Torstein, Rasmus, Johan, Sigve, Karl Martin, Joakim 26. juni 2015 Creative Undersea & Naval Technology PROSJEKT: HUGIN & MUNIN
Innholdsfortegnelse 1 Sammendrag... 3 2 Kravdokumentet... 4 2.1 Stabskrav til overvåkningssystemet... 4 3 Planlegging... 6 3.2 Organisering... 6 3.2.1 Organisasjonskart... 6 3.2.2 Overordnede aktiviteter... 7 3.2.3 WBS... 8 3.2.4 Gant diagram... 9 3.2.5 Kostnader... 9 4 Dokumentasjon... 9 4.1 Konstruksjon... 9 4.1.1 Studering av spec og diskusjon rundt hvilket type skrog... 9 4.1.2 Tegning og valg av skrog... 10 4.1.3 Tegning og valg av Hangar... 12 4.1.4Testing av maling, sparkel og lim... 13 4.1.5 Bygging av skrog... 14 4.1.6 Bygning av helikopter- plattform... 15 4.1.6 Forskjeller fra demo til fullskala... 15 4.2 Fremdrift, styring og Mekanikk... 16 4.2.1 Motor... 16 4.2.2 Servo... 17 4.3 Elektronikk og styring... 18 4.3.1 Styringssystem... 18 4.3.2 Oversikt kanaler... 18 4.3.3 Styring med tastatur - Bruksanvisning... 18 4.3.4 Koblingsskjema system... 19 4.3.5 Koblingsskjema RC- kontroller... 19 4.3.6 Styring i labview - frontpanel... 21 4.3.7 Styring i labview - Blokkdiagram... 22 5 Testresultater... 24 5.1 Slepetest... 24 SIDE 1
5.1.1 Målinger og resultater... 25 5.1.2 Slepemotstand... 27 5.1.3 Slepeeffekt... 28 5.1.4 Restmotstandskoeffisient... 29 5.2 Krengetest... 30 5.2.1 Teori og formler... 30 5.2.2 Gjennomføring:... 31 5.2.3 Størrelser... 32 5.2.4 Resultater... 33 5.3 Dynamisk posisjonering (DP)... 36 5.3.1 Gjennomføring... 36 5.3.2 Resultater... 37 5.4 Krafttest (Bollard- pull)... 38 5.4.1 Gjennomføring... 38 5.4.2 Resultater... 39 5.5 Hastighet og akselerasjon... 40 5.5.1 Gjennomføring... 40 5.5.2 Resultater... 41 5.6 Drivstofforbruk og rekkevidde... 42 5.6.1 Resultater og utregning... 43 5.7 Tekniske data og vekt regnskap... 44 5.7.1 Teknisk data... 44 5.7.2 Vektregnskap... 45 6 Økonomi... 46 6.1 Innkjøp til modellen (Reelle kostnader)... 46 6.2 Budsjett Fartøy... 46 6.3 Budsjett ansatte... 47 6.4 Regnskap arbeidstimer for prosjekt... 48 7 Oppsummering / konklusjon... 49 7.1 Er kravene oppfylt?... 49 7.2 Erfaringer etter endt prosjekt... 50 SIDE 2
1 Sammendrag Mai 2015 fikk kadetter og elever ved sjøkrigsskolen i oppdrag å bygge et autonomt overvåkningssystem til den Kongelige Norske Marine i en 1:68 skala. Dette systemet skulle bestå av et fartøy/helikopterplattform som skulle operere et helikopter. Vi fikk utdelt et kravdokument (KD) som inneholdt alle kravene og spesifikasjonene til fartøyet. De første ukene av prosjekt ble brukt til leksjoner og opplæring av de forskjellige programmene vi skulle benytte (LabView, Freeship, Microsoft expression web 4). Vi fikk også opplæring i stabilitet, logiske kretser og hadde feilsøkingsforsøk. Allerede 08. Juni hadde vi et kick- off møte hvor organisasjonen ble lagt frem sammen med en fremdriftsplan og et budsjett. Før vi hadde fått den riktige opplæringen hadde vi store planer for hvordan fartøyet vårt skulle se ut, men etter god opplæring så vi begrensninger som vi ikke hadde tenkt på tidligere. Vi så at det ble en utfordring å få så stort deplasement som vi trengte og designet ble derfor noe endret. Maskingutta fikk ansvaret for å komme opp med et design som passet bra til kravene. De kom frem til et bra design som passet kravet til utforming, og vi kom tidlig i gang med selve byggingen. Elektrogutta begynte samtidig å designe styringssystemet. Dette var ingen lett oppgave, men ble løst på en god måte. Da vi var ferdige med selve konstruksjonen begynte testingen. Ikke overraskende fløyt båten, var helt tett og lå godt i vannet. Den hadde god stabilitet og var enkel å manøvrere. Da båten var ferdig satte hele gruppen seg ned og hjalp til med rapportskriving for å få ned alle erfaringene som var gjort. SIDE 3
