СПОСОБ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛЕЙ КОРПУСОВ СУДОВ
METHOD OF TESTING SHIP HULL MODELS

Изобретение относится к судостроению, в частности к экспериментальному определению характеристик остойчивости судов.
Известно устройство для определения присоединенных масс, моментов инерции и демпфирования моделей судов при их свободных колебаниях в жидкости, включающее модель судна (Патент РФ на изобретение №2425343, МПК G01М 1/16, опубл. 27.07.2011), устройство ее бифилярного подвеса к опорам, аппаратуру для измерения и записи ее свободных затухающих колебаний во времени, причем устройство бифилярного подвеса выполнено с возможностью изменения длины подвеса и расстояния между бифилярами, модель содержит устройства присоединения бифилярных подвесов к корпусу в продольном и поперечном направлениях с возможностью регулирования высоты закрепления на нем бифилярных подвесов на уровне высоты центра масс модели и выше его, а также имеет возможность приема дополнительного балласта (груза) сверх расчетной нагрузки, при этом устройство бифилярного подвеса модели устанавливается над гидролотком, в который опускается модель по расчетную ватерлинию, что позволяет определять присоединенные массы, моменты инерции и коэффициенты демпфирования на разных частотах и амплитудах колебаний.
Недостатком данного устройства является невозможность проведения испытаний моделей судов в условиях захвата волной носовой оконечности, так как данное устройство не позволяет прикладывать к палубе судна в носовой оконечности нагрузки, моделирующие гидродинамические силы, возникающие при обтекании носовой оконечности в процессе ее захвата волной. Это обусловлено тем обстоятельством, что место для приема груза расположено в районе миделевого сечения модели, а также тем, что для нагружения используются дополнительные (балластные) грузы, и смоделировать с их помощью гидродинамическое воздействие на палубу судна в носовой оконечности не представляется возможным.
В качестве ближайшего аналога принят способ контроля остойчивости судна путем проведения опыта кренования (Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий для судов. - Т. 3. - Ч. V. Техническое наблюдение за постройкой судов // Российский морской регистр судоходства - СПб., 2015. - С. 49-66), заключающийся в проведении серии последовательных перемещений на судне крен-балласта в поперечном направлении с целью создания ряда наклонений и измерения соответствующих углов крена.
Данный способ контроля остойчивости обладает существенным недостатком, заключающимся в невозможности исследования остойчивости судна в условиях захвата волной оконечности судна. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. Это обтекание неустойчиво, в результате равнодействующая сил может в любой момент сместиться в сторону от диаметральной плоскости и вызвать сильный крен или опрокидывание судна, а также разрушение его корпуса. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30].
Изобретение решает задачу определения остойчивости модели корпуса судна в момент захвата волной носовой оконечности судна за счет установки модели корпуса судна с дифферентом на нос, моделируя гидродинамические воздействия на носовую оконечность судна и вычисления поперечной метацентрической высоты модели корпуса судна при заданном угле дифферента.
Для получения необходимого технического результата в способе испытаний моделей корпусов судов на остойчивость, включающем проведение последовательных перемещений крен-балласта в поперечном направлении и измерение соответствующих углов крена, предлагается предварительно палубу в носовой оконечности модели корпуса судна условно поделить в продольном направлении на участки, после чего смоделировать захват волной заданного количества участков палубы, для чего прикладывать нагрузку в центре тяжести заданной части площади палубы для ее погружения, устанавливая модель корпуса судна с дифферентом на нос. По результатам замеров углов крена после перемещения крен-балласта предлагается определять абсолютную величину угла крена, которую следует использовать для вычисления начальной поперечной метацентрической высоты модели корпуса судна с установленным дифферентом, а по осредненному значению метацентрической высоты модели корпуса судна судить об изменении остойчивости судна при установленном угле дифферента при захвате волной носовой оконечности.
В предлагаемом способе при определении остойчивости модели корпуса судна с помощью системы нагружения к ее палубе в носовой оконечности прикладывается нагрузка, являющаяся равнодействующей, имитирующей гидродинамическое воздействие на носовую оконечность судна в условиях захвата волной, причем величина и место приложения нагрузки могут варьироваться.
