опытовый бассейн для испытаний моделей морских инженерных сооружений

Формула изобретения

Опытовый бассейн для испытания моделей морских инженерных сооружений преимущественно во льдах, содержащий холодильную камеру с заполненным водой каналом, на поверхности которой образовано ледовое поле, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры и буксировочную тележку с электроприводом и ходовыми колесами, находящимися в контакте с рельсами, проложенными вдоль канала, датчик скорости движения тележки, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру, отличающийся тем, что бассейн снабжен погруженной в воду установкой с возможностью регулирования ее жесткости в направлении действующих на испытуемую модель продольных и поперечных сил, изгибающих и скручивающих моментов, фальшдном, закрепленным на установке с возможностью его регулирования по высоте, причем установка имеет стационарное основание, например, из бетона, жестко соединенное с бетонным основанием канала, и съемную металлическую ферму, выполненную в виде стержневой системы, ограниченной двумя платформами, одна из которых неподвижно соединена со стационарным основанием, а другая - подвижна и закреплена на упругих стержнях прямоугольного сечения с возможностью их разворота на угол 90^o вокруг продольной оси стержней, а на подвижной платформе фермы установлено динамометрическое устройство для установки испытуемой модели, причем буксировочная тележка оборудована устройством для применения ледового поля на испытуемую модель, а установка расположена симметрично относительно продольной оси канала на расстоянии не менее половины длины от его начала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экспериментальной гидромеханике корабля и других морских инженерных сооружений, и касается оборудования для проведения их гидродинамических и ледовых исследований.

Известен опытовый бассейн для испытаний моделей морских инженерных сооружений, выполненный по авт. св. СССР N 1000817, кл. G 01 M 10/00, содержащий заполненный водой канал и буксировочную тележку с электроприводом и ходовыми колесами, находящимися в контакте с рельсами, проложенными вдоль канала, испытуемую модель, датчики кинематических параметров движения модели, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру.

Недостатком известного устройства является невозможность испытаний моделей кораблей и морских ледостойких инженерных сооружений в ледовых условиях.

Известен опытовый бассейн для испытаний моделей морских инженерных сооружений, преимущественно, во льдах, содержащий ледовую камеру, заполненный водой канал, на поверхности которого образовано ледовое поле, холодильные машины с системой охлаждения ледовой камеры и буксировочную тележку с электроприводом и ходовыми колесами, находящимися в контакте с рельсами, проложенными вдоль канала, испытуемую модель, закрепленную на буксировочной тележке, датчик скорости движения, динамометрическую и регистрирующую аппаратуру (например, Ю.Н. Алексеев, О.Н. Беззубик, В.А. Беляшов, В.С. Шпаков. Экспериментальные возможности нового ледового опытового бассейна ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. - Судостроительная промышленность. Серия: Проектирование судов, вып. 13, 1989 г.) - принятый за прототип. Ледовый опытовый бассейн достаточно широко используется для изучения процессов взаимодействия со льдом ледоколов и судов активного ледового плавания, и прогнозирования возникающих при этом нагрузок в различных ледовых условиях, характерных для тех районов, где они эксплуатируются. В нем также проводятся испытания буровых платформ в обращенном движении, когда модель буровой платформы буксируется буксировочной тележкой в неподвижном ледовом поле. Такие испытания имеют ряд ограничений.

Недостатком известного устройства является невозможность испытаний моделей морских ледостойких инженерных сооружений, например, буровых платформ, при прямом движении, т.е. при надвигании на них ледового поля, и невозможность изучения влияния торосистых образований на величину воспринимаемых ледостойким основанием сил и влияния на них податливости грунта.

Заявленное изобретение решает задачу повышения эффективности использования ледового опытового бассейна путем обеспечения возможности испытаний как моделей судов, буксируемых в канале опытового бассейна с помощью буксировочной тележки, так и моделей морских ледостойких инженерных сооружений, неподвижно закрепленных на упругом основании канала опытового бассейна, на которые надвигаются ледовые образования буксировочной тележкой.