2 Kravdokumentet Ved prosjektstart fikk alle gruppene utdelt et kravdokument som stilte tøffe krav til utformingen etter forhold den skulle operere i. 2.1 STABSKRAV TIL OVERVÅKNINGSSYSTEMET KRAVDOKUMENT (KD) STABSKRAV TIL OVERVÅKNINGSSYSTEM Et autonomt overvåkningssystem bestående av en sjøgående plattform og en helikopterdrone skal prosjekteres og demonstreres. Systemet er tenkt operert ut ifra Tromsø/Ramsund området og skal dekke havområdet nord til Spitsbergen. Helikopterdronen skal drive overvåkning av hav og luftområdet. Krav og forutsetninger til systemet: 1. Det skal tilstrebes en lav- kost løsning. 2. Framdrift skal bestå av en enkel framdriftslinje - motor/aksel/propell/ror. 3. Lengde overalt skal ikke overstige 68 m 4. Største bredde overalt skal ikke overstige 17 m. 5. Største dypgang skal ikke overstige 4.5 m. 6. Helikopterdronen skal kunne lande og ta av på sikker måte. 7. Helikopterdronen skal fraktes sikkert ut/inn/ mellom hangar og landingsplattform 8. Plattformen bør minimum kunne tilbakelegge 1000 NM ila 72 timer 9. Driftsprofil i operasjonsområdet er 5 kts fart /døgn 10. Skal kunne drive helikopteroperasjoner i 14 dager i operasjonsområdet 11. Helikopterdronen skal ha 5 x 4 timer flytid/døgn. 12. Fartøyet skal være stabilt med tomme/fulle tanker og drone ombord. 13. Lav radarsignatur - RCS (radar cross section) skal tilstrebes. 14. Helikopterdronen skal ha oppbevaring i egnet værsikker hangar ombord. 15. Fartøyet skal operere autonomt og/eller via avstandskommunikasjon. SIDE 4
Prototype i modellskala lages for kartlegging og demonstrasjon av egenskaper. Krav til modell og andre forutsetninger: Skal fremstilles i skala 1:68. Skal frakte den angitte last på sikker måte Dronen skal kunne fly, vha fjernstyring, fra fartøy til angitt tørr plass. Framdrift og manøvrering skal være basert på utlevert elektrisk motor, aksling, propell, ror, servoer, batteri, motorkontroller og fjernstyring. Elektriske komponenter skal plasseres og/eller beskyttes slik at de ikke blir ødelagt av vannsprut. Skroget skal designes vha dataprogrammet Freeship, versjon 2.6 Hovedskroget skal lages i polyfoam (hard isopor - se utlevert byggeveiledning). Konstruksjonsvannlinjen (KVL), nullkryss og dypangsmerker forut og akter skal tegnes på modellen. Skal utstyres med fjernstyrte innretninger for flytting/oppbevaring av helikopterdronen Skal ha taue/feste anretning i akter- og i forskipet. Kraften skal gå i senterlinjen til fartøyet. Skal kunne montere en horisontal montert list, på tvers av skipets lengde. Skal nyttes til slepeforsøk. Den skal monteres rett over fartøyets oppdriftssenter (LCB) ved KVL og må kunne tåle en kraft på 10 kg i horisontal retning. SIDE 5
3 Planlegging 3.2 ORGANISERING Når organisasjonen skulle organiseres satte vi oss ned alle sammen og fortalte hvor vi kunne bidra best i gruppen. Det ble derfor naturlig at maskingutta fikk ansvaret for design, konstruksjon av skroget og det mekaniske (Motor, propell). Elektronikk- og datagutta fikk ansvaret for det elektriske om bord, design av det elektriske systemet og monteringen. Organisasjonskartet vårt ble da seende slik ut: 3.2.1 ORGANISASJONSKART ORGANISASJONSKART Prosjektleder Joakim Dokumentansvarlig Torstein Økonomiansvarlig Karl Martin Teknisk prosjektleder Rasmus Testleder Sigve HMS & Pr- ansvarlig Johan SIDE 6
