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.

 

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,ν_ϕ 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 1
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛЕЙ
№ модели	Описание модели носителя АВС	Размеры носителя	Координаты ЦТ, мм	Осадка от ОП мм	Вес, кг
		L×B×H, мм	Общий вес		Носитель	Прибор отсек	Полезный груз	Другие детали
	Xq	Yq	Zq отОП
1	Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,333 и цилиндрическим приборным отсеком	⊘330×160	0	0	78	94	4,88	0,94	1,12	2,62
2	Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,216, цилиндрическим приборным отсеком и подвесными элементами	⊘370×310	0	0	59	103	5,91	0,91	1,27	2,62	(батареи) - 1,11
3	Носитель дисковой формы с отношением Н1/В=0,216 и удлиненным цилиндрическим приборным отсеком	⊘370×310	0	0	155	230	5,77	0,91	1,96	2,9
4	Носитель крыльевой формы с цилиндрическим приборным отсеком	250×125×310	0	0	113	240	5,82	1,16	1,46	3,2
5	Носитель-катамаран длиной 660 мм с надводным цилиндрическим приборным отсеком	660×310×420	-4	0	60	80	7,25	3,78	0,71	1,4	Стабилизатор - 0,4 Батареи - 0,9
6	Носитель-катамаран длиной 500 мм с надводным цилиндрическим приборным отсеком с обтекателем	500×316×420	27	0	-10	80	6,7	2,8	1,71	1,77	Стабилизатор - 0,4
7	Носитель цилиндрической формы	⊘106×610	0	0	240	515	4,74	2,84	2,84	1,9

Таблица 2
Статическая и динамическая торировка моделей.
№ модели	Описание модели	D0, кг	Координаты ЦТ, мм	Т0, мм	Jх=Jy, кг·см3
Хg	Yg	Zg
1	Носитель дисковой формы с цилиндрическим отсеком	4,9	0	0	78	94	71
2	Носитель дисковой формы с коротким цилиндрическим отсеком	5,9	0	0	59	103	93,5
3	Носитель дисковой формы с удлиненным цилиндрическим отсеком	5,8	0	0	155	230	132
4	Носитель обтекаемой формы с цилиндрическим отсеком	5,8	0	0	113	240	145,5
5	Носитель-катамаран с цилиндрическим отсеком над водой	7,25	-4	0	60	80	137,5
6	Носитель-катамаран с подводным цилиндрическим отсеком с обтекателем	6,7	27	0	-10	80	60,4
7	Носитель цилиндрической формы	4,7	0	0	240	515	110

Таблица 3 ПАРАМЕТРЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ И КОЭФФИЦИЕНТЫ ДЕМПФИРОВАНИЯ
№ МОДЕЛИ	Вид колебаний	Период колебаний, Т, с	Частота колебаний, ω, рад/с	Коэффициенты демпфирования
νη	2νθ	2νϕ
1	Вертикальные	0,7	8,98	0,079
Угловые	0,625	10,05		0,166
2	Вертикальные	0,65	9,67	0,084
Угловые	0,8	7,85		0,178
3	Вертикальные	0,775	8,12	0,123
Угловые	0,7	8,98		0,206
4	Вертикальные	1,3	4,83	0,061
Угловые	1,45	4,33		0,025
5	Вертикальные	0,925	6,79	0,093
	Угловые бортовые	0,875	7,18		0,185
Угловые килевые	1,0	6,28			0,087
6	Вертикальные	0,925	6,79	0,11
	Угловые бортовые	1,0	5,28		0,191
Угловые килевые	0,8	7,85			0,067
7	Вертикальные	1,325	4,74	0,04
Угловые	4,0	1,57		0,085

Таблица 4
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛНЕНИЯ
№ опыта	Скорость ветра, м/с	Дисперсия волновых колебаний Dξ, мм	Средняя частота волнения , с1	max частота волнения ωmax, c1	Средний период	h3%,мм	, мм	Примечание (бальность в пересчете на натуру)
1	7,5	7412	3,4	2,9	1,8	454	216	6
2	9,5	13327	3,2	2,5	2,0	610	288	6-7
3	11,5	44273	3,3	2,36	1,9	1100	525	8
4	14,5	52100	5,1	2,5	1,2	1200	570	9
5	7,5	11661	4,0	3,3	1,6	570	270	6
6	9,5	17292	3,2	2,5	2,0	690	334	7
7	11,5	33980	2,9	2,4	2,2	970	460	8
8	14,5	75430	5,1	2,4	1,2	1450	685	9
9	7,5	20100	2,8	2,4	2,2	750	356	7
10	9,5	23820	3,0	2,5	2,1	800	385	7
11	11,5	24400	2,6	2,4	2,4	820	390	7
12	14,5	37680	3,4	3,1	1,9	1030	485	8

Таблица 5
ПАРАМЕТРЫ ПОВЕДЕНИЯ МОДЕЛЕЙ НА ВОЛНЕНИИ И ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ УСИЛИЙ В ГИБКОЙ СВЯЗИ К ВЕСОВОМУ ВОДОИЗМЕЩЕНИЮ
Тип модели	Параметры поведения модели на волнении
Относительные вертикальные и угловые колебания
	мм	мм
скорость ветра, м/с	скорость ветра, м/с	скорость ветра, м/с	скорость ветра, м/с	скорость ветра, м/с
	7,5	9,5	11,5	14.5	7,5	9,5	11,5	14.5	7,5	9,5	11,5	14.5	7,5	9,5	11,5	14.5	7,5	9,5	11,5	14.5
1	66	64	87	85	78	74	115	141	10	16	25	30	6	13	16	21	0,3	0,5	0,8	1,1
2	82	69	110	88	69	54	86	105	8	12,5	21,5	23	8	7	7,5	10	0,3	0,5	0,75	1,3
3	79	80	41	93	64	85	81	149	13	16	16	21	14	10,5	8	15	0,85	1,4	1,8	2,2
4	19	21	-	-	38	90	215	267	12,5	20	23	25	7	9	-	-	0,45	0,65	0,75	0,8
5	24	27	25	70	73	89	109	177	4,5	5	4,5	5	5	6	6,5	6	0,35	0,45	0,85	1,2
6	76	85	119	79	55	90	109	122	4,5	6	4,5	6,5	4,5	5,5	5	4,5	0,8	1,0	0,95	1,3
7	16	-	-	-	64	112	164	195	19	22	22	23	-	4,5		5	0,35	0,75	0,85	1,0

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.

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.