浮動のコートの安定性

Mechanical Engineering

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Overview

ソース: アレクサンダー ・ S ・ ラトナーとケビン ラオ李部機械、原子力工学、ペンシルバニアの州立大学、大学公園、PA

この実験の目的は、自己の権利いくつかの外部の力によって側に寝返りを打ったときに能力 - の浮遊船の安定性の現象を示すことです。慎重な船体形状と内部の質量分布の設計により安定する遠洋航海容器低下書き (船体の水中深さ)、船舶操縦性の向上と削減をドラッグします。

この実験では、模型ボートは最初 (別の貨物の荷重を表す) 質量の中心の調整を有効にする変更が、ロール角度の自動追跡。ボートは水のコンテナー内に配置されその重心の高さが異なるさまざまな角度にチップを渡した。リリース、転覆 (転倒) またはボートの動きを揺動は、デジタル カメラとビデオ解析ソフトウェアの追跡されます。最大の安定した結果ロール角と発振周波数は理論値と比較されます。安定計算は、コンピューター支援設計環境で決定されるボートの構造と幾何学的プロパティを使用して実行されます。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 機械工学. 浮動のコートの安定性. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

浮遊船を支える浮力は当該船舶の水中部分によって転置された液体の重量に等しい。浮力の力はこの水中ボリューム (ボリュームの中心) 重心を通る垂直線に沿って上向きに機能します。この点は、浮力の中心と呼ばれます。浮体構造物の重心が浮力の中心の下の場合、横にローリング (傾斜運動) は縦方向 (図 1 a) に戻る構造に瞬間を伝えます。重心が浮力の中心の上の構造が安定している (図 1 b) を邪魔なら転覆の原因に可能性があります。ただし、フローティング船の船体を慎重に設計されている場合、ことは安定した、その重心が浮力の中心を超える場合も。ここでは、チップの方向に浮力の中心をシフト変更する湛水容積の形状を引き起こす少し容器を転倒します。(図 1 c) 構造物の質量の中心の外の浮力作用線がある限り立ち直り純瞬間でこの結果します。同様に、船はの (よりメタセンター) 船体の中心線と浮力の作用線の交点がその重心を超える場合は安定するでしょう。いくつかの血管が準安定 - のみいくつかの臨界角まで起き上がり。

また、フローティング船の動的挙動を考慮することが重要です。初期のチップの角度が小さい場合でも、波から強い衝動は準安定限界、過去を回転するボートを引き起こす可能性があります (すなわちEquation 1大型小型Equation 2)。周波数と振動の振幅も乗客の快適性があります。容器の回転運動は、その重心の瞬間のバランスで予測できます。ここでは、zzは、慣性モーメント、重心、 θはロール角、 mは容器の質量とLcm、mcはそのよりメタセンターにその重心からボートのセンターラインに沿った距離。

Equation 3(1)

Figure 1

図 1: a. 安定した容器ふんばろうの確保、浮力の中心の下の重心。b. 浮力の中心の上の重心と不安定な容器。c. 発生する浮力の中心船体形状の重心 (質量の中心の上よりメタセンター) 犯罪行為します。これは、浮力の中心の上の重心も安定性を得られます。

Procedure

1. 安定性の最大角度を測定

  1. 小さな模型ボートを選択します。比較的単純な船体設計セクション 3 と 4 で解析の複雑さを軽減する勧めします。
  2. 軽量の鮮やかな色の垂直のマストをボート (青推奨) に接続します。MATLAB のコードは、イメージの明るい青のピクセルを捜すことによってビデオのマストの位置を追跡します。色違いのマストを使用すると、画像解析コードは調整するでしょう。
  3. ぴったりと重量のための停止として機能するマストにケーブルタイを貼付します。マスト上に重量 (例えば、カップリング ナット) をスライド ストップにかかってください。
  4. 水のより大きい容器にボートを配置し、(図 2 a) を解決することができます。部屋の空気の流れはボートを妨げないようにセットアップを配置します。ボートの長さに沿ってマストを直面しているビデオ カメラをマウントします。白の背景をお勧めします。
  5. 安静時にボートのリファレンス ・ ビデオを収集し、提供の MATLAB 関数 (TrackMast.m) を使用してそれを分析します。ボートが残りにあるとき、それは正しく 0 傾斜を読み取るまで、カメラの向きを調整します。コードの 17 行目にマストを分離するマスク パラメーターを調整する必要があります。
  6. 非常に徐々 にボートを押すことによってチップのビデオを収集、独自落ちるまでのマストの上に横 (転覆)。各テスト中に、可能な限りビデオ フレームにマストをしてください。重量の高さが異なるため、この手順を実行します。各ケースのマストの重量の高さを記録します。
  7. 提供されている MATLAB スクリプトを使用してこれらのビデオを分析します。各ケースの出力角度と時間配列の検査によって最大の安定角度を決定できます。重量高さ対転覆角度のテーブルを完了します。