3.2.2 OVERORDNEDE AKTIVITETER OVERORDNEDE AKTIVITETER Design/ konstruksjon Rasmus & Johan Programmering Torstein Planlegging Joakim Heli. Plattform Sigve Elektronikk Karl Martin I tråd med prinsixmodellen ble prosjektleder ansvarlig for å planlegge og koordinere operasjonene under hele prosessen. For å sikre fremdrift og god kommunikasjon mellom alle ledd hadde vi ukentlige oppsummeringsmøter hvor de ansvarlige for de respektive oppgave kom med en rask brief på hvordan de lå an i forhold til planen. Arbeidsoppgavene hans besto for det meste av å holde faste milepælsmøter for å forsikre seg om at alt gikk som planlagt. Det var også viktig for resten av gruppen at de var oppdatert på ny informasjon som dukket opp underveis. Når vi nå sitter og ser tilbake på prosessen kan vi se at fordelingen av rollene og arbeidsoppgavene har passet godt til vår gruppe. SIDE 7
3.2.3 WBS Prosjektoppstart Prosjektledelse Drift av prosjekt Prosjektavslutning Design/skrog Prosjekt "sjødrone" Konstruksjon Programmering Styring Elektronikk Rapport Dokumentasjon Skisser/tegninger Målinger/ utredninger SIDE 8
3.2.4 GANT DIAGRAM Figur 3.2.1 - GANT - diagram Som planverktøy valgte vi å bruke et GANT- Diagram. På denne måten er det enkelt og følge med hvordan vi ligger an på tid i forhold til det vi har prosjektert. Microsoft Project er et enkelt og effektivt program som lar oss registrere progresjonen underveis. Det gjør at hele gruppen til en hver tid for eksempel vet hvordan designingen av skroget ligger an. 3.2.5 KOSTNADER Under prosjektet fikk vi utdelt 500 kr til å kjøpe utstyr vi trengte til byggingen. Disse valgte vi å bruke på silikon, maskinskruer og muttere. 4 Dokumentasjon 4.1 KONSTRUKSJON 4.1.1 Studering av spec og diskusjon rundt hvilket type skrog Da vi så på kravdokumentet var det disse kravene vi endte opp med å ta hensyn til når det kom til design av skrog. Det skal tilstrebes en lav- kost løsning. Under dette punktet kom vi frem til at et enkelt 1 kjøls skog ville gi en lavest mulig kostnad. Lengde overalt skal ikke overstige 68 m SIDE 9
Største bredde overalt skal ikke overstige 17 m. Denne maksimale bredden gjorde at vi vurderte en katamaran som vanskelig, ettersom den ville gi et forholdsvis lite deplasement. Vi antok at modellen ville veie ca 8 kg ferdigstilt, og derfor ville trenge et fullskala deplasement på 2515 tonn (8*64^3) Største dypgang skal ikke overstige 4.5 m. Fartøyet skal være stabilt med tomme/fulle tanker og drone ombord. Under tegningen i freeship prøvde vi å få KM punktet så høyt vi kunne. Lav radarsignatur - RCS (radar cross section) skal tilstrebes. I hovedsak skal vi bruke maling og et bestemt type materiell for å redusere radarsignaturen. Figur 4.1.1 Modell under bygging SIDE 10
4.1.2 Tegning og valg av skrog Vi tegnet tre forskjellige forslag til skrog, og eliminerte tidlig ett av dem, grunnet høy block koeffisient og et bulkete skrog. Deretter jobbet vi videre med de to resterende for å få disse til å stemme overens med spesifikasjonslisten vi hadde fått fra kunde. Da de to forslagene var ferdige var de blitt relativt like, og vi valgte da det skroget vi trodde ville ha best egenskaper i vannet, samt det som så best ut. Bildet under viser verdiene til det aktuelle skroget tatt ut fra freeship. Figur 4.1.2 - FreeShip- tegning SIDE 11
4.1.3 Tegning og valg av Hangar Da skroget var ferdig planlagt begynte vi å se på forskjellige løsninger for hvordan vi skulle konstruere hangaren. a. Bygge en hangar som ville splittes på midten og åpnes til siden b. Bygge en hangar som ville brette seg over 180 grader langskips Fordelene til hangaren som ville brette seg langskips var at den ikke ville gå utover skipets mål i mere enn en dimensjon altså vertikalt, men problemet til denne var at det ville bli relativt tungt å løfte grunnet lengden på taket (kraft * arm), og vi var da usikre på om vi ville klare det med én servo. I tillegg ville denne konstruksjonen gjøre båten veldig ustabil i åpningsfasen grunnet høyt tyngdepunkt, spesielt ved høy sjø. Vi gikk dermed for den mer stabile muligheten, alternativ a. Denne har fordeler ved at den tilter til begge sider, og dermed ikke påvirker stabiliteten til båten i stor grad. Treghetsmomentet til båten vil bli noe større da rotasjonslegement endrer seg, men da hangaren ikke skal brukes i veldig stor sjø, og heller ikke være åpen over lengre perioder vil ikke dette ha nevneverdig innvirkning på den daglige driften. Ulempene med konstruksjonen er at den vil bli noe høyere da det er rotorene som er høyeste punkt på helikopteret og halvsirkelen vår må komme over dette. En annen ulempe er at vi ikke får åpent den mer enn 45 grader til hver side, og at dette i stor sjø kan påvirke helikopterets sikkerhet på vei ut/inn av hangaren. Begge forslagene til hangar ble tegnet i Solidworks, som er et 3D konstruksjons program, der det ble gjort simuleringer for å se at designet var funksjonelt. Hangar løsning b ble fort forkastet i denne testen da vi anså løsning a som et bedre alternativ. Hangar løsning a ble en stor suksess. Den ble konstruert med mål skalert ned for modellbåten. Helikopter og bredde på båten ble tatt i betraktning under konstruksjonen og tegningene ble lagt til grunn i byggingen av hangaren. Figur 4.1.3 Hangar (mål i mm) SIDE 12
4.1.4 Testing av maling, sparkel og lim Da isoporen vi har brukt er kresen mot sterke stoffer, har vi måttet gjennomføre testinger av sparkel, lim og maling før vi kunne bruke dette direkte på båten. Her er en liste over hva vi har testet. Sparkel: Vi testet 2 typer 1. 2 komponent gel coat Vi ønsket å bruke denne sparkelen da vi visste den tørket fort og var enkel å bruke, men lot være da testingen viste at den etset isoporen 2. Gjøco Våtroms sparkel Denne sparkelen var lett på forme og skadet ikke isoporen, men den krever et ekstra vanntettlag utenpå da den ikke tåler vann. Maling: 1. «Jotun Drygolin» vindus og dørmaling Denne malingen var tykk og enkel å påføre båten. Etset ikke. Lang tørketid 2. «International Perfection» Top coat (2 komponent) Gir et hardt ytterlag, som er enkelt å pusse og behandle i ettertid. Etser isopor, men skader ikke drygolinen. 3. Maritim Epoksy Primer (2 komponent) Primeren gir et 100 % vanntettlag Lim: Limpistol: Enkel å bruke, tørket fort, festet godt og etset ikke isoporen, men vi måtte holde temperaturen noe nede da den ville brenne hull i isoporen, samt at vi måtte bruke et tykt lag. SIDE 13
4.1.5 Bygging av skrog Da vi hadde skrevet ut de forskjellige spantene, begynte vi å skjære ut disse i isopor og lime dem sammen i riktig rekkefølge. Deretter filte vi ned isoporspantene slik at de gled fint over i hverandre, og sparklet hele båten for å jevne ut hull og nedsenkninger. Da vi var fornøyd med formen begynte vi å male båten med «drygolin - vindus og dørmaling», for så å slipe dette ned til en jevn overflate før vi påførte ett lag primer for å gjøre båten 100 % vanntett. Til sist malte vi med top coat for å få en hard og glatt overflate med lavest mulig friksjon mot vannet. Ror og propell ble det boret hull til og festet med maritim silikon for at vi ikke skulle få vanninntrenging på disse stedene. Figur 4.1.4 - Bygging av skrog SIDE 14
