طراحي و ساخت سيستم اندازه گيري نيرو و گشتاور براي تست مدلي در تونل آب

Design and fabrication of a force-moment measurement system for testing of the models in a water tunnel

اندازه گيري نيروهاي هيدروديناميكي روي اجسام زير آب يكي از نيازهاي اساسي تونل آب مي باشد. با توجه به محدوديت‌هاي تونل آب براي اين كار يك بالانس دقيق نيرو لازم است. هدف از اين مقاله طراحي، ساخت و كاليبراسيون يك بالانس شش مولفه اي جهت اندازه گيري نيروها و گشتاورهاي وارده بر مدل در تست هاي مدلي استاتيكي و ديناميكي داخل تونل آب، مي باشد. براي اين منظور فرآيند توليد بالانس نيرو گشتاور شامل مراحل طراحي سازه اي بالانس، تدوين تكنولوژي و ساخت، طراحي مكانيزم تست كاليبراسيون و كاليبراسيون بالانس شش مولفه اي صورت گرفته است. بالانس طراحي شده، قابليت اندازه گيري سه مولفه نيرو و سه مولفه گشتاور، بطور همزمان و مستقيم جهت اجراي تست هاي مدلي تونل آب تحت شرايط با و بدون كاويتاسيون را دارد. اين سيستم بر اساس اصول كرنش سنج ها و قوانين تيرهاي خمشي طراحي شده است. با در نظر گرفتن رابطه بين نيرو و سيگنال خروجي بالانس و استفاده از مدل هاي كاليبراسيون اندازه گيري مستقيم نيروها و گشتاورهاي وارد بر مدل در تونل آب فراهم مي شود. جهت كاليبراسيون بالانس يك مكانيزم كاليبراسيون شش درجه آزادي طراحي شده است. طراحي اين سيستم بر اساس قابليت اجراي تكينك طراحي آزمايش متداول، استفاده از راستاي گرانش براي بارگذاري بالانس و سادگي تراز و موقعيت دهي بالانس نسبت به راستاي گرانش مي باشد. با استفاده از اين مكانيزم بالانس شش مولفه اي براي كاربردهاي تونل آب كاليبره شده است. خطاي استاندارد بين مولفه هاي اندازه گيري شده و بدست آمده از مدل كاليبراسيون در داده هاي بالانس كمتر از 1/0% حاصل شد.

The measurement of hydrodynamic loads on submerged bodies is one of the main uses of water tunnels. Due to the limitations of the water tunnel, an accurate force balance is necessary. This paper describes the design, fabrication and calibration of a new six-component force moment balance system for measuring the forces and moments acting on the model, in static and dynamic water tunnel testing. A balanced team performed many areas for designing balance system such as structural design, balance technology, design of calibration mechanism, balance calibration etc. A six-component balance is able to measure the three elements of force and three components of moment simultaneously and instantly on cavitating and non- cavitating models in a water tunnel. The concept used in the balance design is the bending beam and the strain gage principle. The electrical signals are proportional to the forces applied to the model. By considering the relationship between the applied force and the balance’s output signal and by using the calibration models, the forces and moments exerted on the model in the water tunnel can be measured directly. To calibrate multi component balance, a new six-degree of freedom calibration rig is designed and constructed. The system is designed based on applicability of formal experimental design techniques, using gravity for balance loading and balance position and alignment relative to gravity. The six-component balance was calibrated using this rig. The standard error between the measured values and the values obtained from calibration model less than 0.1 percent of maximum loading was achieved.