RU92184U1

RU92184U1 - DYNOMETER FOR MEASURING THE EFFECT OF A LIQUID FLOW ON A SHIP MODEL

Info

Publication number: RU92184U1
Application number: RU2009126692/22U
Authority: RU
Inventors: Игорь Дмитриевич Краснокутский; Дмитрий Александрович Семёнов
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2010-03-10

Abstract

Динамометр для измерения воздействия потока жидкости на модель судна, содержащий устройство с чувствительными элементами, связывающими модель судна с основанием, отличающийся тем, что устройство с чувствительными элементами выполнено из пяти измерительных блоков с упругими чувствительными элементами, связывающих модель судна с неподвижным фундаментом, блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости, расположенный в центре тяжести модели, связан трубчатой штангой с верхней частью устройства, где расположены блок измерения момента в горизонтальной плоскости и три блока измерения сил: продольной, поперечной и вертикальной, блоки соединены между собой одноподвижными кинематическими парами с избыточными связями на основе роликовых опор для разгрузки упругих элементов от неизмеряемых сил и моментов.A dynamometer for measuring the effect of fluid flow on a ship model, containing a device with sensing elements that connect the ship model with the base, characterized in that the device with sensing elements is made of five measuring units with elastic sensing elements that connect the ship model with a fixed foundation, a moment measurement unit in the longitudinal vertical plane, located in the center of gravity of the model, is connected by a tubular rod to the upper part of the device, where the block for measuring the moment in the horizontal plane and three blocks for measuring forces are located: longitudinal, transverse and vertical, the blocks are interconnected by single-moving kinematic pairs with redundant connections on the basis of roller bearings for unloading elastic elements from immeasurable forces and moments.

Description

Полезная модель относится к экспериментальной гидромеханике корабля и касается конструирования динамометров для испытаний моделей надводных и подводных судов в гидролотке.The utility model relates to experimental hydromechanics of a ship and relates to the design of dynamometers for testing models of surface and submarine vessels in a hydrohole.

Анализ известных технических решений показывает, что все они построены на основе упругих элементов, деформация которых пропорциональна измеряемым силам и преобразуется в аналоговый электрический сигнал с помощью тензометрических или индуктивных датчиков. Аналоговый сигнал проходит через усилитель и подается на аналогово-цифровой преобразователь, после чего записывается на магнитный носитель ЭЦВМ. Это обеспечивает применение современного программного обеспечения для обработки и анализа экспериментальных данных. Общим признаком является и то, что в публикациях описываются динамометры для испытания моделей надводных плавучих сооружений. Отличия заключаются в конструкции упругих элементов и способах их соединения с элементами динамометра. Способ соединения упругих элементов и положение относительно модели определяет систему координат, в которой проводятся измерения (неподвижная, связанная с моделью, полусвязанная и др.), и степень взаимовлияния измеряемых составляющих главного вектора и главного момента.An analysis of the known technical solutions shows that all of them are based on elastic elements, the deformation of which is proportional to the measured forces and is converted into an analog electrical signal using tensometric or inductive sensors. An analog signal passes through an amplifier and is fed to an analog-to-digital converter, after which it is recorded on a magnetic carrier of an electronic computer. This provides the use of modern software for processing and analysis of experimental data. A common feature is that the publications describe dynamometers for testing models of surface floating structures. The differences are in the design of the elastic elements and the methods of their connection with the dynamometer elements. The method of connecting the elastic elements and the position relative to the model determines the coordinate system in which measurements are taken (fixed, connected with the model, semi-coupled, etc.), and the degree of mutual influence of the measured components of the main vector and the main moment.

