طراحي سنسور شش مولفه اي نيرو– گشتاوربراي تونل كاويتاسيون

Design of six-component force/moment sensor for cavitation tunnel

اندازهگيري نيروهاي هيدروديناميكي روي اجسام زير آب يكي از كاربردهاي اساسي تونل آب ميباشد. براي اين منظور، يك بالانس دقيق نيرو نياز است. در اين مقاله به طراحي يك بالانس كرنشسنج شش مولفهاي جديد، جهت اندازهگيري نيروها و گشتاورهاي وارده بر مدل بطور همزمان و مستقيم تحت شرايط با و بدون كاويتاسيون در تونل آب پرداخته شدهاست. اين بالانس، يك سازه پيچيده فنري است كه از طريق اندازهگيري كرنش ايجادشده بر روي المانهاي فنري، نيروهاي وارد بر مدل تونل آب را با دقت بالا اندازهگيري ميكند. كرنش اندازهگيريشده به وسيله كرنشسنجها به يك سيگنال الكتريكي تبديل شده و اين سيگنال تابعي از بارهاي خارجي اعمالشده به مدل ميباشد. ايده اصلي طراحي بالانس جديد، تبديل بارهاي وارده بر مدل به كرنش خمشي در محل نصب كرنشسنج ميباشد. بالانس چند مولفهاي داراي ساختاري پيچيده با تعداد بيشماري ابعاد است. بنابراين نميتوان به تنهايي با استفاده از روش تحليلي، ابعاد مقاطع را محاسبه كرد. ابعاد بهينه بالانس و ميزان تغيير شكل آن تحت بارهاي مختلف، با تركيبي از روش تحليل دستي و نرم افزاري با استفاده از روش اجزا محدود محاسبه شده است. در اين راستا بارهاي هيدروديناميكي وارده بر مدلهاي تونل آب محاسبه شده و نتايج جهت تعيين سطح كرنش مورد نياز، مورد استفاده قرار گرفتند. اندازه تيرهاي خمشي مقاطع اندازهگيري به منظور ايجاد كرنش مورد نياز در تستها، به دقت محاسبه شدهاند.

The measurement of hydrodynamic forces over underwater bodies is one of the principal uses for water tunnels. To achieve the goal, an accurate force balance is necessary. This paper describes the design of a new six-component strain gage balance with bending beams for measuring forces and moments simultaneously and directly on cavitating and non-cavitating models. This balance is a complex structural spring element, which provides high-precision measurements of the hydrodynamic loads, by measuring strain within its flexural elements. This measured strain is then converted into an electrical signal. Electrically measured strain as a function of an externally applied load forms. The main idea of the new balance design is to translate all desired loads in such a way that they yield bending strain. This is done by using bending balance geometry. A strain gage balance is a complicated structure with a very large number of dimensions. So the balance design cannot be achieved as an analytical solution. The dimensions of the "optimum" section and the deflection of the balance under load were determined using finite-element analysis. Hydrodynamic loads on typical models were calculated, and the results were used to determine the strain level.