Способ проведения испытаний моделей судов в ледовом опытном бассейне Российский патент 2024 года по МПК B63B71/20 

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом. Известны способы испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом, заключающиеся в том, что слой воды в бассейне подвергающийся замораживанию модифицируется таким образом, что обеспечиваются некоторые условия моделирования, позволяющие пересчитать результат испытаний на натурное судно. В частности к таким способам относятся способ Лаврова [1], Шварца [2], Песчанского (А. с. № 441190, кл. В:№ В 9/02,1974). Слой замороженного льда на поверхности получается из воды, имеющей определенную соленость во всем объеме бассейна. Такой лед обладал пластичностью несоответствующей условиям моделирования. Для изменения свойств льда требовалось изменять соленость во всем бассейне, что обуславливало малую оперативность и большую трудоемкость. Поэтому испытания проводились при одной солености Намерзание слоя соленого льда на поверхности воды занимало от 10 до 20 часов.

Последующие исследователи использовали способы, основанные на модификации прочностных и упругих свойств только в зоне поверхностного слоя воды. С помощью различных добавок в воду (карбамид [3], этиленгликоль, алифатический детергент [4] и сахар [4] этанол [6], и др.) и при намораживании верхний слой модифицировался распылением или добавлением различных веществ, которые обеспечивали верхнему слою столбчатую или гранулированную структуру. Предложен также способ, основанный на комбинации в верхнем слое частиц пластика и микрочастиц стекла [7] Эти способы отличались технологической сложностью (обеспечение концентрации растворов и равномерность распыления) и требованиями к обеспечению условий испытаний (температура, влажность).

Как следует из приведенной ниже таблицы со списком авторов, предлагающих новые разновидности модельного льда их поиск является ло сих пор не до конца решенной технической задачей.

Близким аналогом является № 1071515 А, В 63 В 9/02 «Способ испытания моделей судов ледового плавания» в котором в воду добавляют измельченные частицы с положительной плавучестью и охлаждают полученную взвесь до образования ледового поля. Отличием здесь является то, что в воду добавляются частицы полиэтилена высокого давления, которые перемешиваются с водой,

Опыт применения этого способа показал, что полиэтиленовые частицы преимущественно округлой формы с примерным диаметром 4мм замораживаются только в верхней части слоя насыпки для соблюдения условий моделирования [8]. Таким образом, нижняя часть насыпанного слоя не связана с промороженным слоем. При ломке ледового поля происходит поворот отломленных секторов ледяного поля. Часть несвязанных частиц под действием гидродинамических сил обтекания поворачивающегося обломка остаются на месте или двигаются со скоростью меньшей чем обломок. Это явление приводит к искажению реальных сил инерции при взаимодействии корпуса модели судна с моделью ледового поля. Кроме этого, снос плавучих частиц из под поверхности сектора уменьшает его плавучесть по сравнению со сплошным сектором. Из-за этого реальная величина составляющей сопротивления притапливания обломков моделированного льда вокруг модели искажается.

Применение крупных сферических гранул, с намораживанием слоя льда на поверхности воды приводит к искажению физического процесса ломки модельного льда. При изгибе ледового поля с крупными сферическими гранулами происходит скольжение промороженного слоя по верхней сферической поверхности гранулы, и трещина разрушения проходит не нормально к ледовому слою, а под наклоном в районе контакта с поверхностью гранулы. Это обстоятельство приводит к тому, что момент облома ледяного блок затягивается, лед скользит по сферической поверхности, прежде чем происходит разрушение, а прогиб на момент облома значительно превышает, тот, который требуется их условий моделирования. Этот эффект аналогичен явлению пластичности, характерному для модельных льдов на основе соляных растворов.

Наиболее близким прототипом является евразийский патент №040813, В63В 71/20, 2021. «Способ испытания моделей судов ледового плавания».

Целью этого изобретения являлась повышение точности моделирования ледяного покрова путем приближения условий испытания к натурным условиям. .

