Powrót do góry

wstępna analiza wytrzymałościowa korpusu

Kolejny etap prac nad projektem i wykonaniem bezzałogowej podwodnej jednostki pływającej (batyskafu).
Obecnie analizy wytrzymałościowe skupiają się na modelowaniu konstrukcji za pomocą nowoczesnych systemach inżynierskich. Do obliczeń tego typu najczęściej wykorzystuje się Metodę Elementów Skończonych.

Dokonane na przełomie października i listopada 2005 roku wstępne obliczenia wytrzymałości korpusu metodą MES zostały poparte obliczeniami analitycznymi, z wykorzystaniem zagadnienia Lame'go.

Niezależne obliczenia dwiema, całkowicie różnymi metodami doprowadziły do spójnych wyników odnośnie odkształceń. W ten sposób nastąpiło sprawdzenie wiarygodności zastosowanego wcześniej modelu obliczeniowego MES. Analiza materiałów i kształtów korpusu pozwoliła uzyskać dobre rozwiązanie względem założonych kryteriów. Materiał grubościennej rury gazowej, która posłuży nam za korpus jednostki wykazał odkształcenia na zadowalającym poziomie dziesiętnych części milimetra.

Poczynione obliczenia są podstawa do prowadzenia dalszych prac Koła Naukowego nad projektem. Aktualnie nasze prace nad korpusem skupiają się na znalezieniu odpowiedniej kopuły dla kamery batyskafu. Obliczenia MES dostępnej kopuły szklanej wykazały ze materiał nie wytrzyma naprężeń na założonej głębokości 50m. Kolejne prace koła skupiać się będą na opracowaniu zagadnień związanych z pływalnością jednostki przy wykorzystaniu nowoczesnych technik symulacji.

Powrót do góry

dobór przeziernej kopuły obserwacyjnej

Cel badania: Sprawdzenie przydatności szklanej kopuły do zastosowania w batyskafie.

Narzędzia i materiały użyte w czasie badań:

- zbiornik z wodą,
- latarka z żarówką o mocy 3,5W,
- aparat cyfrowy HP 720,
- tusz (zielony),
- przedmioty obserwowane: klucz warsztatowy, klucze do zamków od drzwi, zaginiony NEMO, gazeta poranna, termometr.


Przebieg badań:

Badanie przeprowadziliśmy dnia 3.03.06 w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn. Badanie polegało na uzupełnieniu wodą zbiornika, częściowym zanurzeniu kopuły i zrobieniu zdjęć aparatem fotograficznym przedmiotów leżących na dnie zbiornika. Odległość fotografowanych przedmiotów od szkła wynosiła ok. 15cm. Warunki oświetlenia po zasłonięciu zbiornika odpowiadały w przybliżeniu warunkom panującym pod wodą. W celu symulacji warunków panujących pod wodą zabarwiliśmy wodę tuszem koloru zielonego. Oświetlenie dla porównania stosowaliśmy zewnętrzne lub wewnętrzne. Ze względu na zakrzywienie kopuły wykonaliśmy zdjęcia pod różnym kątem w celu zbadania zniekształceń spowodowanych tym zakrzywieniem.
 

Wnioski:

Niewątpliwie można stwierdzić, iż położenie źródła światła ma znaczenie pierwszorzędne obok jego mocy. Mimo wykonania prób bez fleszu uzyskujemy odblask przy źródle światła umieszczonym wewnątrz kopuły. Nie pozwala nam to na spostrzeżenie istotnych elementów. Zatem ważne jest aby oświetlenie znajdowało się na zewnątrz i aby jego moc była odpowiednio dobrana do stopnia zamulenia wody i prędkości poruszania się naszego „obiektu”. Powinno ono też być równomierne, gdyż punktowe nie pozwala wykonać zadowalających zdjęć. Pamiętajmy, że odległość była bardzo mała.



Powrót do góry

projekt i wykonanie stanowiska do pomiaru ciągu śruby napędowej

Po wykonaniu obliczen kadluba nastepnym krokiem w budowie naszego batyskafu było obliczenie sily uciagu pedników. Najwazniejszym pytaniem było jakiej wielkosci pednika mamy uzyc aby spelnial wszystkie wymagania. Jest to bardzo wazne, gdyz wiaza sie z tym kolejne etapy budowy naszej jednostki plywajacej. Na podstawie tego doswiadczenia mozemy okreslic m.in. rzad sily potrzebnej do napedu jednostki, opory ruchu, predkosc poruszania sie i wiele innych posrednich zagadnien. Do badan uzylismy pednik o srednicy….mm. Z załozenia nasz batyskaf ma miec swoje wewnetrzne zrodlo zasilania, a wiec to z kolei dyktuje nam kolejne koncepcje napedu: silniki potrzebne do napedu musza byc zasilane pradem stalym. My wykorzystalismy w tym celu silnik wkretarki akumulatorowej. Kolejnym etapem była budowa stanowiska umozliwiajacego pomiar wielkosci owej sily. Ponizszy schemat przedstawia stanowisko pomiarowe:

gdzie:
1 – badana sruba napedowa
2 – silnik elektryczny pradu stalego
3 – zrodlo zasilania
4 – waga

Podczas przeprowadzonego doswiadczenia notowane byly nastepujace wielkosci:

- Obroty sruby
- Sila nacisku na wage
- Napiecie
- Natezenie pradu

Na podstawie tych wielkosci mozemy obliczyc moc silnika oraz sile ciagu sruby w funkcji obrotow sruby. Ta ostatnia mozemy wyznaczyc z rownania momentow:

Mix = Fp * lo - Fw * L = 0

stad:

Fp = Fw * L / lo

nastepnie otrzymany wynik sprowadzamy do jednostek układu SI.

Wyniki pomiarów:
 

L.p.	n (obr/min)	Fp(N)	U(V)	I(A)	P(W)	Fw(g)	lo(mm)	L(mm)
1	50	0,18	1,9	0,94	1,8	16,8	457	505
2	100	0,38	3,3	1,13	3,7	35,0	457	505
3	150	0,65	4,7	1,43	6,7	59,5	457	505
4	200	0,89	6,3	1,85	11,7	82,5	457	505
5	250	1,65	7,8	2,30	17,9	152,0	457	505
6	300	2,76	9,4	2,96	27,6	255,0	457	505
7	350	3,26	10,5	3,33	34,8	301,0	457	505
8	400	5,20	12,2	4,02	49,0	480,0	457	505

gdzie kolejno :

n – predkosc obrotowa sruby
Fp – sila ciagu sruby
U – napiecie
I – natezenie
P – moc
Fw – wskazania wagi
lo – odleglosc miedzy silami
L - dlugosc belki

Warto zaznaczyc w tym miejscu, ze przeprowadzilismy kilka prob pomiarow a ostateczne wyniki sa srednia arytmetyczna tych prob.

Znajac powyzsze wartosci mozemy sporzadzic nastepujaca charakterystyke:

Wnioski:

Przeprowadzone doswiadczenie pozwolilo nam okreslic zarazem potrzebną wielkość śruby jak i moc silnika do jej napędu. Ponadto max. prędkość obrotowa śruby w doświadczeniu wynosiła 400 obr/min. zaś obroty znamionowe silnika elektrycznego wynoszą ok. 550 obr/min. Jest to optymistyczny fakt gdyz pozostaje jeszcze zapas sily napedowej.
Na podstawie obliczonych wartosci i polaczeniu ich z numerycznym modelem bedziemy mogli obliczyc m.in. opory ruchu, predkosc jednostki , promien zawracania itp. Pozwoli nam to na wybor optymalnej koncepcji batyskafu. Dalsze nasze prace skupimy nad obliczeniami plywalnosci oraz koncepcjami awaryjnego wynurzania. 

Powrót do góry

opracowanie i wybor koncepcji rozwiazania regulacji plywalnosci batyskafu

Studiując prawo Archimedesa i zależności jakie z niego wynikają doszliśmy do wniosku, że:

1) Ciało PŁYWA gdy jego gęstość JEST RÓWNA gęstości cieczy w jakiej pływa
2) Ciało TONIE gdy jego gęstość jest  MNIEJSZA od gęstości cieczy w jakiej pływa
3) Ciało WYPŁYWA gdy jego gęstość jest WIĘKSZA od gęstości cieczy w jakiej pływa

Do obliczeń przyjęliśmy następujące dane: Gęstość wody = 1000kg/m³(wody słonej 1010kg/m³) Gęstość stali =  7800kg/m³

Gęstość szkła = 2457 kg/m³

Gęstość polietylenu = 952 kg/m³

Wymiary korpusu batyskafu to: dł.=700mm Ø_zew=315 mm Ø_wew=280mmm

Najistotniejszym elementem potrzebnym do ustalenia poprawnej koncepcji sterowania jest gęstość całego batyskafu.

W skład masy_batyskafu wchodzą: korpus i kopuły.

Objętość batyskafu jest to objętość jaką zajmuje batyskaf.

Tak policzona gęstość wynosi 395 kg/m³ sam batyskaf z kopułą szklana nie jest wstanie swobodnie pływać, a raczej schodzić pod wodę i wynurzać się.

Opracowane zostały 3 koncepcje sterowania pływalnością

Koncepcja I zakłada 2 zbiorniki balastowe umieszczone na zewnątrz, napełniane powietrzem z butli, zamocowanej także na zewnątrz korpusu batyskafu. W celu zanurzenia zbiorniki zostaną napełnione wodą,

Zamocowanie zbiorników i butli na zewnątrz istotnie zwiększa objętość batyskafu. Do początkowej objętości dodaliśmy objętość zbiorników, butli i elementów mocujących. Wzór przyjmuje postać

Do masy batyskafu dodaliśmy masę zbiorników, masę butli i masę elementów mocujących i masę elementów wyposażenia.

Wzór określający GĘSTOŚĆ przyjmuje dwie postaci, w zależności od tego czy zbiorniki są wypełnione wodą czy powietrzem.

Do obliczeń przyjęliśmy 2 zbiorniki o wymiarach: dł.= 600 mm Ø 160mm i pojemności 8l. każdy. Jako Butlę użyliśmy standardowej butli o pojemności 6l. używanej przez płetwonurków.

Gdy jest wypełniony powietrzem, wtedy wynurza się, a wzór jest następujący:

Bariera gęstości wody nie zostaje przekroczona z maksymalna masą wyposażenia równą 32 kg

W momencie zapełnienia zbiorników do wzoru należy dodać masę wody w zbiornikach:

Przy zapełnionych zbiornikach minimalna masa wyposażenia, która jest potrzebna do zanurzenia, czyli przekroczenia granicy 1000kg/m³ to 17 kg

Zatem przedział masy wyposażenia w środku w jakim nasz batyskaf zachowuje pływalność to 17-32 kg

Koncepcja II przewiduje przegrodzenie ¼ przestrzeni w srodku korpusu i przeznaczenie jej na zbiornik balastowy, napełniany powietrzem z butli, zamocowanej na zewnątrz korpusu batyskafu. W celu zanurzenia odgrodzona część zostanie wypełniona wodą,

Objętość korpusu została policzona według wzoru:

Masa batyskafu zostaje zwiększona o: masę przegrody, masę butli, masę elementów mocujących, masę elementów wyposażenia

Wzór na GĘSTOŚĆ ponownie przyjmuje dwie postaci, w zależności od tego czy zbiorniki są wypełnione wodą czy powietrzem.

Do obliczeń przyjęliśmy: Przegrodę o masie 7,60 kg wykonaną ze stali, objętość część przeznaczonej na zbiornik to ok. 10,5l. Butlę stanowi ta sama butla co butla użyta do obliczeń przy koncepcji I

Gdy zbiornik jest wypełniony powietrzem, wynurza się, a wzór jest następujący:

Bariera gęstości wody nie zostaje przekroczona z maksymalna masą wyposażenia równą 20 kg 

W momencie zapełnienia zbiorników do wzoru należy dodać masę wody w zbiornikach:

Przy zapełnionych zbiornikach minimalna masa wyposażenia, która jest potrzebna do zanurzenia, czyli przekroczenia granicy 1000kg/m³ to 0 kg

Zatem przedział masy wyposażenia w środku w jakim nasz batyskaf zachowuje pływalność to 0-20 kg

Koncepcja III przewiduje umieszczenie butli i zbiorników wewnątrz batyskafu zbiorniki zostałyby wykonane tak jak to pokazuje rysunek niżej,

 Objętość batyskafu jest określona wzorem:

Do masy batyskafu dodajemy: masę zbiorników, masę butli, masę elementów mocujących, masę elementów wyposażenia

Wzór na GĘSTOŚĆ ponownie przyjmuje dwie postaci, w zależności od tego czy zbiorniki są wypełnione wodą czy powietrzem.

Do obliczeń przyjęliśmy: zbiorniki o łącznej masie 13,60 kg wykonane ze stali i objętości całkowitej ok. 12l. Butlę stanowi ta sama butla co butla użyta do obliczeń przy koncepcji I i II

Gdy zbiorniki są wypełnione powietrzem, batyskaf wynurza się, a wzór jest następujący:

Bariera gęstości wody nie zostaje przekroczona z maksymalna masą wyposażenia równą 17 kg

W momencie zapełnienia zbiorników do wzoru należy dodać masę wody w zbiornikach:

Przy zapełnionych zbiornikach minimalna masa wyposażenia, która jest potrzebna do zanurzenia, czyli przekroczenia granicy 1000kg/m³ to 8 kg

Zatem przedział masy wyposażenia w środku w jakim nasz batyskaf zachowuje pływalność to 8-17 kg

Kolejnym krokiem dokonania wyboru najlepszej koncepcji jest wybór kryteriów jakie są najistotniejsze w tym zagadnieniu. Dokonaliśmy wyboru następujących kryteriów:

· ZAPAS PŁYWALNOŚCI

· STATECZNOŚĆ

· TECHNOLOGICZNOŚĆ

· OPORY RUCHU

· ZACHOWANE MIEJSCE W ŚRODKU

· MOŻLIWOŚĆ DALSZEGO ROZWOJU

Nasze dalsze rozważania skupią się na ocenie i wyborze najlepszej, pod względem przyjętych kryteriów, koncepcji sterowania pływalnością.

Powrót do góry

Strona Główna   O nas...   Projekty   Wyjazdy   Kontakty   Linki   Aktualnie zajmujemy się...