NO303277B1

NO303277B1 - Basic craft

Info

Publication number: NO303277B1
Application number: NO922082A
Authority: NO
Inventors: Hans Christer Strifors; Rolf Saederqvist
Original assignee: Trelleborg Ind Ab
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1992-05-26
Publication date: 1998-06-22
Also published as: NO922082L; NO922082D0

Description

Oppfinnelsen angår en gruntgående sjøfarkost med evne The invention relates to a deep-sea vessel with capability

■til å motstå støtpåkjenninger forårsaket av oppadgående vannbevegelser, tilsvarende en sjokkfaktor (CF) på opp til ca 1,5. Farkosten omfatter minst én overbygning beregnet på å befinne seg over sjøoverflaten, minst to pongtonger som flyter i sjøen, samt utstyr for å bære overbygningen. ■to withstand shock stresses caused by upward water movements, corresponding to a shock factor (CF) of up to approx. 1.5. The vessel includes at least one superstructure intended to be above the sea surface, at least two pontoons floating in the sea, as well as equipment to support the superstructure.

Farkosten er først og fremst anvendelig for minerydding og for å senke dypvannsbomber, men kan også benyttes for forskning og andre formål der det forekommer anvendelse av undervannseksplosjoner, eksempelvis ved anleggsarbeide og tunnelbygging under sjøoverflaten. The vessel is primarily used for demining and for lowering deep-water bombs, but can also be used for research and other purposes where underwater explosions are used, for example in construction work and tunneling under the sea surface.

Gruntgående farkoster som består av pongtonger med en overbygning er tidligere kjente, og en slik farkost i form av en seilkatamaran er beskrevet i US patent 3 473 502. Denne farkost er konstruert som en lettvektsbåt, som raskt og enkelt kan demonteres for å transporteres og lagres. Pongtongene består av tynnvegget materiale som kan holde et visst ønsket gasstrykk i pongtongene, og kan utføres av gummi, vinylplast og liknende polymermateriale. Det tør være åpenbart at slike farkoster ikke kan være gunstige for de ekstremt vanskelige bruksområder som ble antydet i innledningen. Ground-going vessels consisting of pontoons with a superstructure are previously known, and such a vessel in the form of a sailing catamaran is described in US patent 3,473,502. This vessel is designed as a lightweight boat, which can be quickly and easily dismantled for transport and storage . The pontoons consist of thin-walled material that can maintain a certain desired gas pressure in the pontoons, and can be made of rubber, vinyl plastic and similar polymer material. It should be obvious that such vessels cannot be favorable for the extremely difficult areas of use that were hinted at in the introduction.

Målet på påkjenninger fra en undervannseksplosjon er sjokkfaktoren CF. Faktoren CF beregnes fra ladningsvekten W, uttrykt i kg, for en ekvivalent TNT-ladning og avstanden r uttrykt i meter ifølge The measure of stresses from an underwater explosion is the shock factor CF. The factor CF is calculated from the charge weight W, expressed in kg, for an equivalent TNT charge and the distance r expressed in meters according to

CF = (W)<0,5>• r'<1>CF = (W)<0.5>• r'<1>

Sjokkf aktoren CF er et mål for energien pr. overflate-enhet i den oppadgående sjokkbølge som forårsakes av eksplosjonen, og den gir en god antydning om skadevirkninger på gjenstan-der under vannoverflaten. Lette gruntgående farkoster påvirkes i høy grad av bevegelser i vannoverflaten. Denne er sammensatt av to effekter, kavitasjonshevning når sjokkbølgen reflekteres mot vannoverflaten, og overflatens hevning på grunn av utvidelse av den gasskule som dannes av eksplosjonen. Begge disse størrel-ser er direkte proporsjonale med kvadratet av sjokkfaktoren. The shock factor CF is a measure of the energy per surface unit in the upward shock wave caused by the explosion, and it gives a good indication of damage to objects below the water surface. Light shallow-dwelling vessels are affected to a high degree by movements in the water surface. This is composed of two effects, cavitation uplift when the shock wave is reflected against the water surface, and the uplift of the surface due to expansion of the gas ball formed by the explosion. Both of these quantities are directly proportional to the square of the shock factor.

