浮动容器的稳定性

Overview

资料来源: 亚历山大的贾斯汀和凯文饶李大学机械和核工程系, 宾夕法尼亚州立大学, 学院公园, 宾夕法尼亚州

本实验的目的是为了证明浮动船的稳定性现象--当某种外力将其滚向一侧时, 它们的自向右的能力。船体形状和内部质量分布的仔细设计, 使海船能够稳定的低吃水 (沉深船体), 提高船只的机动性和减少阻力。

在这个实验中, 模型船将首先被修改, 以使其重心的调整 (代表不同的货物负荷) 和自动跟踪其轧辊角度。船将被放置在一个容器的水, 并向不同的角度倾斜, 其质心的高度不等。一旦释放, 倾覆 (翻倒) 或摆动的船将被跟踪与数码相机和视频分析软件。结果将与理论值进行比较, 得到最大稳定辊角和振荡频率。稳定性计算将使用在计算机辅助设计环境中确定的船的几何和结构特性进行。

Procedure

1. 测量最大稳定角

选择小型船模。建议使用相对简单的船体设计来减少3和4节中的分析复杂性。
将轻质明亮的垂直桅杆连接到船上 (推荐使用蓝色)。提供的MATLAB 代码通过在图像中寻找明亮的蓝色像素来跟踪在视频中的桅杆位置。如果使用不同的颜色桅杆, 图像分析代码将必须相应地进行调整。
紧贴在桅杆上系上一根缆绳, 作为重物的停止。将重量 (例如, 如, 耦合螺母) 滑动到桅杆上, 使其停留在停止上。
把船放在一个较大的水容器里, 让它沉淀 (图 2a)。放置设置, 使房间内的气流不会扰乱船。在船的长度沿线安装一个摄像头, 面对桅杆。建议使用白色背景。
收集在休息的船的参考视频, 并使用提供的 MATLAB 功能 (.css-f1q1l5{display:-webkit-box;display:-webkit-flex;display:-ms-flexbox;display:flex;-webkit-align-items:flex-end;-webkit-box-align:flex-end;-ms-flex-align:flex-end;align-items:flex-end;background-image:linear-gradient(180deg, rgba(255, 255, 255, 0) 0%, rgba(255, 255, 255, 0.8) 40%, rgba(255, 255, 255, 1) 100%);width:100%;height:100%;position:absolute;bottom:0px;left:0px;font-size:var(--chakra-fontSizes-lg);color:#676B82;}
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Results

总质量 (m, 千克)	质心 (H_cm, m)	浮力中心 (, m)	惯性矩 (I_zz, 千克 m²)
0.088 (步骤 3.1)	0.053 (步骤 3.2) Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here Application and Summary 实验证明了浮船的稳定性和船舶在质量相对较高的情况下能保持直立的现象。例如, 在代表性结果, 一个小式样小船以质量的中心 (H_cm = 5.3 cm) 井在水线之上 (h_水线~ 1-2 cm) 可能回到它的直立位置, 在被倾斜到 a °角度之后。在实验中, 测量了不同垂直质心的船模的最大稳定角。并对质心高度对振荡频率的影响进行了评价。这两种测量方法都与 CAD 封装中的几何参数所得的?... Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here Tags Floating Vessels Stability Performance Metrics Staying Upright Positive Buoyancy Capsized Vessel Safety And Comfort Crew And Cargo Orientation Vessel Stability Tradeoff Design Optimization Fuel Efficiency Maneuverability Shape And Weight Distribution Experimental Testing Computer aided Design Software Buoyancy Gravity Object Orientation 1. 测量最大稳定角选择小型船模。建议使用相对简单的船体设计来减少3和4节中的分析复杂性。将轻质明亮的垂直桅杆连接到船上 (推荐使用蓝色)。提供的MATLAB 代码通过在图像中寻找明亮的蓝色像素来跟踪在视频中的桅杆位置。如果使用不同的颜色桅杆, 图像分析代码将必须相应地进行调整。紧贴在桅杆上系上一根缆绳, 作为重物的停止。将重量 (例如, 如, 耦合螺母) 滑动到桅杆上, 使其停留在停止上。把船放在一个较大的水容器里, 让它沉淀 (图 2a)。放置设置, 使房间内的气流不会扰乱船。在船的长度沿线安装一个摄像头, 面对桅杆。建议使用白色背景。收集在休息的船的参考视频, 并使用提供的 MATLAB 功能 (TrackMast) 进行分析。调整相机的方向, 直到它正确地读 0-倾斜时, 船是在休息。您可能需要调整掩蔽参数以隔离代码17行中的桅杆。收集的视频非常缓慢地在桅杆顶部侧压, 直到它自己摔倒在船上 (倾覆)。在每次测试期间, 尽可能长的保持在视频框架中的桅杆。执行此过程的不同高度的重量。记录每种情况下桅杆的重量高度。使用提供的 MATLAB 脚本分析这些视频。对于每个情况, 可以通过检查输出角度和时间阵列来确定最大稳定角度。完成一个倾覆角度与重量高度的表。图 2: 在桅杆上可调节重量的船模, b. 从轻微角度 (步骤 2.1), c. 功率谱密度图 (b) 显示峰值振荡频率为1.4 赫兹请点击这里查看更大版本图. 2. 测量振荡频率用两个不同的桅杆重量高度进行第二组引爆实验。这一次, 只提示船轻微 (〜10°), 并收集10十五年代的摇摆船视频。重新运行视频中的桅杆跟踪功能。调用函数后, 在输出上计算以下 MATLAB 表达式: pwelch (θ、[]、[]、[]、1/(t (2)-t (1));。这将绘制摇摆船的功率谱密度。主要的轧制频率是这个地块的峰值 (图 2 b-c)。 3. 引爆角的预测使用刻度, 测量船模的质量, 包括桅杆和重量。对于在步骤1.5 中评估的桅杆重量的每个位置, 平衡船在它的边与帆柱在一个平直的边缘。将平衡点的高度从船体底部记录为质量中心 (H_cm)。使用 CAD 软件包, 创建一个规模的船和桅杆的重量模型。确保船体是填充 (固体) 在这个模型 (图 3a)。定位模型, 使底部船体 (龙骨) 的中心在 CAD 环境中与原点重合, 而桅杆 (最初) 与垂直 (y) 轴平行。在 CAD 环境中, 旋转船约 z 轴, 这是沿船体的长度, 以小的增量 (例如, 5, 10 °, 15...)。每次旋转后, 把船上的所有的垂直水平, 使剩余的较低部分的体积等于总船质量除以水的密度 (m / ρ_w, ρ_w = 1000 公斤 m^-3)。这代表船在水面下漂浮时的部分 (图 3b)。利用 CAD 软件中的 "质量属性" 特征, 对剩余船体质心的 x 位置进行评估。在这里, 原点应沿波尔 (龙骨) 的最低边缘, x 轴应指向水平方向。这代表浮力中心 (xb);浮力作用通过这一点。准备一个x_cm与θ的表。对于步骤1.6 中确定的每个最大稳定角度 (θ), 比较船重 () 的力矩臂和恢复浮力力 () 的力矩臂.您可能需要在步骤3.7 中获得的值之间进行插补。这些余额大约是多少？图 3: a. 填充船模船体的模型, b. 船体垂直剖面, 揭示容器的淹没体积, c. 容器的物理精确模型. 4. 预测振荡周期生成第二个 CAD 模型的船与重量的位置对应的情况下, 在步骤2.1。这个时间模型的实际厚度的船体 (即, 而不是填充, 图 3c)。将材料的密度与实际值相匹配。使用 CAD 软件的 "质量属性" 功能, 评估船的转动惯量在其质心沿滚动轴 (I_zz) 的重量高度。使用前面步骤的结果, 以及在 (步骤 3.7) 时测量的浮力中心的x位置, 评估理论振荡频率: (2) 将步骤4.3 的理论结果与实测振荡频率进行比较。这些价值观是否合理地达成一致？跳至... 0:07 Overview 1:30 Principles of the Stability of Floating Vessels 4:49 Performing the Experiment 8:07 Numerical Approach to Design 11:33 Applications 12:37 Summary 此集合中的视频: Now Playing 浮动容器的稳定性 Mechanical Engineering 22.4K Views 浮力和拖曳在浸没的身体 Mechanical Engineering 29.9K Views 推进力和推力 Mechanical Engineering 21.6K Views 管道网络和压力损失 Mechanical Engineering 58.0K Views 淬火和沸腾 Mechanical Engineering 7.7K Views 液压跳跃 Mechanical Engineering 40.9K Views 换热器分析 Mechanical Engineering 27.9K Views 制冷概论 Mechanical Engineering 24.6K Views 热丝测速 Mechanical Engineering 15.5K Views 测量紊流 Mechanical Engineering 13.5K Views 通过钝体流的可视化 Mechanical Engineering 11.8K Views 射流撞击斜面板 Mechanical Engineering 10.7K Views 系统分析中的能量守恒方法 Mechanical Engineering 7.3K Views 质量守恒和流速测量 Mechanical Engineering 22.6K Views 用控制容积法测定扁板的撞击力 Mechanical Engineering 26.0K Views 政策使用条款隐私联系我们向图书馆推荐 JoVE 新闻简报科研 JoVE Journal 技术专题合集 JoVE Encyclopedia of Experiments 档案教育 JoVE Core JoVE Science Education JoVE Lab Manual JoVE Business JoVE Quiz JoVE Playlist Faculty Site 发表概述发表流程编辑部范围和政策同行评审常见问题提交稿件图书馆员概述客户评价订阅访问权限资源图书馆咨询委员会常见问题关于 JoVE 概述管理层博客 JoVE Help Center JoVE Sitemap 版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。