4.1.6 Bygning av helikopter- plattform Helikopter- plattformen ble bygget etter solidworks tegning, og vi bygde denne i tre millimeter kryssfiner, med et vanntett plastovertrekk. Vi satte sperre for åpning av hangarveggene på 45 grader for å hindre muligheten for at disse går i sjøen. Ved fullt oppslått hangar er åpningen 300 mm, mens helikopteret er 150 mm på sitt bredeste, så dette har god klarering for å fly ut. Figur 4.1.5 - Bygging av hangar 4.1.6 Forskjeller fra demo til fullskala Det ferdige skroget og hangaren skal være bygget i kompositt da dette materialet har en lav radarsignatur, samt at dette er lett som gjør at båten vil gå fortere med en oppskalert motor. Både hangeren og skroget (over vannlinjen) skal ha samme form som modellen, men skal være bygget opp av små flater i forskjellige vinkler for å sende radarstråling i en annen retning enn der den kom ifra for å redusere båtens radarsignatur. I tillegg skal båten bli malt i den nye nanoteknologi- malingen fra det Israelske selskapet, Nanoflight. Modellen har ikke en fullstendig vanntett hangar grunnet små klaringer som er vanskelig å få tettet i så liten skala. I tillegg er hangarer litt bredere enn (25 cm) grunnet skruer som stikker ut på siden. Dette vil ikke være et problem i full skala, da disse skruene ikke blir like overdimensjonert. SIDE 15
4.2 FREMDRIFT, STYRING OG MEKANIKK 4.2.1 Motor Figur 4.2.1 - El- motor Motoren som skal stå for fremdriften er en Robbe EF 76 II. Teknisk data: SIDE 16
4.2.2 Servo For å styre roret har vi brukt en servo som heter S3003 fra Futaba. Dette er en servo som både er kraftig og har lav egenvekt. Den er derfor meget godt egnet for vårt modellforsøk. Den roterer kun 90 grader til hver side og er derfor egnet godt for roret (Fullt utslag: 180 grader). Figur 4.2.2 - Servo for ror For å styre åpning og lukking av helikopterplattformen har vi brukt en servo fra Parallax (Continuous Rotation). Denne har på lik linje som som S3003 fra Futaba en lav egenvekt samtidig som den er sterk. Den største forskjellen mellom disse servoene er at Parallax er en servo som kan dreie rundt flere ganger. Den er derfor godt egnet til helikopterplattformen. Figur 4.2.3 - Servo for hangar SIDE 17
4.3 ELEKTRONIKK OG STYRING 4.3.1 Styringssystem Styringssystem 4.3.2 Oversikt kanaler 4.3.3 Styring med tastatur - Bruksanvisning SIDE 18
4.3.4 Koblingsskjema system Figur 4.3.1 - Koblingsskjema for system 4.3.5 Koblingsskjema RC- kontroller Figur 4.3.2 - Koblingsskjema for RC- kontroller SIDE 19
4.3.5.1 RC Kontroller Vi fikk utlevert en Futaba Flyradio Skysport 4YFG fjernkontroll til styring av modellen. Denne skal både kunne kontrollere modellen direkte, og kunne kobles til en datamaskin for fjernstyring ved hjelp av programvare. Figur 4.3.3 - RC- kontroller SIDE 20
4.3.6 Styring i labview - frontpanel Figur 4.3.4 Frontpanel i Labview I figuren ovenfor ser vi kontrollpanelet som skal styre båten fra en PC. Her har vi mulighet til å styre thrust og ror manuelt øverst til venstre, både ved å dra i sliderne og ved å bruke piltastene på tastaturet. Det er også lagt inn to knapper for å skru av motor (sette motor i nullstilling) og midtstille roret. Disse funksjonene ligger også under knappene «Delete» for motor og «End» for ror. Nederst til venstre er styringen til hangaren lagt inn med egen hovedbryter for å aktivere styringen. Ved å trykke på knappene én gang, vil hangaren henholdsvis åpne og lukke seg, og ved å trykke én gang til, stopper servoen å gå. Denne funksjonen ligger også i tastaturet under «Page Up» og «Page Down». Til høyre i frontpanelet har vi oversikt over DP- styringen. For å aktivere denne, må bryteren for manuell styring være av. Øverst ser vi indikator for sett- verdi (blå) og er- verdi (rød) for posisjonen til båten. Under har vi en slider hvor vi kan bestemme sett- verdien, og det er i tillegg SIDE 21