Указанная цель достигалась тем, что в воду помещают частицы положительной плавучестью из полиэтилена высокого давления в виде усеченных конусов после чего производилось охлаждение поверхностного слоя воды до образования ледового поля, после чего определяют величину ледового сопротивления судна перемещая его модель по ледовому полю Диаметр широкого (верхнего) основания конуса зависит от масштаба модели судна ледового плавания. Высоту конуса рекомендовалось определять расчетным путем из условия плавания конусной частицы широким основанием вверх.

Несмотря на положительный эффект, прототип имеет ряд недостатков. Предлагаемая форма конуса, параметры которой задается формулой, обеспечивает плавание конической частицы в вертикальном (большим основанием конуса вверх) только при помещении конуса в воду вертикально. Однако, как показал опыт применения таких частиц, конус также устойчиво может плавать и на боку. Поэтому после засыпки частиц в воду в бассейне приходится поворачивать конусы так, чтобы ось конуса была вертикальной. Это сильно замедляет подготовку к проведению испытаний моделей судов ледового плавания. При отрицательной температуре воздуха на плавающих на боку конусах успевает нарасти лед и форма частицы после поворота искажается. Недостаток прототипа также состоит в том, что условие вертикального плавания конуса требует выполнение строго заданного формулой соотношения между высотой конуса и диаметром его большего основания. Для выполнения условий моделирования может требоваться больший диапазон изменения соотношения высоты конуса и диаметров его верхнего и нижнего основания.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости подготовки модельного льда путем придания полиэтиленовым частицам в виде усеченных конусов с положительной плавучестью способности занимать строго вертикальное положение при произвольном помещении их в воду, а также расширить диапазон соотношения между высотой усеченного конуса, диаметрами его большим и малого основания.

Технический результат достигается тем, что в способе испытания моделей судов ледового плавания, заключающемся в том, что в воду добавляют частицы полиэтилена высокого давления с положительной плавучестью в виде усеченных конусов с углом конусности не менее 1-2°, высотой Н, охлаждают поверхность воды до образования ледового поля и определяют величину ледового сопротивления , перемещая модель в ледовом поле, с целью уменьшение трудоемкости подготовки модельного льда путем придания полиэтиленовым частицам способности занимать строго вертикальное положение при произвольном помещении их в воду, а также расширить диапазон соотношения между высотой конуса, его диаметрами большего D и малого основания, в полиэтиленовых частицах по оси конуса от нижнего основания вверх выполняется глухое отверстие диаметром d₁ (путем сверления или при отливке конуса) которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла (стали, олова, свинца и пр.).Высота тяжелой пробки подбираются такой, что масса конусной полиэтиленовой частицы с отверстием и тяжелой пробкой равна массе такой же частицы без отверстия и пробки. Для этого высота тяжелой пробки определяется соотношением h₂=(ρ_п/ρ_гр)·H. (ρ_п – плотность полиэтилена, ρ_гр –плотность материала груза). Кроме этого, центр тяжести измененного описанным способом усеченного конуса располагается ниже центра приложения сил плавучести при соотношении d₁/D диаметра отверстия d₁ к диаметру верхнего основания конуса D: d₁/D>{[(1- ρ_п/ρ_в)(1- К₂/4К₁) К₁]/[3(1- К₂/4К₁)+ 3ρ_п /ρ_гр]}^1/2 (ρ_в– плотность воды).

