0-94789

نشریه مهندسی دریــا سال نهم/ شماره 18/ پاییز و زمستان 1392(45-58)
تحلیل عددي اثرات توزیع فشار هیدرودینامیکی بر روي شناور تندرو کامپوزیتی و بهینه سازي سازه شناور
5394957627112

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

احمدرضا قاسمی1*، عبدا… بهروز وزیري، محمد محمدي فشارکی

1استادیار، دانشگاه کاشان، دانشکده مهندسی مکانیک؛ [email protected]
2دانشجوي کارشناسی ارشد، دانشگاه کاشان، دانشکده مهندسی مکانیک؛ [email protected] 3 دانشجوي دکتري، دانشگاه کاشان، دانشکده مهندسی مکانیک؛ [email protected]
26090889782048

اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

در این تحقیق توزیع فشار هیدرودینامیکی به شکل متغیر با زمان براي یک شناور تندرو تحلیل شده و باتوجه به آن تحلیل تنش و جابجایی شناور انجام شده است. توزیع فشار هیدرودینامیکی با توجه بهسرعت افقی و عمودي شناور براي زاویه خیز کف متفاوت در دو مرحله همسطح شدن و غرق شدنقسمت گوه اي شکل شناور، مطالعه شده و در زمانهاي متوالی از وضعیت متغیر شناور، به آن اعمال شده است. در مدلسازي اجزاي محدود، بدنه شناور به چند قسمت با زاویه خیز کف متفاوت تقسیم شده و بارگذاري متناظر دینامیکی اعمال شده است. براي تحلیل اثر هر لایه ،با استفاده از نرم افزار اجزاي محدود آباکوس پوسته کامپوزیتی به شکل لایه اي مدل شده است. سپس با تغییر ضخامت هسته و بهینه سازي سیستم قاب بندي شناور ضریب اطمینان شکست افزایش و وزن سازه کاهش یافته است. در پایان نتایج تحلیل تنش و کرنش به همراه بیشترین جابجایی در قسمتهاي مختلف شناور بررسی شده و نتایجبه دست آمده مقایسه و ارزیابی شده است.
تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 08/03/1392 تاریخ پذیرش مقاله: 10/12/1392 تاریخ انتشار مقاله:28/12/1392

کلمات کلیدي:
شناور تندرو
فشار هیدرودینامیکی پوسته کامپوزیت بهینه سازي روش اجزاي محدود

Numerical Analysis of Hydrodynamic Pressure Effect on High Speed Composite Vessel and Optimization of Structure
Ahmad Reza Ghasemi1*, Abdollah Behrouz Vaziri2, Mohammad Mohammadi Fesharaki3

1Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran; [email protected]
مقدمه
در سالهاي اخیر استفاده از مواد کامپوزیتی در ساخت شناورها و مطالعه اثرات ناشی از ضربه حاصل از برخورد آب به بدنه (کوبش1)، با توجه به سرعت زیاد آنها بسیار قابل اهمیت و یکی از دغدغههاي اصلی طراحان در صنایع دریایی می باشد. از جمله تئوريهایی که در این زمینه بسیار مورد توجه قرار گرفته است، تئوري واگنر میباشد، که مربوط به کوبش ناشی از وارد شدن یک جسم با زاویه خیز کف2کوچک به سیال میباشد [1]. هر چند این تئوري در مورد اجسام با زاویه خیز کف کوچک بیان شده است، اما وابستگی فشار ناشی از کوبش آب به شکل بدنه و سرعت ورود به آب را نشان می دهد. در زمینه توزیع فشار آب بر روي بدنه صلب مطالعات زیادي انجام گرفته است. تاکموتو و یاماموتو[ 3-2] نتایجی را ارائه دادند که با تئوري واگنر تطابق مناسبی دارند. آنها بیشینه فشار کوبش را براي زوایاي خیز کف 3 تا 15 درجه بهدست آوردند .
بِکِلمن[ 4] در سال 1991 با استفاده از نتایج تجربی مدل سهبعدي، نشان داد زمانیکه زاویه خیز کف بدنه از 2 درجه کمتر باشد، سرعت افقی اثرات بسیار زیادي بر روي فشار دارد. نتایج تجربی دیگري نیز توسط فالتینسن، ژائو و دبرولسکایا [7 -5] ارائه شده است که توزیع فشار را براي زوایاي خیز کف بین 4 تا 81 درجه براي سطح مقطع گوه به شکل بی بعد ارائه داده اند. آنها نشان دادند که حساسیت توزیع فشار به زاویه خیز کف با کاهش زاویه خیز کف افزایش می یابد. این نتایج تجربی علیرغم خطاهاي ممکن ،داراي قابلیت اطمینان بالایی هستند. و با تئوري تعمیم یافته واگنر تطبیق مناسبی دارند، و بنابراین مبناي پژوهش در این مقاله قرار گرفته است. سولان و کوروبکین[ 8] در سال 2001 از تئوري واگنر براي مطالعهي کوبش بر روي بدنه سهبعدي با خط تماس بیضوي با سطح آزاد آب، استفاده کرده اند. چیژیان[ 9] با استفاده از تئوري واگنر تعمیم یافته، به بررسی کوبش بر بدنههاي سهبعدي پرداخته است. تویتنس و همکارانش کلارك و واریانی[ 10] آزمایشهایی را طراحی کردند که نحوه ورود گوههایی با زاویه 0 تا 45 درجه به آب را مورد مطالعه قرار داده و نتایج خود را به صورت نیروي وارده به جسم در طول زمان ورود به آب ارائه دادند. تنویر و همکارانش پنگ و وِیِچ[ 11]، آزمایشهایی را براي گوه با زاویه خیز کف 10 درجه در شرایط متفاوت انجام دادند که به نتایج به دست آمده توسط فالتینسن بسیار نزدیک است. یکی از اولین تحقیقاتی که در زمینه اجزاي محدود بر روي شناورهاي تندرو انجام شده است مربوط به موریس [12] میباشد، که یک مدل اجزاي محدود سه بعدي از یک شناور شکافندهي موج از جنس آلومینیوم را در نرمافزار NASTRAN تحلیل کرد. او براي یافتن نقاط تمرکز تنش آنالیز شبه دینامیک را بر روي سازه شناور انجام داد .هوگس[ 13] با استفاده از نرم افزار اجزاي محدود MAESTRO یک روش براي بهینهسازي شناور ارائه نمود و روش خود را بر روي یک شناور تندرو تک بدنه آلومینیومی به اثبات رساند و از قواعد استاندارد DNV براي مدل خود استفاده کرد، اماِ هیچ گونه بهینه سازي براي مدل کامپوزیتی انجام نداده است .اُجدا و همکارانش پراستی و سالاس[ 14] یک شناور کامپوزیتی کامل شامل بدنه و سازه فوقانی را به صورت سه بعدي در نرمافزار ANSYS مدل و تحلیل کردند.
آنها شناور را براي دو حالت نشست تکقله و نشست دوقله، مطالعه کرده و بارگذاري را استاتیک و طبق استاندارد DNV درنظر گرفتند. آنها نتایج را به صورت ماکزیمم تنش کامپوزیت در راستاي طول بدنه ارائه دادند. در این پژوهش با توجه به نتایج آزمایشی ارائه شده در تحقیقات انجام گرفته ،براي تحلیل تنش و جابجایی در پوسته بیرونی و سیستم قاب بندي شناور، در ابتدا توزیع فشار هیدرودینامیکی بر روي بدنه شناور در زمانهاي متوالی در اثر کوبش به دست می آید. این نکته نیز قابل ملاحظه است که در تحقیقات پیشین محاسبات به صورت استاتیکی انجام گرفته شده است، در حالی که در این پژوهش طراحی و محاسبات به شکل دینامیکی در نظر گرفته شده است. بعلاوه در این پژوهش صفحات کامپوزیتی به شکل لایه اي در نرم افزار آباکوس3 مدل شده است، که قابلیت بررسی اثر هر لایه با زاویه خاص را امکانپذیر کرده است. همچنین با اعمال بارگذاري دینامیکی، مطالعه تنش در هر لایه از پوسته و بهینه سازي سیستم قاب بندي شناور مورد مطالعه قرار گرفته و وزن سازه کاهش یافته است. در پایان نتایج تحلیل تنش و کرنش به همراه بیشترین جابجایی در قسمتهاي مختلف شناور مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج به دست آمده مقایسه و ارزیابی شده است.

توزیع فشار هیدرودینامیکی
به طور کلی توزیع فشار هیدرودینامیکی در سطح مقطع جسم به شکل آزمایشی و به صورت نمودارهاي بدون بعد موجود است [15] که با توجه به اینکه شناورها در قسمت پائینی خود به صورت گوه با آب درگیر هستند، از نتابج آزمون هایی گوه اي شکل که با سرعت ثابت وارد آب میشوند، براي توزیع فشار هیدرودینامیکی استفاده میشود. این نمودارها به صورت بدون بعد براي زوایاي خیز کف متفاوت موجود میباشند، لیکن میزان فشار در هر لحظه و هر نقطه از سطح گوه بررسی نشده است. همچنین در برخورد بدنه شناور با سطح آب در حالت برخورد نامتقارن شرایطی پیچیدهتر و بحرانیتر براي بدنه شناور ایجاد می شود، زیرا توزیع فشار هیدرودینامیکی نامتقارن بر روي بدنه، باعث ایجاد گشتاورهاي خمشی و پیچشی روي سازه خواهد شد، اما در این تحقیق برخورد متقارن بدنه شناور با سطح آب مورد مطالعه قرار گرفته است. بنابراین در این پژوهش گسترش دینامیکی فشار هیدرودینامیکی متقارن و میزان فشار در هر لحظه و هر نقطه از سطح بدنه شناورتحتکوبش مورد مطالعه قرار گرفته است. به طور کلی توزیع فشار در مسئله ورود گوه با سرعت ثابت به آب را از لحاظ زمانی میتوان به دو مرحله تقسیم کرد:
از لحظه تماس بدنه با آب تا لحظه همسطح شدن قاعده گوه با سطح آزاد4
همسطح شدن قاعده گوه با سطح آزاد آب و لحظات غرق شدن گوه در آب5
توزیع فشار هیدرودینامیکی در مرحله همسطح شدن در شکل1 نشان داده شده است،که در آن، زاویه خیز کف ، مؤلفه افقی دستگاه مختصات ، دانسیته آب ، فشار جو و سرعت عمودي گوه به سمت پایین و به شکل ثابت است.

شکل 1 – توزیع فشار هیدرودینامیکی درمرحله همسطح شدن
[6]

محورها در نمودارهاي نشان داده شده در شکل 1 و 2، بدون بعد و مربوط به نیمی از سطح گوه است. نمودار شکل 1، براي زوایاي خیز کف متفاوت از 20 تا 81 درجه، از لحظه برخورد با سطح آب تا لحظهي همتراز شدن قاعده گوه با سطح آزاد آب رسم شده است. همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده است با کاهش زاویه خیز کف حساسیت توزیع فشار به این زاویه افزایش مییابد، در حالیکه با افزایش زاویه خیز کف توزیع فشار یکنواخت می شود ،به طوري که براي45˃ بیشینه فشار در ناحیه راس گوه6 رخ داده است و به روشنی در شکل 1 قابل مشاهده است. روابط ریاضی حاکم بر شکل 1 را میتوان به صورت روابط زیر نوشت:

= 5.989− 9.397+ 3.552 = 20

− 1.205+ 0.3723

4.835− 6.816+ 2.379

=− 1.155+ 0.3446
= 25
30175256591

3.
= = 30

که محور نمادي براي و محور نماد . میباشد. رابطـه(1) مربوط به زاویه خیز کف 20 درجه، رابطه( 2)، مربوط بـه زاویـهخیز کف 25 درجه و رابطه( 3) مربوط به زاویه خیز کف 30 درجـهاست. شکل 2 نمایش روابط به دسـت آمـده بـالاو تطـابق بـا نتـایجتجربی در شکل 1، را نشان میدهد. به وضوح مشاهده می شود کـهرواب ط ریاض ی و شــکل 2 بادق ت مناس بی بیــانگر توزی ع فشــار هیدرودینامیکی شکل 1 می باشد.

شکل 2- منحنی بهدست آمده براي زوایاي خیز کف 20، 25 و 30 درجه بر مبناي شکل 1

اکنون میتوان با توجه به روابط( 3 -1) توزیع فشار را به صورت بعددار براي زوایاي خیز کف و سرعت متفاوت بهدست آورد. با فرض اینکه شناور با سرعت 50 گره دریایی معادل /m s72/25 در راستاي افقی در حرکت باشد، و با توجه به نوع شناور که به موج گریز معروف هست، این شناور پس از برخورد موج به شناور، از سطح آب خارج شده و دوباره به سطح آب برخورد میکند. اگر زاویه تمایل7 شناور در هنگام ورود شناور به آب کوچک باشد ،سرعت عمودي شناور برابر است با [15]:
=

با در نظر گرفتن مقادیر زیر نمودارهاي توزیع فشار بهصورت شـکل3 براي زوایاي خیز کف متفاوت بهدست میآید.

(الف)

(ب)

(
ج
)

(

ج

)



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید