מקור: אלכסנדר ס. רטנר וקווין ראו לי המחלקה להנדסה מכנית וגרעינית, אוניברסיטת פנסילבניה, פארק האוניברסיטאות, הרשות הפלסטינית
מטרת הניסוי הזה היא להדגים את תופעת היציבות של כלי שיט צפים - היכולת ימינה-עצמית כאשר הם מגולגלים לצד על ידי כוח חיצוני כלשהו. תכנון זהיר של צורות גוף הספינה וחלוקת מסה פנימית מאפשר לכלי שיט להיות יציבים עם טיוטות נמוכות (עומק שקוע של גוף הספינה), שיפור יכולת התמרון של כלי השיט והפחתת הגרירה.
בניסוי זה, תחילה תשונה סירה לדוגמה כדי לאפשר התאמה של מרכז המסה שלה (המייצג עומסי מטען שונים) ומעקב אוטומטי אחר זווית הגליל שלה. הסירה תונח במיכל מים, ותוטה לזוויות שונות בגבהים שונים של מרכז המסה שלה. לאחר שחרורו, ההתהפכות (התהפכות) או התנועה המתנדנדת של הסירה יהיו במעקב באמצעות מצלמה דיגיטלית ותוכנת ניתוח וידאו. התוצאות עבור זווית הגליל היציבה המרבית ותדירות התנודה יושוו לערכים תיאורטיים. חישובי יציבות יבוצעו באמצעות תכונות גיאומטריות ומבניות של הסירה שנקבעו בסביבת תכנון בסיוע מחשב.
Procedure
1. מדידת זווית היציבות המרבית
בחר סירה קטנה. מומלץ גוון פשוט יחסית לצמצם את מורכבות הניתוח בסעיפים 3 ו-4.
חבר תורן אנכי קל משקל בצבע בהיר לסירה (מומלץ כחול). קוד MATLAB שסופק עוקב אחר מיקום התורן בסרטון על-ידי חיפוש פיקסלים כחולים בהירים בתמונה. אם נעשה שימוש בתורן צבע אחר, יהיה צורך להתאים את קוד ניתוח התמונה בהתאם.
הדביקו עניבת כבלים לתורן כדי לשמש כתחנה למשקל. החלק משקל(למשל,אגוז צימוד) ע
Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
Results
מסה כוללת (m, קילוגרם)
מרכז המסה (Hס"מ,מ')
מרכז הציפה (, מ ')
רגע האינרציה (Izz, ק"ג2)
0.08...
Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
Application and Summary
ניסוי זה הדגים את תופעות היציבות של כלי שיט צפים וכיצד ספינות יכולות להישאר זקופות גם עם מוקדי מסה גבוהים יחסית. לדוגמה, בתוצאות הייצוגיות, סירה מדגם קטן עם מרכז מסה (Hcm = 5.3 ס"מ) הרבה מעל קו המים(קו מיםH~ 1 - 2 ס"מ) יכול לחזור למקומו זקוף לאחר שהיטה לזווית ~ 25 °. בניסויים נמדדה...
Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here
בחר סירה קטנה. מומלץ גוון פשוט יחסית לצמצם את מורכבות הניתוח בסעיפים 3 ו-4.
חבר תורן אנכי קל משקל בצבע בהיר לסירה (מומלץ כחול). קוד MATLAB שסופק עוקב אחר מיקום התורן בסרטון על-ידי חיפוש פיקסלים כחולים בהירים בתמונה. אם נעשה שימוש בתורן צבע אחר, יהיה צורך להתאים את קוד ניתוח התמונה בהתאם.
הדביקו עניבת כבלים לתורן כדי לשמש כתחנה למשקל. החלק משקל(למשל,אגוז צימוד) על התורן כך שהוא נשען על העצירה.
מניחים את הסירה במיכל מים גדול יותר, ואפשרו לה להתיישב (איור 2א). מקם את ההתקנה כך שזרימת האוויר בחדר לא תפריע לסירה. התקן מצלמת וידאו הפונה לתורן לאורך הסירה. מומלץ תפאורה לבנה.
לאסוף וידאו הפניה של הסירה במנוחה, ולנתח אותו באמצעות הפונקציה MATLAB שסופקה(TrackMast.m). התאם את כיוון המצלמה עד שהיא תקרא נכון 0-הטיה כאשר הסירה נמצאת במנוחה. ייתכן שיהיה עליך להתאים את הפרמטרים מיסוך כדי לבודד את התורן על שורה 17 של הקוד.
לאסוף קטעי וידאו של בהדרגה מאוד מפנה את הסירה על ידי לחיצה לצדדים על החלק העליון של התורן עד שהוא נופל על שלה (מתהפך). שמור את התורן במסגרת הווידאו זמן רב ככל האפשר במהלך כל בדיקה. בצע הליך זה עבור גבהים שונים של המשקל. הקלט את גובה המשקל על התורן עבור כל מקרה.