Указанная цель достигается тем, что в воду помещают частицы положительной плавучестью из полиэтилена высокого давления в виде усеченных конусов и охлаждают поверхностный слой воды до образования ледового поля, после чего определяют величину ледового сопротивления судна перемещая его модель по ледовому полю. Данный способ отличается тем, что с целью обеспечения безусловного плавания осью конуса вертикально вверх в полиэтиленовых частицах по оси конуса от нижнего основания вверх выполняется глухое отверстие (путем сверления или при отливке конуса) которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла (стали, олова, свинца и пр.). Диаметр отверстия, его высота от основания масса пробки подбираются такими, что выполняются два условия. Первое состоит в том, что масса конусной полиэтиленовой частицы с отверстием и тяжелой пробкой равна массе такой же частицы без отверстия и пробки, т.е. средняя плотность объема усеченного конуса с отверстием и пробкой равна плотности полиэтилена, из которого изготавливается усеченный конус. Это условие обеспечивает физическую идентичность предлагаемой конструкции конуса конусу без отверстия и пробки. Второе условие состоит в том, что центр тяжести измененного описанным способом усеченного конуса располагается ниже центра приложения сил плавучести при вертикальном расположении конуса большим основанием вверх.

Изобретение поясняется чертежами, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частного случая выполнения:

На фиг. 1 вид А в плане ледяного поля из частиц в виде усеченных конусов с внутренними глухими отверстиями, заткнутыми пробками из тяжелого металла и поперечный разрез В-В ледяного поля.

На фиг. 2 схема (вид в плане) растрескивания льда между полиэтиленовыми частицами в виде усеченных конусов с внутренними отверстиями и зоны разрушения из-за потери адгезионной прочности

На фиг. 3 схема к определения высоты и диаметра внутреннего отверстия, а также высоты груза в виде пробки в усеченном конусе требуемых из условия вертикального плавания в воде.

Поверхность воды, как показано на фиг. 1, вид А, плотно заполняется полиэтиленовыми частицами 1 в форме усеченных конусов (сечение В-В). Между частицами при охлаждении нарастает поверхностный слой льда 2 толщиной h_ice. Внутри гранул выполнены отверстия 3 При изгибе ледового поля (сечение С-С, фиг.2) при действии сил Р вызванных изгибом, сплошность поля между частицами нарушается в следствие образования трещин 4 в ледяном слое и отрыва примерзшего льда от поверхности частиц в зоне 5 из-за превышения адгезионной прочности нормального отрыва. Наличие конусности позволяет избежать заклинивания частиц полиэтилена при их повороте, когда происходит разрушение ледяного поля изгибом. Уменьшение области, обеспечивающей прочность ледового поля за счет малого размера разрушаемых перемычек 4 и уменьшение прочности вследствие адгезии (0.19 МПа) в зоне 5 по сравнению с прочностью льда как материала (1.9 МПа для льда толщиной 4-10 мм [8]). Изменением толщины слоя льда h_ice возможно регулировать усилия прикладываемые со стороны испытываемой модели судна для разрушения модельного ледяного поля в соответствии-с условиями моделирования. Для поворота усеченного конуса при разрушении лда изгибом между частицами во избежание заклинивания, угол конусности α, показанный на фиг. 3 должен составлять α<(1°-1.5°). Допускаются меньшие значения конусности при изучении разрушения ледового поля преимущественно сдвигом

Схема ледяного поля, показанная на фиг1 и фиг.2 реализуется только при вертикальном направлении осей усеченных конусов. Для выполнения условий моделирования должно обеспечиваться вертикальное плавание полиэтиленовых частиц в виде усеченных конусов с отверстиями, закрытыми тяжелыми пробками, как показано на фиг.3, поз 6. При этом, должны выполняться два условия, упомянутые выше. Первое из них – средняя плотность конусовидной гранулы с отверстием и грузом должна быть одинаковой с гранулой без отверстия и без груза, что обеспечивает эквивалентность полиэтиленовых частиц в виде усеченных конусов. Масса гранулы без груза и отверстия М=V· ρ_п , где V- объем гранулы без отверстия V= πН⋅D²(1+k +k²)/12, ρ_п - плотность материала гранулы - полиэтилена высокого давления (ρ_п =0.92 – 0.93 г/см³), k=d/D; d-меньшее основание усеченного конуса. Масса гранулы с отверстием М₀=V₀ ρ_п =V ρ_п –(π d²₁/4) h₁ ρ_п, где d₁- диаметр вертикального отверстия, h₁ – высота вертикального отверстия. Требуемая масса дополнительного груза определиться из условия M₀ +m_гр=M следующим образом

m_гр=М-М₀= V· ρ_п- V· ρ_п+(π d²₁/4) h₁ ρ_п.= (π d²₁/4) h₁ ρ_п.

