УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛЕЙ ПЛАВУЧИХ ИНЖЕНЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ, ОБОРУДОВАННЫХ ЯКОРНОЙ СИСТЕМОЙ УДЕРЖАНИЯ, И СПОСОБ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
DEVICE TO MEASURE INERTIA CHARACTERISTICS OF MODELS OF FLOATING ENGINEERING OBJECTS EQUIPPED WITH ANCHOR RETENTION SYSTEM AND METHOD OF THEIR DETECTION

Изобретение относится к области судостроения и касается экспериментальных методов определения моделей в опытовых и ледовых бассейнах при проведении испытаний заякоренных объектов, например, добычных платформ, предназначенных для проведения бурильных работ и добычи углеводородов на морском шельфе.
Известно использование разрезных моделей для определения усилий, действующих на различные участки корпуса модели, такие модели используются при изучении слеминга, распределения ледовой нагрузки по длине корпуса модели и в других случаях (В.О.Борусевич, А.А.Русецкий, И.А.Соловьев «Современные гидродинамические лаборатории», СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2008, 336 с.).
Недостатком традиционно применяемых в модельном эксперименте разрезных моделей является невозможность определения с их помощью инерционных характеристик исследуемых объектов.
Известны также способ испытаний модели морского инженерного сооружения в ледовом опытовом бассейне и устройство для его осуществления (О.Н.Беззубик и др. Патент №2279654. Опубл. 10.07.2006. Бюлл. №19), принятый за прототип. В известном способе используется модель заякоренного плавучего инженерного сооружения, при этом в тросовых линиях, моделирующих якорную систему удержания, установлены динамометры, с помощью которых измеряется натяжение в тросах. Кроме этого предусмотрено измерение перемещений в пространстве выбранной точки модели, а также измерение углов крена, дифферента и рыскания.
Недостатком прототипа является невозможность изучения с ее помощью инерционных характеристик изучаемой модели.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания устройства, позволяющего проводить непосредственные измерения силы инерции изучаемой модели и тем самым определять ее инерционные свойства, и способа определения инерционных характеристик модели, основанного на использовании предложенного устройства.
Для этого в устройстве для измерения инерционных характеристик моделей плавучих инженерных объектов, оборудованных якорной системой удержания, включающем испытуемую модель плавучего объекта, имитатор дна водоема, якорные связи, соединяющие модель с имитатором дна и оснащенные тросовыми динамометрами для измерения в них сил натяжения, и измеритель линейных и угловых перемещений выбранной точки испытуемой модели, по изобретению испытуемая модель выполнена состоящей из двух не равнозначных по массе частей, к одной из которых, имеющей массу, не превышающую 5% общей массы модели, прикреплены модельные якорные линии удержания и которая соединена с остальной частью модели через динамометр, предназначенный для измерения силы взаимодействия между этими частями.
В способе определения инерционных характеристик моделей плавучих инженерных объектов, оборудованных якорной системой удержания, включающем монтаж модели к имитатору дна водоема с помощью якорной системы удержания, измерение линейных и угловых перемещений выбранной точки модели, натяжения в связях якорной системы удержания с помощью тросовых динамометров и определение жесткостной характеристики связей, по изобретению испытания проводят на модели, состоящей из двух не равнозначных по массе частей, соединенных через динамометр между ними, к меньшей части из которых крепят якорные линии удержания. После монтажа модели к имитатору дна водоема измеряют углы подхода якорных линий к корпусу испытуемой модели при отсутствии внешней нагрузки, и в процессе проведения эксперимента измеряют с помощью динамометра усилие, возникающее между упомянутыми частями испытуемой модели, а в ходе обработки результатов эксперимента для каждого момента времени определяют мгновенные значения углов подхода модельных якорных линий к корпусу модели путем численного решения уравнений движения заякоренного объекта, используя информацию о пространственном перемещении модели и силе натяжения в связях уже под действием внешней нагрузки. Далее определяют суммарную силу, действующую на модель со стороны якорной системы удержания с использованием ее проекций на оси связанной с моделью системы координат, которые определяют на основании мгновенных значений углов притыкания якорной системы удержания, и после чего определяют расчетным путем инерционные характеристики модели как разность между соответствующими величинами, определенными по показаниям динамометра между частями испытуемой модели и величинами, рассчитанными как суммарная реакция якорных связей.
Исследуемая модель выполняется разрезной для того, чтобы разделить ее на две части, одна из которых полностью воспринимает внешнюю нагрузку и проявляет инерционные свойства, а другая, меньшая по массе, только воспринимает усилия, возникающие в якорной системе удержания. При этом необходимо следить за тем, чтобы масса меньшей по размеру части модели, связанной с якорной системой удержания, не превышала 5% от общей массы загруженной модели, включая присоединенные массы воды. При выполнении такого условия погрешность определения инерционных характеристик модели не превысит указанных 5%. Размещение динамометра между различными частями модели позволяет проводить непосредственное измерение суммарной величины внешней нагрузки и силы инерции.
При нестационарном движении заякоренного объекта баланс действующих на него сил описывается следующим векторным уравнением:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
,
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub></mrow>
где
- главный вектор внешних сил,
- вектор силы инерции модели,
- сила от якорной системы удержания.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>e</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>m</mi></msub></mrow>
В статическом случае главный вектор внешних сил
равен силе
от якорной системы удержания. В этом случае динамометр, установленный на модели, измеряет внешнюю глобальную нагрузку
Измерение углов наклона связей при отсутствии внешней нагрузки, моделирующих якорную систему удержания, выполняют для получения данных о начальном положении системы, которые необходимы для решения системы уравнений движения.
Постоянное измерение во время проведения эксперимента величины усилия, возникающего между различными частями модели, необходимо для регистрации суммарного значения внешней глобальной нагрузки и силы инерции модели. На основании анализа этих данных при обработке результатов экспериментов могут быть определены инерционные характеристики модели.
На основании выполненных во время проведения эксперимента измерений (линейных и угловых перемещений некоторой точки модели) путем решения системы уравнений движения объекта определяются мгновенные значения углов подхода модельных якорных линий к корпусу модели в каждый момент времени в течение эксперимента. Эти данные позволяют рассчитать величину проекций силы удержания якорной системы на координатные оси связанной с моделью системы координат.
Окончательно силы инерции модели рассчитываются по следующим формулам:
inx
x
mx
F=R-F,
iny
y
my
F=R-F,
x
y
mx
my
inx
iny
где R, R - проекции силы взаимодействия частей модели на оси связанной системы координат; F, F - проекции силы от якорной системы удержания на оси связанной системы координат; F, F - проекции силы инерции.
На фиг.1 показан пример результатов, полученных в эксперименте по пассивному повороту на 39º, выполненному в ледовом бассейне с чистой воды при взаимодействии с кромкой сплошного ледяного поля толщиной 27 мм при скорости дрейфа 0.05 м/с.
in
На фиг.2 показана определенная по формулам, представленным выше, величина действующей на модель инерционной силы F:
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.3, на которой показано устройство для определения инерционных характеристик модели.
Устройство для определения инерционных характеристик модели плавучих инженерных объектов состоит из двух частей 1 и 2. К части 1, меньшей по массе, прикреплены модельные якорные линии удержания 3, соединяющие испытуемую модель с имитатором дна 4 и оснащенные тросовыми динамометрами 5 для измерения в них сил натяжения (фиг.3). Линии удержания 3 имеют некоторый угол 6 подхода якорных линий удержания 3 к части 1 корпуса испытуемой модели, который может изменяться при действии внешней нагрузки. Части 1 и 2 модели связаны между собой через установленный между ними динамометр 7, измеряющий усилие, возникающее между упомянутыми частями испытуемой модели. Внешняя нагрузка на устройство задается, например, при взаимодействии с моделированным ледяным полем 8. На части 2 модели установлено устройство 9 для измерения линейных и угловых перемещений некоторой выбранной точки модели.
Предложенное устройство по изложенному способу определения инерционных характеристик моделей испытуемых инженерных объектов используется следующим образом.
При воздействии на испытуемую модель плавучего инженерного объекта внешней нагрузки, например, моделированного ледяного покрова 8, оно ускоренно перемещается в направлении действия нагрузки. Это движение сдерживается усилиями в якорных связях 3, которые фиксируются тросовыми динамометрами 5. Динамометр 7 измеряет величину усилия, возникающего между различными частями 1 и 2 испытуемой модели. С использованием полученных таким образом данных определяют инерционные характеристики испытуемой модели, рассчитывая их как разность между соответствующими величинами, определенными по показаниям динамометра 7 между частями 1 и 2 испытуемой модели, и величинами, рассчитанными как суммарная реакция якорных связей 3.
Предлагаемые устройство и способ обеспечивают возможность определения инерционных характеристик моделей плавучих инженерных объектов при проведении экспериментальных исследований в гидродинамических и ледовых бассейнах, что их выгодно отличает от прототипов.