נתח סרטוני וידאו אלה באמצעות קובץ Script MATLAB שסופק. עבור כל מקרה, ניתן לקבוע את הזווית היציבה המרבית על-ידי בדיקת זווית הפלט ומערכי הזמן. השלם טבלה של זווית התהפכות לעומת גובה המשקל.
איור 2: א. סירת דגם עם משקל מתכוונן על התורן, b. וריאציית זווית גליל עם כאשר שוחרר מזווית קלה (שלב 2.1), ג. חלקת צפיפות ספקטרום הספקטרום של (ב) המציגה תדר תנודות שיא של 1.4 הרץאנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
2. מדידת תדירות התנודה
בצע ערכה שנייה של ניסויי הטיה עם שני גבהים שונים במשקל התורן. הפעם, רק להטות את הסירה מעט (~ 10 °), ולאסוף קטעי וידאו של סירת נדנדה עבור 10 - 15 s.
הפעל מחדש את פונקציית המעקב אחר התורן בסרטון הווידאו. לאחר קריאה לפונקציה, הערך את הביטוי הבא של MATLAB בפלט: pwelch( טטה,[],[], [],1/(t(2)-t(1)) ); . זה יתווה את צפיפות ספקטרום הכוח עבור סירת הנדנדה. התדירות המתגלגלת העיקרית היא ערך השיא בעלילה זו (איור 2b-c).
3. חיזוי זווית ההטיה
באמצעות קנה מידה, למדוד את המסה של סירת הדגם, כולל התורן והמשקל.
עבור כל מיקום של משקל התורן המוערך בשלב 1.5, איזון הסירה בצד שלה עם התורן על קצה ישר. תיעד את גובה נקודת האיזון מתחתית גוף הספינה כמרכז המסה (Hcm).
באמצעות חבילת תוכנה CAD, ליצור מודל בקנה מידה של הסירה התורן עם משקל. ודא כי גוף מלא (מוצק) בדגם זה (איור 3א).
מקם את המודל כך שקו המרכז של המעטפת התחתונה (השדרית) עולה בקנה אחד עם המקור בסביבת CAD והתורן הוא (בתחילה) מקביל לציר האנכי (y).
בסביבת CAD, לסובב את הסירה על ציר z, אשר לאורך גוף הספינה, במרווחים קטנים (למשל, 5°, 10°, 15 °...).
לאחר כל סיבוב, לחתוך את כל הסירה מעל רמה אנכית, כך שהנפח של החלק התחתון הנותר שווה את מסת הסירה הכוללת חלקי צפיפות המים (m / ρw, ρw = 1000 ק"ג מ'-3). זה מייצג את החלק של הסירה מתחת לקו המים כאשר הוא צף בזווית זו (איור 3b).
באמצעות התכונה "מאפייני מסה" בתוכנת CAD, להעריך את מיקום x של centroid של המעטפת הנותרת. כאן, המקור צריך להיות לאורך הקצה הנמוך ביותר של boal (השדרית), ואת ציר x צריך להצביע בכיוון האופקי. זה מייצג את מרכז הציפה (xb); כוח הציפה פועל דרך נקודה זו. הכן טבלה של xס"מ לעומת θ.
עבור כל זווית יציבה מקסימלית (θ) שזוהתה בשלב 1.6, השווה את זרוע הרגע של משקל הסירה ( ) ואת זרוע הרגע של כוח הציפה המשקם ( ). ייתכן שיהיה עליך לבצע אינטרפולציה בין הערכים שהושגו בשלב 3.7. האם אלה מאזנים בערך?
איור 3: א. מלא בדגם של גוף הסירה, ב. חיתוך אנכי של גוף הספינה, חושף את הנפח השקוע של כלי השיט, ג. דגם מדויק פיזית של כלי השיט.
4. חיזוי תקופת התנודה
לייצר דגם CAD שני של הסירה עם המיקום של המשקל המתאים למקרים בשלב 2.1. הפעם דגם את העובי בפועל של גוף הספינה (כלומר,לא מלא, איור 3c). התאם את צפיפות החומרים לערכים בפועל.
באמצעות תוכנה CAD "מאפייני מסה", להעריך את הרגע של אינרציה של הסירה על מרכז המסה שלה לאורך ציר הגליל (Izz) עבור גבהים משקל.
באמצעות תוצאות של שלבים קודמים, ואת המיקום xשל מרכז הציפה נמדד כאשר (שלב 3.7), להעריך את תדרי התנודה התיאורטית: (2)
השווה את התוצאה התיאורטית של שלב 4.3 עם תדרי התנודה הנמדדים. האם ערכים אלה מסכימים באופן סביר?