Stabilité de la flotte de navires

Mechanical Engineering

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Overview

Source : Alexander S Rattner et Kevin Rao Li département de génie mécanique et nucléaire, la Pennsylvania State University, University Park, PA

L’objectif de cette expérience doit démontrer le phénomène de la stabilité des bateaux flottants - la capacité de droit autonome lorsque renversé sur le côté par une force externe. Prudent, conception des formes de coque et de la répartition des masses interne permet aux navires de mer stable avec faibles brouillons (profondeur submergée de coque), améliore la manoeuvrabilité du navire et réduit le faites glisser.

Dans cette expérience, un bateau de modèle sera tout d’abord modifié pour permettre le réglage du son centre de masse (ce qui représente des charges de marchandises différentes) et automatisé de suivi de son angle de roulis. Le bateau sera placé dans un récipient d’eau et incliné à différents angles, avec différentes hauteurs de son centre de masse. Une fois libéré, le chavirement (basculement) ou le mouvement du bateau oscillatoire est suivi avec un appareil photo numérique et le logiciel d’analyse vidéo. Angle de roulis de résultats pour l’écurie maximale et la fréquence d’oscillation est comparée avec les valeurs théoriques. Calculs de stabilité seront effectués à l’aide des propriétés géométriques et structurelles du bateau déterminé dans un environnement de conception assistée par ordinateur.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Stabilité de la flotte de navires. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

La force de flottabilité, qui prend en charge les navires flottants, est égale au poids du fluide déplacé par la partie submergée de ces navires. La force de flottabilité agit vers le haut, le long de la ligne verticale passant par le centre de gravité (Centre du volume) de ce volume immergé. Ce point est appelé centre de flottabilité. Si le centre de masse d’une structure flottante est inférieure à son centre de flottabilité, tout sur le côté (inclinaison sans mouvement de roulis) donnera un instant à droite la structure, en retournant à l’orientation verticale (Fig. 1 a). Si le centre de masse est au-dessus du centre de la flottabilité, la structure peut être instable, faisant chavirer si perturbé (Fig. 1 b). Toutefois, si la coque d’un navire flottant est conçue avec soin, il peut être stable, même si son centre de gravité est supérieur à son centre de flottabilité. Ici, basculer le bateau légèrement provoque la forme de son volume immergé à changer, déplacer son centre de flottabilité vers l’extérieur en direction de basculement. Cela se traduit par un net redressement moment tant que la ligne d’action de la flottabilité est à l’extérieur du centre de masse de la structure (Fig. 1 c). De manière équivalente, un navire sera stable si le point d’intersection de la ligne d’action de la flottabilité et l’axe de la coque (métacentre) est au-dessus de son centre de masse. Certains navires sont métastable - seulement redressement automatique jusqu'à un angle critique.

Il est également important de tenir compte du comportement dynamique d’un navire flottant. Fortes impulsions des ondes peuvent causer un bateau faire tourner ses limites métastable, même si l’angle de basculement initial est minime (c'est-à-dire, Equation 1 grand pour les petites Equation 2 ). La fréquence et l’amplitude d’oscillation peuvent aussi affecter le confort des passagers. Le mouvement de rotation d’un navire peut être prédite avec une balance du moment sur son centre de masse. Ici, j’aizz est le moment d’inertie autour du centre de masse, θ est l’angle de roulis, m est la masse du navire et Lcm, mc est la distance le long de la ligne centrale du bateau de son centre de gravité à son métacentre.

Equation 3(1)

Figure 1

Figure 1 : a. navire Stable avec centre de gravité sous centre de flottabilité, veillant à ce moment de redressement. b. navire instable avec centre de gravité plus haut Centre de flottabilité. c. forme de la coque qui provoque le centre de flottabilité à des actes hors du centre de masse (métacentre au-dessus de centre de masse). Cela donne stabilité même avec le centre de gravité au-dessus du centre de flottabilité.

Procedure

1. mesurer l’angle maximum de stabilité

  1. Sélectionnez un bateau de petit modèle. Une conception de la coque relativement simple est recommandée pour réduire la complexité de l’analyse aux Sections 3 et 4.
  2. Se connecter à un mât vertical léger de vives au bateau (bleu recommandé). Le fourni code MATLAB suit la position du mât dans la vidéo en recherchant des pixels bleus lumineux de l’image. Si un mât de couleur différente est utilisé, le code d’analyse image devra être ajusté en conséquence.
  3. Bien ajusté, apposer un collier de serrage sur le mât d’agir comme une halte pour un poids. Faites glisser un poids (p. ex., l’écrou d’accouplement) sur le mât afin qu’il repose sur la butée.
  4. Mettez le bateau à un plus grand récipient d’eau et laisser s’installer (Fig. 2 a). Positionner le paramétrage afin que le flux d’air dans la chambre ne perturbe pas le bateau. Monter un caméscope vers le mât sur la longueur du bateau. Un fond blanc est recommandé.
  5. Recueillir une vidéo de référence du bateau au repos et d’analyser à l’aide de la fonction de MATLAB fournie (TrackMast.m). Ajustez l’orientation de la caméra jusqu'à ce qu’il lit correctement 0-inclinaison lorsque le bateau est au repos. Vous devrez peut-être ajuster les paramètres de masquage pour isoler le mât sur la ligne 17 du code.
  6. Recueillir des vidéos de basculement très progressivement le bateau en appuyant sur le côté sur le dessus du mât jusqu'à ce qu’il tombe son propre (chavire). Maintenir le mât dans l’image vidéo autant que possible au cours de chaque essai. Effectuez cette procédure pour différentes hauteurs du poids. Inscrit à la hauteur du poids sur le mât pour chaque cas.
  7. Analyser ces vidéos en utilisant le script MATLAB fourni. Pour chaque cas, l’angle maximal stable peut être déterminé en inspection des tableaux sortie angle et de temps. Remplir un tableau de l’angle de chavirement vs poids taille.

