Устройство за принудени вертикални колебания на корабни модели на тиха вода

Стойко Петков Горанов*

*Технически университет – Варна, 9000 Варна, България, ул. “Студентска” № 1

Резюме. В доклада се предлага схема и устройство за създаване на вертикални и килеви колебания на корабни модели. Устройството се намира в модела

Ключови думи: Вертикални колебания, килеви колебания, вибратор с определена честота

УВОД

В настоящия момент хидродинамичните коефициенти при вертикално колебание както на модели, така и на действиелни кораби се определят след обработка на записите на затихващите колебания на тиха вода. Определените по този начин коефициенти се използват за изчисляване на вертикалното колебание. Такъв подход, независимо че е много разпространен, е неправилен и не отразява истинския характер на съпротивлението при колебание на вълнение.

Колебанията на кораба, извършвани на тиха вода вследствие начално смущение се наричат свободни, за разлика от принудените, извършвани под непрекъснато действие на смущаващи сили. На тиха вода могат да се наблюдават само основните видове колебания – бордово, килево и вертикално. По долу се разглеждат по-подробно свободни вертикални колебания на кораба на тиха вода. Диферинциалното уравнение за този вид колебание има вида:

(1)

където:

D- тегловно водоизместване на кораба

μ₃₃- коефициент на демпфиране

А- площ на товарната водолиния

Аx_F- статичен момент на площта на товарната водолиния

х_F- разстояние от центъра на тежестта на площта на товарната водолиния до центъра на тежест на кораба

ζ_g- координата на центъра на тежест на кораба

За опростяване на анализите се приема, че не се отчита съпротивлението и асиметрията спрямо равнината на мидела. При направените предположения,може да се запише:

(2)

Необходимото условие да съществува вертикално колебание на тиха вода самостоятелно е центъра на тежестта на кораба да лежи на една вертикала с центъра на тежестта на площта на товарната водолиния и на тази вертикала трябва да се намира центъра на инерция на присъединената маса вода. Това условие се изпълнява в случай на симетрия на кораба спрямо координатната равнина yGz, което е възможно в редки случаи, поради което верикалните колебания се съпровождат обикновено с килеви.

За решението на (2) можем да запишем:

(3)

Разделяйки (2) на коефициентите пред вората производна, се въвежда понятието честота на свободните верикални колебания:

(4)

Периодът на тези колебания е:

(5)

Безспорно достойнство на хидродинамичната теория за изучаване на колебанията на кораба е доказването първо на зависимостта на хидродинамичните характеристики (присъединени маси и коефициенти на демпфиране) от честотата на колебание и второ, че корабите на вълнение се намират непрекъснато под действието на смущаващия момент и следователно изпитват принудени колебания. При обработването на записите от затихващите колебания съществува непрекъснато намаляване на амплитудите и не е определено кое от отклонението трябва да се приеме за разчетно. Следователно е по-правилно да се изследват принудените колебания на тиха вода, а след това да се премине към изследване на колебанията на вълнение. Моделните експирименти за оценка на хидродинамичните характеристики при колебания на кораба се извършват или при въздействие върху модела на произведени от вълнопродуктор вълни, или на тиха вода с помощта на разклащащи устройства, които могат да бъдат разположени както извън модела така и на самия модел. В практиката на опитните басейни съществуват различни устройства- възбудители на принудени колебания. Устройството за принудени вертикални колебания на корабни модели, монтажната схема на който е показана на фиг.1, се отнася към устройствата, разположени в модела и се премества заедно с него.

При пускане в действие на двигателя 2, посредством вала 3, се придава въртеливо движение на ексцентриците 4, чрез което се възбуждат вертикални колебания на модела. За да се предадат те на модела, възбудителят на колебания се закрепва неподвижно за корабния модел на една вертикала с ЦТ на площта на водолинията.

При разнопосочно закрепване на ексцентриците и същата схема на действие, ще се възбудят килеви колебания на модела, кaкато е показано на фиг.2.

Условието, което е необходимо за да се извършат необходимите принудени колебания, е силата Р която се прилага върху корабния модел, посредством възбудителя, да е по-голяма от поддържащата сила на водата γА (фиг.3).

Необходимата сила Р може да се намери по следния начин:

Амплитудата F на циклична сила от двата маховика е равна на:

(6) [кгс]

където:

(7) [rad/s],

където обороти на двигателя.

Така видяхме че амплитудата F може да си изчисли по зададени обороти и скорост на движение.

От друга страна ако мощността е равна на:

(8)

то тя може да се представи като произведение на F.v, където:

(9)

откъдето може да се опредлели ексцентрицитета е на маховизите.

Тази сила се придава динамично на модела, която при коефициент на ритмичност к = 2,5

(10)

фиг.2 Устройство за принудени килеви колебания



фиг.3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Показаният възбудител за принудени колебания има проста кинематична схема и се използва много лесно и удобно. Той е много полезен и за изследване на влиянието на клатенето върху различни мореходни качества както на тиха вода, така и на вълнение за самоходни модели. Експериментите с такова устройство не се явяват общоприети, но имат определени преимущества, обусловени от сравнително свободните премествания на моделите.