lagt inn en knapp for å sette sett- verdien lik nå- verdien slik at du kan legge båten der du vil at den skal ligge, trykke på knappen, og båten vil prøve å holde denne posisjonen. Graf- vinduet viser graf for posisjon, integrert og derivert, slik at vi kan se hvordan programmet jobber med å få båten inn til sett- posisjonen. Nederst er verdiene for de ulike konstantene som justeres for å optimalisere DP- styringen. 4.3.7 Styring i labview - Blokkdiagram Figur 4.3.5 Blokkdiagram i Labview Figuren ovenfor viser oppbyggingen av Labview- programmet i sin helhet. Øverst har vi DP- systemet med PID- reguleringen. Programmet leser posisjonen til båten ved hjelp av et SIDE 22
potensiometer, og det beregnes et avvik mellom en sett- verdi og posisjonen, representert av en spenning. Avviket blir summert med en integraldel og en derivasjonsdel før det multipliseres med en proporsjonaldel som da blir elementene i PID- reguleringen. Proposjonaldelen fungerer slik at et stort avvik trenger en stor korrigering. Prinsippet med integraldelen er at et lite avvik som får virke lenge nok, skal gi en stor nok reaksjon til å korrigere feil, og derivasjonsdelen skal gjøre at raske avvik korrigeres raskt. Manuell- styringen kan bli styrt av en slider, tastaturet og min- /maks- knapper. For at piltastene kan brukes, er det blitt lagt inn en event- struktur (gul/grå- ramme) til venstre. For hvert trykk på piltastene, øker/minker verdien på utslaget med 1 på en skala fra - 5 til 5. Inne i case- strukturen til høyre for event- strukturen er det lagt inn to nye case- strukturer for min- /maks- verdi. Videre er funksjonen for å nullstille motoren, men denne er lagt utenfor case- strukturen til min- /maks- verdien. Grunnen for dette valget er at funksjonen skal være aktiv for både DP- styringen og manuell- styringen av sikkerhetsmessige årsaker. Strukturen for roret er lik som for motoren, og bryteren for manuell av/på aktiverer pil- tastene, sliderne og min- /maks- knappene. Før signalet blir sendt til indikatoren og ut til NI- boksen, blir skalaen fra - 5 til 5 omgjort til skalaen RC- kontrollen operer med. Nederst i programmet er case- strukturen for hangarstyringen. NI- boksen har kun to analoge utganger, og disse blir brukt til thrust og ror. Derfor er det blitt laget en D/A- omformer. For å få et lite nok spenningssprang for hvert bithopp, ble det laget en 6- bit omformer. Midtstillingen av servoen krevde 22 bit ut, og det holdt å kjøre 21 bit ut for å lukke hangaren, og 23 for å åpne den. Derfor ble det laget to nye case- strukturer inni hovedstrukturen som sender ut 21 og 23 bit for henholdsvis å lukke og åpne hangaren. SIDE 23
5 Testresultater Gjennom hele prosjektet har vi prøvd ulike metoder med varierende resultater. Vi har blant annet testet ut alt fra maling, lim og fuge til styring og DP- systemer. Vi har også gjennomført slepetest, krengningstest og DP- test. Skroget er laget i Jackofoam, som vi har eksperimentert mye med. Blant annet har vi eksperimentert med hva det tåler, om ulike stoffer vil etse gjennom, om lim sitter godt nok og så videre. Ved å ha gjennomført slike tester, får vi avdekket både feil og mangler. Alt i alt har dette gitt oss gode erfaringer som vi har lært mye av, og som vi kan ta med oss videre. 