Figure 2
Figure 2 : a. modèle de bateau avec masse réglable sur mât, b. variation d’angle de roulis avec quand détache légèrement incliné (étape 2.1), c. puissance densité tracer spectre (b) montrant la fréquence d’oscillation maximale de 1,4 Hz s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette Figure.

2. mesure de la fréquence d’oscillation

  1. Effectuer une deuxième série d’expériences avec deux hauteurs différentes de mât-poids de basculement. Cette fois, n’inclinez le bateau légèrement (~ 10°) et recueillir des vidéos du bateau bascule pour 10-15 s.
  2. Exécutez à nouveau le mât fonction de suivi sur la vidéo. Après l’appel à la fonction, évaluer l’expression suivante de MATLAB sur la sortie : pwelch (thêta, [], [], [], 1/(t(2)-t(1))) ;. Cela va tracer la densité de puissance du spectre pour le bateau bascule. La fréquence de roulement primaire est la valeur de crête sur ce terrain (Fig. 2 b-c).

3. la prédiction de l’angle de basculement

  1. À l’aide d’une échelle, mesurer la masse du bateau modèle, y compris le mât et le poids.
  2. Pour chaque position du mât poids évalué à l’étape 1.5, équilibrer le bateau sur le côté avec le mât sur un bord droit. La hauteur du point d’équilibre du fond de la coque, noter que le centre de masse (Hcm).
  3. À l’aide d’un progiciel de CAO, de créer un modèle à l’échelle du bateau et du mât avec poids. S’assurer que la coque est rempli (solide) dans ce modèle (Fig. 3 a).
  4. Positionner le modèle afin que l’axe de la coque inférieure (keel) est coïncident avec l’origine dans l’environnement de CAO et le mât est (au début) parallèle à l’axe vertical (y).
  5. L’environnement CAD, faire tourner le bateau sur l’axe z, qui est le long de la coque, par petits incréments (p. ex., 5°, 10°, 15°...).
  6. Après chaque rotation, coupez tout du bateau au-dessus de la verticale niveau telle que le volume de la partie inférieure est égale à l’embarcation totale masse divisée par la masse volumique de l’eau (m /wde la ρ, ρw = 1000 kg m-3). Il s’agit de la partie du bateau sous l’eau lorsqu’elle est flottante à cet angle (Fig. 3 b).
  7. Utilisez la fonction « Propriétés de masse » dans le logiciel de CAO, évaluer la position x du centroïde de la coque restante. Ici, l’origine doit être le long du bord inférieur de la boal (la quille), et l’axe des abscisses doivent pointer dans la direction horizontale. Cela représente le centre de flottabilité (xb) ; la force de flottabilité agit par l’intermédiaire de ce point. Établir un tableau de xcm vs θ.
  8. Pour chaque stable angle maximal (θ) identifié au point 1.6 de l’étape, comparer le bras du moment du poids bateau (Equation 4) et le bras du moment de la restauration force de flottabilité (Equation 5). Vous devrez peut-être interpoler entre les valeurs obtenues par étape 3,7. Ces équilibre environ ?

Figure 3
Figure 3 : a. rempli dans le modèle de la coque du bateau, b. coupe verticale de la coque, révélant le volume immergé du navire, modèle physiquement précis c. du navire.

4. prévoir la période d’oscillation

  1. Produire un deuxième modèle de CAO du bateau avec la position du poids correspondant aux cas au point 2.1. Cette fois-ci le modèle l’épaisseur réelle de la coque (c.-à-d.ne pas remplis à, Fig. 3C). Correspond à la densité des matériaux par des valeurs réelles.
  2. À l’aide de la fonction de « Propriétés de masse » du logiciel CAD, évaluer le moment d’inertie du bateau sur son centre de gravité sur l’axe de roulis (j’aizz) pour les hauteurs de poids.
  3. En utilisant les résultats des étapes précédentes et le x-position du centre de flottabilité mesurée quand Equation 6 (étape 3,7), évaluer les fréquences d’oscillation théorique :
    Equation 7(2)
  4. Comparez le résultat théorique de 4,3 étape avec les fréquences d’oscillation mesurée. Ces valeurs concordent assez bien ?

