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

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.

Д_Н, Д_М - характерные размеры натуры и модели. Средние скорости течений в океане имеют значения V_Н˜1÷2 м/с. При V_Н=1÷2 м/с и λ=10 расчет по формуле скорости течения при проведении эксперимента (1) дает результат V_M=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,

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

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

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

η_т.в - величина вертикальных перемещений на тихой воде,

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

η_i - величина вертикальных перемещений на волнении,

θ_i - 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,

J_y, J_x - 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 ν_η и угловых ν₀,_{νϕ колебаний}

где η_i, η_i+1, θ_i, θ_i+1, ϕ_i, ϕ_i+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 (D_ξ - дисперсия колебаний, h_3% - высота волн 3% обеспеченности, h_ω - средняя высота волн, ω - средняя частота волнения, ω_max - максимальная частота волнения, T_ξ - 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 детали X_qY_qZ_q отОП1Носитель дисковой формы с отношением Н₁/В=0,333 и цилиндрическим приборным отсеком⊘330×1600078944,880,941,122,62 2Носитель 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⊘370×310001552305,770,911,962,9 4Носитель крыльевой формы с цилиндрическим приборным отсеком250×125×310001132405,821,161,463,2 5Носитель-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, ммJ_х=J_y, кг·см³Х_gY_gZ_g1Носитель 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 демпфированияν_η2ν_θ2ν_ϕ1Вертикальные0,78,980,079  Угловые0,62510,05 0,166 2Вертикальные0,659,670,084  Угловые0,87,85 0,178 3Вертикальные0,7758,120,123  Угловые0,78,98 0,206 4Вертикальные1,34,830,061  Угловые1,454,33 0,025 5Вертикальные0,9256,790,093  Угловые бортовые0,8757,18 0,185 Угловые килевые1,06,28  0,0876Вертикальные0,9256,790,11  Угловые бортовые1,05,28 0,191 Угловые килевые0,87,85  0,0677Вертикальные1,3254,740,04  Угловые4,01,57 0,085 

Таблица 4СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛНЕНИЯ№ опытаСкорость ветра, м/сДисперсия волновых колебаний D_ξ, ммСредняя частота волнения , с¹max частота волнения ω_max, c¹Средний период h_3%,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/с 7,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.57,59,511,514.516664878578741151411016253061316210,30,50,81,12826911088695486105812,521,523877,5100,30,50,751,3379804193648581149131616211410,58150,851,41,82,241921--389021526712,520232579--0,450,650,750,852427257073891091774,554,55566,560,350,450,851,2676851197955901091224,564,56,54,55,554,50,81,00,951,3716---6411216419519222223-4,5 50,350,750,851,0                                          

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.

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.

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.