В качестве прототипа выбран динамометр буксировочной тележки (патент РФ №2104206, В63В 9/02, G01M 10/00, G01L 3/00, опубл. 10.02.1998). Динамометр буксировочной тележки содержит установленное на ней устройство с чувствительным элементом, связывающим модель судна с буксировочной тележкой, и выполнен с установленным на буксировочной тележке грузом, связанным с моделью и имеющим возможность перемещения относительно буксировочной тележки в сторону, противоположную возможному перемещению модели относительно этой тележки, причем величина массы груза выбрана из условия: m=i(М+ΔМ-К), где m - масса груза, М - масса модели, ΔM - присоединенная масса воды, К - постоянная величина, устанавливаемая опытным путем для конкретного динамометра, i - передаточное отношение связи между моделью и массой. Использование: экспериментальная гидромеханика корабля, касается конструирования динамометров для буксировочных испытаний моделей судов и для самоходных их испытаний в жесткой запряжке.As a prototype, a towing truck dynamometer was selected (RF patent No. 2104206, B63B 9/02, G01M 10/00, G01L 3/00, publ. 02/10/1998). The towing truck’s dynamometer contains a device mounted on it with a sensing element connecting the ship’s model to the towing carriage and is made with a load mounted on the towing carriage connected with the model and having the ability to move relative to the towing carriage in the direction opposite to the possible movement of the model relative to this carriage the mass of the cargo is selected from the condition: m = i (M + ΔM-K), where m is the mass of the cargo, M is the mass of the model, ΔM is the attached mass of water, K is a constant value, wound experimentally for a specific dynamometer, i is the gear ratio of the connection between the model and the mass. Usage: experimental hydromechanics of the ship, for the construction of dynamometers for towing tests of ship models and for self-propelled tests in a hard harness.

По отношению к определению гидродинамических сил и моментов данный прибор (прототип) имеет следующие недостатки:In relation to the definition of hydrodynamic forces and moments, this device (prototype) has the following disadvantages:

1. Выполняется измерение одного компонента главного вектора внешних сил Rx - силы сопротивления;1. The measurement of one component of the main vector of external forces Rx - resistance forces;

2. Динамометр - прототип представляет собой сложную механическую систему с большим числом степеней свободы, что приводит к колебаниям элементов динамометра, в том числе упругих элементов. Это проявляется в высоком уровне шумов в записи измеряемой силы.2. Dynamometer - the prototype is a complex mechanical system with a large number of degrees of freedom, which leads to oscillations of the dynamometer elements, including elastic elements. This is manifested in a high level of noise in the recording of the measured force.

Решаемая задача - расширение технических возможностей динамометра для проведения испытаний моделей надводных и подводных судов в гидролотке.The task at hand is to expand the technical capabilities of the dynamometer for testing models of surface and submarine vessels in a hydrohole.

Техническим результатом изобретения является:The technical result of the invention is:

1. Одновременное определение пяти компонентов главного вектора и главного момента в связанной с моделью системе координат;1. Simultaneous determination of the five components of the main vector and the main moment in the coordinate system associated with the model;

2. Конструкция динамометра обеспечивает разгрузку упругих элементов от воздействия не измеряемых сил и моментов, что уменьшает погрешность измерений;2. The design of the dynamometer provides unloading of elastic elements from the effects of unmeasured forces and moments, which reduces the measurement error;

3. Динамометр неподвижен, что исключает воздействие сил инерции на упругие элементы;3. The dynamometer is stationary, which excludes the influence of inertia forces on the elastic elements;

4. Упругие элементы для преобразования момента в продольной вертикальной плоскости располагаются так, чтобы их оси были параллельны оси GY связанной с моделью системой координат;4. The elastic elements for converting the moment in a longitudinal vertical plane are arranged so that their axes are parallel to the axis GY of the coordinate system associated with the model;

5. Упругие элементы для преобразования составляющих главного момента расположены так, что их оси проходят близко к началу связанной с моделью системой координат;5. Elastic elements for transforming the components of the main moment are located so that their axes pass close to the beginning of the coordinate system associated with the model;

Этот технический результат достигается тем, что в динамометре для измерения воздействия потока жидкости на модель судна, содержащем устройство с чувствительными элементами, связывающими модель судна с основанием, устройство с чувствительными элементами выполнено из пяти измерительных блоков с упругими чувствительными элементами, связывающими модель судна с неподвижным фундаментом, блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости, расположенный в центре тяжести модели, связан трубчатой штангой с верхней частью устройства, где расположены блок измерения момента в горизонтальной плоскости и три блока измерения сил: продольной, поперечной и вертикальной, а блоки соединены между собой одноподвижными кинематическими парами с избыточными связями на основе роликовых опор для разгрузки упругих элементов от не измеряемых сил и моментов.This technical result is achieved in that in a dynamometer for measuring the effect of fluid flow on a ship model containing a device with sensing elements connecting the ship model to the base, the device with sensing elements is made of five measuring units with elastic sensing elements connecting the ship model with a fixed foundation , a unit for measuring moment in a longitudinal vertical plane located in the center of gravity of the model is connected by a tubular rod to the upper part of the device, where the moment measuring unit is located in the horizontal plane and three force measuring units: longitudinal, transverse and vertical, and the blocks are interconnected by single-moving kinematic pairs with redundant bonds based on roller bearings for unloading elastic elements from unmeasured forces and moments.

