Колебательные процессы в поплавковых системах тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Введение.

1. Описание конструктивных особенностей поплавковых систем и внешних сил, воздействующих на них.

1.1. Конструктивное исполнение буйковых станций и задачи их исследования.

1.2. Поверхностное волнение - основной фактор, воздействующий на поплавковую систему.

2. Исследование динамики поплавковой системы с линейными параметрами, находящейся под воздействием поверхностного волнения.

2.1. Колебания поплавковой системы, при воздействии на неё поверхностного волнения, описываемого энергетическим спектром.

2.2. Колебания поплавковой системы, при воздействии на неё поверхностного волнения, описываемого гармонической функцией,

2.3. Определение параметров поплавковой системы.

2.3.1. Жесткость.

2.3.2. Масса.

2.3.3. Коэффициент гидродинамического сопротивления.

2.4. Численные результаты и выводы.

3. Исследование динамики поплавковой системы с нелинейными параметрами, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря.

3.1. Динамика поплавковой системы, в случае нелинейной силы гидродинамического сопротивления.

3.2. Динамика поплавковой системы, при нелинейной силе гидродинамического сопротивления и нелинейной восстанавливающей силе фала, имеющей вид X - X.

3.3. Определение коэффициентов параболы, описывающей восстанавливающую силу упругого элемента (фала).

3.4. Численные результаты и выводы.

4. Экспериментальные исследования динамики поплавковой системы в натурных условиях.

4.1. Описание экспериментальной установки.

4.2. Методика проведения эксперимента.

4.3. Обработка и анализ экспериментальных данных.

Основные результаты работы и выводы.