5.1 SLEPETEST Gjennomføring: Hensikten med forsøket er å bestemme slepeeffekten til båten. Forsøket ble utført ved å montere en «rigg» på båten slik at vi kunne feste den i et slepetau. I den ene enden av slepetauet ble det festet et lodd som førte til at båten ble trukket fremover i slepetanken. Båten var lastet med vekt tilsvarende full tonnasje. Vannlinjen til modellen ble funnet i FreeShip. Før start ble vannets tetthet og kinetiske viskositet bestemt ved å måle temperatur. Følgende vekter ble brukt under forsøket (kg): 0.750, 1.000, 1.665, 2.665, 3.665, 4.665, 5.665, 6.665, 7.665, 8.665, 10.665. De forskjellige vektene ga båten forskjellig fart og ved hjelp av LabView måleutstyr bestemte vi farten, ved å se på når farten var konstant. Resultatene fra hver gjennomføring ble ført inn i et «kalkulator-dokument» for å få tall på slepeeffekten, til modellen og i full skala. Figur 5.1.1 Slepetest 1 SIDE 24
Figur 5.1.2 Slepetest 2 5.1.1 Målinger og resultater Vannfaktorer: Tetthet sjøvann: r s = 1,025 Tetthet ferskvann r m = 998,81 Temperatur sjø t, sjø = 15 C Viskositet sjøvann u s = 1,19E-06 Viskositet ferskvann u m = 1,1E-06 Temperatur, tank t, tank = 15 C Korreksjonsfaktor Ca = 0,0004 Friksjon i slepesystem 0,63 kg SIDE 25
LOA Lengde over alt 68,045 1,0007 m LWL Lpp lengde i vannlinjen Lengde mellom pp 64,633 0,9505 m 66 0,9706 m B Største bredde 17 0,2500 m Bwl Bredde vannlinjen 16,16 0,2376 m T Lpp/2 T, FP T. AP trim Dypgang ved nullkryss Dypgang ved forre P. Dypgang ved Aktre P. 3,8 0,0559 m 3,8 0,0559 m 3,8 0,0559 m 0 0,0000 m Ñ Undervannsvolum 2541 0,0081 m 3 D Deplasement 2604,5 8,1 kg Cp Prismatisk koeff. 0,658 0,6580 Cb Blokkoeff. 0,540 0,5400 Cm Midtspantkoeff. 0,696 0,6961 LCB( - = af) Volumsenter langskips 31,35 0,4610 m S Våt overflate 1109,5 0,2399 m 2 SIDE 26
. 5.1.2 Slepemotstand SLEPEMOTSTANDSKURVEN FOR MODELL : 8.000 7.000 6.000 5.000 Rtm [N] 4.000 3.000 2.000 1.000 0.000 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 Vm [m/s] 1.20 1.40 1.60 1.80 Motstanden målt i Newton i forhold til farten på modellen. SIDE 27
5.1.3 Slepeeffekt Slepeeffekt, P 30000 E (kw) SLEPEEFFEKT [P E ] 25000 20000 15000 10000 5000 0 0.0 5.0 10.0 Knots 15.0 20.0 25.0 30.0 Grafen viser hvor mye effekt som må til for å oppnå hastighetene på x- aksen. SIDE 28
5.1.4 Restmotstandskoeffisient Ut i fra kurven til restmotstandskoeffisienten ser vi at frem til 18-19 knop så er båten relativt effektiv, kjører man fortere enn det blir bølgemotstanden så stor at det er ugunstig med tanke på energiforbruket. Dette gjenspeiles også i effektkurven over, som vokser fortere idet farten blir over 18 knop. Ut fra testen kan vi også regne med at skipet har en toppfart på 25 knop, men det skal sies at det da vil være veldig lite energieffektivt. 2.0E-02 1.8E-02 1.6E-02 1.4E-02 1.2E-02 1.0E-02 8.0E-03 6.0E-03 4.0E-03 2.0E-03 Restkoeffisient RESTMOTSTANDSKOEFFISIENTEN 0.0E+00 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 Knots SIDE 29
5.2 KRENGETEST Hensikt: Bestemme metasenterhøyden (GM) og tyngdepunktets vertikale plassering (KG), til skipet. Sammendrag: Vi monterte båten med en installasjon (se figur 5.2.1) for å kunne lese av krengevinkelen ved forskjellig krengningsmoment. Vi brukte så de resultatene vi fikk, sammen med beregninger fra FreeShip, til å finne skipets metasenterhøyde og tyngdepunktets vertikale plassering. Figur 5.2.1 Oppsett av krengetest 5.2.1 Teori og formler t M w G o G B K θ SIDE 30