Измерение гидродинамических сил и моментов на модели надводного или подводного судна позволяет определить безразмерные гидродинамические коэффициенты, с помощью которых на основании теории гидродинамического подобия вычисляются гидродинамические силы и моменты для натурного судна. Полученные силы и моменты необходимы для расчета мореходных качеств и прочности судов.Measurement of hydrodynamic forces and moments using a model of a surface or submarine vessel makes it possible to determine dimensionless hydrodynamic coefficients with which the hydrodynamic forces and moments for a full-scale vessel are calculated on the basis of the theory of hydrodynamic similarity. The obtained forces and moments are necessary for calculating the seaworthiness and strength of ships.

На чертеже показан общий вид динамометра (фиг.1). Фиг.2 - конструкция стопора, фиг.3 - блок измерения вертикальной силы, фиг.4 - блок измерения момента в горизонтальной плоскости, фиг.5 - блок измерения продольной и поперечной сил, фиг.6 - блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости.The drawing shows a General view of the dynamometer (figure 1). Figure 2 - design of the stopper, Figure 3 - unit for measuring vertical force, Figure 4 - unit for measuring moment in the horizontal plane, Figure 5 - unit for measuring longitudinal and transverse forces, Figure 6 - unit for measuring moment in the longitudinal vertical plane.

Пяти - компонентный динамометр включает следующие основные блоки: блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости 1, блок измерения момента в горизонтальной плоскости 2 и три блока измерения сил: продольной 3, поперечной 4 и вертикальной 5.Five - component dynamometer includes the following main blocks: a moment measuring unit in a longitudinal vertical plane 1, a moment measuring unit in a horizontal plane 2, and three force measuring units: longitudinal 3, transverse 4, and vertical 5.

Возможность установки углов курса и дифферента перед проведением опыта предусмотрена конструкцией динамометра в узлах: 6 и 7 соответственно.The ability to set the course and trim angles before conducting the experiment is provided for by the dynamometer design in nodes: 6 and 7, respectively.

Трубчатая штанга 8, связывающая блок измерения момента в продольной вертикальной плоскости с верхней частью динамометра, выполнена в виде вертикального цилиндра с обтекателем 9. Хорда обтекателя ориентируется вдоль потока воды. Силу сопротивления штанги легко определить и она учитывается при обработке данных измерений динамометра.The tubular rod 8 connecting the moment measuring unit in the vertical longitudinal plane with the upper part of the dynamometer is made in the form of a vertical cylinder with a cowl 9. The cowl of the cowl is oriented along the water flow. The resistance force of the rod is easy to determine and is taken into account when processing dynamometer measurement data.

В качестве упругих чувствительных элементов используются тензобалки 10 с наклеенными на них тензорезисторами 11. Тензорезисторы 11 преобразовывают деформации тензобалок 10 в электрические сигналы. Тензорезисторы позволяют:Strain gauges 10 with strain gauges glued to them 11 are used as elastic sensitive elements. Strain gauges 11 convert strain gauges 10 into electrical signals. Strain gages allow:

1. Выполнить точное измерение деформаций, в определенном месте на поверхности измеряемого объекта, в широком диапазоне температур и в неблагоприятных окружающих средах.1. Perform an accurate measurement of deformations, in a specific place on the surface of the measured object, in a wide temperature range and in adverse environments.

2. Получить быстрый отклик для скоростных измерений, благодаря компактной и легкой структуре.2. Get fast response for high-speed measurements due to its compact and lightweight structure.

3. Обеспечить хорошую линейность в пределах широкого диапазона деформаций.3. Ensure good linearity over a wide range of deformations.

4. Осуществлять возможность измерений на удалении для задач мониторинга.4. To carry out the possibility of measurements at a distance for monitoring tasks.

Для механической разгрузки упругих чувствительных элементов от не измеряемых сил и моментов использованы хорошо зарекомендовавшие себя на практике одноподвижные кинематические пары с избыточными связями на основе роликовых опор 12.For mechanical unloading of elastic sensitive elements from unmeasured forces and moments, well-proven in practice single-moving kinematic pairs with redundant bonds based on roller bearings 12 are used.

При работе с моделью перед опытом, чтобы не повредить упругие чувствительные элементы, предусмотрен стопор 13. Верхняя часть динамометра крепится разъемными соединениями к неподвижному фундаменту 14 на баке гидродинамического лотка.When working with the model before the experiment, in order not to damage the elastic sensing elements, a stopper 13 is provided. The upper part of the dynamometer is attached by detachable joints to the fixed foundation 14 on the tank of the hydrodynamic tray.

Размещение блока 1 измерения момента в продольной вертикальной плоскости в центре тяжести модели позволяет определить момент в продольной вертикальной плоскости в связанной с моделью центральной системе координат. Размещение блока измерения момента в продольной вертикальной плоскости выше центра тяжести модели приведет к изменению момента на величину где - вектор смещения оси блока измерения момента в продольной вертикальной плоскости, a - главный вектор внешних гидродинамических сил. Величина значительно превосходит интересующий исследователей момент в продольной вертикальной плоскости в связанной с моделью системе координат и, поэтому затрудняет обработку записей измерений. Размещение всех других измерительных блоков выше ватерлинии позволяет использовать механическую разгрузку упругих элементов от не измеряемых сил и моментов, снижает требования к герметизации датчиков и повышает надежность динамометра в целом.Placing the moment measuring unit 1 in a longitudinal vertical plane at the center of gravity of the model allows determining the moment in a longitudinal vertical plane in the central coordinate system associated with the model. Placing a moment measuring unit in a longitudinal vertical plane above the center of gravity of the model will lead to a change in the moment by Where is the displacement vector of the axis of the moment measuring unit in the longitudinal vertical plane, a - the main vector of external hydrodynamic forces. Value significantly exceeds the moment of interest to the researchers in the longitudinal vertical plane in the coordinate system associated with the model and, therefore, complicates the processing of measurement records. Placing all other measuring units above the waterline allows the use of mechanical unloading of elastic elements from unmeasured forces and moments, reduces the requirements for sealing sensors and increases the reliability of the dynamometer as a whole.

Динамометр эксплуатируется следующим образом. Перед началом опытов динамометр поднят над водой и, чтобы не повредить упругие чувствительные элементы, стопор 13 фиксирует трубчатую штангу 8 относительно верхней части динамометра. Модель судна крепится к нижней части динамометра (блоку измерения момента в продольной вертикальной плоскости через узел изменения угла курса). Динамометр с моделью освобождаются и опускаются до требуемого уровня. Верхняя часть динамометра фиксируется относительно неподвижного фундамента 14 с помощью разъемных соединений. Силы воздействия потока жидкости на модель передаются через измерительные блоки динамометра на неподвижный фундамент 14. Одноподвижные кинематические пары с избыточными связями, лежащие в основе конструкции измерительных блоков, обеспечивают передачу на чувствительные упругие элементы (тензобалки 10) выделенных компонентов главного вектора и главного момента гидродинамических сил. Деформации тензобалок 10 преобразуются тензорезисторами 11 в аналоговый сигнал, который поступает на АЦП. Цифровой код записывается на магнитный носитель ЭВМ в цифровой массив для последующей автоматизированной обработки и анализа.The dynamometer is operated as follows. Before starting the experiments, the dynamometer is raised above the water and, so as not to damage the elastic sensing elements, the stopper 13 fixes the tubular rod 8 relative to the upper part of the dynamometer. The model of the vessel is attached to the bottom of the dynamometer (unit for measuring the moment in the longitudinal vertical plane through the node changing the course angle). Dynamometer with model are released and lowered to the required level. The upper part of the dynamometer is fixed relative to the fixed foundation 14 using detachable connections. The forces of the influence of the fluid flow on the model are transmitted through the measuring units of the dynamometer to the fixed foundation 14. The single-moving kinematic pairs with redundant bonds that underlie the design of the measuring blocks provide the transmission of the selected components of the main vector and the main moment of the hydrodynamic forces to the sensitive elastic elements (strain gauge 10). Deformations of strain gauges 10 are converted by strain gauges 11 into an analog signal, which is fed to the ADC. The digital code is recorded on a magnetic computer medium in a digital array for subsequent automated processing and analysis.

Claims

A dynamometer for measuring the effect of fluid flow on a ship model, comprising a device with sensing elements connecting the ship model to the base, characterized in that the device with sensing elements is made of five measuring blocks with elastic sensing elements connecting the ship model to a fixed foundation, a moment measuring unit in the longitudinal vertical plane, located at the center of gravity of the model, connected by a tubular rod to the upper part of the device, where the measuring unit is located I have a moment in the horizontal plane and three units for measuring forces: longitudinal, transverse and vertical, the units are interconnected by single-moving kinematic pairs with redundant bonds based on roller bearings for unloading elastic elements from unmeasured forces and moments.