تدوين اصول و مدل رياضي اندازهگيري حركات ششگانه
شناور پروازي در دريا
حميد زراعتگر1*1، محمد فارسي2، رضا يوسفنژاد مياندهي3

حميد زراعتگر، استاديار دانشگاه صنعت ي اميركبير
محمد فارسي، كارشناسي ارشد از دانشگاه صنعت ي اميركبير
رضا يوسفنژاد مياندهي، دانشجوي دكترا، دانشگاه صنعت ي اميركبير
چكيده
اندازهگيري حركات ششگانه يك شناور در امواج دريا كه به Seakeeping Trial معروف است موضوع مهمي است كه براي برخي از شناورها انجام ميشود. هدف از اين تحقيق، تدوين اصول و روش اندازهگيري درياماني شناور پروازي در دريا مي باشد. بدين منظور از اصول مورد استفاده در روش اندازهگيري درياماني شناور جابجايي استفاده ميگردد. شناور پروازي به دليل داشتن تريم ديناميكي و همچنين شتابها و رفتار ديناميكي كه تغيير آن نسبت به زمان بسيار شديدتر از شناورهاي جابجايي ميباشد، عملاً پيچيدگيهاي بيشتري در حركات از خود بروز ميدهد. در اين مقاله براي اولين بار سعي ميشود تا روابط حاكم مابين مقادير اندازهگيري شده شتاب خطي و نرخ سرعت زاويهاي در مختصات محلي و آنچه بعنوان سرج، اسوي، هيو، رول، پيچ و ياو در سيستم مختصات هيدروديناميكي شناخته ميشود، براي شناور پروازي تدوين گردد. بدين منظور ابتدا انواع سيستمهاي مختصات تعريف ميگردد. سپس تبديلات بين اين سيستمهاي مختصات ارائه ميگردد. دستورالعمل تست درياماني و اصول تبديل و انتقال ارائه ميگردد. نمونه اندازهگيري در دريا و تبديلات مربوطه ارائه ميگردد. در آخر نتايج حاصله از اين تحقيق تشريح ميگردد.
كلمات كليدي: درياماني، شناور پروازي، مدل رياضي، تست ميداني

DEVELOPMENT OF PRINCIPLES OF SEAKEEPING TRIALS OF PLANING BOAT IN SEA WAVES

H. Zeraatgar1, M. Farsi2 , R. Yousef Nejad Miyandehi3

Assistant Professor, Amirkabir University of Technology
MSC in Naval Architecture, Amirkabir University of Technology
Ph.D Candidate, Amirkabir University of Technology

Abstract
Seakeeping recording of a vessel, so called seakeeping trial, is an important issue which is performed for some vessels. The goal of this research is to develop principles of seakeeping trial of planing vessel in sea waves. For this purpose it is initiated with the principles of ship seakeeping in sea trial. The main feature of a planing vessel is dynamic trim, high slamming accelerations and impact nature of slamming acceleration. This behavior makes its seakeeping more complicated. In this study, for the first time, an attempt has been made to extract boat six motions in hydrodynamic coordinate system from measured accelerations and rate of angular motions in body coordinate system. To realize the goal, the three coordinate system and transformations are defined. An instruction for seakeeping trial of planing vessel is introduced.

* نويسنده مسوول مقاله [email protected]
A set of seakeeping trial on boat is done and the results of measurement are analyzed according to above principles. Validation and conclusions are also presented. Keywords: Seakeeping, Planing Craft, Mathematical Model, Sea Trial
1- مقدمه
هيدروديناميك شناور را شايد بتوان به چهار دسته اصلي هيدروديناميك در حالت دائم (مقاومت)، هيدروديناميك پروانه، هيدروديناميك در موج (درياماني) و هيدروديناميك مانور تقسيم نمود. اصولاً سه روش براي دستيابي به هيدروديناميكهاي مذكور وجود دارد كه عبارتند از روشهاي محاسباتي (روش-هاي تجربي و روشهاي عددي)، تست مدل و تست ميداني. هر يك از روشهاي مذكور كاركرد مربوط به خود را دارند. دقت روشها براي هر يك از دستهها و براي انواع شناورها متفاوت است. شايد در يك نگاه كلي بتوان گفت كه هر چه ديناميك موجود در دستهها و شناورها قويتر شده و تغييرات نسبت به زمان شديدتر باشد، پيچيدگيهاي آن دسته از هيدروديناميك بيشتر ميگردد. هرچه پيچيدگيها بيشتر ميشود، دقت روشهاي محاسباتي كمتر و استفاده از روشهاي اندازهگيري براي دستيابي به رفتارهاي هيدروديناميكي ضروريتر ميگردد.
عليرغم تلاشهاي بسيار زياد در 70 سال گذشته براي دستيابي به رفتار هيدروديناميكي شناور پروازي در امواج دريا و موفقيتهاي بزرگ حاصله، ضعفهاي زيادي در آن ملاحظه ميگردد. فلوچارت شكل 1 مروري كلي بر كارهاي مهم انجام شده در زمينه هيدروديناميك شناورهاي پروازي را ارائه مينمايد [11]. همانطوريكه در فلوچارت ملاحظه ميشود، كارهاي اساسي انجام شده در دو دسته محاسباتي و تجربي تفكيك شده است. در بخش محاسباتي به دو بخش مونوهال و كاتاماران و سپس به دو بخش هيدروديناميك جريان دائم و هيدروديناميك در موج تقسيم شده است. در بخش تجربي تنها به تست مدل پرداخته شده است. تستهاي ميداني و خصوصا تستهاي درياماني در اين فلوچارت نيامده است.
بدليل پيچيدگيهاي ذاتي در ديناميك شناور پروازي در موج و عدم توسعهيافتگي كافي روشهاي محاسباتي، روش ثبت ميداني براي اندازهگيري ديناميك شناور پروازي امري اجتنابناپذير است.
وسايل اندازهگيري مورد استفاده معمولاً شتابسنجها براي اندازهگيري شتابهاي خطي و اندازهگيرهاي نرخ حركات زاويهاي ميباشند. وسايل اندازهگيري را ميتوان به هر نقطه از شناور متصل نمود، بنابراين وسايل اندازهگيري همراه با شناور به حركت در ميآيند. آنچه كه بعنوان حركات ششگانه شناور شامل سرج، سوي، هيو، رول، پيچ و ياو شناخته ميشود، حركات شناور نسبت به صفحه آبخور در موقعيت مركز ثقل ميباشد.
آنچه در هر نقطه از شناور اندازهگيري ميشود، در سيستم مختصاتي است كه بطور لحظهاي با آن نقطه حركت ميكند.
بر اساس اصول مورد استفاده در ديناميك شناور، ديناميك ناشي از مانور و ديناميك ناشي از درياماني تفكيك گرديدهاند. شايد اين مسئله ناشي از تفاوت ماهيت اين دو ديناميك و همچنين ناشي از سادهسازي رفتارها باشد. بنابراين، براي استفاده مستقيم از تست-هاي ناشي از اندازهگيري رفتار شناور در امواج دريا لازم است كه اين تفكيك اعمال گردد. براي تفكيك هيدروديناميك ناشي از درياماني و هيدروديناميك ناشي از مانور لازم است دستورالعمل صحيحي به هنگام تست اعمال گردد.
شناور پروازي به دليل داشتن تريم ديناميكي به هنگام ترايال و همچنين شتابها و رفتار ديناميكي كه تغيير آن نسبت به زمان بسيار شديدتر از شناورهاي جابجايي است، عملاً پيچيدگيهاي بيشتري در حركات از خود بروز ميدهد.

شكل 1- كارهاي انجام شده بر روي ديناميك شناورهاي تندرو در قالب يك درخت [11]

تست ميداني درياماني شناور پروازي عليرغم سابقه خوب از توسعه يافتگي و يكنواختي برخوردا نمي باشد.
با مروري بر برخي از منابع ميتوان به وضعيت عمومي اين تستها پي برد. Ghozlan [7] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه توانايي ثبت كرنش، حركات و ارتفاع امواج را دارد و ميتواند بر روي شناورهاي جابجايي نظامي و غيرنظامي نصب شود.
Carrera [2] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه توانايي ثبت شتاب، زوايا، فشار و كرنش را دارد. تجهيزات به كار رفته در اين سيستم عبارتند از: يك شتاب سنج، Rate gyro دو محوري، GPS، 32 كرنش سنج و 6 فشار سنج. Chiu [3] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه توانايي ثبت شتاب، زوايا و تخمين ارتفاع امواج را دارد.
Garme [6] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه توانايي ثبت شتاب و زوايا را دارد. ارتفاع امواج دريا نيز به كمك اطلاعات يك بويه محاسبه ميشود.
Jørgen وMørch [8] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه توانايي ثبت شتاب، فشار و كرنش را دارد. تجهيزات به كار رفته در اين سيستم عبارتند از 14 سنسور فشار، 6 كرنش سنج، 3 شتاب سنج براي راستاي عمودي و يك سنسور جابجايي عمودي. Ambrosovsky و Ambrosovskaya
[1] سيستم ثبت رفتاري را مورد استفاده قرار داده است كه براي تخمين مسير حركت (مانور) شناورهاي تندرو طراحي شده است.
در اين مقاله براي اولين بار سعي ميشود تا روابط حاكم مابين مقادير اندازهگيري شده شتاب خطي و نرخ سرعت زاويهاي در مختصات محلي و آنچه بعنوان سرج، سوي، هيو، رول، پيچ و ياو در سيستم مختصات هيدروديناميكي شناخته ميشود، تدوين گردد. بدين منظور ابتدا انواع سيستمهاي مختصات تعريف ميگردد. سپس تبديلات بين اين سيستمهاي مختصات ارائه ميگردد. دستورالعمل تست درياماني و اصول تبديل و انتقال ارائه ميگردد. نمونه اندازهگيري در دريا و تبديلات مربوطه ارائه ميگردد. در آخر نتايج حاصله از اين تحقيق تشريح ميگردد.