En farkost som er konstruert for å motstå en høy sjokkfaktor i forbindelse med sveiping av trykkminer er beskrevet i US-A-3 340 843. Konstruksjonen er et rammeverk av sammenføyde rørformede deler, hvor disse innvendig er fylt med en væske for å øke sjokkmotstanden. En rekke flyteceller er anordnet i den øvre del av rammekonstruksjonen. Hver av disse flyteceller består av en indre gummibeholder, et mellomliggende beskyttelseslag av et elastisk porøst stoff og ytre hylstre i form av ståltrådnett, hvilke trådnetthylstre er fastsveiset på de øvre horisontale deler av rammekonstruksjonen. Bunnen på farkosten er dekket med paneler av et stivt, bøyelig og fjærende materiale, med den hensikt at disse paneler skal motstå sjokkbølgene gjennom sin ettergivenhet. Konstruksjonen er med andre ord basert stort sett på stivhet, men ettergivenhet i selve bunnpanelene, som er anordnet i direkte kontakt med det stive rammeverk. A vessel designed to withstand a high shock factor in connection with the sweeping of pressure mines is described in US-A-3 340 843. The construction is a framework of joined tubular parts, where these are internally filled with a liquid to increase shock resistance. A number of float cells are arranged in the upper part of the frame structure. Each of these float cells consists of an inner rubber container, an intermediate protective layer of an elastic porous material and outer casings in the form of steel wire mesh, which wire mesh casings are welded to the upper horizontal parts of the frame construction. The bottom of the craft is covered with panels of a rigid, flexible and resilient material, with the intention that these panels will resist the shock waves through their compliance. In other words, the construction is based largely on stiffness, but compliance in the bottom panels themselves, which are arranged in direct contact with the rigid framework.

En fagmann i denne teknikken vil innse at en slik farkost ikke vil motstå svært mange sjokkbølger av størrelses-orden CF = 1-1,5 til tross for sin sofistikerte konstruksjon, uten at det oppstår skader i rammeverket og, hva som er verre, på eventuelle instrumenter og anordninger for mineryddingsformål eller liknende, som utgjør en viktig del av farkostens last. One skilled in the art will recognize that such a craft will not withstand very many shock waves of the order of CF = 1-1.5 despite its sophisticated construction without damage to the framework and, worse, to any instruments and devices for demining purposes or the like, which form an important part of the vessel's load.

Formålet med oppfinnelsen er å frembringe en farkost med evne til å motstå støtpåkjenninger som forårsakes av oppadgående vannbevegelser tilsvarende en sjokkfaktor CF på opp til ca 1,5, samtidig som farkostens last i form av instrumenter og andre anordninger, og eventuelt også besetning, ikke forstyr-res eller kommer alvorlig til skade ved slike kraftige påkjenninger fra vannet. The purpose of the invention is to produce a vessel with the ability to withstand shock stresses caused by upward water movements corresponding to a shock factor CF of up to approx. 1.5, at the same time that the vessel's load in the form of instruments and other devices, and possibly also crew, do not disturb -are injured or seriously injured by such strong stresses from the water.

Oppfinnelsen er for dette formålkarakterisert vedde trekk som fremgår fra patentkravene. For this purpose, the invention is characterized by features that appear from the patent claims.

Farkosten har således pongtonger som er anordnet gasstette og som er fylt med gass. Pongtongene er i det vesentlige sylindriske og langstrakte, deres vegger inneholder flere materiallag, hvorav minst ett innenfor det ytre armeringslag. Dette armeringslag omfatter fibrer eller tråder som er lagt i minst tre retninger. Armeringen er forspent ved at pongtongen gassfylles til et forutbestemt overtrykk, og som gass kan man ganske enkelt velge trykkluft. Materiallagene i pongtongveggen er anordnet slik at pongtongene er stive når det gjelder bøyning, tverrkrefter og vridning så lenge det er et overtrykk inne i de gassfylte pongtongene. Det utstyr som bærer farkostens overbygning hviler på pongtongene, vesentlig på tvers av pongtongenes The vessel thus has pontoons which are arranged to be gas-tight and which are filled with gas. The pontoons are essentially cylindrical and elongated, their walls contain several layers of material, at least one of which is within the outer reinforcement layer. This reinforcing layer comprises fibers or threads laid in at least three directions. The reinforcement is prestressed by filling the pontoon with gas to a predetermined overpressure, and as a gas you can simply choose compressed air. The material layers in the pontoon wall are arranged so that the pontoons are rigid in terms of bending, transverse forces and twisting as long as there is an overpressure inside the gas-filled pontoons. The equipment that supports the superstructure of the vessel rests on the pontoons, essentially across the pontoons

lengderetning. longitudinal direction.

Det er gunstig at minst ett av materiallagene i pongtongveggene består av et polymermateriale, eksempelvis gummi. I et slikt tilfelle kan dette laget velges slik at det forbedrer pongtongens gasstetthet. Det er imidlertid også mulig å anordne gasstettheten og dermed den ønskede forspenning gjennom separate gummiblærer som bringes til anlegg mot en i og for seg utett armeringsvegg. It is advantageous that at least one of the material layers in the pontoon walls consists of a polymer material, for example rubber. In such a case, this layer can be chosen to improve the gas tightness of the pontoon. However, it is also possible to arrange the gas density and thus the desired preload through separate rubber bladders which are brought to the facility against an inherently leaky reinforcing wall.

Armeringslaget bør helst inneholde et garn eller hyssing (fiberkabel) som har en høy elastisitetsmodul og er fri for kryping. Det foretrekkes armeringslag oppbygd av aramidfibrer. The reinforcement layer should ideally contain a yarn or twine (fibre cable) which has a high modulus of elasticity and is free from creep. Reinforcement layers made up of aramid fibers are preferred.

Garn av aramidfibrer er sterkt, stivt og lett, og forlenger seg ikke under lange belastningstider. Aramidfibrer forekommer i dag som forsterkning av gummi i sin alminnelighet, men det kreves sterke og bøyelige konstruksjoner. Aramid fiber yarn is strong, stiff and light, and does not elongate under long load times. Aramid fibers occur today as a reinforcement of rubber in its generality, but strong and flexible constructions are required.

Overbygningen på farkosten bæres av utstyr som best kan utføres med en sadelformet del som ligger an mot pongtongene, og som delvis omslutter disse. Det er her viktig at verken overbygningen eller de bærende anordninger ligger an mot pongtongene på en slik måte at de hindrer deres bøyning i tverretningen. Det må således ikke finnes langsgående bjelker eller andre deler som ligger mot pongtongene eller i en kort avstand over disse. Pongtongene kan best festes til de bærende anordninger ved hjelp av bånd eller liknende rundt pongtongenes underside. Hermed reduseres risikoen for at overbygningen hopper av pongtongene ved kraftig sjøgang eller ved liknende kraftige bevegelser som forårsakes av en undervannseksplosjon. The superstructure of the vessel is supported by equipment which can best be carried out with a saddle-shaped part that rests against the pontoons, and which partially encloses them. It is important here that neither the superstructure nor the supporting devices rest against the pontoons in such a way that they prevent their bending in the transverse direction. There must therefore be no longitudinal beams or other parts lying against the pontoons or at a short distance above them. The pontoons can best be attached to the supporting devices by means of bands or similar around the underside of the pontoons. This reduces the risk of the superstructure jumping off the pontoons during strong seas or similar strong movements caused by an underwater explosion.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor figur 1 er en skisse av den gruntgående farkost sett fra siden, figur 2 viser krefter som opptrer ved pongtongene, figur 3 viser en pongtong med bærende utstyr i lengdesnitt, figur 4 illustrerer pongtongenes horisontale sammenpressing, og figur 5 er et skjematisk bilde som viser farkostens oppførsel ved kraftig oppadgående vannbevegelser. In the following, the invention will be described in more detail with reference to the drawings, where figure 1 is a sketch of the shallow-dwelling craft seen from the side, figure 2 shows forces acting on the pontoons, figure 3 shows a pontoon with load-bearing equipment in longitudinal section, figure 4 illustrates the pontoons horizontal compression, and Figure 5 is a schematic image showing the vessel's behavior in the event of strong upward water movements.

Figur 1 viser en farkost 10 ifølge en foretrukket utførelse av oppfinnelsen. Farkosten 10 har en overbygning 11 i form av et enkelt rammeverk, samt en last 12 som befinner seg i overbygningen 11. Overbygningen 11 hviler på og bæres oppe av anordninger 13, av hvilke bare to er vist, som hviler mot pongtongen. Den underste del på anordningen 13 er utformet som en sadel 14 som ligger delvis rundt den pongtong 15 som anordningen hviler på. Pongtongene 15 er støtdempende elementer som er stive under normale påkjenninger, men ettergivende for overbe-lastninger. Trykket PD inne i pongtongen 15 er større enn atmosfæretrykket Pa, slik at trykket P er lik P0-Pa, hvor Pa er atmosfæretrykket, forspenninger armeringen i pongtongens 15 vegger. Figure 1 shows a vehicle 10 according to a preferred embodiment of the invention. The vessel 10 has a superstructure 11 in the form of a single framework, as well as a load 12 which is located in the superstructure 11. The superstructure 11 rests on and is supported by devices 13, of which only two are shown, which rest against the pontoon. The lower part of the device 13 is designed as a saddle 14 which lies partly around the pontoon 15 on which the device rests. The pontoons 15 are shock-absorbing elements which are rigid under normal stresses, but resilient to overloads. The pressure PD inside the pontoon 15 is greater than the atmospheric pressure Pa, so that the pressure P is equal to P0-Pa, where Pa is the atmospheric pressure, prestressing the reinforcement in the walls of the pontoon 15.

Overbygningen 11 bæres av en membranspenning S som er vist på figur 2, langs kanten av sadelen 14, og som gir den høyeste bærekraft Foax= 2DS hvor D er pongtongens 15 diameter. En pongtongs spenning S uten noe bøyepåkjenning er S = PD/4 slik at støttekraften maksimalt er Fmax= h PD2 for en smal sadel 14, mens man for en sadel med bredde B får en tilleggskraft PDB. The superstructure 11 is supported by a membrane tension S which is shown in figure 2, along the edge of the saddle 14, and which gives the highest bearing force Foax= 2DS where D is the pontoon 15 diameter. A pontoon's tension S without any bending stress is S = PD/4 so that the maximum support force is Fmax= h PD2 for a narrow saddle 14, while for a saddle with width B you get an additional force PDB.

Figur 3 viser i farkostens tverretning den nedre del av overbygningen 11, støttet av bæreanordningene 13, hvis nedre del 14 er vist utformet som en del av en sirkelbue, som delvis omgir pongtongen 15. Figure 3 shows in the transverse direction of the vessel the lower part of the superstructure 11, supported by the support devices 13, whose lower part 14 is shown designed as part of a circular arc, which partially surrounds the pontoon 15.

Hvis pongtongen 15 utsettes for en bøyebelastning på grunn av at vekten akselereres gjennom en oppadrettet vannbeve-gelse, avtar spenningen S, og til slutt gir pongtongen 15 etter rundt en linje på undersiden, og bulker armeringen på oversiden slik at spenningen S blir lik 0. Den spenning som virker på bredden til sadelen 14, ringspenningen, påvirkes ikke av bøyebelastningen. If the pontoon 15 is subjected to a bending load due to the weight being accelerated through an upward water movement, the stress S decreases, and eventually the pontoon 15 gives way around a line on the underside, denting the reinforcement on the upper side so that the stress S becomes equal to 0. The stress acting on the width of the saddle 14, the ring stress, is not affected by the bending load.

Hvis pongtongen 15 er festet til sadelen 14 med et ikke vist bånd rundt undersiden, oppstår samme fenomen for den nedadrettede kraft som oppstår gjennom treghetskrefter fra den medsvingende vannmasse. Denne nedadrettede kraft som er i samme størrelsesorden som fortrengningen holder pongtongen 15 tilbake. Når en sjokkbølge treffer pongtongen, trykkes undervannsdelen sammen, slik at det indre trykk P raskt økes. If the pontoon 15 is attached to the saddle 14 with a band not shown around the underside, the same phenomenon occurs for the downward force that arises through inertial forces from the oscillating water mass. This downward force, which is of the same order of magnitude as the displacement, holds the pontoon 15 back. When a shock wave hits the pontoon, the underwater part is compressed, so that the internal pressure P is rapidly increased.

Oppstående akselerasjoner styres av den maksimale bæreevne, som også utnyttes under første del av et sprengnings-forløp når sjøkkbølgen reflekteres mot den frie vannoverflate og gir opphav til kavitasjon. Sjokkbølgen treffer også pongtongens undervannsdel, og trykker den inn med en volumreduksjon som følge. Pongtongens inntrykking er illustrert på figur 4, som viser henholdsvis trykk og areal i hvilestilling ved en sjok-kbølge som antydet ved de oppadrettede piler. Pongtongens bøyning rundt støttebenene som følge av inntrykkingen og sjøkkbølgen er vist skjematisk på figur 5. Rising accelerations are controlled by the maximum carrying capacity, which is also utilized during the first part of a blasting process when the sea wave is reflected against the free water surface and gives rise to cavitation. The shock wave also hits the underwater part of the pontoon, pressing it in with a resulting volume reduction. The impact of the pontoon is illustrated in figure 4, which shows respectively pressure and area in the resting position during a shock wave as indicated by the upward arrows. The bending of the pontoon around the outriggers as a result of the impact and the sea wave is shown schematically in Figure 5.

Pongtongens inntrykking, som reduserer det innelukkede areal 18 med mengden AA, er nær beslektet med hevingen ved sprengbølgens refleksjon mot vannoverflaten, og derfor proporsjonal med (CF)<2>og omvendt proporsjonal med undertrykket i pongtongen. Inntrykkingen gir i sin tur en relativ volumreduksjon som forhøyer det totale hviletrykk P0. Den innestengte luftmasse svinger med en frekvens som tilsvarer en bølgelengde av dobbelt pongtonglengde, ca 15 Hz. Det er overtrykket P som gir membran-spenningen P + Pa = Pc (1 - Aa/A)"1-4ettersom inntrykkingen skjer adiabatisk: Inntrykkingen i den halvt nedsenkede pongtong anslås til d = AA/D = konst CF<2>/P0. The impact of the pontoon, which reduces the enclosed area 18 by the amount AA, is closely related to the elevation due to the reflection of the blast wave against the water surface, and therefore proportional to (CF)<2> and inversely proportional to the negative pressure in the pontoon. The indentation in turn causes a relative volume reduction which increases the total resting pressure P0. The trapped air mass oscillates with a frequency corresponding to a wavelength of twice the length of the pontoon, approximately 15 Hz. It is the excess pressure P that gives the membrane tension P + Pa = Pc (1 - Aa/A)"1-4as the indentation occurs adiabatically: The indentation in the half-submerged pontoon is estimated at d = AA/D = const CF<2>/P0 .

Bærekraften for en sadel er PD<2>/2, siden pongtongveggen avlastes av det rådende atmosfæretrykk Pa. Nå belastes pongtongen med en vekt som tilsvarer en nedtrykking i vannet opp til halve diameteren. Oppadgående akselerasjon a m/2<2>kan da maksimalt være bærekraft/vekt for hver sadel. Vekten er pn D<2>1/8 hvor 1 i meter er den pongtonglengde som belastes av en sadel, og p er vannets tetthet. En serieutvikling av uttrykket for P + Pa gir da følgende verdi for akselerasjonen amax= 0,0013 (P + konst CF<2>)/1. The bearing capacity for a saddle is PD<2>/2, since the pontoon wall is relieved by the prevailing atmospheric pressure Pa. Now the pontoon is loaded with a weight that corresponds to a depression in the water up to half its diameter. Upward acceleration a m/2<2> can then be the maximum carrying capacity/weight for each saddle. The weight is pn D<2>1/8 where 1 in meters is the pontoon length that is loaded by a saddle, and p is the density of the water. A series development of the expression for P + Pa then gives the following value for the acceleration amax= 0.0013 (P + const CF<2>)/1.

For høyere sjokkbelastning kan P utelates, og uttrykket skrives aBax= konst CF<2>/1. For higher shock loads, P can be omitted, and the expression is written aBax= const CF<2>/1.

Ved hjelp av de beregninger som er antydet ovenfor kan man bestemme at en passende lengde 1 for en farkost ifølge oppfinnelsen skal være ca 15 m, ha en bredde på ca 7 m og bære en masse m på ca 2500 kg på hvert støtteben. With the help of the calculations indicated above, it can be determined that a suitable length 1 for a craft according to the invention should be about 15 m, have a width of about 7 m and carry a mass m of about 2500 kg on each support leg.

En farkost ifølge oppfinnelsen, i forsøksskala hvis lengde er lik 3 m, bredde er lik 2 m, med en pongtongdiameter på 0,6 m og en totalvekt på 800 g, ble utsatt for sjokkbølger fra en rekke undervannseksplosjoner forårsaket av sprengladninger. A vessel according to the invention, in experimental scale whose length is equal to 3 m, width is equal to 2 m, with a pontoon diameter of 0.6 m and a total weight of 800 g, was subjected to shock waves from a series of underwater explosions caused by explosive charges.

Under forsøkene registrerte man akselerasjonen i overbygningen, trykket inne i en pongtong og de opptredende krefter i to støtteben. Forløpet ble dessuten filmet med høyhastighetskamera og med videokamera. During the experiments, the acceleration in the superstructure, the pressure inside a pontoon and the acting forces in two support legs were recorded. The course was also filmed with a high-speed camera and with a video camera.

De sjokktrykk som ble oppnådd ved forsøkene tilsvarte CF 1,5-2 for en farkost i full størrelse, dvs. omkring eller over de tiltenkte spesifikasjoner for en farkost ifølge oppfinnelsen. The shock pressures achieved in the tests corresponded to CF 1.5-2 for a full-size craft, i.e. around or above the intended specifications for a craft according to the invention.

Forsøkene viste at om middelverdien for de første 50 ms benyttes, gir akselerasjonssignal, kraftsignal, pongtongtrykksig-nal og høyhastighetsfilm omtrent samme verdier for den akselerasjon som oppstod ved disse nivåer ved sjokkfaktoren CF. The experiments showed that if the mean value for the first 50 ms is used, the acceleration signal, force signal, pontoon pressure signal and high-speed film give approximately the same values for the acceleration that occurred at these levels at the shock factor CF.

Claims

1. Ground-going sea vessel (10) with the ability to withstand shock stresses caused by upward water movements corresponding to a shock factor (CF) of up to about 1.5, comprising at least one superstructure (11) arranged to be above the water surface, and at least two gas-filled, essentially cylindrical and elongated floating bodies, CHARACTERIZED BY the fact that the floating bodies are designed as pontoons (15) and arranged to absorb shock loads, that the walls of the pontoons (15) contain several layers of material, at least one of which is within an outer reinforcement layer, that the reinforcement layer comprises threads that are laid in at least three directions, so that the material layers are arranged so that the pontoons (15) are rigid in terms of bending, transverse forces and twisting as long as there is an overpressure in the gas-filled pontoons (15), but yielding to external overpressure caused of the impact stresses, and that devices (13) which carry the superstructure (11) rest on the pontoons (15) essentially across the pontoons (15) longitudinal direction.

2. Vessel according to the preceding claim, CHARACTERIZED BY the fact that at least one of the material layers consists of a polymer material, for example rubber.

3. Vessel according to the preceding claim, CHARACTERIZED IN THAT the reinforcing layer comprises yarn or twine which has a high degree of elasticity and is free from shrinkage, for example aramid fibres.

4. Vessel according to the preceding claim, CHARACTERIZED IN THAT the supporting devices (13) comprise a saddle-shaped part (14) which rests against the pontoon (15) and partially encloses it.

5. Vessel according to the preceding claim, CHARACTERIZED IN THAT the supporting devices (13) are attached to the pontoons (15) with straps or the like to take up the downward forces from the pontoons to the saddle-shaped part (14).