Figure 2
図 2: マスト、c. わずかな角度 (ステップ 2.1) からリリースされたとき b. ロール角度変化に調節可能な重量と a. モデル ボート 1.4 Hz のピーク周波数を示す (b) のパワー スペクトル密度プロットしてくださいはこれの拡大版を表示するのにはここをクリック図.

2. 発振周波数の測定

  1. 2 つの異なるマスト重量高さと実験をチップの 2 番目のセットを実行します。今回は、少しボートをヒントだけ (~ 10 °) ロッキング船 10-15 秒の動画を収集。
  2. ビデオのトラッキング機能マストを再実行します。関数を呼び出す後評価の出力に次の MATLAB 式: pwelch (シータ、、、、1/(t(2)-t(1)))。これは、ロッキングのボートのパワー スペクトル密度がプロットされます。プライマリのローリングの周波数は、このプロットで (図 2 b c) ピーク値です。

3. チップの角の予測

  1. スケールを使用して、模型ボート、マストや重量などの質量を測定します。
  2. 手順 1.5 で評価マスト重量の各位置では、ストレート エッジのマストとその側にボートをバランスします。質量の中心 (Hcm) として船体の下部からバランス ポイントの高さを記録します。
  3. CAD ソフトウェア パッケージを使用して、重量と船のマストにスケール モデルを作成します。船体では、このモデル (図 3 a) の (固体) で満ちていることを確認します。
  4. 船体下部 (キール) のセンターラインが CAD の原点と一致してマストが垂直 (y) 軸と平行 (最初は) ように、モデルを配置します。
  5. CAD 環境で小さな単位 (例えば、5 °、10 °、15 °...) で、船体の長さに沿ってである z 軸についてボートを回転します。
  6. 各回転の後すぐにカットし、垂直上ボートのすべての残りの下の部分の体積に等しい水の密度で割った質量合計船ようなレベル (m / ρw, ρw = 1000 kg m-3)。その角度 (図 3 b) で浮いているとき、これは水行の下ボートの部分を表します。
  7. CAD ソフトウェアで「質量プロパティ」機能を使用して、残りの船体の重心の x 位置を評価します。ここでは、起源であるべきそのボールの最低の縁に沿って (キール) と x 軸が水平方向にポイントする必要があります。これは浮力 (xb); の中心を表す浮力の力はこの点を通じて機能します。Θxcmのテーブルを準備します。
  8. 各最大安定した角度 (θ) ステップ 1.6 で識別、ボートの重量のモーメント アームを比較 (Equation 4) と復元の浮揚性力のモーメント アーム (Equation 5)。ステップ 3.7 で取得した値の間を補間する必要があります。これらの約バランスか。

Figure 3
図 3: 容器、容器の c. 物理的に正確なモデルの水中のボリュームを明らかにボートの船体、船体の垂直断面図 b. のモデルで a. 充填します

4. 振動の周期を予測

  1. ステップ 2.1 のケースに対応する重量の位置にボートの第 2 CAD モデルを生成します。今回はモデル (すなわち、満たされたのではなく、図 3 c) 外皮の実際の厚みです。実際の値を持つ材料の密度に一致します。
  2. CAD ソフトウェア「質量プロパティ」機能を使用すると、その重心重量ハイツのロール軸 (zz) に沿ってボートの慣性モーメントを評価します。
  3. 上記の手順、およびxからの結果を使用して-浮力の中心の位置は測定時Equation 6(ステップ 3.7) 評価理論発振周波数。
    Equation 7(2)
  4. 測定した発振周波数とステップ 4.3 から理論的結果を比較します。これらの値は合理的に同意しますか。

浮遊船物を評価、耐え抜くから離れて、最も重要なパフォーマンス ・ メトリックは直立することができますまま間違いなくです。実際には、多くの船では、フロートを滞在する能力に大きく依存特定の向きを維持する能力。転覆した船は、洪水し、その後正浮力を失う可能性があります。以下の極端なシナリオでさえも、安全と快適さの乗組員および貨物のかかっています。自体を右または妨げられるときを転覆する船のこの傾向は、その安定性が特徴です。残念なことに、しばしば否定的安定性を向上させる変更は、燃費や操縦性など他の重要なパフォーマンス メトリックを影響します。このトレードオフのため十分な保証しますが、ない最大の安定性を要求する一般的に安全性とパフォーマンスのための設計を最適化します。このビデオの残りの部分では、浮体構造物の形状と重量の配分がその安定性にどのように影響するかを説明します。その後、実験模型の船にこれらの原則をテスト、コンピューター支援設計ソフトウェアによってなされる理論的な予言と結果を比較します。

前のビデオでは、浮力と重力の基本を説明しました。今すぐこれら 2 つの力にオブジェクトの向きの影響を検討します。拡張オブジェクトは、重力の累積効果はオブジェクトの総重量に相当の重心を通る力を思い出してください。同様に、ネットの浮力はオブジェクトの水中部分の重心に浮力の中心を通過します。したがって、オブジェクトがのみ部分的に冠水した質量が均等に分散されない場合、トルクを開発できます。重心が浮力、横に転がり、傾斜部以下の場合、モーションは構造を右に復元モーメントを伝えます。この構成は、常に安定したが、一般的に大量に浸水することが必要です。今の重心が浮力の中心の上発生、構造が不安定になる可能性があります、任意の癒しの力の動きを与えられる瞬間に加速される場合、それ転覆の原因。しかし、高い重心は限りません構造が完全に安定してないことに注意してください。慎重に設計された船体は、臨界角まで安定している構造の準安定を行うことができます。これは、一般に、浮力の中心は、構造体としてシフト横傾斜角度により水中部分の形状が傾きます。質量の中心外横方向にずれるならその瞬間機能構造を右に。同等に、船は重心が下の船体の中心線との浮力作用線との交点であるよりメタセンター限り安定するでしょう。浮体構造物の動的挙動は、環境から強い衝動が準安定限界過去運転できるためにも重要です。周波数と振動の振幅は、また安全、乗客および貨物の快適さに影響を与えます。容器の回転運動は、質量の中心、容器の総質量の重心についての慣性モーメントに依存する横傾斜角度の 2 階微分方程式になる周りの瞬間のバランスで予測できます。、加速度、重力と重心よりメタセンター船の中心線に沿った距離 L のため。小さい角度のためこの方程式の解は正弦および余弦のオメガで示される容器の自然な振動周波数で変動します。今では理論的には安定性を確認する方法を見てきた、この知識を使って船体の設計を実験的に分析しましょう。

空気の流れからシールド領域で水浴を設定し、それの後ろの固体白い背景を配置します。今の簡単な外皮の設計を小さく、できれば白いボートを調達します。ボートの中心で軽量の色鮮やかなマストを接続し、カメラに向かって指すように水に浮きます。ボート画面の中央には、お風呂の前にカメラをマウントし、ビューのフィールドは、ボートの上のマストの部分がキャプチャされるようにカメラの高さを調整します。イルミネーションがよく確保し、安静時のボートの参考映像を記録します。カメラから録画のマストの色を分離することによってマストの角度を追跡するのにいくつかのカスタム コードを使用します。テキストの詳細およびコード例を参照してください。追跡が正しく動作していることを確認する参照ビデオを分析し、マストを分離する必要に応じて、コードを調整します。最後に、カメラを水平にまでコードは、安静時のボートで傾斜角がないことを報告しました。一度コードとカメラを調整すると、水から船を削除し、船体を乾燥します。ぴったりと、それは重量をサポートできるようにケーブル ネクタイ、マストの下部から約 1 センチを貼付します。今マスト上に重量を滑り降りると、乾燥したときの船の合計マストの重量を量る。次に、マストの重量の高さを記録し、その側にボートのバランスをストレート エッジを使用します。このバランス ポイントは、船の重心を識別します。船体の下部から重心までの距離を記録します。水にボートを配置し、ながら徐々 にボート、マストの上に横に押すとそれが転覆するまでビデオを記録します。今最初先端約 10 度と、突然リリースされたボートと 2 番目のビデオをキャプチャします。10 ~ 15 秒間の振動を記録します。重量の高さを増やすため転覆手順 3 または 4 回を繰り返します。最終的な高さの前に振動の別のビデオを記録します。解析スクリプトを使用して転覆のビデオのそれぞれ分析します。これを超えるボート急速にロール オーバー ポイントを探してグラフの検査で最大の安定角度を決定できます。この場合、これはマイナス 26 度の周り発生します。重量と重心の高さを持つテーブルを完了し、角度を転覆します。次に、2 つの振動のビデオを分析します。肥満運動または時間とマストの角度のグラフのアニメーションの検査によって支配的な発振周波数を決定するまたはパワー スペクトル密度を使用して関数を予測します。この実験は小規模なテストとシンプルなデザインに便利が、常に実世界のシナリオまたは急速に設計を最適化するために実用的ではありません。次のセクションでボートを分析する数値解法を説明し、結果これらの実験結果とを比較します。

模型ボートの安定性を分析するのにコンピューター支援設計や CAD パッケージを使用します。まず、浮力の中心を決定する方法を見てみましょう。艇体のスケール モデルにソリッドを作成するのに CAD ソフトウェアを使用します。キールの中心線が CAD 環境で原点と一致する、マストが垂直軸と平行になるようにモデルを配置します。浮力の中心が、船体の水中部分の重心であることを思い出してください。浮力の中心を見つけ、船の水中部分を切り離す必要があります我々。流体サーフェスを表現し、平面上のすべてを削除するハルと交差する平面を作成します。飛行機は、正しい高さにあった、残りのボリュームは流体の密度で割ったボートの総質量に等しいになります。カットを元に戻すし、残りのボリュームが正しくなるまで必要に応じて面の高さを調整します。船体の適切な水中部分が見つかったときは、CAD ソフトウェアの質量特性関数を使用して、このボリュームの重心の横方向のオフセットを評価します。この場合、船体は対称およびレベルなので見つかるはずない水平方向にオフセット。つまり、船体の中心線上に重心になります。横傾斜角度の関数として重心オフセットのテーブルを構築するための船の横傾斜角度を増加させるためには、このプロセスを繰り返します。完了したら、結果をプロットし、浮力の中心のための 3 次多項式を適合します。今プロットの重心を水平方向にオフセットの横傾斜角度のサインを倍の高さであります。臨界角での重心よりメタセンターになります、横方向のオフセットが等しくなります。予測臨界角が合理的な不確実性の内で実験値と一致することを見つける必要があります。今船のモデルの自然な振動周波数を数値予測しましょう。船体の実際の厚みに一致し、肥満と体重を追加する CAD モデルを絞り込みます。最初の振動テストの位置に合わせて重量高さを調整します。実際の値にモデル内の材料の密度と質量特性関数を使用して、横傾斜軸の重心のまわりの慣性モーメントを評価します。発振周波数を測定する重量の 2 番目の位置にこのプロセスを繰り返します。小さな振動の間に 5 度など小さな癒しの力の角度を想定してよりメタセンター高さを計算します。L. モーメント アームの長さを決定する前に測定した重心の高さを減算します。今我々 が転がり運動の固有振動数を計算するために以前見つけた解決策を使用します。あなたは前に観察測定周波数にこれらの計算される周波数を比較します。近いマッチを見つける必要があります。低質量の中心ホーチミンには、一番上の行に示されているより安定した場合復元モーメントの腕の長さ L が大きいことに注意してください。これは、結果より低い圧延の高い周波数で安定した下段のケース。

船体の設計を分析するためのいくつかの方法を見てきた、これらを実際のシナリオに適用する方法を見てみましょう。安定性は、すべての浮動構造と船の設計に非常に重要な考察です。浅い草案と、水のレベルを超えて船のほとんどが運航する船は、ドラッグおよびよりよい操縦性を減少しています。大型貨物船で輸送コンテナー貨物容量を増やすとロードとアンロード操作を促進する一番上のデッキ上高積層できます。これらの改善の両方は高い重心を必要とし、船体の船の準安定を確実にする慎重な設計で実用化されています。クルーズ船、浅い草案乗客のためのより多くの窓やデッキの許可。これらの船は、快適で自然な振動周波数を持っているのにまただけではなく、準安定するに設計されています。高い安定性には、これらのオンボードの不快なてきぱきと思われる高い揺動周波数が得られます。

ちょうど浮遊船の安定にゼウスの導入を見た。今、構造の安定性と自然な振動周波数の重心と浮体構造物の浮力の中心の相対的な位置の影響を理解しておくべき。また、実験とコンピューター支援設計ツールの両方に船体の設計を分析する方法を見てきました。見ていただきありがとうございます。

Results

総質量
(m, kg)
質量の中心
(Hcmm)
浮力の中心
(
Equation 8、m)
慣性モーメント
(zzkg m2)
0.088
(ステップ 3.1)
:0.053
(ステップ 3.2)
0.0078
(ステップ 3.7)
0.00052
(ステップ 4.2)

表 1。24 g の重量を持つ模型ボートのプロパティでは、キールの上 13 cm に配置されます。

手順 実験値 予測値
最大の安定したロール角 (1.6、3.8) 〜 25° 28.5°
ロールが自然に周波数 (2.2 4.3) 1.4 Hz 1.24 Hz

表 2。最大の安定したロール角と 24 g 竜骨上 13 cm とボートのローリングの頻度。

Applications and Summary

この実験は、浮遊船の安定性とどのように、船は比較的高い重心とも真っ直ぐにとどまることができる現象を示した。たとえば、代表的な結果に小さなモデル ボートの重心と (Hcm = 5.3 cm) 水線の上にも (Hウォーター ライン〜 1-2 cm) ~ 25 ° の角度を喫しその直立した位置に戻ることが。実験では、質量の異なる垂直中心で模型ボートの最大の安定角度を測定しました。(ローリング) の発振周波数に及ぼす重心高さも行った。これらの測定の両方は、CAD パッケージの幾何学的パラメーターを使用して得られる理論値と比較しました。これらの結果と手順は、生が設計し、浮体構造を分析するための開始点として使用できます。

安定性のプロパティは、デザインおよび遠洋航海の船の操作のため重要です。浅い草案 (上記の水容器のほとんど) を運航する船は、ドラッグと高められた操縦性を減少しています。大型貨物船で輸送コンテナー貨物容量を増やすとロードとアンロード操作を促進する一番上のデッキ上高積層できます。クルーズ船、浅い草案許可多くの windows および乗客のためのデッキ。安定性は重要な安全のため、非常に安定した船体形状 (高Equation 9) 収量高速揺動周波数 (Eqn. 2)、不快かもしれないてきぱきと乗客のため。静安定性解析、この実験で示されているように、海洋工学を導くための重要なツール。

1. 安定性の最大角度を測定

  1. 小さな模型ボートを選択します。比較的単純な船体設計セクション 3 と 4 で解析の複雑さを軽減する勧めします。
  2. 軽量の鮮やかな色の垂直のマストをボート (青推奨) に接続します。MATLAB のコードは、イメージの明るい青のピクセルを捜すことによってビデオのマストの位置を追跡します。色違いのマストを使用すると、画像解析コードは調整するでしょう。
  3. ぴったりと重量のための停止として機能するマストにケーブルタイを貼付します。マスト上に重量 (例えば、カップリング ナット) をスライド ストップにかかってください。
  4. 水のより大きい容器にボートを配置し、(図 2 a) を解決することができます。部屋の空気の流れはボートを妨げないようにセットアップを配置します。ボートの長さに沿ってマストを直面しているビデオ カメラをマウントします。白の背景をお勧めします。
  5. 安静時にボートのリファレンス ・ ビデオを収集し、提供の MATLAB 関数 (TrackMast.m) を使用してそれを分析します。ボートが残りにあるとき、それは正しく 0 傾斜を読み取るまで、カメラの向きを調整します。コードの 17 行目にマストを分離するマスク パラメーターを調整する必要があります。
  6. 非常に徐々 にボートを押すことによってチップのビデオを収集、独自落ちるまでのマストの上に横 (転覆)。各テスト中に、可能な限りビデオ フレームにマストをしてください。重量の高さが異なるため、この手順を実行します。各ケースのマストの重量の高さを記録します。
  7. 提供されている MATLAB スクリプトを使用してこれらのビデオを分析します。各ケースの出力角度と時間配列の検査によって最大の安定角度を決定できます。重量高さ対転覆角度のテーブルを完了します。

Figure 2
図 2: マスト、c. わずかな角度 (ステップ 2.1) からリリースされたとき b. ロール角度変化に調節可能な重量と a. モデル ボート 1.4 Hz のピーク周波数を示す (b) のパワー スペクトル密度プロットしてくださいはこれの拡大版を表示するのにはここをクリック図.

2. 発振周波数の測定

  1. 2 つの異なるマスト重量高さと実験をチップの 2 番目のセットを実行します。今回は、少しボートをヒントだけ (~ 10 °) ロッキング船 10-15 秒の動画を収集。
  2. ビデオのトラッキング機能マストを再実行します。関数を呼び出す後評価の出力に次の MATLAB 式: pwelch (シータ、、、、1/(t(2)-t(1)))。これは、ロッキングのボートのパワー スペクトル密度がプロットされます。プライマリのローリングの周波数は、このプロットで (図 2 b c) ピーク値です。

3. チップの角の予測

  1. スケールを使用して、模型ボート、マストや重量などの質量を測定します。
  2. 手順 1.5 で評価マスト重量の各位置では、ストレート エッジのマストとその側にボートをバランスします。質量の中心 (Hcm) として船体の下部からバランス ポイントの高さを記録します。
  3. CAD ソフトウェア パッケージを使用して、重量と船のマストにスケール モデルを作成します。船体では、このモデル (図 3 a) の (固体) で満ちていることを確認します。
  4. 船体下部 (キール) のセンターラインが CAD の原点と一致してマストが垂直 (y) 軸と平行 (最初は) ように、モデルを配置します。
  5. CAD 環境で小さな単位 (例えば、5 °、10 °、15 °...) で、船体の長さに沿ってである z 軸についてボートを回転します。
  6. 各回転の後すぐにカットし、垂直上ボートのすべての残りの下の部分の体積に等しい水の密度で割った質量合計船ようなレベル (m / ρw, ρw = 1000 kg m-3)。その角度 (図 3 b) で浮いているとき、これは水行の下ボートの部分を表します。
  7. CAD ソフトウェアで「質量プロパティ」機能を使用して、残りの船体の重心の x 位置を評価します。ここでは、起源であるべきそのボールの最低の縁に沿って (キール) と x 軸が水平方向にポイントする必要があります。これは浮力 (xb); の中心を表す浮力の力はこの点を通じて機能します。Θxcmのテーブルを準備します。
  8. 各最大安定した角度 (θ) ステップ 1.6 で識別、ボートの重量のモーメント アームを比較 (Equation 4) と復元の浮揚性力のモーメント アーム (Equation 5)。ステップ 3.7 で取得した値の間を補間する必要があります。これらの約バランスか。

Figure 3
図 3: 容器、容器の c. 物理的に正確なモデルの水中のボリュームを明らかにボートの船体、船体の垂直断面図 b. のモデルで a. 充填します

4. 振動の周期を予測

  1. ステップ 2.1 のケースに対応する重量の位置にボートの第 2 CAD モデルを生成します。今回はモデル (すなわち、満たされたのではなく、図 3 c) 外皮の実際の厚みです。実際の値を持つ材料の密度に一致します。
  2. CAD ソフトウェア「質量プロパティ」機能を使用すると、その重心重量ハイツのロール軸 (zz) に沿ってボートの慣性モーメントを評価します。
  3. 上記の手順、およびxからの結果を使用して-浮力の中心の位置は測定時Equation 6(ステップ 3.7) 評価理論発振周波数。
    Equation 7(2)
  4. 測定した発振周波数とステップ 4.3 から理論的結果を比較します。これらの値は合理的に同意しますか。

浮遊船物を評価、耐え抜くから離れて、最も重要なパフォーマンス ・ メトリックは直立することができますまま間違いなくです。実際には、多くの船では、フロートを滞在する能力に大きく依存特定の向きを維持する能力。転覆した船は、洪水し、その後正浮力を失う可能性があります。以下の極端なシナリオでさえも、安全と快適さの乗組員および貨物のかかっています。自体を右または妨げられるときを転覆する船のこの傾向は、その安定性が特徴です。残念なことに、しばしば否定的安定性を向上させる変更は、燃費や操縦性など他の重要なパフォーマンス メトリックを影響します。このトレードオフのため十分な保証しますが、ない最大の安定性を要求する一般的に安全性とパフォーマンスのための設計を最適化します。このビデオの残りの部分では、浮体構造物の形状と重量の配分がその安定性にどのように影響するかを説明します。その後、実験模型の船にこれらの原則をテスト、コンピューター支援設計ソフトウェアによってなされる理論的な予言と結果を比較します。

前のビデオでは、浮力と重力の基本を説明しました。今すぐこれら 2 つの力にオブジェクトの向きの影響を検討します。拡張オブジェクトは、重力の累積効果はオブジェクトの総重量に相当の重心を通る力を思い出してください。同様に、ネットの浮力はオブジェクトの水中部分の重心に浮力の中心を通過します。したがって、オブジェクトがのみ部分的に冠水した質量が均等に分散されない場合、トルクを開発できます。重心が浮力、横に転がり、傾斜部以下の場合、モーションは構造を右に復元モーメントを伝えます。この構成は、常に安定したが、一般的に大量に浸水することが必要です。今の重心が浮力の中心の上発生、構造が不安定になる可能性があります、任意の癒しの力の動きを与えられる瞬間に加速される場合、それ転覆の原因。しかし、高い重心は限りません構造が完全に安定してないことに注意してください。慎重に設計された船体は、臨界角まで安定している構造の準安定を行うことができます。これは、一般に、浮力の中心は、構造体としてシフト横傾斜角度により水中部分の形状が傾きます。質量の中心外横方向にずれるならその瞬間機能構造を右に。同等に、船は重心が下の船体の中心線との浮力作用線との交点であるよりメタセンター限り安定するでしょう。浮体構造物の動的挙動は、環境から強い衝動が準安定限界過去運転できるためにも重要です。周波数と振動の振幅は、また安全、乗客および貨物の快適さに影響を与えます。容器の回転運動は、質量の中心、容器の総質量の重心についての慣性モーメントに依存する横傾斜角度の 2 階微分方程式になる周りの瞬間のバランスで予測できます。、加速度、重力と重心よりメタセンター船の中心線に沿った距離 L のため。小さい角度のためこの方程式の解は正弦および余弦のオメガで示される容器の自然な振動周波数で変動します。今では理論的には安定性を確認する方法を見てきた、この知識を使って船体の設計を実験的に分析しましょう。

空気の流れからシールド領域で水浴を設定し、それの後ろの固体白い背景を配置します。今の簡単な外皮の設計を小さく、できれば白いボートを調達します。ボートの中心で軽量の色鮮やかなマストを接続し、カメラに向かって指すように水に浮きます。ボート画面の中央には、お風呂の前にカメラをマウントし、ビューのフィールドは、ボートの上のマストの部分がキャプチャされるようにカメラの高さを調整します。イルミネーションがよく確保し、安静時のボートの参考映像を記録します。カメラから録画のマストの色を分離することによってマストの角度を追跡するのにいくつかのカスタム コードを使用します。テキストの詳細およびコード例を参照してください。追跡が正しく動作していることを確認する参照ビデオを分析し、マストを分離する必要に応じて、コードを調整します。最後に、カメラを水平にまでコードは、安静時のボートで傾斜角がないことを報告しました。一度コードとカメラを調整すると、水から船を削除し、船体を乾燥します。ぴったりと、それは重量をサポートできるようにケーブル ネクタイ、マストの下部から約 1 センチを貼付します。今マスト上に重量を滑り降りると、乾燥したときの船の合計マストの重量を量る。次に、マストの重量の高さを記録し、その側にボートのバランスをストレート エッジを使用します。このバランス ポイントは、船の重心を識別します。船体の下部から重心までの距離を記録します。水にボートを配置し、ながら徐々 にボート、マストの上に横に押すとそれが転覆するまでビデオを記録します。今最初先端約 10 度と、突然リリースされたボートと 2 番目のビデオをキャプチャします。10 ~ 15 秒間の振動を記録します。重量の高さを増やすため転覆手順 3 または 4 回を繰り返します。最終的な高さの前に振動の別のビデオを記録します。解析スクリプトを使用して転覆のビデオのそれぞれ分析します。これを超えるボート急速にロール オーバー ポイントを探してグラフの検査で最大の安定角度を決定できます。この場合、これはマイナス 26 度の周り発生します。重量と重心の高さを持つテーブルを完了し、角度を転覆します。次に、2 つの振動のビデオを分析します。肥満運動または時間とマストの角度のグラフのアニメーションの検査によって支配的な発振周波数を決定するまたはパワー スペクトル密度を使用して関数を予測します。この実験は小規模なテストとシンプルなデザインに便利が、常に実世界のシナリオまたは急速に設計を最適化するために実用的ではありません。次のセクションでボートを分析する数値解法を説明し、結果これらの実験結果とを比較します。

模型ボートの安定性を分析するのにコンピューター支援設計や CAD パッケージを使用します。まず、浮力の中心を決定する方法を見てみましょう。艇体のスケール モデルにソリッドを作成するのに CAD ソフトウェアを使用します。キールの中心線が CAD 環境で原点と一致する、マストが垂直軸と平行になるようにモデルを配置します。浮力の中心が、船体の水中部分の重心であることを思い出してください。浮力の中心を見つけ、船の水中部分を切り離す必要があります我々。流体サーフェスを表現し、平面上のすべてを削除するハルと交差する平面を作成します。飛行機は、正しい高さにあった、残りのボリュームは流体の密度で割ったボートの総質量に等しいになります。カットを元に戻すし、残りのボリュームが正しくなるまで必要に応じて面の高さを調整します。船体の適切な水中部分が見つかったときは、CAD ソフトウェアの質量特性関数を使用して、このボリュームの重心の横方向のオフセットを評価します。この場合、船体は対称およびレベルなので見つかるはずない水平方向にオフセット。つまり、船体の中心線上に重心になります。横傾斜角度の関数として重心オフセットのテーブルを構築するための船の横傾斜角度を増加させるためには、このプロセスを繰り返します。完了したら、結果をプロットし、浮力の中心のための 3 次多項式を適合します。今プロットの重心を水平方向にオフセットの横傾斜角度のサインを倍の高さであります。臨界角での重心よりメタセンターになります、横方向のオフセットが等しくなります。予測臨界角が合理的な不確実性の内で実験値と一致することを見つける必要があります。今船のモデルの自然な振動周波数を数値予測しましょう。船体の実際の厚みに一致し、肥満と体重を追加する CAD モデルを絞り込みます。最初の振動テストの位置に合わせて重量高さを調整します。実際の値にモデル内の材料の密度と質量特性関数を使用して、横傾斜軸の重心のまわりの慣性モーメントを評価します。発振周波数を測定する重量の 2 番目の位置にこのプロセスを繰り返します。小さな振動の間に 5 度など小さな癒しの力の角度を想定してよりメタセンター高さを計算します。L. モーメント アームの長さを決定する前に測定した重心の高さを減算します。今我々 が転がり運動の固有振動数を計算するために以前見つけた解決策を使用します。あなたは前に観察測定周波数にこれらの計算される周波数を比較します。近いマッチを見つける必要があります。低質量の中心ホーチミンには、一番上の行に示されているより安定した場合復元モーメントの腕の長さ L が大きいことに注意してください。これは、結果より低い圧延の高い周波数で安定した下段のケース。

船体の設計を分析するためのいくつかの方法を見てきた、これらを実際のシナリオに適用する方法を見てみましょう。安定性は、すべての浮動構造と船の設計に非常に重要な考察です。浅い草案と、水のレベルを超えて船のほとんどが運航する船は、ドラッグおよびよりよい操縦性を減少しています。大型貨物船で輸送コンテナー貨物容量を増やすとロードとアンロード操作を促進する一番上のデッキ上高積層できます。これらの改善の両方は高い重心を必要とし、船体の船の準安定を確実にする慎重な設計で実用化されています。クルーズ船、浅い草案乗客のためのより多くの窓やデッキの許可。これらの船は、快適で自然な振動周波数を持っているのにまただけではなく、準安定するに設計されています。高い安定性には、これらのオンボードの不快なてきぱきと思われる高い揺動周波数が得られます。

ちょうど浮遊船の安定にゼウスの導入を見た。今、構造の安定性と自然な振動周波数の重心と浮体構造物の浮力の中心の相対的な位置の影響を理解しておくべき。また、実験とコンピューター支援設計ツールの両方に船体の設計を分析する方法を見てきました。見ていただきありがとうございます。

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