Так как груз имеет форму цилиндра и должен закрывать отверстие, его диаметр будет равен d₁. Высота груза h₂ будет зависеть от плотности материала груза ρ_гр. Желательно использовать металл с высокой плотностью (сталь, латунь, свинец и пр.). Тогда:

m_гр=(π d²₁/4) h₁ ρ_п.= (π d²₁/4) h₂ ρ_гр. Отсюда требуемая высота груза не зависит от диаметра отверстия и составит h₂=(ρ_п/ρ_гр)·h₁. Считая высоту отверстия близкой к высоте усеченного конуса: h₁≈Н ( см. фиг.3), получим h_гр=(ρ_п/ρ_гр)·H; например, для стального груза h_гр=0.118 Н . Таким образом будет выполняться первое условие, оно не зависит от диаметра внутреннего отверстия.

Второе условие состоит в том, что взаимное расположение центра тяжести гранулы z_g и центра приложения сил плавучести z_с таково, что гранула не может сохранять устойчивое горизонтальное положение оси конуса при плавании в воде. При этом сила плавучести Fc и сила тяжести Fg направлены в разные стороны так, что равновесие гранулы в воду возможно только при вертикальном положении оси усеченного конуса.

h_m = r_m –z_g+z_с > 0

Это условие выражается следующим образом (см. фиг.3): z_g< z_с. Аппликата z_c центра приложения сил плавучести усеченного конуса С определяется формулой:

z_c= Н⋅ρ_п/ρ_в [1-(1+2k+3k²)/4(1+k+k²)], где k=d/D; d-меньшее основание усеченного конуса. Для сокращения записи далее обозначим К₁=1+k +k²; К₂=1+2k+3k².

z_c= Н⋅ρ_п/ρ_в [1-K₂/(4K₁)],

Центр тяжести гранулы с отверстием и грузом находится через отношение суммы моментов масс к сумме масс. Аппликату центра тяжести усеченного конуса с отверстием z_g0 будем считать совпадающим с центром тяжести конуса без отверстия z_g0 =H[1-(К₂)/4(К₁)].

Масса усеченного конуса с отверстием составит:

М₀= π⋅ρ_пН D²К₁/12 – ρ_п (π⋅Н d₁²/4) = π⋅ ρ_п Н[D²К₁/12- d₁²/4];

Момент массы усеченного конуса с отверстием относительно нижнего основания имеет вид:

М₀·z_g0= π⋅ ρ_п Н²[D²(К₁)/12- d₁²/4]·[1- К₂/4К₁]

Момент массы груза m_гр·z_g1=(π d²₁/4) h₂ ρ_гр· h₂/2= (ρ_п /ρ_гр) Н² π d²₁/8;

Сумма этих моментов, отнесенная к массе гранулы М=π ρ_пН⋅D²К₁/12 дает аппликату центра тяжести массы гранулы с отверстием и грузом, вставленном в отверстие:

z_g=12Н{[D²К₁/12- d₁²/4]·[1-К₂/(4К₁)]+(ρ_гр/ ρ_п)d₁²/(8 ρ_п)}/(D²К₁);

Неравенство z_g< z_с. будет иметь вид:

12{[D²К₁/12-d₁²/4]·[1-К₂/(4К₁)]–d²₁/8+(ρ_гр/ ρ_п) d²₁/(8ρ_п)}/(D²К₁)<ρ_п/ρ_в[1-K₂/(4K₁)],

Разрешая неравенство, после несложных преобразований получим отношение диаметра отверстия d₁ к диаметру большего основания конуса D и, следовательно, диаметр груза, который необходимо вставить в отверстие для безусловно вертикального плавания полиэтиленовой гранулы в виде усеченного конуса:

d₁/D>{[(1- ρ_п/ρ_в)(1- К₂/4К₁) К₁]/[3(1- К₂/4К₁)+ 3ρ_п /ρ_гр]}^1/2

При этом нет требования к соотношению между высотой конуса Н и диаметром верхнего основания D, ограниченное у прототипа, что расширяет диапазон условий моделирования с применением конических гранул.

Способ испытания моделей судов ледового плавания реализуется следующим образом. Известным способом определяют количество частиц, необходимое для образования искусственного ледяного поля требуемой площади на свободной поверхности воды, Производят засыпание частиц произвольным образом и размещают их ровным слоем плотно по поверхности воды. Поверхность воды охлаждают до образования слоя льда между коническими частицами толщиной, заданной из условий моделирования. В результате получают искусственное ледяное поле. Измеряют прочность и упругость ледяного поля. Осуществляют движение модели, измеряют скорость движения, сопротивление, крен, дифферент, угловые скорости и т. п. После окончания движения измеряют толщину льда h_ice между усеченными конусами. Обломки убирают с водной поверхности и помещают в среду с положительной температурой. После полного таяния льда частицы используют в следующем опыте. Проводят пересчет ледового сопротивления модели на натурное судно и оценивают его ледопроходимость.

Применяют частицы полиэтилена высокого давления в виде усеченных конусов, у которого низкая адгезия со льдом, а плотность и коэффициент трения такие же как у натурного льда. Размер большего основания конуса может составлять от 10 до 40 мм в зависимости от масштаба испытываемой модели. Предел прочности и модуль упругости моделированного льда получают меньше, чем у натурного льда, из за нарушения и ослабления связей между кристаллами и льда частицами полиэтилена. Плотность и коэффициент трения моделированного льда такие же, как у натурного льда, так как в состав моделированного льда входят только твердые частицы полиэтилена и кристаллы натурного льда с одинаковыми плотностью и коэффициентом трения.

Прочность и упругость меняют за счет изменения толщины льда, намораживаемого между частицами. Большей толщине льда соответствует большая прочность и упругость искусственного ледяного поля. Охлаждение водной поверхности можно производить в специальном ледовом бассейне искусственным холодом или в открытом бассейне в зимнее время при отрицательной температуре. Таяние льда, находящегося в обломках после проведения опыта, можно осуществлять теплой водой или теплым воздухом (помещать обломки в помещение с положительной температурой). Предлагаемый способ испытания моделей судов ледового плавания в искусственном льду обеспечивает уменьшение трудоемкости при создании ледяного поля. При этом сохраняются все положительные качества прототипа: уменьшение предела прочности и модуля упругости ледяного поля в равной степени, что приводит к соблюдению подобия по прочности и упругости, осуществляется подобие и правильная оценка сил сопротивления разрушения льда, соблюдается геометрия образования трещин и геометрия в размере обломков. Этот способ также, как у прототипа обеспечивает соблюдение подобия по плотности и трению льда о корпус, что приводит к подобию и правильной оценке сил сопротивления движению в обломках. Обломки ледяного поля имеют подобную натурным массу и плавучесть благодаря объему конуса, находящимся под поверхностью воды. Диаметр D большего основания усеченных конусов выбирается из условия что приведенная толщина модельного льда соответствует толщине, требуемой для модельного ледяного поля из условий моделирования

Таким образом, сохраняется подобие и правильная оценка основных составляющих сил ледового сопротивления, получаемых с помощью прототипа рассматриваемого способа: простой пересчет результатов модельных испытаний на натурное судно.

Список литературы

1. Лавров В.В. Вопросы физики и механики льда . Труды ААНИИ 1962, т. 247

2. Schwarz J. Icebreaker trails around Spitsbergen / Schwarz J., Hoffman L. //IAHR Symposium on ice problems, proceeding part I / Lulea, Sweden, August. - 1978. - P. 1-15.

3. Narita S The model ice of the NNK ice model basin/S Narita , M. Inoue , S. Kishi// Proceeding LAHR Ice Symposium. Sapporo, Japan,1988.-Vol.1.-P. 782-892

4. Timco G.W. EG/AD/S F new type of model ice for refrigerated towing tanks / Timco G.W. // Cold Regions Science and Technology. - 1986. - Vol 2. - P. 175-195.

5. Timco G.W. The Mechanical and Morphological Properties pf Doped Ice / Timco G.W. // Proc. POAC. –P.719-739.

6. Li. Z. On the flexural strength of DUT-1 synthetic model ice / Li. Z. // Elsevier. - 2002. - Volume 35. - issue 2. - С. 67-72.

7. Beltaos S. A model material for river ice breakup studies / Beltaos S., Wong J., Moody W.J. // Proceedings IAHR Ice Symposium. / Espoo, Finland 1990. - Vol.1. - P.575 –585.

8. Беляков В.Б. Новая модель льда. В сб. «Вопросы теории прочности и проектирования судов ледового плавания.» Горьковский политехнический институт им. А.А. Жданова. 1984. С 48-52.

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам испытания моделей судов ледового плавания в бассейне с искусственным льдом. В воду помещают частицы положительной плавучестью из полиэтилена высокого давления в виде усеченных конусов и охлаждают поверхностный слой воды до образования ледового поля, после чего определяют величину ледового сопротивления судна перемещая его модель по ледовому полю. С целью обеспечения безусловного плавания осью конуса вертикально вверх в полиэтиленовых частицах по оси конуса от нижнего основания вверх выполняется глухое отверстие, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла. Диаметр отверстия, его высота от основания, масса пробки, подбираются такими, что выполняются два условия. Первое состоит в том, что масса конусной полиэтиленовой частицы с отверстием и тяжелой пробкой равна массе такой же частицы без отверстия и пробки, т.е. средняя плотность объема усеченного конуса с отверстием и пробкой равна плотности полиэтилена, из которого изготавливается усеченный конус. Это условие обеспечивает физическую идентичность предлагаемой конструкции конуса конусу без отверстия и пробки. Второе условие состоит в том, что центр тяжести измененного описанным способом усеченного конуса располагается ниже центра приложения сил плавучести при вертикальном расположении конуса большим основанием вверх. Достигается уменьшение трудоемкости подготовки модельного льда. 3 ил.

Способ испытания моделей судов ледового плавания, заключающийся в том, что в воду добавляют частицы полиэтилена высокого давления с положительной плавучестью в виде усеченных конусов с углом конусности не менее 1-2°, высотой Н, охлаждают поверхность воды до образования ледового поля и определяют величину ледового сопротивления, перемещая модель в ледовом поле, отличающийся тем, что с целью уменьшение трудоемкости подготовки модельного льда путем придания полиэтиленовым частицам способности занимать строго вертикальное положение при произвольном помещении их в воду, а также расширить диапазон соотношения между высотой конуса, его диаметрами большего D и малого основания, в полиэтиленовых частицах по оси конуса от нижнего основания вверх выполняется глухое отверстие диаметром d₁, которое в нижней части плотно закрывается цилиндрической пробкой из тяжелого металла, высота тяжелой пробки подбираются такой, что масса конусной полиэтиленовой частицы с отверстием и тяжелой пробкой равна массе такой же частицы без отверстия и пробки, для этого высота тяжелой пробки определяется соотношением h₂=(ρ_п/ρ_гр)H, где ρ_п – плотность полиэтилена, ρ_гр – плотность материала груза, кроме этого, центр тяжести измененного описанным способом усеченного конуса располагается ниже центра приложения сил плавучести при соотношении d₁/D диаметра отверстия d₁ к диаметру верхнего основания конуса D: d₁/D>{[(1-ρ_п/ρ_в)(1-К₂/4К₁) К₁]/[3(1-К₂/4К₁)+3ρ_п/ρ_гр]}^1/2, где ρ_в – плотность воды.