Для этого опытовый бассейн дополнительно снабжен установкой, погруженной в воду, с возможностью регулировки ее жесткости в направлении действующих на модель продольных и поперечных сил, изгибающих и скручивающего моментов, фальшдном, закрепленным на установке с возможностью его регулировки по высоте, причем установка имеет стационарное основание, например, из бетона, жестко соединенное с бетонным основанием канала, и съемную металлическую ферму, выполненную в виде стержневой системы, ограниченной двумя платформами, одна из которых неподвижно соединена со стационарным основанием, а другая - подвижная, закреплена на стержнях прямоугольного сечения с возможностью их поочередного присоединения к подвижной платформе, при этом противоположные концы стержней жестко соединены с неподвижной платформой с возможностью их разворота на 90^o вокруг продольной оси стержней, а испытуемая модель через динамометрическое устройство установлена на подвижной платформе фермы и частично погружена в воду, причем буксировочная тележка оборудована устройством для перемещения ледового поля на испытуемую модель, а установка расположена симметрично относительно продольной оси канала на расстоянии не менее половины его длины от начала канала.

На фиг. 1 показано поперечное сечение опытового бассейна; на фиг. 2 - фрагмент продольного сечения опытового бассейна; на фиг. 3 - фотография съемной металлической фермы; на фиг. 4 - фотография детали фермы с упругим элементом; на фиг. 5 - фотография стержней; на фиг. 6 - фотография ледового опытового бассейна; на фиг. 7 - варианты подключения стержней.

Устройство (фиг. 1 и 2) содержит бетонированный канал 1, заполненный водой 2, на поверхности которой образовано ледовое поле 3, проложены вдоль канала рельсы 4, по которым перемещается с помощью электропривода буксировочная тележка 5 с ходовыми колесами 6, смонтированный на буксировочной тележке динамометр 7, расположенную в кабине 8 буксировочной тележки регистрирующую аппаратуру, датчик скоростей движения 9, устройство для перемещения ледового поля - бульдозер 10, холодильные машины 11, упругоподатливую установку 12, фальшдно 13, динамометр 14, смонтированный на упругоподатливой установке, модель ледостойкой буровой платформы 15.

Установка 12 имеет стационарное основание 16, изготовленное из бетона и жестко соединенное с бетонным основанием канала 1, и съемную металлическую ферму, выполненную в виде сварной стержневой системы из стальных нержавеющих труб (фиг. 3, 4), ограниченной двумя платформами 17 и 18, связанных между собой набором упругих элементов - стержней 19. Упругие элементы 19 выполнены в виде стержней прямоугольного сечения (фиг. 5).

Обе платформы 17 и 18 выполнены как восьмиугольные конструкции, состоящие из системы пересекающихся балок и связей, ограниченной опорным контуром.

Нижняя опорная платформа 17 предназначена для фиксации металлической фермы на стационарном основании 16 на дне ледового бассейна. Бетонное основание 16 выполнено квадратным в плане (с размерами 3x3x0,4 м) и расположено симметрично относительно продольной оси канала на оптимальном расстоянии по длине ледового бассейна, а именно 21 - 24 м от начала канала (0,5 - 0,6 Lk, где Lk - длина канала). Оптимальное расстояние по длине канала выбрано из условий обеспечения намораживания торосистых образований заданных размеров перед моделью ледостойкой буровой платформы.

Для фиксации опорной платформы 17 на стационарном основании 16 предусмотрены четыре балластных ящика 20, приваренных по четырем сторонам платформы в плоскости основания.

Верхняя несущая платформа 18 предназначена для закрепления на ней модели буровой платформы непосредственно или через динамометр 14. Для этого платформа 18 (фиг. 3) имеет жесткую центральную часть, выполненную в виде вертикально расположенного отрезка трубы 21 с равномерно расходящимися от него в горизонтальной плоскости в радиальных направлениях стальными трубами 22 (8 шт.). Эта система соединенных между собой сваркой труб 21 и 22 дополнительно "перевязана" в центральной части 8-мью отрезками стальных труб 23. В местах соединения стальных труб 22 и 23 приварены концы 24 из листовой нержавеющей стали с отверстиями под элементы крепления стальной пластины (на фотографии фиг. 3 не показана), на которой закрепляют фальшдно 13 и динамометр 14.

Конструкция металлической фермы, выполненная в виде восьмиугольной стержневой системы, обладает значительной жесткостью при малой массе и широкими возможностями в части крепления разнообразных моделей ледостойких инженерных сооружений.

Установка содержит восемь упругих элементов 19, расположенных по периметру в углах восьмиугольной фермы (фиг. 3, 4, 5). Все они выполнены одинаковыми из листовой нержавеющей стали (размеры стержней 30x10x660 мм). Нижний, неподвижный конец стержней жестко закреплен во фланце 25 (фиг. 4, 5), на котором выполнены две пары крепежных отверстий, расположенных на взаимно перпендикулярных осях. Стержни 19 через фланцы 25 жестко закрепляются на конце 26 нижней платформы 17 с возможностью перестановки и разворота осей симметрии стержней на 90^o, изменяя при этом упругую податливость установки в продольном и поперечном направлениях.

Напротив книц 26 на верхней платформе 18 по периферии установки в углах фермы приварены кницы 27. В кницах 27 выполнены отверстия, через которые с зазором проходят верхние концы стержней 19.

На верхнем подвижном конце стержней (фиг. 3, 4, 5) закреплены цилиндрические стаканы 28, на наружной поверхности которых выполнена резьба. При необходимости те или иные стержни могут быть жестко соединены с верхней платформой 18 с помощью гаек 29, на наружной поверхности которых выполнены цилиндрические буртики, входящие при закрутке гаек в отверстия книц 27 и фиксирующие верхние концы стержней 19 в платформе 18. При подключении дополнительных стержней 19 к платформе 18 изменяется жесткость установки. Подключение дополнительных стержней может быть произведено в процессе эксперимента с буксировочной тележки и не требует демонтажа установки.

Выбор направления упругой податливости стержней 19 и соответствующее закрепление их нижних оснований - фланцев 25 производится до монтажа фермы на стационарное основание 16 (в поднятом положении, на воздухе).

Конструкция упругой подвески верхней платформы, на которой устанавливается испытуемая модель, дает широкие возможности для выбора и регулировки упругой податливости установки по разным направлениям.

Некоторые возможности подключения упругих стержней 19 схематично показаны на фиг. 7. Изображенные на фиг. 7 четыре варианта подключения стержней реализуют определенный диапазон изменения податливости для опытового бассейна. При действии на установку (модель ПБУ) продольной силы 2 кН и скручивающего момента 400 Нм эти четыре варианта позволяют задавать продольную податливость дна опытового бассейна (установки) в пределах 1 - 10 мм (ступенями: 1; 1,65; 5; 10 мм) и угловую 0,03" - 0,086" с примерно двухкратной регулировкой податливости в одном эксперименте за счет подключения дополнительных стержней. При массе модели 1000 кг установка позволяет моделировать собственные колебания с частотой в пределах 2 - 7 Гц.

Устанавливая часть стержней с наименьшей поперечной жесткостью в направлении продольной оси бассейна, а другую часть стержней - в поперечном направлении, можно задавать различные податливости установки в продольном и поперечном направлениях, а также по отношению к действию опрокидывающего и скручивающего моментов.

При необходимости стержни 19 могут быть исключены из работы установки, в этом случае верхняя опорная платформа 18 "садится" на нижнюю платформу 17 и жестко фиксируется на ней набором стопоров.

Устройство работает следующим образом. Собирают на берегу металлическую ферму с двумя платформами 17 и 18. Устанавливают и закрепляют стержни 19, динамометр 14, модель 15, фальшдно 13. Выставляют требуемый зазор между фальшдном 13 и днищем испытуемой модели инженерного сооружения 15. Установка в сборе опускается в канал опытового бассейна на бетонное основание 16 и фиксируется на нем металлическими цепями, которые укладывают в балластные ящики 20. С помощью холодильных машин 11 намораживают ледовое поле 3 или готовят торосистое образование из обломков льда. Опускают бульдозер 10. Подают питание на привод системы электродвижения буксировочной тележки 5. Устройство готово к испытаниям.

Задают скорость движения буксировочной тележки 5 в пределах 0,001 - 0,030 м/с. При этом бульдозер 10 надвигает лед на испытуемую модель. Динамометр 14 измеряет возникающие на модели силы. Ступенями измеряют скорость движения буксировочной тележки в указанном выше диапазоне, регистрируя при этом действующие на модель силы. На этом первый цикл испытаний модели с известными параметрами податливости дна бассейна и частоты собственных колебаний устройства заканчивается. Для проведения второго цикла испытаний с буксировочной тележки 5 подключают в установке дополнительные стержни. Для этого специальным ключом в виде трубы с внутренним шестигранником (под водой) заворачивают гайки 29 до упора, скрепляя тем самым верхние концы свободных стержней 19 с платформой 18. После чего проводится второй цикл испытаний модели при других параметрах податливости дна и частот колебаний установки.