В последние годы Мировой океан получил широкое признание как мощный потенциальный источник жизненно важных для человека естественных богатств. Появление принципиально новых технологических процессов, позволяющих добывать полезные ископаемые из морской воды; истощение энергетических ресурсов на суше, что привело к использованию континентальных шельфовых зон в качестве новых районов по добыче нефти и газа; увеличение объёма рыболовства; эти и другие проблемы привлекли в последнее время пристальное внимание к исследованию и освоению Мирового океана.В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года поставлена задача обеспечить развитие научных работ по изучению Мирового океана, включая шельф, с целью рационального использования его ресурсов, совершенствования методов прогнозирования погоды и других явлений природы, повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды [41]. Кроме того, принято решение развернуть разведивательные работы в прибрежных шельфовых зонах морей с целью поиска месторождений нефти, газа, золота, олова и других полезных ископаемых, а также внедрить новые средства поиска рыбы и расширить исследования сырьевой базы Мирового океана [б4].Эти задачи ставят на повестку дня ряд технических проблем, одной из которых является разработка эффективных систем сбора океанографической информации, что привело к возни|^новению и быстрому развитию новой науки - океанотехники.Возможность использования такого многообразия приборов позволяет вести многоцелевые исследования для сбора информации об окружающей среде в различных акваториях Мирового океана. Эта информация может быть использована не только для фундаментальных исследований, но и для решения ряда прикладных задач [в, 42, 60]: - составление детального описания климатических условий, сбор подробных статистических данных о возможности возникновения штормовой обстановки, образования ледяного покрова, возникновения и распространения цунами с целью определения районов,наиболее благоприятных для судоходства; - изучение миграции рыбных косяков с целью оценки рыбных ресурсов и выявления районов,наиболее экономически выгодных для рыболовства; - обор данных о характере донных отложений, о направлении и характере морских и океанических течений, необходимых для проектирования и строительства глубоководных портов и приливных гидроэлектростанций; - сбор метеорологических и физико-океанографических данных, необходимых для характеристики определенных районов с целью предсказания ориентировочного порядка проведения исследовательских и разведывательных работ на нефтяных и газовых месторождениях в открытом море; - сбор данных,необходимых при создании проектов глубоководных разработок полезных ископаемых и т.д.Использование автономных автоматических буйковых комплексов- 7 станций, способных нести разнообразную океанографическую исследовательскую аппаратуру, объединение их в единую сеть буйковых станций с использованием спутниковой системы связи позволяет решать многие вопросы по изучению океана и признается одним из наиболее перспективных направлений в мировых океанографических исследованиях.Несмотря на значимость изучения Мирового океана с помощью дрейфующих буйковых станций и проводимые исследования как у нас в стране так и за рубежом в области колебаний буйковых станций, находящихся под воздействием поверхностного волнения моря,всё же: - отсутствует общий подход к наиболее полному математическому описанию колебаний дрейфующих станций под воздействием поверхностного волнения моря с помощью нелинейных дифференциальных уравнений; - не разработана методика эквивалентной замены спектрального описания поверхностного волнения моря его описанием в виде гармонической функции; - недостаточно исследованы вопросы определения численных значений параметров буйковой системы; - отсутствует методика проведения натурных экспериментальных исследований динамики буйковой системы под воздействием поверхностного волнения моря и обработки экспериментальных данных при исследовании колебаний буйковой системы как случайного процесса.Цель представляемой работы заключается в исследовании колебательных процессов в буйковой системе, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря,при описании её движения нелинейными дифференциальными уравнениями и определении погрешности,вносимой в расчет амплитуд колебаний буйковой системы при линейной постановке задачи.Научная новизна работы: - 8 - предложено математическое описание движения буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, с помощью нелинейных дифференциальных уравнений; - определены амплитуды колебаний буя и контейнера с измерительной аппаратурой при нелинейной силе гидродинамического сопротивления и нелинейной восстанавливающей силе фала, соединяющего буй и контейнер о измерительной аппаратурой; - на основании спектральных методов расчета и анализа ветровых волн предложены формулы перехода от спектра поверхностного волнения для полностью развитого волнения,моря к основным параметрам волны для спектра Пирсона-Московитца; - путем сравнительного анализа амплитуд колебаний буйковой системы при спектрально-энергетическом и синусоидальном представлении волнения моря определены поправочные коэффициенты, используемые для эквивалентного описания поверхностного волнения моря; - разработана методика проведения натурных испытаний с помощью датчиков ускорения и предложен алгоритм обработки экспериментальных данных при исследовании колебаний буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, представляемого как случайный процесс.Краткая аннотация диссертации. В первой главе приводятся описание конструктивных особенностей поплавковых систем и задачи их исследования; рассматриваются спектральные методы описания ветровых волн; приводятся формулы перехода от энергетического спектра поверхностного волнения моря к основным параметрам волны. Во второй главе исследуется динамика буйковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, описываемого энергетическим спектром и синусоидой; путем сравнения амплитуд колебаний в первом и во втором случаях определяется поправочный коэффициент, исполь^ 9 зуемый при аппроксимации спектрального описания поверхностного волнения моря его описанием в виде синусоиды; дается методика определения численных значений коэффициентов гидродинамического сопротивления методом последовательных приближений; приводятся формулы для определения присоединенной массы жидкости. В третей главе исследуются колебания буйковой системы, движение которой описывается нелинейными дифференциальными уравнениями с нелинейной силой гидродинамического сопротивления и нелинейной восстанавливающей силой резиновой нити, изолирующей контейнер с измерительной аппаратурой от фала; по экспериментальным данным методом наименьших квадратов определяется численное значение жесткости резиновой.нити при описании её восстанавливающей силы квадратным двухчленом; сравниваются результаты,полученные в предыдущей главе с амплитудами колебаний, полученными.при решении нелинейных дифференциальных уравнений. В четвертой главе излагается методика проведения экспериментальных исследований динамики буйковой системы в условиях поверхностного волнения моря; предлагается алгоритм обработки экспериментальных данных; проводится сравнительный.анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований, Численные расчеты по основным формулам проводились на ЗВМ "Электроника ДЗ-28" по программам,составленным автором и приведенным в приложении. « 1 0

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведенными теоретическими исследованиями установлено, что колебания поплавковой системы, под воздействием поверхностного волнения моря,необходимо рассматривать как колебания системы с нелинейным гидродинамическим сопротивлением и нелинейной восстанавливающей силой фала.

2. Предложены нелинейные дифференциальные уравнения движения поплавковой системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря, которые, как показали результаты натурного эксперимента, достаточно строго описывают сущность данного явления.

3. Установлено, что расчет колебаний поплавковой системы с учетом нелинейности гидродинамического сопротивления и восстанавливающей силы фала позволяет уточнить зону резонанса и найти действительные значения амплитуд, которые оказываются значительно меньше, определяемых при линейной постановке задачи.

4. Предложена методика расчета амплитуд колебаний поплавковой системы, основанная на замене спектрального представления поверхностного волнения моря его описанием в виде гармонической функции и замене двухмассовой системы двумя одномаособыми, которая значительно упрощает расчеты и, как показали результаты натурного эксперимента, не вносит значительных погрешностей в определение численных значений амплитуд колебаний поплавковой системы*

5. Разработана методика натурного эксперимента по определению параметров колебаний поплавковой системы, основанная на применении низкочастотной виброизмерительной аппаратуры,и методика обработки экспериментальных данных, основанная на использовании спектрально-корреляционного анализа, позволяющие с достаточной точностью(относительная погрешность около 5$) определить параметры колебаний поплавковой системы, находящейся в условиях поверхностного волнения моря.

6. Установлено, что поверхностное волнение моря, которое наиболее полно описывается энергетическим частотным спектром, при расчете колебаний поплавковой системы целесообразно заменить гармонической функцией. Доказано, что для определения поправочного коэффициента

Ь0 , определяющего эквивалентность такой замены, достаточно знать лишь амплитуду колебаний буя, так как она практически не зависит от амплитуды колебаний контейнера с измерительной аппаратурой и определяется параметрами самого буя и поверхностным волнением.

7. Показано, что использование в поплавковых системах, имеющих связь малой жесткости между буем и контейнером с измерительной аппаратурой, демпферов водоналивного типа позволяет значительно снизить амплитуду колебаний контейнера с измерительной аппаратурой, которая определяет шумы обтекания, создаваемые гидродинамическим потоком при движении контейнера в жидкой среде.

8. Установлено, что при проведении натурного эксперимента, чтобы исключить влияние поверхностного волнения моря непосредственно на заглубленную измерительную аппаратуру, последнюю необходимо рас-пологать на глубине свыше 70 метров, где поверхностное волнение моря практически затухает.

9. Предложенная методика расчета амплитуд колебаний поплавковых систем в нелинейной постановке задачи внедрена в ряде организаций с годовым экономическим эффектом 56,3 тысячи рублей.

1. Автоматизация научных исследований морей и океанов: Материалы 1У Всесоюзной школы/ Под общ.ред.акад. А.Г.Колесникова. Севастополь: МГИ АН УССР, 1973. -216с.

2. Акустика океана/Под ред. акад. Л.М.Бреховских. « М.: Наука, 1974. -694с.

3. Атлас волнения и ветра Атлантического океана/Ржеплинский Г.В.-Л.: Гидрометеоиздат, 1968. -36с.

4. Атлас волнения и ветра Тихого океана/Иконникова Л.Н.-Л.: Гидрометеоиздат, 1968. -35с.

5. Атлас волнения и ветра Баренцева моря: СССР. Глав. упр. гидро-метеорол. службы.- Архангельск, 1965. -81с.

6. Берто Г.О. Океанографические буи/ Пер. с англ. Г.П.Лисова. -Л.: Судостроение, 1979. 215 с.

7. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний: Учеб. пособие для студ. механ. специальностей. « М.: Высш. школа, 1972. 416 с.

8. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М»: Наука, 1974. - 504 с.

9. Елохинцев Д.И. Акустика неоднородной движущейся среды. М.: Наука, 1981. - 220 с.

10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. 2-е изд. стереотип. - М.: Наука, 1973. - 366 с.

11. Ветровые волны/ Под ред. Ю.М.Крылова. М.: Изд. иностр. лит., 1962. - 441 с.

12. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения. -Л.: Гидрометеоиздат, 1966. « 234 с.

13. Гик Л.Д. Измерение вибраций. « Нвосибирск, Наука, Сиб. отд-ние 1972. 291 с.

14. Греку Р.Х., Острецов Г.А., Пучкин В.А. Дрейфующие буи для исследования течений в океане. Севастополь, МГИ АН УССР, 1972.- 34 с.

15. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразований Лапласа и Z преобразования/ Пер. с 3 - го нем. изд. Г.А.Воль-перта. - М.: Наука, 1971. - 288 с.

16. Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной техники. 4-е изд. испр. М.: Наука, 1970. - 664 с.

17. Ефремов И.А. Стохастическое возбуждение динамических систем.- Львов, 1980. 7 с. - Рукопись представлена Львовским политех, ин-том. Деп. в УкрНИИНТИ 19 июля 1980. № 2173-80.

18. Ефремов И.А. Определение коэффициента гидродинамического сопротивления тела, совершающего вынужденные колебаний в жидкой среде. Львов, 1983. - 7 с.- Рукопись представлена научно-производ. объед. "Система". Деп. в ВИНИТИ 14 нояб. 1983. № 6051-83.

19. Ефремов И.А. Определение параметров поверхностного волнения моря. Львов, 1983. - 5 с,- Рукопись представлена научно-производ) объед. "Система". Деп. в ВИНИТИ 14 нояб. 1983. № 6052-83.

20. Ефремов И.А., Пасика В.Р. Математическое описание движения двухмассовой системы с нелинейной восстанавливающей силой. Львов, 1983. - 10 с. - Рукопись представлена научно-производ. объед. "Система". Деп. в ВИНИТИ 14 нояб. 1983. № 6053-33.

21. Ефремов И.А., Яцулка П.А. Исследование динамики механической системы, находящейся под воздействием поверхностного волнения моря. Львов, 1983. - 15 с. - Рукопись представлена научно-производ. объед. "Система". Деп. в ВИНИТИ 14 нояб. 1983. № 6049~83.

22. Пасика В.Р., Матковский А,П., Ефремов И.А. Определение оптимальных, пара метров виброзащитного устройства с кулачковым компенсатором жесткости. В кн.: Системы автоматизации метрологических исследований: Сб. науч. трудов. Львов, 1983, с. 92-96.

23. Нданюк Б.Ф. Основы статистической обработки троекторных измерений. М.: Сов. радио, 1978. - 384 с.

24. Иориш Ю.И. Виброметрия. Измерение вибрации и ударов. Общая теория, методы и приборы. 2-е изд. перераб. и доп. *» М.: Маш-гиз, 1963. - 771 с.

25. Каннингхем В. Введение в теорию нелинейных систем/ Пер. с англ. Е.Б.Пастернака. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 456 с.

26. Канторович Л.В., Крылов В.И. Приближенные методы численного анализа. 5-е изд., испр. - М.-Л.: Физматгиз, 1962. - 708 с.

27. Каудерер Г. Нелинейная механика/ Пер. с нем. Я.Г.Пановко. -М.: ИЛ, 1961. 777 с.

28. Корн Г., Корн Н. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы/ Пер. со 2-го амер. перераб. изд. под общ. ред. И.Г.Абрамовича и др. ~ 5-е изд. М.: Наука, 1984. - 831 с.

29. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем. М.: Наука, 1966. - 317 с.

30. Карпушин В.Б. Вибрация и удары в радиоаппаратуре. М.: Сов. радио, 1971. - 344 с.

31. Комаров М.С. Динамика механизмов и машин. М.: Машинострое*» ние, 1969. - 296 с.

32. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика: Учебник для ун-тов. Под ред. И.А.Кибеля. Изд. 6-е, испр. и доп. Ч. I. М.: Физматгиз, 1963. - 583 с.

33. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики: Учеб. пособ. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергия, 1980. « 424с

34. Крылов Н.М., Боголюбов Н.Н. Приложение методов нелинейной механики к теории стационарных колебаний. Киев: Изд. Всеукр. АН, 1934. - 112 с.

35. Крылов Ю.М. Спектральные методы исследования и расчета ветровых волн. Л.: Гидрометеоиздат, 1966. - 255 с.

36. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Циплухин В.Ф. Ветровые волны и их воздействие на сооружения/ Под ред. Ю.М.Крылова. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 256 с.

37. Крылов Ю.М., Стрекалов С.С., Циплухин В.Ф. и др. Спектральный метод расчета волнового режима и его использование в гидротехническом строительстве. М.: Транспорт, 1969. - 126 с.

38. Кузнецов А.А. Вибрационные измерения элементов и устройств автоматики. М.: Энергия, 1976. - 124 с.

39. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учебник для вузов по спец. "Механика". 5-е изд. перераб. - М.: Наука, 1978. - 736 с.

40. Линник Ю.В. Математическая статистика: Избранные труды. Л.: Наука, 1982. - 284 с.

41. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981. - 223 с. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 - 1985 годы и на период до 1990 года. - М.: Политиздат, 1981. - 95 с.

42. Маркелов А.Ф., Снежинский В.А., Чернов Б.С. Океанографические приборы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 422 с.

43. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНе. М.: Мир, 1977. - 387 с.

44. Мореходные таблицы(МТ 75$. - М.: М - во обороны СССР. Гл. упр. навигации и океанографии, 1975. - 322 с.

45. Пат. № 3541498(США). Упругая подвеска гидрофона в звуковом буе. кл. 340-2, 1970.

46. Пат. № 392П20(США). Система развертывания радиоакустического буя. кл. 340-2, 1975.

47. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: Учеб. пособие для втузов. 2-е изд. перераб.- М.:Наука, 1980. - 270 с.

48. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. 3-е изд., доп. и перераб. - Л.: Машиностроение, 1976. - 320 с.

49. Прочность. Устойчивость Колебания: Справочник в 3-х т./ Под общ. ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. М.: Машиностроение, 1968, т. 3. - 567 с.

50. Розенвассер И.Н. Колебания нелинейных систем. Метод интегральных уравнений. М.: Наука, 1969. - 576 с.

51. Ржеплинский Г.В. Исследование режима ветрового волнения океанов и морей и расчеты параметров волн/ Под ред. Г.В.Матушенского. М»: Гидрометеоиздат, Моск. отд-ние, 1972. - 184 с.

52. Риман И.С., Крепе Р.Л. Присоединенные массы тел различной формы: Труды ЦА.ГИ № 635. М.: Бюро новой техники, 1947. - № с.

53. Силаев А.А. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1972. «192 с,

54. Стокер Дж. Нелинейные колебания в механических системах/ Пер. с англ. Н.А.Тамецник. Под ред. А.И.Лурье. 2-е изд. - М.: Изд. иностр. лит., 1953. - 256 с.

55. Стрекалов С.С. К определению аналитического вида энергетического развитого волнения. « Океанология, 1961, № 3, о. 17«21.

56. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле/ Пер. Я.Г.Пановко с 3«го америк. изд., перераб. совместно с Д.Х.Янгом. 2-е изд. - М.: Наука, 1967. - 444 с.

57. Тонг Кин Н. Теория механических колебаний/ Пер. с англ. В.Г. Лужина. Под ред. К.В.Фролова. М.: Машгиз, 1963. - 351 с.

58. Тондл А. Нелинейные колебания механических систем/ Пер. с англ. В.Г.Аверьяновой. Под ред. К.В.Фролова. М.: Мир, 1973. - 334 с.

59. Уилкс С. Математическая статистика/ Пер. с англ. А.М.Когана и др. Под ред. Ю.В.Линника. М.: Наука, 1967. - 632 с.

60. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики/ Пер. с англ. Н.М.Гусева и др. *» Л.: Судостроение, 1978. 445 с.

61. Устройство специализированное управляющее вычислительное "Электрони ка ДЗ—Ж". Инструкция по эксплуатации. И5М3.857.100— 01.01.ИЭ. Казань, 1977. - 257 с.

62. Филипс О.М. Динамика верхнего слоя океана/ Пер. с англ. Ю.А. Волкова и др. Под ред. М.С.Монина. М.: Мир, 1969. - 267 с.

63. Хаяси Тахиро. Нелинейные колебания в физических системах/ Пер. с англ. Б.А.Болдова и др. Под ред. В.Б.Боголюбова. М.: Мир, 1968. - 432 с.

64. Чверткин Е.И. Гидроакустическая телеметрия в океанологии. » Л»: Изд-во ЛГУ, 1978. 149 с.

65. Шкаликов B.C. Измерение параметров вибрации и удара: Учеб. пособие для Всесоюзного ин-та повышения квалификации/ Под общ. ред. В.С.Шкаликова и др. М.: Изд-во стандартов, 1980. - 278 с.

66. Яноши Л. Теория и практика обработки результатов измерений/ Пер. с англ. Н.П.Клепикова. 2-е изд. - М.: Мир, 1968. - 462 с.

67. ГОСТ 5.1615-72. Преобразователь пьезоэлектрический виброизмерительный Д 14. Требования к качеству аттестуемой продукции. -Введ. Август, 1972.68. Jit «г Я £lti£e о/ ^Агрa ai Д £о<з-с1.е:оС ^вde.e/0

68. QtZtfeJc/O/W^/it iftf^e У^УЯ' J&OJf.- see. 6/ />/2f />. e- ss.78 m .^eilfcsif) & o7e Seel.ecz-nz^a-lf^a/7 o/- -/eci -Jf.&.S'O.;iTof. ys" /, /3. /ss/- sszt.- 133 79. $ я cdъе cJs. ^eocJ^tc. a/rn/t 1-е

69. U^tdJ o/f ScJ frca-4? с* tAca^1. M3 y p.ж* 2. <&/ft; n-ez.jxz**' oe<U2/? ~ /we.ee-aЛ ~ ^ yd. SS3-3&S.- 134

70. О.//. ^о-г. sveaJkZiy d'etatсз /аеГсг c<fс /ге /<2. с*? of с? cfeS, ~~•93, <?4<z * e//. /p. J^yj Jkc?/ с ^ ga/f г-с ^е./* -/. ~f. a. s. a, , ж/, />. rg.•г. е^Га г. o?<2. ^ Л/S / . 3- Я.95. Z&fiMC^eS г- h/. c^ емсГс с/а </ts1. S^S/ /a.s?-/^.