2- سيستم مختصات در تحليل غيرخطي ديناميك شناور [9]

2- 1- سيستم مختصات ثابت (n-frame)
شكل 2 سه سيستم مختصات مورد استفاده در اين تحقيق را بر روي يك شناور پروازي نشان مي دهد. در سيستم مختصات متصل به زمين Xn به سمت شمال، Yn به سمت شرق و Zn بر صفحه مماسي Xn – Yn عمود بوده و به سمت عمق زمين ميباشد. موقعيت مكاني در اين سيستم با بردار Pn n e dT و زواياي اويلري بصورت برداري   T تعريف شده است. بنابراين در حالت كلي ميتوان شش درجه آزادي در اين سيستم را بصورت زير نشان داد.

n e d T (1)

2- 2- سيستم مختصات هيدروديناميكي (h-frame) اين سيستم مختصات در راستاي مماس بر مسير كشتي با سرعت ثابت U نسبت به سيستم مختصات ثابت در حال حركت ميباشد. بر اساس شكل شماره 2 مركز مختصات اين سيستم بر روي W قرار گرفته است. محور Xh در جهت سر كشتي به سمت جلو، Yh به سمت راست كشتي (كه ايندو صفحهاي همواره موازي سطح آزاد آب ميسازند) و Zh بسمت پايين ميباشد. حركت نوساني كشتي حول اين سيستم مختصات ميباشد. بردار عمومي مكاني در اين سيستم مختصات را ميتوان بشرح زير نوشت:

       123456T (2)

2- 3- سيستم مختصات متصل به كشتي (b-frame)
مركز مختصات اين سيستم بر نقطه O قرار گرفته است. مركز مختصات اين سيستم با فاصله LCO از وسط طولي كشتي بسمت پاشنه، بر محور تقارن صفحه آبخور در جهت عرضي و با موقعيت عمودي VCO نسبت به خط پايه قرار گرفته است. بر اساس شكل 2 اين سيستم مختصات به بدنه كشتي متصل شده و كليه حركات خطي و زاويهاي كشتي را خواهد داشت.
Xb , Yb , Zb نشان دهنده سه محور مختصات اين سيستم ميباشند.
بر اساس شكل 1 مركز ثقل كشتي G، نسبت به O در
.قرار گرفته است rgb  xgygzg T موقعيت
همچنين W مركز سيستم مختصات هيدروديناميكي نسبت به O در موقعيت rwb xw yw zwT قرار گرفته است. بنابراين سيستم مختصات متصل به كشتي حول سيستم مختصات هيدروديناميكي حركات نوساني انجام ميدهد.
مركز O دستگاه مختصات متصل به كشتي، داراي سه حركت خطي و سه حركت زاويه اي نسبت به دستگاه مختصات ثابت بشرح زير ميباشد:

u v
  Von w V  n  p
b  
q
  r  (3)


143259-6194

V V V V U, 0, 0, 0, 0, 0T (4)
V u,v, w, p, q, r T

2-4- ماتريس چرخش
چرخش حول محور i بمقدار زاويه α را با عبارت Ri,  كه يك ماتريس 3 3 است نشان ميدهند. بر اين اساس چرخش حول يك محور براي سه محور x، y و z را ميتوان بصورت زير نشان داد:

100 
Rx,   0cos sin,

0sin cos
Ry,    cos0 10sin0, (5)

sin 0cos
cos sin 0
 
z,  sin cos 0
 001

كه در رابطه (5) زواياي θ ،φ و ψ زواياي اويلر هستند. اگر چرخش حول چند محور انجام شود، آنگاه در چرخش با زاويه بزرگ ترتيب چرخش محورها اهميت دارد. همچنين حاصلضرب ماتريس چرخش نشان دهنده چرخش حول چند محور است. ماتريسهاي بالا از خواص زير برخوردار هستند:
det R  I
R.RT  I (6)
RT  R1
617226-1407822

شكل 2 – تعريف سيستمهاي مختصات و مراكز آنها. سيستم مختصات متصل به كشتي (b-frame) به مركزيت نقطه O با هر موقعيت دلخواه، سيستم مختصات هيدروديناميكي (h-frame) به مركزيت W كه بر روي خط آب راكد و بالاي مركز ثقل كشتي G قرار ميگيرد.

3- روابط بين سرعتها و شتابها در سه سيستم مختصات
اگر سرعت خطي مركز O را نسبت به دستگاه مختصات ثابت بدانيم و برابر ov بوده و سرعت خطي مركز W نسبت به سيستم مختصات ثابت را با vw

نشان دهيم، آنگاه رابطه بين سرعتهاي vw و ov بشرح زير است:

vwbhvobnbn rw

hn hb bn  0

در اينجا bn سرعت زاويه دستگاه مختصات متصل به كشتي را نسبت به دستگاه مختصات ثابت نشان ميدهد، به عبارت ديگر سرعت زاويهاي مطلق كشتي 
ميباشد. بردار rw بر اساس شكل 1 برداري از مبدا O به W ميباشد.
سرعت نقطه W را ميتوان در دستگاه مختصات متصل به كشتي نيز نوشت كه همان سرعت نسبي نقطه W نسبت به O است و عبارتست از:

b bb b
vw vO bn rw
bbb
hb bh bn

براي تبديل ضرب برداري به ضرب ساده، ماتريس اسكيو S بشرح زير تعريف ميگردد:

 0zwyw 
S(rwb) ST (rwb)   zw0xw

 ywxw0 

سپس ضرب برداري را بصورت زير نوشته مي شود:

bnb rwb rwb bnb S(rwb)bnb  ST (rwb)bnb

رابطه (8) را ميتوان به كمك ماتريس (9) كاملا از حالت برداري به حالت ماتريسي تبديل نمود. بدين منظور ماتريس چرخش- انتقال (H(rwb را بصورت زير تعريف ميكنيم،

1 0 00zw yw
0 1 0 zw0xw 
 H(rw)  
b0 0 1ywxw0  (9)
0 0 0100 
0 0 0010 

0 0 0001 

آنگاه بردار سرعت W در سيستم مختصات متصل به كشتي را بر اساس سرعت مركز سيستم مختصات متصل به كشتي O بشرح زير ميتوان نوشت:

(10)
1 0 00zw yw
0 1 0 zw0xw 
 vwb  0 0 1ywxw0  vOb   b    b 
bh 0 0 0100  bn
0 0 0010 

0 0 0001 
vwxb  1 0 00zw yw vOxb 
v
 wyb  zw0xw  vOyb 
 0 1 0  vwzb  0 0 1 ywxw0  vOzb 
 b    b 
bhx  0 0 0100  bnx 
bhyb  0 0 0010  bnyb 
 b    b 
bhz  0 0 0001  bnz 

3-1-تبديل سرعت از مختصات متـصل بـه بدنـه بـهمختصات هيدروديناميكي
به وسيله ماتريس چرخش مناسب ميتوان سرعتها را به سيستم مختصات هيدروديناميكي انتقال داد. به دليل اينكه تفاوت اصلي بين دستگاه مختصات متصل به بدنه و دستگاه مختصات هيدروديناميكي سه زاويه چرخش ناشي از سه حركت رول، پيچ و ياو ميباشد، بنابراين ماتريس چرخش بصورت زير خواهد بود:

Rbh() Rz, Ry, Rx, 

با فرض كوچك بودن زاويه ياو ميتوان نوشت:

0Rbh()Ry,Rx,
 coscos cossin sin
 
sincos0
sincos sinsin cos

براي بيشتر زمانها مقادير حركات زاويهاي نوساني پيچ و رول دستگاه مختصات متصل به بدنه، حول دستگاه مختصات هيدروديناميكي نيز كوچك است پس ميتوان نوشت (زوايا بر حسب راديان ميباشد):

Rbh()  11  (11)
   1 

در حالتي كه زوايا بسيار كوچك باشد به ماتريس يكه تبديل ميشوند،

Rbh()  I33

بر اساس رابطه (10)، رابطه بين سرعت خطي و زاويهاي دستگاه مختصات هيدروديناميكي و دستگاه مختصات متصل به بدنه را ميتوان به صورت زير نوشت:

Rhb()033 vwh b vob 
b h   H(rw ) b 
 033Rh ()bhbh
vwb  Rbh()033 b vob 
 h   hH(rw ) b 
bh  033Rb ()bh

در رابطه بالا 1(Rhb()  Rbh( ميباشد.

 coscos  cossin sin000 

Rbh() 
 033 033 sin
Rbh()  sincos
0
0

0 cos
sinsin
0
0
0

0000
 cos 0 0 0

0coscos  cossin sin
0sincos0 

0sincos sinsin cos

رابطه سرعت در سيستم مختصات متصل به بدنه و سيستم مختصات هيدروديناميكي بشرح زير است:
سرعت در دستگاه مختصات هيدروديناميكي را نشان ميدهد،

(12)
1u
2v
34, Vwp ,
 5q 6r  J()  Rbh()0h33  ( wb) Smallwb

033Rb ()H r  H(r )


J()V

به دليل اينكه سيستم مختصات هيدروديناميكي با سرعت ثابت پيشروي كشتي U در حال حركت است پس به ترم سرعت در جهت x هيدروديناميكي مقدار U اضافه ميگردد.

(13)
1 U
2

 
3 
  4
5
6  coscos

sin

sincos

0
0

0 cossin sin 0
0
0 coscos sin
sincos 00 

00

00 

cossin sin cos 0 

sinsin cos
cos
sinsin
0 0
0 0 cos
0 0
0 1 0 0

1 0

0 0

0 0 0
0 0 0

0 0 0 zw
zw0
ywxw
0 01 00  yw u xw  v
0  w
  
 p 0  q   
 r 
به همين ترتيب نيروهاي در سيستم مختصات متصل به بدنه Fb را ميتوان به نيروها در سيستم مختصات هيدروديناميكي Fh تبديل نمود.
Fh JT()Fb (14)

3-2- تبديل سرعت از مختصات متصل بـه بدنـه بـهمختصات ثابت
تبديل سرعت نقطه O را بين دو سيستم مختصات ميتوان بصورت زير نوشت:

VOn Rbn()VOb

ماتريس چرخش را ميتوان از زاويه چرخش اويلر به ترتيب در جهات y ،z و x مابين سيستم مختصات ثابت و سيسستم مختصات متصل به بدنه بشرح زير تعريف نمود،
Rbn()Rz, Ry, Rx, 

كه (Rbn( را ميتوان بشرح زير نوشت:

coscos cossin cossinsin sinsin cossincos
Rbn()  sinsincos coscoscossinsinsinsin  cossincossincossincos 

