LIUKUVAN VENEEN PERÄPEILIVOIMAT. Tekesin Vene-ohjelma

Transkriptio

1 LIUKUVAN VENEEN PERÄPEILIVOIMAT Tekesin Vene-ohjelma

2 Tausta Peräpeili on erityisen lujuuskriittinen osa perämoottoriveneissä. Vanhat kokemusperäiset mitoitustavat eivät enää päde, koska Markkinoille on tullut jatkuvasti uusia, suurempia perämoottoreita, jotka korvaavat sisä- ja sisäperämoottoreita suurehkoissakin (7-8 m) veneissä. Perinteinen rakennustapa on muuttumassa. Samalla rungon, jäykisteiden ja kannen integrointi lujuusmielessä vaihtelee. Tarkemman rakennesuunnittelun pohjaksi tarvitaan luotettava kuormatieto, jota nykyisin ei ole saatavilla. Kevyempien, helpommin valmistettavien ja luotettavien (reklamaatiovapaiden) rakenteiden suunnittelemiseksi tarvitaan uusia menetelmiä 2

3 Tavoite Luoda luotettava ennustemenetelmä perämoottoriveneen peräpeiliin kohdistuvalle kuormalle eri olosuhteissa. Tämä on oleellinen lähtötieto veneen peräosan tarkemmalle rakennesuunnittelulle ja varmentamiselle, joka voidaan tehdä Yksinkertaistettujen kaavojen avulla FE-analyysin avulla Kokeellisesti varmentaen (esim. väsytyskokeet) 3

4 Projektin sisältö Toimenpiteet: Suunniteltiin ja toteutettiin mittausjärjestelmä peräpeiliin kohdistuvien voimien mittaamiseen. Tarkasteltiin analyyttisesti aallokossa ajon aiheuttamia voimia ja niiden suuruusluokkaa peräpeiliin kohdistuvien rasitusten kannalta. Suoritettiin täysmittakaavamittaukset riittävän kovissa olosuhteissa Muodostettiin edellisten kohdan perusteella käyrästöt kuormitusten määrittämiseksi Projektin yritysosallistujat: Boomeranger Boats Oy Konekesko Oy Marine Terhitec Oy Silver-veneet Fiskars Oy Inhan tehtaat Rajavartiolaitos 4

5 Peräpeiliin vaikuttavia voimia 5

6 Voimiin (ja mittaukseen) vaikuttavia parametreja Paino- ja kiihtyvyysperäiset voimat Perämoottorin paino ja painopiste Rungon dynaamiset nosteominaisuudet; AP/D 2/3, C D = D/1005*B C3, b, V/(9,81B C 0,5 ) Teho-paino-suhde P 0,5 /D 2/3 Värähtelyilmiöt moottorista, veneen liikkeistä ja propulsiosta Systeemin paino ja painopiste; LCG, VCG Perämoottorin hitausmomentti ja systeemin hitausmomentit Kiihtyvyydet peräpeilissä ja perämoottorissa (jousitettu rakenne) Propulsiovoima Potkurin hyötysuhde ja suurin työntö eri tilanteissa Moottorin teho ja vääntöalue Rikin korkeus, asennuskorkeus ja etäisyys peräpeilistä Propulsion suunta Potkurin pyörimissuunta Rungon vanavesi Tukireaktiot peräpeilissä Kiinnityksen ja rikin mitat Pulttien määrä ja mitat sekä kiristysmomentti Peräpeilirakenteen taivutusjäykkyys ja siirtymät 6

7 Mittausjärjestelmä, johon päädyttiin: Prikka-anturit 4 kpl mittavat pulttien jännitystä GPS Max Kiihtyvyysanturit x y ja z suunta Kierrosluku Peräpeiliä ja konetta kuvattiin videolla, kertoo milloin potkuri on ollut ilmassa

8 Johtopäätökset ensimmäisistä mittauksista Talvella Yamarinin kalibroinneissa prikka-anturien käyttö näytti lupaavalta, vaikka eri pulteista mitatuissa arvoissa oli suuria eroja. Vesillä kokeita ei kuitenkaan päästy tekemään kuin tyynessä vedessä Boomerangerin kokeissa prikka-anturien kalibroinnit tehtiin paaluvetokokeena. Hajonta oli suurta ja toistettavuus huono. Kokeet ajettiin kohtuullisessa aallokossa, veneen hypyt olivat vielä maltillisia Pystykiihtyvyyden mitatut maksimiarvot n. 11 g (korkealla taajuudella) Kiinnityspulttien kautta mittaaminen on liian epäherkkää ja virhealtista luotettavien tulosten aikaansaamiseksi. Tämä johtuu rakenteen joustavuudesta, kitkoista ja virumisesta Siirryttävä instrumentoituun brackettiin (monikomponenttivaaka)

9 Monikomponenttivaaka 8 venymäliuskoitettua mittaussauvaa Kaikki voimat ja momentit, joilla moottori kuormittaa peräpeiliä, kulkevat mittaussauvojen kautta Mittaussauvojen päät kiinnitetty nivellaakereilla Moottori irrotettava asennuksen yhteydessä Koordinaatisto peräpeilin pinnan suuntainen Pienempi versio <150 hv moottoreille toinen 150 hv tehoille Siirtää konetta mm taaksepäin Paino 43,0 113,5 kg Takakappaleen paino 24,5 70,5 kg 9

10 Voima- ja momenttivektorit Peräpeilikoordinaatistossa Oikeankäden säännön mukaiset X-akseli veneen keulan suuntaan Y-akseli poikittain, positiivinen oikealle Z-akseli pystyssä, positiivinen alaspäin Y ja Z akselit ovat peräpeilin tasossa, eli Z poikkeaa ja luotisuorasta X kölilinjasta 10

11 Voimien ja momenttien lausekkeet Lausekkeet johdettu vektorilaskennalla Vaa'an takaosa oletettu jäykäksi kappaleeksi X OY VY OA VA OR VR k RX Y PA PY Z OR VR k RZ M M M Y Z X h 2 R OY VY OA VA OY VY OA VA h VR OR k k h k d PY PA d d OY OA VY VA OR VR m b 2 h 2 P VR OR k RZ PA PY PA PY h m b 2 m k RX b 2 RX h 2 RX m RZ m 11

12 Kiihtyvyysanturien sijainti ja voimamittausinstrumentit 12

13 Kuormitustapaukset kokeissa Painopiste laskettiin ja mitattiin Mittauslaiteboksi 50 kg takapenkin etupuolella Bracketin aiheuttama muutos painopisteeseen kompensoitiin hiekkasäkeillä keulassa (Buster ja Silver) 13

14 Merikokeet aallokossa ja tyynellä säällä Merikokeiden yhteiset faktorit: A. Alumiinipotkuri / teräspotkuri B. Vastatuuli / myötätuuli C. Täysi kuorma / kevytkuorma Aallokkokokeet: 1. A,B,C: Marssinopeus aallokossa 2. A,B,C: Täysinopeus aallokossa Suorituskyky ja tilanteet tyynellä säällä: 1. A,B,C: Kiihdytys huippunopeuteen vakiotrimmi 2. A,B,C: Kiihdytys matkanoputeen vakiotrimmi 3. A,B,C: Kiihdytys ja trimmin säädöt täydellä kaasulla, ala-yläala 4. A,B,C: Asteittainen kiihdytys, suorituskyky kierroksittain 5. A,B,C: Nopeat kiihdytykset 6. A,B,C: Kaarrokset, vaihtelevaa ajoa 14

15 Silver 90 hv aallokkoajot Ajettiin ja Melkin ja Katajaluodon välisellä alueella tuuli noin 9 m/s SW ja aallokko hieman alle metrin tuuli noin 10 m/s SW aallon korkeus noin metri Ajettiin myötä ja vastatuuleen Kokonaispainot 1125 kg ja 1325 kg Alumiinipotkuri 18 ja teräspotkuri 17 15

16 Melkin eteläpuolella &

17 Peräpeilivoimat aaltohypyssä, ilmiö 1. Hyppy aallosta My nollaan (käy negatiivisella puolella, kun peräpeilin jännitys vapautuu) 2. Potkuri saa otetta vedestä, työntövoima kasvaa 3. Runko iskeytyy aaltoon, suuri kiihtyvyyshuippu z- suunnassa momentti peräpeilissä kasvaa My ja Z-voiman huippuarvoon 4. Samaan aikaan voima X (työntö) putoaa negatiiviseksi, kun perämoottori nyökkää alas (ja palautuu sieltä ylös) 5. Moottori palautuu 17

18 Silver mittausdataa 18

19 Silver mitatut arvot 19

20 Buster 70 hp aallokkoajot Ajettiin Katajaluodon luoteisella alueella Vanhaa aaltoa yön n. 10 m/s jäljiltä lounaasta Tuuli noin 5 m/s luoteesta, lievää ristiaallokkoa korkeus noin 0,5 m Kokonaispainot 825 kg ja 1000 kg Ajettiin vain 17 alumiinipotkurilla 20

21 Katajaluodon länsipuolella 21

22 Buster mittaus data 22

23 Buster mitatut arvot vasta-aallokko 23

24 Buster mitatut arvot myötäaallokko 24

25 Yamarin aallokkoajot Itä-Helsingin edustalla Merkitsevä aallonkorkeus 0,5-1,0 m Sipoonselällä, nopeus kn) Kuiva Hevosen länsipuolella ja Hanskisessa 1.0-1,5 m, nopeus pääosin yli 30 kn, ajoturvallisuuden takia kilpaveneilijäkään ei pystynyt ajamaan kovempaa Jatkuva tuuli SW 8 m/s puuskissa 12 m/s Paino n kg Potkuri nelilapainen HST 15,25 x 21 Kiihtyvyydet veneen runkopalkista kuskin alla, peräpeilistä ja moottorin lohkon takaa 3 suuntaan Mittaustaajuus 200Hz, alipäästösuodatus 20 Hz 25

26 Itä-Helsingin edustalla 26

27 Yamarin mittausdata 27

28 Yamarin mitatut arvot Matkanopeus vasta- ja myötäaallokkoon 28

29 Yamarin vasta-aalloko kova ja ylikovaa 29

30 Mitatuista kiihtyvyyksistä laskettu teoreettinen voima ja momentti 30

31 Mitattu vs. kiihtyvyyksistä laskettu My max (Buster) 31

32 Mitattu vs. kiihtyvyyksistä laskettu My max (Silver) 32

33 Mitattu vs. kiihtyvyyksistä laskettu My max (Yamarin) 1 33

34 Mitattu vs. kiihtyvyyksistä laskettu My max (Yamarin) 2 34

35 Menetelmä ennustaa kiihtyvyyden ennustamiseen 35

36 Testiveneiden kiihtyvyysennusteet Lähtötiedot ja johdetut suureet Laatu Silver kevyt Silver kevyt Silver raskassilver raskas Buster kevyt Buster kevyt Buster raskasbuster raskas Yamarin Yamarin Pituus (vesilinjapituus) L=Lw l m 4,80 4,80 4,80 4,80 4,40 4,40 4,40 4,40 7,00 7,00 Sama, jalkaa ft 15,74 15,74 15,74 15,74 14,43 14,43 14,43 14,43 22,95 22,95 Suurin palleleveys b m 1,615 1,615 1,615 1,615 1,515 1,515 1,515 1,515 2,18 2,18 Sama, jalkaa ft 5,30 5,30 5,30 5,30 4,97 4,97 4,97 4,97 7,15 7,15 Uppouma kg Sama, lb lb 2422, , , , , , , , , ,4009 Sama, long tons lt 1,083 1,083 1,329 1,329 0,812 0,812 0,984 0,984 2, , Veden tiheys kg/m³ Sama. Lb/cuft lb/cuft 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 63,12 Trimmikulma deg ,5 4 2, Merkitsevä aallonkorkeus H 1/3 m ,5 0,5 0,5 0,5 1,2 1,2 Sama, jalkaa ft 3,28 3,28 3,28 3,28 1,64 1,64 1,64 1,64 3,93 3,93 Pohjanousu deg Frouden uppoumaluku Fn ,5 5,5 5,5 5,5 6,5 6,5 Nopeus V K knots 24,70 24,70 25,56 25,56 32,38 32,38 33,43 33,43 46,90 46,90 Suurin N-osa aalloista tietyssä spektrissä N Staattinen leveys-kuormituskerroin / b^3 C 0,2586 0,2586 0,3173 0,3173 0,2349 0,2349 0,2847 0,2847 0,2676 0,2676 Pätevyysalueen checkaus D/(0,01*L)³ No No No No No No No No Yes Yes L/b No No No No No No No No Yes Yes Yes Yes Yes Yes No Yes No Yes No Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes H 1/3 Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes Yes V K /sqr(l) No No No No No No No No No No Kiihtyvyydet Keskimääräinen kiihtyvyys LCG:n kohdalla n CG g's 1,94 1,16 1,63 0,98 1,10 1,75 0,93 1,49 1,45 2,18 Keskimääräinen kiihtyvyys keulassa n bow g's 2,79 1,67 2,33 1,40 1,42 2,26 1,20 1,92 1,99 2,99 Keskiarvo 1/N suurimmista kiihtyvyyksistä, LCG g's 10,85 6,51 9,14 5,49 6,14 9,83 5,23 8,37 8,13 12,20 Keskiarvo 1/N suurimmista kiihtyvyyksistä, keula g's 15,63 9,38 13,04 7,82 7,93 12,70 6,71 10,74 11,17 16,75 Mitattu painopiste 6 6 6,2 6,2 3,6 3,6 6,9 6,9 Mittattu peräpeili 11,5 11,5 9,6 9,6 7,3 7,3 5,2 5,

37 ISO 12215:n kiihtyvyyskaavat Liian epätarkka Antaa tässä tapauksessa liian pieniä arvoja Ei ota huomioon trimmiä 37

38 Yhteenveto ja tulosten hyödyntäminen Mitatut voimat ja momentit suurempia kuin ennakkoon arvioitiin, johtuen lähinnä suurista pystykiihtyvyyksistä Tulosten avulla veneen peräosan lujuus voidaan varmistaa ja toisaalta optimoida. Näin säästetään veneen valmistus- ja käyttökustannuksia, ja toisaalta vältetään alimitoituksesta syntyvät reklamaatiot. Tulokset ovat lähtötietoina yrityskohtaisille rakenneanalyyseille. Näistä voidaan tarvittaessa käynnistää erillisiä yritysprojekteja. Monikomponenttivaa at ovat käytettävissä ostopalveluna myös uusiin mittauksiin. Mittausten sivutuotteena saadaan veneen vastustiedot (perämoottorin työntö = veneen vastus). 38