Lors de l’évaluation des structures et des bateaux flottants, la plus importante mesure de performance, en dehors de rester à flot, est sans doute qu’il peut rester debout. En fait, de nombreux navires, la capacité à rester flotteur dépend fortement la capacité de maintenir une orientation particulière. Un bateau chaviré est susceptible d’inondation et perdent par la suite une flottabilité positive. Même dans les scénarios moins extrêmes, la sécurité et le confort de l’équipage et la cargaison sont en jeu. Cette tendance d’un navire à droite elle-même ou faire chavirer lorsqu’elles sont dérangées se caractérise par sa stabilité. Malheureusement, modifications qui améliorent la stabilité souvent négativement incidence des autres mesures de performance importants tels que la consommation de carburant et la maniabilité. À cause de ce compromis, optimaliser une conception pour la sécurité et de performance généralement exige assurant suffisamment mais pas maximum de stabilité. Dans le reste de cette vidéo, Nous illustrerons sa stabilité l’impact de la distribution de poids et la forme d’une structure flottante. Nous avons ensuite tester ces principes expérimentalement sur un bateau de modèle et comparer les résultats avec les prédictions théoriques faites par des logiciels de conception assistée par ordinateur.

Dans une vidéo précédente, nous avons couvert les principes fondamentaux de flottabilité et de la gravité. Nous allons maintenant examiner comment ces deux forces peuvent influer sur l’orientation d’un objet. Rappelons que pour un objet étendu, l’effet cumulatif de la gravité est une force en passant par le centre de masse équivalente au poids total de l’objet. De même, la force de flottabilité nette passe par le centre de flottabilité dans le centre de gravité de la partie submergée de l’objet. Par conséquent, si l’objet est partiellement submergé, ou la masse n’est pas également répartie, un couple peut se développer. Si le centre de masse est sous le centre de flottabilité, tout rouler ou de gîte sur le côté mouvement donnera un moment de restauration à droite de la structure. Cette configuration est toujours stable, mais nécessite généralement un plus grand volume à être submergés. Maintenant si le centre de masse est soulevée au-dessus du centre de la flottabilité, la structure pourrait devenir instable et tout mouvement d’inclinaison sera accélérée par l’instant conféré, amenant à chavirer. Notez cependant qu’un centre de masse plus élevée ne garantit pas que la structure sera complètement instable. Une coque soigneusement conçus peut rendre la structure métastable, qui est stable jusqu'à un angle critique. Cela se produit parce qu’en général, la forme des modifications partie submergée avec angle de gîte pour le centre de flottabilité se déplace comme la structure s’incline. Si elle se déplace latéralement à l’extérieur du centre de masse, agira en ce moment à droite de la structure. De manière équivalente, le navire sera stable tant que le centre de gravité est inférieur le métacentre, qui est le point d’intersection entre la ligne médiane de la coque et la ligne d’action de la flottabilité. Le comportement dynamique d’une structure flottante est également important, car de fortes impulsions de l’environnement pourraient conduire au-delà de sa limite métastable. La fréquence et l’amplitude d’oscillation influent aussi la sécurité et le confort des passagers et du fret. Le mouvement de rotation d’un navire peut être prédite avec une balance du moment autour de son centre de masse, qui se traduit par une deuxième équation différentielle de commande pour l’angle de gîte, qui dépend du moment d’inertie autour Centre de masse du navire, la masse totale , l’accélération due à la gravité et la distance L le long de l’axe du bateau du centre de masse pour le métacentre. Solutions de cette équation pour les petits angles sont les sinus et cosinus oscillant à la fréquence d’oscillation naturelle du navire dénotée par omega. Maintenant que nous avons vu comment faire pour déterminer la stabilité en théorie, nous allons utiliser ces connaissances pour analyser une conception de la coque expérimentalement.

Mettre en place un bain d’eau dans une zone à l’abri des courants d’air et placer un solid fond blanc derrière lui. Maintenant se procurer un bateau petit, blanc de préférence avec une conception de la coque simple. Fixer un mât léger de vives au centre du bateau et faites-le flotter sur l’eau afin qu’il pointe vers la caméra. Monter une caméra devant la baignoire pour que le bateau est centré sur l’écran et régler la hauteur de la caméra afin que le champ de vision capte la partie du mât au-dessus du bateau. S’assurer que la zone est bien allumée et enregistrer une vidéo de référence du bateau au repos. Nous allons utiliser un code personnalisé pour suivre l’angle du mât en isolant la couleur de mât dans les enregistrements de la caméra. Se reporter au texte pour les détails et l’exemple de code. Analyser la vidéo de référence pour vérifier que le suivi ne fonctionne correctement et ajuster le code nécessaire pour isoler le mât. Enfin, niveau de l’appareil photo jusqu'à ce que le code ne signale aucun angle d’inclinaison avec le bateau au repos. Une fois le code et la caméra sont ajustées, retirer le bateau de l’eau et séchez la coque. Bien ajusté, apposer une attache de câble environ un centimètre du bas du mât afin qu’il puisse soutenir un poids. Maintenant glissez un poids vers le bas sur le mât et peser le mât total du bateau lorsqu’il est sec. Ensuite, enregistrez la hauteur du poids sur le mât et puis utilisez une équerre pour équilibrer le bateau sur son flanc. Ce point d’équilibre identifie le centre de gravité du bateau. Enregistrer la distance entre le fond de la coque et le centre de masse. Remettre le bateau dans l’eau et enregistrer une vidéo lorsque progressivement basculé le bateau, en poussant sur le côté sur le dessus du mât jusqu'à ce qu’il chavire. Maintenant capturer une deuxième vidéo avec le bateau de pointe au départ environ 10 degrés, puis soudainement relâché. Enregistrer les oscillations pendant 10 à 15 secondes. Répétez la procédure chavirement trois ou quatre fois plus pour augmenter la hauteur du poids. À la hauteur finale, enregistre une autre vidéo des oscillations comme avant. Chacune des vidéos chavirement en utilisant le script analyse analyser. L’angle maximal stable peut être déterminé par l’inspection de la carte, cherchez le point au-delà duquel le bateau roule rapidement. Dans ce cas, cela se produit autour de 26 degrés. Remplir un tableau avec les hauteurs du poids et centre de masse et angle de chavirage. Ensuite, analyser les vidéos de deux oscillations. Déterminer la fréquence d’oscillation dominante par une inspection de l’animation de la motion de mât ou graphique de l’angle de mât avec le temps, ou en utilisant une densité spectrale de puissance estimer la fonction. Cette procédure expérimentale est utile pour les essais à petite échelle et des conceptions simples, mais il n’est pas toujours pratique dans des scénarios réels, ou pour optimiser rapidement une conception. Dans la section suivante, nous démontrer une approche numérique pour analyser le bateau et comparer les résultats avec ces constatations expérimentales.

Nous allons utiliser un paquet de conception assistée par ordinateur ou CAD pour analyser la stabilité du bateau modèle. Tout d’abord, nous allons voir comment déterminer le centre de flottabilité. Le logiciel de CAO permet de créer un solide à la maquette de la coque du bateau. Positionner le modèle afin que l’axe de la quille est coïncident avec l’origine dans l’environnement de CAO et le mât est parallèle à l’axe vertical. Rappelons que le centre de flottabilité est dans le centre de gravité de la partie immergée de la coque. Donc pour trouver le centre de flottabilité, nous devons tout d’abord isoler la partie immergée du bateau. Créer un plan horizontal, se coupant la coque pour représenter la surface du fluide et puis supprimer tout au-dessus du plan. Si l’avion était à la bonne hauteur, le volume restant sera égal à la masse totale du bateau divisé par la densité du fluide. Annuler la coupe et régler la hauteur de l’avion si nécessaire jusqu'à ce que le volume restant est correct. Lorsque la partie submergée correcte de la coque a été trouvée, utilisez la fonction de propriétés massiques du logiciel CAD pour évaluer le décalage latéral du centroïde du présent volume. Dans ce cas, puisque la coque est symétrique et de niveau, vous devriez trouver sans décalage latéral. En d’autres termes, le centre de gravité sera sur la ligne médiane de la coque. Répétez ce processus pour augmenter les angles de gîte du bateau à mettre en place un tableau de l’offset de centre de gravité en fonction de l’angle de gîte. Lorsque vous avez terminé, tracer les résultats et adapter un polynôme cubique au centre de flottabilité. Maintenant tracer le décalage latéral du centre de masse, qui est sa hauteur fois le sinus de l’angle de gîte. À l’angle critique, le centre de masse sera à métacentre et les décalages latéraux seront égales. Vous devriez trouver que l’angle critique prédite correspond à la valeur expérimentale dans une incertitude raisonnable. Maintenant nous allons numériquement prédire la fréquence d’oscillation naturelle du bateau modèle. Affiner le modèle CAO pour correspondre à l’épaisseur réelle de la coque et ajouter le mât et le poids. Régler la hauteur du poids pour correspondre à la position dans le premier test de l’oscillation. Correspond à la densité des matériaux dans le modèle à valeurs réelles, puis utilisez la fonction propriétés massiques pour évaluer le moment d’inertie autour du centre de masse le long de l’axe d’inclinaison. Répétez ce processus pour le deuxième poste du poids au cours de laquelle vous avez mesuré la fréquence d’oscillation. Calculer la hauteur du métacentre lors de petites oscillations en supposant un petit angle de gîte comme cinq degrés. Soustraire la hauteur du centre de masse que vous avez mesuré auparavant pour déterminer la longueur du bras du moment L. Utilisez maintenant la solution que nous avons trouvé précédemment pour calculer la fréquence naturelle du mouvement de roulis. Comparer ces fréquences calculées à la mesure des fréquences que vous observé auparavant. Vous devriez trouver un match serré. Notez que dans le cas plus stable montré sur la rangée du haut, qui a une hCM de centre de masse plus faible, la longueur de bras de moment restauration L est plus grande. Cela se traduit par une fréquence plus élevée de rouler que dans la moins stable des cas sur la rangée du bas.

Maintenant que nous avons vu quelques méthodes permettant d’analyser une conception de la coque, nous allons voir comment ils sont appliqués dans des scénarios réels. La stabilité est un facteur extrêmement important dans la conception de toutes les structures flottantes et navires. Navires opérant avec des projets peu profondes, c’est avec la plus grande partie du navire au-dessus du niveau de l’eau, ont réduit la traînée et meilleure manœuvrabilité. En gros cargos, conteneurs d’expédition peuvent être empilés haut au-dessus du pont supérieur, augmentant la capacité de chargement et de faciliter les opérations de chargement et de déchargement. Deux de ces améliorations nécessitent un centre de gravité plus élevé et sont faites en pratiques par une conception rigoureuse de la coque pour s’assurer que les navires sont métastables. Dans les navires de croisière, brouillons peu profonds permettent plus de windows et de ponts pour les passagers. Ces navires sont conçus non seulement pour être métastable, mais aussi d’avoir une fréquence d’oscillation confortable et naturelle. Une meilleure stabilité conduit à plus haute fréquence bascule qui peut être mal à l’aise accrocheuse pour ceux à bord.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la stabilité des navires flottants. Vous devez maintenant comprendre l’impact de la position relative du centre de gravité et centre de flottabilité d’une structure flottante stabilité de la structure et la fréquence de l’oscillation naturelle. Vous avez également vu comment analyser une conception de la coque aussi bien expérimentalement qu’avec des outils de conception assistée par ordinateur. Merci de regarder.

Results

Masse totale
(m, kg)
Centre de masse
(Hcm, m)
Centre de flottabilité
(
Equation 8, m)
Moment d’inertie
(J’aizz, kg m2)
0,088
(Étape 3.1)
0,053
(Étape 3.2)
0,0078
(Étape 3,7)
0.00052
(Étape 4.2)

Le tableau 1. Propriétés de bateau modèle avec 24 g poids placé 13 cm au-dessus de la quille.

Étape de la procédure Valeur expérimentale Valeur prédite
Angle de roulis stable maximal (1.6, 3,8) ~ 25° 28.5°
Fréquence de roulis naturel (2.2, 4.3) 1,4 Hz 1.24 Hz

Le tableau 2. Maximale stable roll angle et roulement fréquence de bateau avec 24 g poids 13 cm au-dessus de la quille.

Applications and Summary

Cette expérience a démontré le phénomène de la stabilité des bateaux flottants et comment les navires peuvent rester debout même avec centres relativement élevée de masse. Par exemple, dans les résultats représentatifs, un modèle petit bateau avec un centre de masse (Hcm = 5,3 cm) bien au-dessus de la ligne de flottaison (Hconduite d’eau ~ 1-2 cm) pourrait revenir à sa position verticale après être incliné à un angle d’environ 25 °. Dans les expériences, l’angle maximal stable a été mesurée pour un bateau de modèle avec différents centres de masse verticales. L’effet de la hauteur du centre de masse à la fréquence d’oscillation (laminage) a également été évalué. Les deux mesures ont été comparées avec les valeurs théoriques obtenues à l’aide des paramètres géométriques dans les logiciels de CAO. Ces résultats et procédures peuvent servir comme point de départ pour les étudiants qui cherchent à concevoir et analyser des structures flottantes.

La propriété de stabilité est cruciale pour la conception et l’exploitation des navires de mer. Navires exploités avec des projets peu profondes (la plupart du bateau au-dessus de l’eau) ont réduit la traînée et une maniabilité accrue. En gros cargos, conteneurs d’expédition peuvent être empilés haut au-dessus du pont supérieur, augmentant la capacité de chargement et de faciliter les opérations de chargement et de déchargement. Dans les navires de croisière, brouillons peu profonds permettent beaucoup de fenêtres et de ponts pour les passagers. Alors que la stabilité est essentielle pour la sécurité, des formes de coque très stable (haute Equation 9 ) rendement bascule rapide des fréquences (Eqn. 2), ce qui peuvent être mal à l’aise accrocheur pour les passagers. Les analyses de stabilité hydrostatique, comme l’a démontré dans cette expérience, sont donc des outils essentiels pour guider l’ingénierie marine.

1. mesurer l’angle maximum de stabilité

  1. Sélectionnez un bateau de petit modèle. Une conception de la coque relativement simple est recommandée pour réduire la complexité de l’analyse aux Sections 3 et 4.
  2. Se connecter à un mât vertical léger de vives au bateau (bleu recommandé). Le fourni code MATLAB suit la position du mât dans la vidéo en recherchant des pixels bleus lumineux de l’image. Si un mât de couleur différente est utilisé, le code d’analyse image devra être ajusté en conséquence.
  3. Bien ajusté, apposer un collier de serrage sur le mât d’agir comme une halte pour un poids. Faites glisser un poids (p. ex., l’écrou d’accouplement) sur le mât afin qu’il repose sur la butée.
  4. Mettez le bateau à un plus grand récipient d’eau et laisser s’installer (Fig. 2 a). Positionner le paramétrage afin que le flux d’air dans la chambre ne perturbe pas le bateau. Monter un caméscope vers le mât sur la longueur du bateau. Un fond blanc est recommandé.
  5. Recueillir une vidéo de référence du bateau au repos et d’analyser à l’aide de la fonction de MATLAB fournie (TrackMast.m). Ajustez l’orientation de la caméra jusqu'à ce qu’il lit correctement 0-inclinaison lorsque le bateau est au repos. Vous devrez peut-être ajuster les paramètres de masquage pour isoler le mât sur la ligne 17 du code.
  6. Recueillir des vidéos de basculement très progressivement le bateau en appuyant sur le côté sur le dessus du mât jusqu'à ce qu’il tombe son propre (chavire). Maintenir le mât dans l’image vidéo autant que possible au cours de chaque essai. Effectuez cette procédure pour différentes hauteurs du poids. Inscrit à la hauteur du poids sur le mât pour chaque cas.
  7. Analyser ces vidéos en utilisant le script MATLAB fourni. Pour chaque cas, l’angle maximal stable peut être déterminé en inspection des tableaux sortie angle et de temps. Remplir un tableau de l’angle de chavirement vs poids taille.

Figure 2
Figure 2 : a. modèle de bateau avec masse réglable sur mât, b. variation d’angle de roulis avec quand détache légèrement incliné (étape 2.1), c. puissance densité tracer spectre (b) montrant la fréquence d’oscillation maximale de 1,4 Hz s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette Figure.

2. mesure de la fréquence d’oscillation

  1. Effectuer une deuxième série d’expériences avec deux hauteurs différentes de mât-poids de basculement. Cette fois, n’inclinez le bateau légèrement (~ 10°) et recueillir des vidéos du bateau bascule pour 10-15 s.
  2. Exécutez à nouveau le mât fonction de suivi sur la vidéo. Après l’appel à la fonction, évaluer l’expression suivante de MATLAB sur la sortie : pwelch (thêta, [], [], [], 1/(t(2)-t(1))) ;. Cela va tracer la densité de puissance du spectre pour le bateau bascule. La fréquence de roulement primaire est la valeur de crête sur ce terrain (Fig. 2 b-c).

3. la prédiction de l’angle de basculement

  1. À l’aide d’une échelle, mesurer la masse du bateau modèle, y compris le mât et le poids.
  2. Pour chaque position du mât poids évalué à l’étape 1.5, équilibrer le bateau sur le côté avec le mât sur un bord droit. La hauteur du point d’équilibre du fond de la coque, noter que le centre de masse (Hcm).
  3. À l’aide d’un progiciel de CAO, de créer un modèle à l’échelle du bateau et du mât avec poids. S’assurer que la coque est rempli (solide) dans ce modèle (Fig. 3 a).
  4. Positionner le modèle afin que l’axe de la coque inférieure (keel) est coïncident avec l’origine dans l’environnement de CAO et le mât est (au début) parallèle à l’axe vertical (y).
  5. L’environnement CAD, faire tourner le bateau sur l’axe z, qui est le long de la coque, par petits incréments (p. ex., 5°, 10°, 15°...).
  6. Après chaque rotation, coupez tout du bateau au-dessus de la verticale niveau telle que le volume de la partie inférieure est égale à l’embarcation totale masse divisée par la masse volumique de l’eau (m /wde la ρ, ρw = 1000 kg m-3). Il s’agit de la partie du bateau sous l’eau lorsqu’elle est flottante à cet angle (Fig. 3 b).
  7. Utilisez la fonction « Propriétés de masse » dans le logiciel de CAO, évaluer la position x du centroïde de la coque restante. Ici, l’origine doit être le long du bord inférieur de la boal (la quille), et l’axe des abscisses doivent pointer dans la direction horizontale. Cela représente le centre de flottabilité (xb) ; la force de flottabilité agit par l’intermédiaire de ce point. Établir un tableau de xcm vs θ.
  8. Pour chaque stable angle maximal (θ) identifié au point 1.6 de l’étape, comparer le bras du moment du poids bateau (Equation 4) et le bras du moment de la restauration force de flottabilité (Equation 5). Vous devrez peut-être interpoler entre les valeurs obtenues par étape 3,7. Ces équilibre environ ?

Figure 3
Figure 3 : a. rempli dans le modèle de la coque du bateau, b. coupe verticale de la coque, révélant le volume immergé du navire, modèle physiquement précis c. du navire.

4. prévoir la période d’oscillation

  1. Produire un deuxième modèle de CAO du bateau avec la position du poids correspondant aux cas au point 2.1. Cette fois-ci le modèle l’épaisseur réelle de la coque (c.-à-d.ne pas remplis à, Fig. 3C). Correspond à la densité des matériaux par des valeurs réelles.
  2. À l’aide de la fonction de « Propriétés de masse » du logiciel CAD, évaluer le moment d’inertie du bateau sur son centre de gravité sur l’axe de roulis (j’aizz) pour les hauteurs de poids.
  3. En utilisant les résultats des étapes précédentes et le x-position du centre de flottabilité mesurée quand Equation 6 (étape 3,7), évaluer les fréquences d’oscillation théorique :
    Equation 7(2)
  4. Comparez le résultat théorique de 4,3 étape avec les fréquences d’oscillation mesurée. Ces valeurs concordent assez bien ?

Lors de l’évaluation des structures et des bateaux flottants, la plus importante mesure de performance, en dehors de rester à flot, est sans doute qu’il peut rester debout. En fait, de nombreux navires, la capacité à rester flotteur dépend fortement la capacité de maintenir une orientation particulière. Un bateau chaviré est susceptible d’inondation et perdent par la suite une flottabilité positive. Même dans les scénarios moins extrêmes, la sécurité et le confort de l’équipage et la cargaison sont en jeu. Cette tendance d’un navire à droite elle-même ou faire chavirer lorsqu’elles sont dérangées se caractérise par sa stabilité. Malheureusement, modifications qui améliorent la stabilité souvent négativement incidence des autres mesures de performance importants tels que la consommation de carburant et la maniabilité. À cause de ce compromis, optimaliser une conception pour la sécurité et de performance généralement exige assurant suffisamment mais pas maximum de stabilité. Dans le reste de cette vidéo, Nous illustrerons sa stabilité l’impact de la distribution de poids et la forme d’une structure flottante. Nous avons ensuite tester ces principes expérimentalement sur un bateau de modèle et comparer les résultats avec les prédictions théoriques faites par des logiciels de conception assistée par ordinateur.

Dans une vidéo précédente, nous avons couvert les principes fondamentaux de flottabilité et de la gravité. Nous allons maintenant examiner comment ces deux forces peuvent influer sur l’orientation d’un objet. Rappelons que pour un objet étendu, l’effet cumulatif de la gravité est une force en passant par le centre de masse équivalente au poids total de l’objet. De même, la force de flottabilité nette passe par le centre de flottabilité dans le centre de gravité de la partie submergée de l’objet. Par conséquent, si l’objet est partiellement submergé, ou la masse n’est pas également répartie, un couple peut se développer. Si le centre de masse est sous le centre de flottabilité, tout rouler ou de gîte sur le côté mouvement donnera un moment de restauration à droite de la structure. Cette configuration est toujours stable, mais nécessite généralement un plus grand volume à être submergés. Maintenant si le centre de masse est soulevée au-dessus du centre de la flottabilité, la structure pourrait devenir instable et tout mouvement d’inclinaison sera accélérée par l’instant conféré, amenant à chavirer. Notez cependant qu’un centre de masse plus élevée ne garantit pas que la structure sera complètement instable. Une coque soigneusement conçus peut rendre la structure métastable, qui est stable jusqu'à un angle critique. Cela se produit parce qu’en général, la forme des modifications partie submergée avec angle de gîte pour le centre de flottabilité se déplace comme la structure s’incline. Si elle se déplace latéralement à l’extérieur du centre de masse, agira en ce moment à droite de la structure. De manière équivalente, le navire sera stable tant que le centre de gravité est inférieur le métacentre, qui est le point d’intersection entre la ligne médiane de la coque et la ligne d’action de la flottabilité. Le comportement dynamique d’une structure flottante est également important, car de fortes impulsions de l’environnement pourraient conduire au-delà de sa limite métastable. La fréquence et l’amplitude d’oscillation influent aussi la sécurité et le confort des passagers et du fret. Le mouvement de rotation d’un navire peut être prédite avec une balance du moment autour de son centre de masse, qui se traduit par une deuxième équation différentielle de commande pour l’angle de gîte, qui dépend du moment d’inertie autour Centre de masse du navire, la masse totale , l’accélération due à la gravité et la distance L le long de l’axe du bateau du centre de masse pour le métacentre. Solutions de cette équation pour les petits angles sont les sinus et cosinus oscillant à la fréquence d’oscillation naturelle du navire dénotée par omega. Maintenant que nous avons vu comment faire pour déterminer la stabilité en théorie, nous allons utiliser ces connaissances pour analyser une conception de la coque expérimentalement.

Mettre en place un bain d’eau dans une zone à l’abri des courants d’air et placer un solid fond blanc derrière lui. Maintenant se procurer un bateau petit, blanc de préférence avec une conception de la coque simple. Fixer un mât léger de vives au centre du bateau et faites-le flotter sur l’eau afin qu’il pointe vers la caméra. Monter une caméra devant la baignoire pour que le bateau est centré sur l’écran et régler la hauteur de la caméra afin que le champ de vision capte la partie du mât au-dessus du bateau. S’assurer que la zone est bien allumée et enregistrer une vidéo de référence du bateau au repos. Nous allons utiliser un code personnalisé pour suivre l’angle du mât en isolant la couleur de mât dans les enregistrements de la caméra. Se reporter au texte pour les détails et l’exemple de code. Analyser la vidéo de référence pour vérifier que le suivi ne fonctionne correctement et ajuster le code nécessaire pour isoler le mât. Enfin, niveau de l’appareil photo jusqu'à ce que le code ne signale aucun angle d’inclinaison avec le bateau au repos. Une fois le code et la caméra sont ajustées, retirer le bateau de l’eau et séchez la coque. Bien ajusté, apposer une attache de câble environ un centimètre du bas du mât afin qu’il puisse soutenir un poids. Maintenant glissez un poids vers le bas sur le mât et peser le mât total du bateau lorsqu’il est sec. Ensuite, enregistrez la hauteur du poids sur le mât et puis utilisez une équerre pour équilibrer le bateau sur son flanc. Ce point d’équilibre identifie le centre de gravité du bateau. Enregistrer la distance entre le fond de la coque et le centre de masse. Remettre le bateau dans l’eau et enregistrer une vidéo lorsque progressivement basculé le bateau, en poussant sur le côté sur le dessus du mât jusqu'à ce qu’il chavire. Maintenant capturer une deuxième vidéo avec le bateau de pointe au départ environ 10 degrés, puis soudainement relâché. Enregistrer les oscillations pendant 10 à 15 secondes. Répétez la procédure chavirement trois ou quatre fois plus pour augmenter la hauteur du poids. À la hauteur finale, enregistre une autre vidéo des oscillations comme avant. Chacune des vidéos chavirement en utilisant le script analyse analyser. L’angle maximal stable peut être déterminé par l’inspection de la carte, cherchez le point au-delà duquel le bateau roule rapidement. Dans ce cas, cela se produit autour de 26 degrés. Remplir un tableau avec les hauteurs du poids et centre de masse et angle de chavirage. Ensuite, analyser les vidéos de deux oscillations. Déterminer la fréquence d’oscillation dominante par une inspection de l’animation de la motion de mât ou graphique de l’angle de mât avec le temps, ou en utilisant une densité spectrale de puissance estimer la fonction. Cette procédure expérimentale est utile pour les essais à petite échelle et des conceptions simples, mais il n’est pas toujours pratique dans des scénarios réels, ou pour optimiser rapidement une conception. Dans la section suivante, nous démontrer une approche numérique pour analyser le bateau et comparer les résultats avec ces constatations expérimentales.

Nous allons utiliser un paquet de conception assistée par ordinateur ou CAD pour analyser la stabilité du bateau modèle. Tout d’abord, nous allons voir comment déterminer le centre de flottabilité. Le logiciel de CAO permet de créer un solide à la maquette de la coque du bateau. Positionner le modèle afin que l’axe de la quille est coïncident avec l’origine dans l’environnement de CAO et le mât est parallèle à l’axe vertical. Rappelons que le centre de flottabilité est dans le centre de gravité de la partie immergée de la coque. Donc pour trouver le centre de flottabilité, nous devons tout d’abord isoler la partie immergée du bateau. Créer un plan horizontal, se coupant la coque pour représenter la surface du fluide et puis supprimer tout au-dessus du plan. Si l’avion était à la bonne hauteur, le volume restant sera égal à la masse totale du bateau divisé par la densité du fluide. Annuler la coupe et régler la hauteur de l’avion si nécessaire jusqu'à ce que le volume restant est correct. Lorsque la partie submergée correcte de la coque a été trouvée, utilisez la fonction de propriétés massiques du logiciel CAD pour évaluer le décalage latéral du centroïde du présent volume. Dans ce cas, puisque la coque est symétrique et de niveau, vous devriez trouver sans décalage latéral. En d’autres termes, le centre de gravité sera sur la ligne médiane de la coque. Répétez ce processus pour augmenter les angles de gîte du bateau à mettre en place un tableau de l’offset de centre de gravité en fonction de l’angle de gîte. Lorsque vous avez terminé, tracer les résultats et adapter un polynôme cubique au centre de flottabilité. Maintenant tracer le décalage latéral du centre de masse, qui est sa hauteur fois le sinus de l’angle de gîte. À l’angle critique, le centre de masse sera à métacentre et les décalages latéraux seront égales. Vous devriez trouver que l’angle critique prédite correspond à la valeur expérimentale dans une incertitude raisonnable. Maintenant nous allons numériquement prédire la fréquence d’oscillation naturelle du bateau modèle. Affiner le modèle CAO pour correspondre à l’épaisseur réelle de la coque et ajouter le mât et le poids. Régler la hauteur du poids pour correspondre à la position dans le premier test de l’oscillation. Correspond à la densité des matériaux dans le modèle à valeurs réelles, puis utilisez la fonction propriétés massiques pour évaluer le moment d’inertie autour du centre de masse le long de l’axe d’inclinaison. Répétez ce processus pour le deuxième poste du poids au cours de laquelle vous avez mesuré la fréquence d’oscillation. Calculer la hauteur du métacentre lors de petites oscillations en supposant un petit angle de gîte comme cinq degrés. Soustraire la hauteur du centre de masse que vous avez mesuré auparavant pour déterminer la longueur du bras du moment L. Utilisez maintenant la solution que nous avons trouvé précédemment pour calculer la fréquence naturelle du mouvement de roulis. Comparer ces fréquences calculées à la mesure des fréquences que vous observé auparavant. Vous devriez trouver un match serré. Notez que dans le cas plus stable montré sur la rangée du haut, qui a une hCM de centre de masse plus faible, la longueur de bras de moment restauration L est plus grande. Cela se traduit par une fréquence plus élevée de rouler que dans la moins stable des cas sur la rangée du bas.

Maintenant que nous avons vu quelques méthodes permettant d’analyser une conception de la coque, nous allons voir comment ils sont appliqués dans des scénarios réels. La stabilité est un facteur extrêmement important dans la conception de toutes les structures flottantes et navires. Navires opérant avec des projets peu profondes, c’est avec la plus grande partie du navire au-dessus du niveau de l’eau, ont réduit la traînée et meilleure manœuvrabilité. En gros cargos, conteneurs d’expédition peuvent être empilés haut au-dessus du pont supérieur, augmentant la capacité de chargement et de faciliter les opérations de chargement et de déchargement. Deux de ces améliorations nécessitent un centre de gravité plus élevé et sont faites en pratiques par une conception rigoureuse de la coque pour s’assurer que les navires sont métastables. Dans les navires de croisière, brouillons peu profonds permettent plus de windows et de ponts pour les passagers. Ces navires sont conçus non seulement pour être métastable, mais aussi d’avoir une fréquence d’oscillation confortable et naturelle. Une meilleure stabilité conduit à plus haute fréquence bascule qui peut être mal à l’aise accrocheuse pour ceux à bord.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la stabilité des navires flottants. Vous devez maintenant comprendre l’impact de la position relative du centre de gravité et centre de flottabilité d’une structure flottante stabilité de la structure et la fréquence de l’oscillation naturelle. Vous avez également vu comment analyser une conception de la coque aussi bien expérimentalement qu’avec des outils de conception assistée par ordinateur. Merci de regarder.

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