رابطه بين سرعت زاويهاي در دستگاه مختصات ثابت  و دستگاه مختصات متصل به بدنه bnb را ميتوان بصورت زير نوشت:


 T()bnb ,

 

ماتريس (T( كه ماتريس انتقال زاويه عمودي اويلر ناميده ميشود را ميتوان بصورت زير تعريف نمود:

1sintan costan
T() 0cossin , 90o

0sin/cos cos/cos

در نتيجه رابطه كلي بين سرعت در دو سيستم مختصات را ميتوان بصورت زير نوشت:

(15)
n e
d K() R0bn3(3 ) T03(3 ), 90o

  

K()V

3- 3- رابطه شتاب با فرض حركات زاويهاي كوچك با فرض حركات زاويهاي كوچك، تبديل سرعت بصورت زير خواهد بود:

(16)
19217517323

26197447323

u  u 1zSobS      5  ySobS 6 sin( )U 6 cos( )V 6 v  v 2zSobS      4 xSobS 6 cos( )U 6 sin( )V 6
w  w   3ySobS 4 xSobS 5
p 4 
q 5 
r 6
سپس شتاب بهصورت زير تبديل ميشود:

(17)
17929869010

25222209010

u 1 zSobS    5 ySobS 6 sin( )U 6 cos( ) V 6 v 2 zSobS  4 xSobS 6 cos( )   U 6 sin( )V 6
w   3 ySobS 4 xSobS 5
p4

5 q 
r6

4- اصول ثبت رفتار شناور پروازي در دريا و معتبر سازي

4- 1- اصول ثبت رفتار
شكل 3 كاربري اصول مطرح شده تا بحال را در اين تحقيق نشان ميدهد. موج نامنظمي در جهت دلخواه سطح دريا را متلاطم ساخته است. شناور در لحظه شروع اندازهگيري نسبت به موج زاويه برخوردي دارد
458724-7293

كه در لحظه حاضر زاويه برخورد به مقدار متوسط  نسبت به لحظه شروع اندازهگيري تغيير كرده است. در اين لحظه زاويه برخورد كشتي و موج  ميباشد. در حالت عمومي سرعت پيشروي شناور با محور x زاويهاي ميسازد كه منجر به شكلگيري دو سرعت U و V ميگردد.

شكل 3 – نمايش متغيرهاي اصلي براي شناور در حال اندازه گيري

در بخش 2 و 3 از اين تحقيق، تئوري و اساس روابط بين سرعتها و شتابها در سيستم مختصات مختلف بر روي شناور بيان گرديد كه اصولي مرسوم در هيدرومكانيك و ديناميك شناور در دريا مي باشد. بكارگيري اصول مذكور براي شناور پروازي با در نظرگرفتن واقعيتهاي موجود بر روي شناور و محيط دريا آسان نمي باشد. نويسندگان اين مقاله پس از تستهاي مكرر و سعي و خطا به روش ي مفيد و عملي در بار در محل مربوط به خود ثابت هستند در اختيار ميباشد. ترتيب انجام اندازهگيري و محاسبات بصورت زير ميباشد.
موج نامنظمي با ارتفاع موثر مشخص، بصورت جبهه بلند در يك جهت مشخص در آب عميق دور از ساحل وجود دارد.
1725154680869

زاويه برخورد مشخصي () را از قبل در نظر گرفته و از سكاندار ميخواهيم تا اين زاويه برخورد را در طول زماني اندازهگيري حفظ نمايد. اين بدان مفهوم است كه 0 ميباشد.
از سكاندار ميخواهيم كه پس از رساندن سرعت شناور به يك مقدار مشخص U، تا آنجا كه ممكن است شناور را در اين سرعت ثابت نگه دارد.
تركيب دستور شماره 2 و شماره 3 به اين مفهوم است كه شناور داراي سرعت 0V است بعبارت ديگر زاويه دريفت صفر بوده و سرعت پيشروي و محور x بر هم منطبق هستند.
در اين شرايط متغيرهاي معين شامل سرعت شناور، زاويه ياو و غيره در حالت دائم معين (Steady) و متغيرهاي نامعين (Stochastic) شامل دامنه و پريود موج و رفتار ديناميكي شناور نيز در حالت دائم تصادفي (Stationary) قرار گرفتهاند.
بر دو نقطه پيشنهادي زير، شتاب سنجها نصب شدهاند.
نقطه A بر روي وسط طولي شناور به مختصات تقريبي:
Axsobs , ysobs , zsobs  0.0,0.0,FB

نقطه B بر روي سينه شناور به مختصات تقريبي:

Bxsobs , ysobs , zsobs 

L ,0.0,FB
 2
ثبت و تحليل رفتار شناور پروازي دست يافتهاند كه در اندازهگيري نموده كه پس از حذف نويز بشرح زير در ذيل ارائه ميگردد. فرض بر آن است كه شناوري تندرو اختيار ميباشند:
پروازي با بار و پرسنل معين كه حدالمقدور پرسنل و 
سنسورهاي A و B توانايي ثبت حركات زاويهاي را نيز دارند و حركات زاويهاي رول، پيچ و ياو (nb) را  
nb  
   4    
hs  5 hb  
16108680

719328312215

  6 When 0nb hb hs

بنابراين مقادير hs در اختيار ميباشد.
8- با دو بار مشتقگرفتن نسبت به زمان مقادير شتاب در سيستم مختصات متصل به بدنه و نتيجتاً در سيستم مختصات هيدروديناميكي بشرح زير محاسبه ميگردد،
p 4 q  5
  r 6
9- شتاب نقاط A و B ثبت شده توسط سنسورهاي شتاب، پس از فيلتر شدن و حذف نويزها بشرح زير در بازه زمان در اختيار ميباشند:
u
v
w
براي نقطه A:
u   1 zSobS 5 ySobS 6
v 2 zSobS   4 xSobS 6 U 6
w   3 ySobS 4 xSobS 5 :B و براي نقطه
u1 zSobS 5  ySobS 6
v2 zSobS 4 xSobS 6 U6
w3  ySobS 4 xSobS 5

با يك دستگاه معادلات ساده سه معادله و سه مجهول بكمك مقادير در نقطه A شتابها
  123T در بازه زمان محاسبه ميشوند.
با دادههاي ثبت شده براي نقطه B مجدداً
شتابهاي   1 2 3T محاسبه ميگردد. در صورت اختلاف نسبي قابل توجه بين مقادير محاسبه شده در آيتم (10) و آيتم (11) لازم است دادههاياندازهگيري شده كنترل گردد تا منشا اين تفاوت پيداشود. در غير اينصورت متوسط آيتم (10) و آيتم (11) بعنوان مقدار شتاب حركات سرج، اسوي و هيو لحاظ ميگردد.
با انتگرال گرفتن مقادير شتاب حركات خطي، مقادير سرعت و جابجاييهاي خطي سرج، اسوي و هيو محاسبه ميگردد.
4- 2- معتبرسازي
معتبر سازي كل سيستم اندازهگيري بصورت همزمان امكانپذير نيست چون در اينصورت بايد يك سيستم مشابه در اختيار باشد تا بتوان با اندازهگيري و پردازش همزمان و مقايسه آنها سيستم موجود را بررسي نمود. تنها ميتوان بصورت بخشي به معتبرسازي پرداخت.

شكل 4 – شتاب عمود ي اندازهگيري شده در مركز ثقل شناور [5]

712470-1326909

شكل 5 – هيو اندازهگيري شده (منحني به رنگ سياه) [5] و هيو محاسبه شده بروش بالا (منحني به رنگ قرمز)
براي معتبرسازي روش محاسباتي، يك نمونه اندازهگيري همزمان شتاب عمودي و حركت هيو مدل در آزمايشگاه مورد استفاده قرار گرفته است [5] كه شكل 4 شتاب عمودي اندازهگيري شده را نشان مي دهد. در شكل 5 منحني با خط سياه حركت هيو اندازهگيري شده مدل در آزمايشگاه و خط قرمز محاسبه شده بروش ارائه شده در 4-1 را نشان مي دهد. با مقايسه اين دو منحني ميتوان ديد كه پس از يك سوم از ثانيه اول، اختلافات ناچيز بوده و كاملا قابل مقايسه مي باشند. اين اختلافات ناچيز ممكن است ناشي از روش اندازهگيري در آزمايشگاه و همچنين محاسبات عدد ي اين روش باشد.

5 – نمونه ثبت رفتار

5-1- معرفي وسايل اندازهگيري
همانطوريكه ميدانيم در دريا ميتوان پارامترهايي نظير شتاب در سه جهت، حركات زاويهاي (سرعت زاويه-اي)، سرعت شناور، ارتفاع موج و زاويه برخورد موج را اندازهگيري نمود. براي اندازهگيري هر يك از پارامترهاي مذكور انتخابهاي متعددي وجود دارد. بر اساس مطالعات به عمل آمده مجموعهاي از سنسورهاي اندازهگيري بشرح جدول (1) براي اين منظور استفاده شده است.

جدول1- مجموعه قطعات استفاده شده براي ثبت رفتار شناور

ملاحظات پارامتر اندازهگيري شونده رديف نام سنسور و
يا قطعه
سرعت – موقعيت GPS 1
هر سنسور توانايي اندازه-
گيري موارد مذكور را در سيستم مختصات محلي دارد. شتاب خطي در سه جهت – حركات زاويهاي در سه جهت 3DM- 2
GX1
ذخيره دادهها – Data 3
Logger
ثبت و تحليل دادهها – 4 كامپيوتر
ثبت چشمي ارتفاع موج – 5
جهت برخورد موج به شناور – 6

سنسور Data Logger ،3DM-GX1 و باطريهمگي در يك جعبه آلومينيومي ضد آب نصب شدهاست. بر روي هر جعبه يك كليد براي روشن و خاموش كردن، يك كليد براي حالت ارسال اطلاعات به صورت بيسيم و باسيم نصب شده است. سه ديود نوراني كه نماينگر روشن و خاموش بودن دستگاه، ارسال با سيم يا بدون سيم اطلاعات و ضعيف بودن باطري وجود دارد. همچنين يك فيش براي نصب آنتن مودم و يك فيش براي ارسال اطلاعات از طريق روش با سيم و همچنين شارژ باطريها وجود دارد. سه عدد از مجموعه توصيف شده وجود دارد كه به كمك چسب ميتوان آنها را به شناور متصل نمود.

