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要求Cussons海洋流体力学部门向其客户加拿大国家研究委员会海洋技术研究所(NRC IOT)提供平面运动机构(PMM),以取代现有的PMM。

PMM安装在90米的冰舱或200米的拖曳舱中,用于在冰和开放水域中测试船舶模型。PMM允许模型以预先编程的精确模式移动,同时记录模型周围的力、力矩和运动。

PMM与拖曳车一起安装,拖曳车是一个跨越长水箱的大型结构物。它位于与水箱平行的轨道上,这样车厢就可以在水箱的长度上来回移动。PMM固定在托架上,以便长摆动梁垂直于行驶方向,并且摆动托架可以在摆动梁上下移动。摆动托架有一个“拖曳柱”,从船模的底部伸出。

Cussons Technology要求IDAC使用有限元分析(FEA)评估摆动托架组件的设计。分析是使用有限元分析软件包ANSYS Workbench进行的。

摆动托架组件以SolidWorks格式提供给IDAC。然后将其转移到有限元(FE)模块,即工作台设计仿真(WBDS),在该模块中准备有限元模型进行分析。研究中考虑了三维线性结构分析。采用三维八节点实体壳单元和三维20节点实体单元对摇摆架组件几何进行网格划分。

摆动托架组件的组件使用标准ANSYS接触元件进行连接。所有触点都被指定为线性键合触点。本分析中使用的材料为普通碳钢,为了进行设计评估,假设其具有弹性和均匀性。

在两个约束场景中的每一个场景中分析了两个载荷情况。在这两种约束场景中,该结构在八个点处受到完全约束。左图显示了其中一种情况下八个约束点的位置。

装载情况如下:

  • 正常使用-施加重力载荷以模拟结构的自重,并在牵引杆底部施加力和力矩
  • 紧急减速-再次施加重力载荷以模拟结构的自重,并在牵引杆底部施加力以模拟减速

除上述分析外,还对模型在两种约束条件下进行了模态分析。这是为了评估摆动梁的最小固有频率。利用每个约束条件的相应约束和重力荷载进行模态分析,以模拟结构的自重。

每个荷载工况要求的结果是主摇摆托架结构的位移和应力以及模态分析中的最小固有频率。

根据摆动托架组件的应力分析得出的结论是,根据Cussons Technology规定的荷载和约束标准,当前设计在运行期间不太可能共振或失效。

IDAC进行的分析表明,当PMM系统在加拿大国家研究委员会-海洋技术研究所投入运行时,该系统在结构上是可靠的。使用FEA验证PMM结构完整性的替代方案(例如手动计算)可能不准确或过于谨慎,从而影响重量方面的设计。使用FEA分析对PMM进行调查,可以在短时间内准确、早期地验证其性能,从而使Cussons Technology能够放心地安装其设备。