеса (см),

Т - период угловых колебаний (с).

В процессе испытаний были определены собственные частоты вертикальных и угловых колебаний модели. Они проводились на тихой воде методом свободных колебаний. В качестве иллюстраций на Фиг.5 приведены графики угловых (график "5а") и вертикальных (график "5б") перемещений модели 1. Цифрами 11 на графиках обозначены периоды колебаний, а цифрами 12 - начало собственных колебаний.

По полученным кривым затухания колебаний были определены коэффициенты демпфирования νη и угловых ν0,νϕ колебаний

где ηi, ηi+1, θi, θi+1, ϕi, ϕi+1 - последовательные значения амплитуд соответственно вертикальных и угловых колебаний, снимаемых с кривых затухающих колебаний.

приращение амплитуд угловых (бортовых и килевых)колебаний соответственно.

Полученные значения периодов и частот собственных колебаний моделей и безразмерного коэффициента демпфирования приведены таблице 3.

При выборе конструкции буя-носителя автономных буйковых станций с появлением спутникового канала связи и спутниковой системы определения координат буйковых станций в качестве одного из основных критериев отбора используют минимальную величину произведения величин угловых и вертикальных колебаний, деленную на величину коэффициента демпфирования.

;

где α - критерий отбора;

Δθ, Δϕ - величины угловых и вертикальных перемещений;

ν - коэффициент демпфирования.

Модельный эксперимент по исследованию поведения моделей носителей автономных буйковых станций на волнении проводился по следующей методике.

Поочередно каждая модель крепилась с помощью гибкой нити (капроновый фал) к якорю, установленному на дне бассейна (Фиг.4.), где цифрой 6 - обозначена модель буя-носителя, цифрой 7 - датчик-динамометр, цифрой 8 - гибкая связь, цифрой 9 - дно бассейна, а цифрой 10 - донный груз. Для определения усилий, возникающих в якорной линии, в разрыв крепления якорной линии к бую крепился динамометр с тензометрическим датчиком. Измерение параметров волнения производилось высокоомным струнным волнографом, а скорость течения в бассейне регистрировалась механическим датчиком скорости и поплавками нейтральной плавучести.

Далее, гидродинамический бассейн заполнялся водой на высоту 2,15 м, устанавливался ветровой режим и через 20-25 минут при установившемся режиме волнения определялись параметры колебаний моделей и усилия в гибкой связи (якорной линии).

Поведение моделей регистрировалось видеокамерой. При обработке записей определялись текущие углы отклонений продольной оси моделей от вертикали и вертикальное перемещение плоскости ватерлинии относительно профиля волн. По полученным значениям параметров колебаний определялись их амплитуды (с учетом знака) за период волны и производилась их статистическая обработка, по результатам которой определялись средние величины угловых и вертикальных колебаний. Одновременно при проведении эксперимента регистрировались усилия в якорной линии.

Результаты измерения обработаны и получены спектральные характеристики волнения (Dξ - дисперсия колебаний, h3% - высота волн 3% обеспеченности, hω - средняя высота волн, ω - средняя частота волнения, ωmax - максимальная частота волнения, Tξ - средний период), которые приведены в таблице 4.

Параметры поведения моделей на волнении приведены в таблице 5, где θ0 - величина углов наклона оси модели от вертикали против направления движения волн, η - амплитуда заглубления плоскости ватерлинии макета под поверхностью воды в мм, - относительные значения усилий в якорной линии Т к весовому водоизмещению макета D0.

Результаты проведенных испытаний моделей автономных буйковых станций в гидродинамическом бассейне позволяют сделать следующие выводы.

Полученные значения параметров волнения подтвердили нерегулярный характер волнения в гидродинамическом бассейне. Числовые значения частот волнения находятся в пределах 0,6÷5,5 1/C, что в пересчете на натурные условия по принятым критериям подобия и масштабу моделирования соответствуют значению частот 0,18÷1,34 1/C. Частота волнения в море находится в пределах 0,26÷3,16 1/C [9]. Следовательно, спектр волнения в гидродинамическом бассейне уже спектра волнения, наблюдаемого в открытом море. Однако, если учесть, что основная часть энергии реального волнения в море заключается в областях частот 0,26÷2,2 1/C [9], то при масштабе моделирования М 1:10 частотный диапазон волнения в гидродинамическом бассейне близок к частотному диапазону волнения в открытом море.

Отсюда следует, что в гидродинамическом бассейне возможно получение качественной картины поведения моделей на волнении, близкой к натуральной при масштабе моделирования M 1:10.

Для данного набора макетов носителей автономных буйковых станций по полученным в результате эксперимента материалам отметим следующее.

Наибольшие собственные частоты угловых и вертикальных колебаний наблюдаются у моделей дискообразной формы, а наименьшие - у моделей цилиндрической формы.

Колебания носителей автономных буйковых станций на нерегулярном волнении носят нерегулярный характер. Наименьшие относительные (относительно профиля волны) вертикальные колебания имеют модели в форме диска (модели 1, 2, 3) и катамарана (модели 5, 6), а наибольшие модели цилиндрической формы без обтекателя (модель 7) и с обтекателем (модель 4).

Наименьшие угловые колебания имеет катамаран (модели 5, 6).

Все остальные модели имеют близкие между собой значения угловых колебаний, превосходящие в 3÷5 раз величины колебаний катамарана.

Усилия, возникающие в гибкой связи под действием волнения и течения, имеют сложный характер и зависят, в том числе, от весового водоизмещения и формы макета автономной буйковой станции.

Наименьшие относительные усилия T/D0 в гибкой связи, представляющие собой отношения усилия в якорной линии Т к весовому водоизмещению макета D0, наблюдаются у моделей 1, 4, 5.

Предварительный анализ всего комплекса материалов, полученных при модельных испытаниях буев-носителей автономных буйковых станций при ветровых и волновых нагрузках в гидродинамическом бассейне, позволяет сделать следующий вывод:

Модельные испытания макетов буев-носителей автономных буйковых станций в гидродинамическом бассейне по методике, предложенной в данном способе, то есть в условиях ветрового нерегулярного волнения и течения, позволяют получить их сравнительные гидродинамические характеристики и произвести на основании этого выбор варианта формы буя-носителя автономной буйковой станции, удовлетворяющего требованиям конкретного технического задания.

Таблица 1ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЕЙ№ моделиОписание модели носителя АВСРазмеры носителяКоординаты ЦТ, ммОсадка от ОП ммВес, кгL×B×H, ммОбщий весНосительПрибор отсекПолезный грузДругие деталиXqYqZq отОП1Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,333 и цилиндрическим приборным отсеком⊘330×1600078944,880,941,122,622Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,216, цилиндрическим приборным отсеком и подвесными элементами⊘370×31000591035,910,911,272,62(батареи) - 1,113Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,216 и удлиненным цилиндрическим приборным отсеком⊘370×310001552305,770,911,962,94Носитель крыльевой формы с цилиндрическим приборным отсеком250×125×310001132405,821,161,463,25Носитель-катамаран длиной 660 мм с надводным цилиндрическим приборным отсеком660×310×420-4060807,253,780,711,4Стабилизатор - 0,4 Батареи - 0,96Носитель-катамаран длиной 500 мм с надводным цилиндрическим приборным отсеком с обтекателем500×316×420270-10806,72,81,711,77Стабилизатор - 0,47Носитель цилиндрической формы⊘106×610002405154,742,842,841,9

Таблица 2Статическая и динамическая торировка моделей.№ моделиОписание моделиD0, кгКоординаты ЦТ, ммТ0, ммJх=Jy, кг·см3ХgYgZg1Носитель дисковой формы с цилиндрическим отсеком4,9007894712Носитель дисковой формы с коротким цилиндрическим отсеком5,9005910393,53Носитель дисковой формы с удлиненным цилиндрическим отсеком5,8001552301324Носитель обтекаемой формы с цилиндрическим отсеком5,800113240145,55Носитель-катамаран с цилиндрическим отсеком над водой7,25-406080137,56Носитель-катамаран с подводным цилиндрическим отсеком с обтекателем6,7270-108060,47Носитель цилиндрической формы4,700240515110

Таблица 3
ПАРАМЕТРЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ
№ МОДЕЛИВид колебанийПериод колебаний, Т, сЧастота колебаний, ω, рад/сКоэффициенты демпфированияνηθϕ1Вертикальные0,78,980,079Угловые0,62510,050,1662Вертикальные0,659,670,084Угловые0,87,850,1783Вертикальные0,7758,120,123Угловые0,78,980,2064Вертикальные1,34,830,061Угловые1,454,330,0255Вертикальные0,9256,790,093Угловые бортовые0,8757,180,185Угловые килевые1,06,280,0876Вертикальные0,9256,790,11Угловые бортовые1,05,280,191Угловые килевые0,87,850,0677Вертикальные1,3254,740,04Угловые4,01,570,085

Таблица 4СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛНЕНИЯ№ опытаСкорость ветра, м/сДисперсия волновых колебаний Dξ, ммСредняя частота волнения , с1max частота волнения ωmax, c1Средний период h3%,мм, ммПримечание (бальность в пересчете на натуру)17,574123,42,91,8454216629,5133273,22,52,06102886-7311,5442733,32,361,911005258414,5521005,12,51,21200570957,5116614,03,31,6570270669,5172923,22,52,06903347711,5339802,92,42,29704608814,5754305,12,41,21450685997,5201002,82,42,27503567109,5238203,02,52,180038571111,5244002,62,42,482039071214,5376803,43,11,910304858

Таблица 5ПАРАМЕТРЫ ПОВЕДЕНИЯ МОДЕЛЕЙ НА ВОЛНЕНИИ И ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УСИЛИЙ В ГИБКОЙ СВЯЗИ К ВЕСОВОМУ ВОДОИЗМЕЩЕНИЮТип моделиПараметры поведения модели на волненииОтносительные вертикальные и угловые колебания мм ммскорость ветра, м/сскорость ветра, м/сскорость ветра, м/сскорость ветра, м/сскорость ветра, м/с7,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.516664878578741151411016253061316210,30,50,81,12826911088695486105812,521,523877,5100,30,50,751,3379804193648581149131616211410,58150,851,41,82,241921--389021526712,520232579--0,450,650,750,852427257073891091774,554,55566,560,350,450,851,2676851197955901091224,564,56,54,55,554,50,81,00,951,3716---6411216419519222223-4,550,350,750,851,0

Литература

1. Г.О.Берто "Океанографические буи". Л.: Судостроение, стр.113-123, 1979 г.

2. Б.И.Шехватов "Океанографические буи и буйковые лаборатории. Проблемы исследования и освоения Мирового океана". Л.: Судостроение, стр.183-203, 1979 г.

3. Ленинградский ордена Ленина кораблестроительный институт (ЛКИ). Отчет по НИР "исследование возможности создания придонной океанографической станции". Ленинград, стр. 5-6, 1984 г.

4. Ленинградский ордена Ленина океанографический институт им. М.И.Калинина "Отчет по НИР. Тема №4222 " Буи для океанографических исследований", часть 1 "Поверхностные буи", стр.2-28, 1980.

5. Ленинградский политехнический институт. Отчет по НИР "Экспериментальные исследования подповерхностных океанографических буев". Ленинград, стр.6-17 1989 г.

6. Руководство по гидрологическим работам в океанах и морях. Л.: Гидрометеоиздат, стр.125-128, 1967 г.

7. Л.А.Коренева "Штормбассейн для гидрофизических исследований", Вестник АН СССР №10, стр.25, 1962 г.

8. Л.А.Коренева, В.П.Ливерди, Г.С.Князев, З.Б.Шепотина "Технические и режимные характеристики шторм-бассейна". Морские гидрофизические исследования №4 (54), стр.185-194, 1971 г.

9. "Ветер и волны в океанах и морях" Регистр СССР, стр.35. - Л.: Транспорт, 1974 г.

Похожие патенты RU2321519C2

название год авторы номер документа
ДРЕЙФУЮЩИЙ ПРИБОР 2001
  • Евтушенко Н.Ф.
  • Кулаков А.Ф.
  • Куликов А.Л.
  • Чечот О.К.
RU2214341C2
Океанографический буй 1983
  • Горбань Владимир Алексеевич
  • Петрухнов Анатолий Филиппович
  • Авраменко Петр Григорьевич
  • Салтанов Николай Васильевич
SU1102711A1
ЗАГЛУБЛЕННОЕ БУЙКОВОЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО 2003
  • Конев Ю.П.
  • Соколов В.Е.
  • Кокорин Ю.Я.
RU2241630C1
БУЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ ВОЛН 2011
  • Жильцов Николай Николаевич
  • Грязин Дмитрий Геннадьевич
  • Зеньков Андрей Федорович
  • Аносов Виктор Сергеевич
  • Чернявец Антон Владимирович
  • Чернявец Владимир Васильевич
RU2490679C1
Универсальный буй для экологического мониторинга водоемов 2022
  • Охрименко Сергей Николаевич
  • Охрименко Николай Сергеевич
  • Рубанов Игорь Лазаревич
RU2796989C1
БУЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКИХ ВЕТРОВЫХ ВОЛН 2014
  • Чернявец Владимир Васильевич
  • Аносов Виктор Сергеевич
  • Жильцов Николай Николаевич
  • Чернявец Антон Владимирович
  • Червякова Нина Владимировна
RU2561229C1
СПОСОБ КВАЗИОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗА ИЗМЕНЧИВОСТИ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ОКЕАНИЧЕСКОГО БАССЕЙНА 2006
  • Смирнов Геннадий Васильевич
RU2316794C1
Макет заякоренной системы 1986
  • Шамарин Юрий Евгеньевич
  • Букатова Светлана Сергеевна
  • Бевзенко Виктор Анатольевич
SU1357305A1
СКОРОСТНОЙ КАТАМАРАН 2011
  • Крыжевич Геннадий Брониславович
RU2463196C1
БУЙКОВАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 1995
  • Воронин Л.И.
  • Дорохин В.И.
  • Лобанов В.А.
  • Степанюк И.А.
RU2090431C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 321 519 C2

Реферат патента 2008 года СПОСОБ ВЫБОРА КОНСТРУКЦИИ БУЯ-НОСИТЕЛЯ АВТОНОМНОЙ БУЙКОВОЙ СТАНЦИИ, СООТВЕТСТВУЮЩЕГО ТЕХНИЧЕСКОМУ ЗАДАНИЮ НА ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Изобретение относится к носителям измерительной техники для исследования океана. Способ включает в себя изготовление серии макетов буев-носителей различных форм размером в 10 раз меньше относительно натуральных, помещение их в гидродинамический бассейн, всесторонние исследования гидродинамических характеристик, угловых и вертикальных колебаний макетов буев при ветровом и гидродинамическом возмущении. На основе анализа полученных технических характеристик макетов буев-носителей и используя в качестве критерия отбора минимальную величину произведения величин угловых и вертикальных перемещений, деленную на величину коэффициента демпфирования, выбирается форма буя-носителя автономной буйковой станции, соответствующая техническому заданию на его проектирование. Реализация способа позволит сократить время подбора формы буя-носителя, соответствующего техническому заданию на его проектирование. 5 ил., 5 табл.

Формула изобретения RU 2 321 519 C2

Способ выбора формы буя-носителя автономной буйковой станции, включающий в себя изготовление серии макетов буев-носителей различных форм размером в 10 раз меньше относительно натуральных, помещение их в гидродинамический бассейн, всесторонние исследования гидродинамических характеристик, угловых и вертикальных колебаний макетов буев при ветровом и гидродинамическом возмущении, отличающийся тем, что на основе анализа полученных технических характеристик макетов буев-носителей и используя в качестве критерия отбора минимальную величину произведения величин угловых и вертикальных перемещений, деленную на величину коэффициента демпфирования, выбирается форма буя-носителя автономной буйковой станции, соответствующая техническому заданию на его проектирование.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2321519C2

RU 2003105866 А, 20.11.2004
US 4729746 А, 08.03.1988
2002
RU2233093C2
Способ растачивания и обтачивания 1972
  • Бромберг Борис Моисеевич
SU489593A1

RU 2 321 519 C2

Авторы

Смирнов Геннадий Васильевич

Даты

2008-04-10Публикация

2006-03-16Подача