5-2- كد تدوين شده براي ثبت و پردازش اطلاعات
اين سيستم داراي دو نرمافزار است. نرمافزار اول با زبان دلفي نوشته شده و كار داده برداري از سنسور و ثبت آن را در كامپيوتر انجام ميدهد. اين نرمافزار توانايي ثبت همزمان دادهها و سنكرون نمودن
سنسورها را دارد. نرمافزار دوم با زبان MATLAB نوشته شده و تحليل دادهها را بر عهده دارد. فايلهاي خروجي از نرمافزار اول به عنوان ورودي به نرمافزار دوم داده ميشود. مختصات محل نصب سنسورها به عنوان يكي از وروديهاي اين نرمافزار است. الگوريتم اين برنامه در شكل 6 آمده است. بخشي از خروجي نرمافزار تحليل داده شتاب در سيستم مختصات هيدروديناميكي در بازه زمان و بازه فركانس و مقادير آماري مربوطه در سه جهت طولي، عرضي و عمودي ميباشد. بخش ديگري از خروجي نرمافزار مقادير حركات زاويهاي و سرعت زاويهاي در بازه زمان، بازه فركانس و همچنين مقادير آماري مربوطه ميباشد. از ديگر خروجيهاي اين نرمافزار ميتوان به مقدار حركات خطي شناور شامل سرج، اسوي و هيو در بازه زمان ميباشد [10].

شكل 6 – الگوريتم برنامه پردازنده [10]

5-3- مشخصات شناور
شناوري پروازي با مشخصات اصلي به شرح جدول 2 مورد تست قرار گرفته است. جانمايي شناور بشرح شكل 7 ميباشد.

شكل 7 – شناور مورد مطالعه

جدول 2- مشخصات شناور تحت تست
آبخور پاشنه آبخور سينه عرض طول
1/2m 0/6m 2/75m 11/95m

5-4- مشخصات تست
تست در تاريخ 1/6/1386 در درياي مازندران و درمنطقه نكا انجام شده است. ديگر مشخصات تست بشرح جدول 3 مي باشد.

جدول 3- مشخصات تست

ملاجظات ارتفاع موج
(متر) زاويه برخورد (درجه) سرعت (گره)
سرعت در انتهاي تست تغييراتي داشته است و ارتفاع موج بصورت بصري اندازه گيري شده است. 1/5 150 22

اين تست بر اساس بندهاي دواردهگانه مطروحه در 4-1 اجراء گرديد. شناوري پروازي با مشخصات ارائه شده در جدول 2 و شكل 7 در موج نامنظم جبهبلندي به ارتفاع چشمي 5/1 متر و با زاويه برخورد ثابت و با سرعت تقريبا ثابت 22 گره تلاق ي نمود. شتابسنجها بر نقاط A و B به ثبت شتاب در مختصات محلي و حركات زاويهاي پرداختند. سپس محاسبات به كمك نرمافزار معرف ي شده در 5- 2 انجام گرديده كه نتايج آن در ذيل ارائه گرديده است.
5-5- مقادير شتابهاي اندازهگيري شده در سيستم مختصات محلي
شكلهاي 8، 9 و 10 اندازهگيري شتاب در سيستم مختصات محلي در موقعيتي بر روي مركز ثقل نشان ميدهد. همانطوريكه ديده مي شود مقدار شتاب در جهت x و y با مقدار حداكثري در حدود 2g تغيير مي كند كه عمدتا دامنهاي كمتر از 5 متربرثانيه دارد.
در جهت z مقدار دامنه شتاب به 30 متربر ثانيه مي رسد. تعداد دفعات تكرا دامنه زياد بمراتب بيشتر از دو جهت ديگر است. شتاب عمودي در واقع بازاي هر اسلم به مقدار زياد مي رسد. بعبارت ديگر براي اين شناور، تقريبا هر يك پريود كامل موج منجر به يك اسلم مي گردد.

5-6- مقادير شتابها در سيستم مختصات هيدروديناميكي
پس از تبديلات مربوطه، مقدار شتاب از سيستم مختصات محلي به سيستم مختصات هيدرودينامكي انتقال داده شده است كه شكلهاي 11، 12 و 13 آن را به نمايش ميگذارند. شكل عمومي اين شتابها با شكل عمومي شتاب در سيستم مختصات محلي تطابق دارد.

شكل 8 – شتاب ثبت شده در سينه شناور در راستاي

شكل 9 – شتاب ثبت شده در سينه شناور در راستاي

شكل 10- شتاب ثبت شده در سينه شناور در راستاي

شكل 11- شتاب در راستاي x در مختصات هيدروديناميكي

شكل 12- شتاب در راستاي y در مختصات هيدروديناميكي

شكل 13- شتاب در راستاي z در مختصات هيدروديناميكي

5-7- مقادير اندازهگيري شده حركات زاويهاي و مقادير محاسبه شده جابجايي سرج، اسوي و هيو
شكلهاي 14 و 15 مقادير اندازهگيري شده حركات زاويهاي رول و پيچ را نشان ميدهد. حركت رول عمدتا حول زاويه صفر درجه است. حركت پيچ ابتدا حول زاويه 5 درجه است كه سپس با تغيير سرعت تغيير پيدا ميكند. دامنه حركت رول حدود 5 درجه است. پس از حذف مقادير زاويه پيچ ديناميكي ناشي از سرعت پيشروي، دامنه حركت پيچ حدود 8 درجه در اين ثبت ميباشد. بازاء هر يك پريود كامل موج، يك پريود كامل پيچ و رول اتفاق مي افتد.
شكلهاي 16، 17 و 18 سرج، اسوي و هيو محاسبه شده بر اساس فرمولبندي بالا را نمايش ميدهد. دامنه حركت سرج كمتر از 8 سانتيمتر، دامنه حركت اسوي حدود 10 سانتيمتر و دامنه حركت هيو به 20 سانتيمتر ميرسد. شايد در عمل حركت هيو مهمتر بوده و بيشتر در تحليلهاي درياماني مورد استفاده قرار ميگيرد. نوسانات شديد شتاب كمتر در حركات هيو ديده ميشود كه از نظر فيزيكي نيز با واقعيتها منطبق ميباشد.
تغييرات شبه پريوديك و نامنظم هيو و تكرار آن در هر پريود برخورد موج در شكل 17 نيز قابل مشاهده مي باشد.
82328212468

شكل 14- منحني رول ثبت شده در سيستم مختصات محلي

شكل 15- منحني پيچ ثبت شده در سيستم مختصات محلي

شكل 16- منحني سرج در مختصات هيدروديناميكي محاسبه شده

106731-997222
شكل 17- منحن ي اسوي در مختصات هيدروديناميكي محاسبه شده
106731190573

شكل 18- منحني هيو در مختصات هيدروديناميكي محاسبه شده

6- نتيجهگيري
اين مقاله به بررسي مسئله بسيار مهم ديناميك شناور پروازي در امواج نامنظم دريا مي پردازد. ابزار اصلي براي اين منظور تست ميداني مي باشد. بدين منظور پس از ارائه اصول كلي حاكم بر ديناميك شناورها در امواج دريا، روش ي برا ي بكارگير ي اين اصول براي شناور تندرو پرواز ي برا ي اولينبار تدوين مي گردد. سيستم ثبت رفتار ديناميكي ساخته و نرمافزار پردازشگر تدوين مي گردد. بطور خاص نتايج زير از اين مطالعه حاصل شده است:

تدوين اصول ثبت رفتار شناور پروازي در امواج دريا
تهيه نرمافزار پردازشگر دادههاي ثبت شده و محاسبه حركات (جابجايي) ششگانه شناور در سيستم مختصات هيدروديناميكي
معتبرسازي روش و نرمافزار بصورت بخشي
بكارگيري روش ارائه شده در ثبت رفتار يك شناور پروازي در امواج نامنظم در درياي خزر و تحليل آن لازم به ذكر است كه از اين دستگاه ثبت رفتار شناور پروازي و نرمافزار پردازشگر بصورت پيوسته در كشور استفاده مي گردد.

7- مراجع
1-Ambrosovsky, V., Ambrosovskaya, E., 2005. Sea Trials of High Speed Crafts Data Processing and Model Identifications, Transaction of Fast 2005, St. Petersburg.
2-Carrera, G., Rizzo, C., 2005. Measurements of Motion, Loads and
Structural Response on a Fast FRP Pleasure Craft, Transaction of Fast 2005, St.
Petersburg.
3-Chiu, F., Liu, S., Tiao, W,. Guo, J., 2005.
Development of a Simple System to Measure 5 DOF Ship Motions in a Seaway, Transaction of Fast 2005, St. Petersburg.
4-Faltinsen, O., 2005. Hydrodynamics of High Speed Marine Vehicles, Cambridge University Press (book).
5-Garme, K., 2004. Modeling of Planing Craft in Waves, KTH Aeronautical and Vehicle Engineering, Devision of Systems,
SE 100 44, Stockholm, ISBN: 91-7283861-2.
6-Garme, K., Kuttenkeuler, J., 2005. Simulations and Full-Scale Trials for a HSC Linked by Wave-Height Measurements,
Transaction of Fast 2005, St. Petersburg. 7-Ghozlan, F., 2005. Ship Motion and Hull Monitoring System, www.sirehna.com. 8-Jørgen, H., Mørch, B., Hermundstad, A., 2005. Planing Craft in Wave – Full Scale Measurements, Transaction of Fast 2005, St. Petersburg.
9-Perez, T., 2005. A review of Geometrical Aspects of Ship Motion in Maneuvering and Seakeeping, and the Use of a Consistent
Notation, MSS Technical Report (MSSTR001-2005), Marine System Simulator (MSS) Group, NTNU, Norway.
11- رضا يوسفنژاد، حميد زراعتگر، ” مروري بر كارهاي انجام شده بر روي مدلسازي رياضي و آزمايشگاهي ديناميك شناورهاي تندرو پلنينگ”، مجموعه مقالات يازدهمين همايش صنايع دريايي ايران، 19 الي 21 آبان
1388، انجمن مهندسي دريايي ايران.

10- محمد فارسي، “ثبت رفتار شناور تندرو و تحليل آن”، پايان نامه كارشناسي ارشد، دانشگاه صنعتي اميركبير، 1387.



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید