Способ проведения испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне и устройство для испытаний на всплытие модели
METHOD FOR TESTING ASCEND OF SUBMERGED MARINE ENGINEERING STRUCTURE IN TEST ICE TOWING TANK AND DEVICE FOR TESTING MODEL ASCEND

Изобретение относится к области судостроения, а именно к экспериментальной гидромеханике, в частности к способам определения характеристик, например, моделей морских инженерных погруженных сооружений в опытовых бассейнах и устройствам, используемым в оборудовании бассейна. Изобретение может быть использовано, например, для имитации всплытия подводного объекта в ледовых условиях и определения характеристик всплытия, в том числе контактных усилий и поведения объекта при взаимодействии с ледяным покровом в процессе контакта и разрушения льда.
Известен «Способ проведения в опытовом бассейне испытаний моделей плавучих объектов с протяженными якорными системами удержания и устройство для его осуществления» (патент RU №2389996 С1, МПК В63В 9/02, G01M 10/00, опубл. 20.05.2010), согласно которому модель плавучего объекта крепят к основанию бассейна с помощью усеченных якорных связей, каждая из которых содержит гибкую линию с упругим элементом. Модель соединяют подвижно через свободно подвешенные к ее корпусу ролики, причем парным ветвям гибких линий связи придают различную жесткость, а концы ветвей закрепляют на основании бассейна в отстоящих друг от друга точках. Затем оказывают на модель внешние волновые воздействия и регистрируют параметры эксперимента.
Недостаток этого способа заключается в том, что он не позволяет осуществить испытания с имитацией ледовых условий, т.е. при наличии ледяного поля на поверхности моря.
Второй недостаток способа заключается в том, что испытуемую модель прикрепляют к дну бассейна без возможности ее вертикального перемещения - всплытия.
Известен «Способ испытаний модели морского инженерного сооружения в ледовом опытовом бассейне и устройство для его осуществления» (см. патент RU 2279654 C1, МПК G01M 10/00, опубл. 10.07.2006), заключающийся в том, что модель закрепляют на динамометре в канале опытового бассейна, намораживают ледовое поле или готовят торосистое образование из обломков льда, надвигают с помощью бульдозера буксировочной тележки полученное ледовое образование на испытуемую модель и измеряют действующие на модель глобальные силы и моменты, предварительно модель выполняют динамически подобной морскому инженерному сооружению по массогабаритным характеристикам, положению центра тяжести и моментам инерции относительно осей X, Y, Z модели, перед испытаниями модель сооружения снабжают якорной системой удержания, закрепление модели в канале опытового бассейна осуществляют через оборудованные динамометрами силы натяжения якорные связи, которые выбирают динамически подобными натурному объекту, для чего предварительно определяют и подбирают на специальном стенде жесткостные характеристики упомянутых якорных связей, и в процессе надвигания на испытуемую модель ледового образования измеряют угловые и линейные перемещения модели и в якорных связях - усилия натяжения, а глобальные силы и моменты, действующие на модель, определяют расчетным путем. Этот способ выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Недостаток способа, выбранного как наиболее близкий аналог, заключается в том, что в процессе проведения испытаний не предусматривают возможность вертикального перемещения - всплытия испытуемой модели судна с заданной глубины до контакта с ледяным полем, т.е. не достигается основная цель испытаний.
Известно устройство, описанное в патенте RU №2389996 (МПК В63В 9/02, G01M 10/00, опубл. 20.05.2010) «Способ проведения в опытовом бассейне испытаний моделей плавучих объектов с протяженными якорными системами удержания и устройство для его осуществления», содержащее якорные связи, выполненные в виде гибких линий связи. Между ветвями якорных связей помещены установленные на модели ролики, которые прикреплены к ее корпусу преимущественно на гибкой линии связи. При этом вторые ветви гибких линий связи также оснащены упругим элементом, причем упругие элементы парных ветвей гибких линий связи имеют различную жесткость, а другой конец ветвей указанных гибких линий связи прикреплен к основанию бассейна в соответствующей точке, отстоящей от точки закрепления их первого конца.
Недостаток этого устройства заключается в том, что оно не приспособлено для проведения испытаний с имитацией ледовых условий, а также в том, что испытуемая модель не способна перемещаться в вертикальном направлении.
Устройство для осуществления способа - наиболее близкого аналога, описанное в патенте RU 2279654 (МПК G01M 10/00, опубл. 10.07.2006), содержит канал, заполненный водой, на поверхности которой образовано ледовое поле, буксировочную тележку, оборудованную бульдозером для перемещения ледового поля, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру, модель снабжена якорными связями, с помощью которых она закреплена на ферме с вертикальными стойками, а вертикальные стойки снабжены блоками и устройствами их крепления с возможностью смещения их по высоте вдоль стоек и фиксации в заданном положении, а модель оборудована датчиками ее угловых и линейных перемещений в направлении трех координатных осей, выходы динамометров, датчиков угловых и линейных перемещений модели соединены с входом ЭВМ.
Недостатком данного устройства является невозможность вертикального всплытия испытуемой модели с заданной глубины до контакта с ледяным покровом в процессе проведения испытаний, и, соответственно, отсутствует возможность провести испытания на основе вертикального перемещения модели многократно.
В процессе проведенного патентного поиска и информационных исследований не выявлены другие способы и устройства для осуществления испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне, позволяющие провести многократные испытания на основе вертикального перемещения модели с заданной глубины бассейна до контакта с нижней поверхностью ледяного поля и определить характеристики деформации ледяного поля.
Задача предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности испытаний на вертикальное всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне и в создании новой конструкции устройства, позволяющих проводить многократные испытания на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения с возможностью вертикального перемещения в ледовом опытовом бассейне.
Для решения поставленной задачи предлагается способ испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне, который позволяет устранить недостатки наиболее близкого аналога и обеспечить следующий технический результат:
- проведение модельных испытаний морского инженерного погруженного сооружения на всплытие в ледовом опытовом бассейне путем реализации вертикального перемещения модели с заданной глубины и с заданной скоростью, обеспечив при этом достижение достоверных результатов по определению величин параметров ускорения и скорости всплытия сооружения, усилия при контакте с ледяным полем и характеристики деформации ледяного поля
- осуществление многократных испытаний в одном экспериментальном ледяном поле, изготовленном в ледовом бассейне.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается способ испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне, заключающийся в том, что намораживают ледяное поле, надвигают его в рабочую зону проведения испытаний, а модель предварительно выполняют динамически подобной морскому инженерному сооружению.
В отличие от наиболее близкого аналога перед испытаниями модель помещают на свободной ото льда поверхности бассейна, соединяют ее с тросовой системой.
При этом устройство для испытаний модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне выполнено в виде тросовой системы из двух независимо управляемых ветвей: затяжной и удерживающей.
Первая - затяжная ветвь предназначена для обеспечения погружения и всплытия модели при заданных дифференте и величине плавучести модели и состоит из тянущего троса, пропущенного через направляющую, выполненную, например, в виде ролика и жестко закрепленную на плавучей площадке. Один конец тянущего троса соединен с зажимом, который выполнен с возможностью скольжения по контактному тросу, концы которого закреплены за килевую часть модели. Для удобства применяется вариант, при котором на днищевой части модели установлена продольная крепежная килевая рейка для закрепления концов контактного троса. Второй конец тянущего троса соединен через полиспаст, имеющий по меньшей мере две направляющие с противовесом. Противовес выполнен с возможностью регулировки веса груза для установки заданной плавучести модели перед всплытием.
Вторая - удерживающая ветвь - предназначена для установки и удержания модели на заданной начальной глубине с возможностью варьирования указанной начальной глубины. Ветвь состоит из затяжного троса, пропущенного через одну, по меньшей мере, направляющую, жестко закрепленную на дне бассейна, один конец затяжного троса закреплен на плавучей площадке, а второй конец соединен с лебедкой.
С помощью удерживающей ветви тросовой системы погружают плавучую площадку и удерживают её на необходимой глубине, а с помощью затяжной ветви модель погружают на заданную глубину, определяемую глубиной погружения плавучей площадки, путем укладки груза (превышающего по весу плавучесть модели) на противовес. Затем над моделью надвигают ледяное поле. Далее создают заданную величину плавучести модели путем снятия расчетной части груза с противовеса и тем самым обеспечивают всплытие модели до контакта с нижней поверхностью ледяного поля. При всплытии модели поддерживают заданную величину ее дифферента путем выбора точки закрепления по длине модели с затяжной ветвью тросовой системы. В процессе всплытия модели регистрируют величины параметров ускорения и скорости всплытия модели, усилия при контакте модели с ледяным полем и характеристики деформации ледяного поля. Испытания модели многократно повторяют, надвигая ледяное поле над моделью до исчерпания рабочей части ледяного поля.
Существенность отличий в части предлагаемого устройства от наиболее близкого аналога определяется новой конструкцией тросовой системы, которая перемещает модель по вертикали, достигая, с одной стороны, способности вертикальных погружения и всплытия модели, и, с другой стороны, возможности неоднократно повторять эксперимент за счет перемещения ледяного поля неповрежденным участком над погруженной моделью для последующего испытательного всплытия.
Таким образом, предложенный способ испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне с использованием предложенного устройства позволяет обеспечить достижение указанного технического результата, а именно:
- достижение достоверных результатов при проведении модельных испытаний морского инженерного погруженного сооружения на всплытие в ледовом опытовом бассейне путем реализации вертикального перемещения модели с заданной глубины и с заданной скоростью,
- осуществление многократных испытаний в одном экспериментальном ледяном поле.
Сущность заявленного изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором показан ледовый опытовый бассейн (в разрезе), в которой проводятся испытания на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения. Ледовый опытовый бассейн содержит канал 1, заполненный водой, на поверхности которой образовано ледяное поле 2. Устройство включает модель 3 и тросовую систему. Тросовая система выполнена в виде двух независимых (отдельно управляемых) ветвей: удерживающей и затяжной. Удерживающая ветвь состоит из тянущего троса 4, пропущенного через направляющую 5, выполненную, например, в виде ролика и жестко закрепленную на плавучей площадке 6. Один конец тянущего троса 4 соединен с зажимом 7, который выполнен с возможностью скольжения по контактному тросу 8, концы которого закреплены за килевую часть модели 3. Второй конец тянущего троса 4 соединен через, например, две направляющие 9 и 10 с противовесом 11, который выполнен с возможностью регулировки веса груза 12.
Затяжная ветвь тросовой системы предназначена для установки и удержания модели 3 на заданной глубине перед всплытием и состоит из затяжного троса 13, пропущенного по меньшей мере через одну направляющую 14, жестко закрепленную на дне канала 1. Один конец затяжного троса 13 закреплен на плавучей площадке 6, а второй конец соединен по меньшей мере через одну направляющую 14 с лебедкой 15.
Для удобства проведения испытаний на модели 3 установлена крепежная килевая рейка 16 для закрепления концов контактного троса 8 при проведении очередной серии испытаний, а также дифферентовочный груз 17, закрепленный на корме модели 3 для регулировки заданного дифферента модели 3 при контакте ограждения рубки 18 с ледяным полем 2 в зависимости от выбранных точек закрепления контактного троса 8 и положения зажима 7. Кроме того, модель 3 оборудована динамометрической и регистрирующей аппаратурой (на чертеже не показана), соединенной кабелем 19 с ЭВМ.
Способ испытаний на всплытие модели морского инженерного погруженного сооружения в ледовом опытовом бассейне и работа предлагаемого устройства осуществляются следующим образом.
В канале 1 ледового опытового бассейна намораживают ледяное поле 2, надвигают его в рабочую зону проведения испытаний канала 1. Предварительно модель 3 выполняют динамически подобной морскому инженерному сооружению. Перед испытаниями модель 3 помещают на свободной ото льда поверхности канала 1 бассейна, при этом кабель 19 динамометрической и регистрирующей аппаратуры соединен с ЭВМ.
Модель 3 соединяют с затяжной ветвью тросовой системы.
В исходном положении перед началом серии опытов по всплытию модели 3 тянущий трос 4 затяжной ветви тросовой системы через направляющую 5 закреплен на контактном тросе 8 через зажим 7, а контактный трос 8 закреплен на модели 3 через крепежную килевую рейку 16. Груз 12 на противовесе 11 отсутствует, при этом тянущий трос 4 и контактный трос 8 полностью ослаблены. С помощью удерживающей ветви тросовой системы погружают и удерживают плавучую площадку 6 на необходимой глубине следующим образом: затяжной трос 13 с помощью лебедки 15 через направляющие 14 выбирают на длину, обеспечивающую погружение плавучей площадки 6 на заданную глубину, измеряемую от поверхности воды в канале 1.
Затем с помощью затяжной ветви модель 3 погружают на заданную глубину путем укладки на противовес 11 груза 12 с весом, превышающим положительную плавучесть модели 3 в погруженном положении. В результате модель 3 погружают до глубины, соответствующей контакту зажима 7 с плавучей площадкой 6. Затем надвигают ледяное поле 2 так, чтобы оно встало над погруженной моделью 3. Создают заданную величину плавучести модели 3 путем снятия расчетной части груза 12 с противовеса 11, обеспечивая всплытие модели 3 до контакта с нижней поверхностью ледяного поля 2. При всплытии модели 3 поддерживают заданную величину ее дифферента путем выбора точки закрепления по длине модели 3 с затяжной ветвью тросовой системы. При этом регистрируют величины параметров ускорения и скорости всплытия, усилия при контакте модели 3 с ледяным полем 2 и характеристики деформации ледяного поля 2. Регистрируемые параметры передают в ЭВМ по кабелю 19. После чего испытания модели 3 многократно повторяют, надвигая ледяное поле 2 неповрежденной частью над моделью 3, до исчерпания всей рабочей части ледяного поля 2.
Таким образом, рассмотренный способ позволяет производить испытания по вертикальному всплытию модели морского инженерного погруженного сооружения из-подо льда в ледовом бассейне при наличии сплошного ледяного поля на поверхности канала, что не обеспечивает способ - наиболее близкий аналог. Кроме того, предложенное изобретение обеспечивает многократное выполнение эксперимента в одном ледяном поле путем его надвижки. При этом предложенное устройство обеспечивает погружение и всплытие модели при заданных дифференте и величине плавучести модели, а также достигаются установка модели на заданной по условиям эксперимента глубине и удержание её на этой глубине до команды на начало всплытия. Использование противовеса с переменными грузами, входящего в удерживающую ветвь тросовой системы, обеспечивает создание заданной плавучести модели, а комбинация зажима, перемещаемого на контактном тросе с килевой рейкой для закрепления контактного троса на модели, позволяет задать необходимый по условиям эксперимента начальный дифферент модели перед началом всплытия независимо от величины заданной плавучести модели.