На чертежах изображено:
на фиг. 1 - общий вид стенда для испытаний моделей корпусов судов;
на фиг. 2 - схема установки рамки на модель судна;
на фиг. 3 - схема приложения нагрузки к палубе модели судна;
на фиг. 4 - результаты испытаний модели корпуса судна согласно предлагаемому способу.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - модель корпуса судна;
2 - мачта с поперечной штангой;
3 - крен-балласт;
4 - вода;
5 - бассейн;
6 - рамка;
7 - неподвижные блоки;
8 - трос;
9 - динамометр;
10 - планка с отверстиями;
11 - линейка;
ψ - угол дифферента, градус;
k
h - начальная поперечная метацентрическая высота модели корпуса судна, соответствующая дифференту модели судна ψ=k°, см;
a, b, с, d, е - точки приложения нагрузки к палубе модели судна;
А-А, В-В, С-С, D-D, Е-Е - линии, отсекающие погруженную часть палубы при приложении нагрузки в точках a, b, c, d, e соответственно.
Конструкция стенда для испытаний моделей корпусов судов состоит из бассейна 5 с водой 4, куда помещается модель 1 корпуса судна, на которой установлена мачта 2 с поперечной штангой с крен-балластом 3. Нагрузка к носовой оконечности модели 1 корпуса судна прикладывается с помощью системы нагружения, состоящей из рамки 6, устанавливаемой на планку 10 с отверстиями, закрепленную на палубе модели 1, неподвижных блоков 7 и троса 8, величина нагрузки определяется динамометром 9.
k
i
пб
лб
i
i
пб
лб
Способ испытаний моделей корпусов судов осуществляется следующим образом. Для определения начальной поперечной метацентрической высоты судна в процессе захвата волной носовой оконечности создается дифферент модели 1 корпуса судна на нос с помощью системы нагружения, состоящей из рамки 6, которая установлена на планку 10 с отверстиями, закрепленную на палубе модели 1. Усилие на палубу модели 1 передается рамкой 6, на которую действует трос 8, направляемый через неподвижные блоки 7, причем сила натяжения троса контролируется динамометром 9. Такая система нагружения позволяет прикладывать к носовой оконечности нагрузку заданной величины в соответствующей точке приложения. Так, при погружении палубы модели 1 корпуса судна по линию А-А при моделировании захвата волной носовой оконечности можно считать, что центр давления гидродинамических сил будет находиться в центре тяжести погруженной площади палубы «а», куда и прикладывается нагрузка посредством рамки 6. Аналогично при погружении палубы по линию В-В центр тяжести погруженной площади палубы будет находиться в точке «b» и т.д. После установки модели 1 корпуса судна с некоторым углом дифферента ψ=k° при помощи системы нагружения, производится определение соответствующей начальной поперечной метацентрической высоты h, соответствующей данному дифференту. При этом посадка модели 1 судна контролируется по линейкам 11, установленным с правого и левого борта на носу, корме и на миделе. Для создания кренящего момента крен-балласт 3 левого или правого борта перемещается по поперечной штанге мачты 2 в сторону соответствующего борта на расстояние l. При этом снимаются показания с линеек 11 правого и левого бортов, соответственно, z и z, а также величины l. Далее крен-балласт 3 возвращается в первоначальное положение к диаметральной плоскости модели 1 судна, а после стабилизации положения модели 1 судна осуществляется перемещение крен-балласта 3 противоположного борта на величину l и запись отсчетов на линейках 11 правого и левого бортов, соответственно, z и z. Указанные выше действия повторяются несколько раз для уменьшения величины случайных погрешностей.
По результатам замеров определяется абсолютная величина угла крена модели 1 корпуса судна при переносе крен-балласта 3 с использованием зависимости
где  - показания, снятые с линеек 11 правого и левого борта при i-м переносе груза;
а
- расстояние между линейками 11 правого и левого борта.
ki
Значение начальной поперечной метацентрической высоты h для модели 1 корпуса судна, сидящей с некоторым углом дифферента ψ=k°, при каждом переносе крен-балласта 3 определяется по формуле
где m - масса переносимого крен-балласта 3;
М - водоизмещение модели 1 корпуса судна;
i
l - плечо переноса крен-балласта 3.
После проведения серии опытов полученное значение начальной поперечной метацентрической высоты модели 1 корпуса судна, имеющей угол дифферента ψ=k°, осредняется
где n - число опытов.
Результаты испытаний модели корпуса судна 1 по предлагаемому способу представлены на фиг. 4. Видно, что с увеличением угла дифферента в процессе захвата волной носовой оконечности поперечная метацентрическая высота модели корпуса судна 1 резко снижается.
Таким образом, предлагаемый способ испытаний моделей корпусов судов позволяет определять остойчивость модели корпуса судна в момент захвата волной носовой оконечности судна, когда модель корпуса судна устанавливается с определенным углом дифферента. Моделирование разных гидродинамических нагрузок, возникающих в момент захвата волной носовой оконечности, позволяет изменять угол дифферента модели корпуса судна, что расширяет возможности исследования возможных негативных последствий, которые могут произойти, таких, как опрокидывание судна.