Forholdet mellom det krengende moment (w*t) og tangens til krengningsvinkelen (Ө) er gitt ved: Moment tatt i betraktning om M: G0G=w t/δ Geometri tatt i betraktning: G0G=G0M tgθ Dette gir: G0M=w t/tgθ Δ For krengningsvinkler mindre enn 7 grader, vil metasenterhøyden, være et fast punkt i fartøyet. Dermed blir også GM en fast størrelse. Fra likningen ovenfor ser vi at forholdet w*t/tgө må være konstant. Ved å utsette fartøyet for krengende momenter på både styrbord og babord side, mens vi leser av krengningsvinkelen, får vi nok info til å kunne få et plott av forholdet mellom krengningsmoment og krengningsvinkelen. Krengningsvinkelen finner vi med formelen tgө=s/l, hvor s er pendelens utslag og l er lengden på pendelen. 5.2.2 Gjennomføring: 1. Pendelen blir rigget til, med linjal og avstivning. Pendelens lengde (l) måles til 180mm ned til linjalen, hvor pendelutslaget (s) leses. (Figur 5.2.2 og 5.2.3) 2. Modellen blir veid, uten last, med krengevekter og krengemålingsutstyr - før den settes på vannet. 3. Modellen plasseres i slepetanken med loddet midtskips slik at modellen ikke krenger. Pendelens stilling er på 150mm 4. Loddet flyttes 27, 57 og 82mm til styrbord, og utslag på pendelen blir notert. 5. Loddet blir satt tilbake til opprinnelig stilling, midtskips, og sjekk at pendelutslaget er slik det var ved start. 6. Punkt 4. gjentas, denne gangen mot babord side. (Figur 5.2.2 og 5.2.3) 7. Resultatene fra testen blir notert og plottet. 8. Ut fra linjens stigningsforhold og modellens totalvekt under forsøket, beregnes til slutt modellens metasenterhøyde, GM, under forsøket. 9. Fra Freeship finnes modellens Metasenter-avstand ift kjølen (KM T ) ved det prøvde deplasementet. Med denne og den beregnede GM beregnes modellens endelige vertikale tyngdepunkt, KG (VCG). Husk - beregningen må ta hensyn til at krengevekter og krengemåleutstyret skal av fartøyet. En må derfor estimere disses tyngdepunkters avstand fra kjølen. SIDE 31
Figur 5.2.2 Oppsett av krengetest, sett fra akter Figur 5.2.3 Oppsett av krengetest, sett ovenfra 5.2.3 Størrelser SIDE 32
5.2.4 Resultater Hvis vi setter dette inn i formelen G! M =!!!"# Ө!, får vi: Med disse tallene kunne vi finne deplasementet til fullskala skipet:! =! λ!!! = 2270g 68!!"#$ = 732337000g = 732,3 tonn!!!!" Deretter brukte vi FreeShip til å finne KM! for tilsvarende skip, men med deplasement på 732,3 tonn. KM! ble da funnet å være 13,64m. Deretter gjør vi om verdien til å stemme med modellen: KM!! = KM!! λ 1000 = 13,64 64 1000 = 200,54mm SIDE 33
Når vi nå har KM og GM kan vi enkelt finne KG ved hjelp av denne formelen: KG = KM GM = 200,54 106,70=93,84 300 200 100 0-3000 - 2000-1000 0 1000 2000 3000-100 [m^4] Tan( )*Δ - 200-300 - 400 SB BB Ved å finne vekten til alle komponentene i forsøket samt de som skal være montert på modellen har vi mulighet til å finne KG til lettskipet. SIDE 34
KG!"##$%&'!!"#$%% = ΣKG w Σw = 328830 2722 = 120,8mm KG!"##$%&' = KG!"##$%&'!!"#$%% λ = 120,8 68 = 8214,4mm Feilkilder: Feil under avlesning på krengevinkel som følge av bølger, menneskelig feil eller unøyaktighet ved måling av avstanden til loddet. SIDE 35
5.3 DYNAMISK POSISJONERING (DP) 5.3.1 Gjennomføring Testen av DP- system ble gjennomført ved å feste båten til trinsene og potensiometeret, og trekke båten til maks utslag i hver retning slik at vi kunne endre skalaen for posisjon og sett- verdi. Deretter fjernet vi derivasjonsleddet, satt proporsjonalkonstanten og integrasjonskonstanten til 1, og økte samplingsintervallet fra 1 til 60. Deretter prøvde vi oss frem med de to andre konstantene til vi var fornøyd med resultatet. Differansen på spenningen fra maks utslag på hver side var 1,6 V, og avstanden båten kunne bevege seg var 55 cm. Figur 5.3.1 Oppsett av DP- test Figur 5.3.2 Oppsett med modell SIDE 36
5.3.2 Resultater Det viste seg at programmet fungerte best ved disse verdiene på konstantene: Samplingsintervall: 51 Proporsjonalkonstant: 3,62 Integrasjonskonstant: 43,86 Derivasjonskonstant: 0,1 Her ser vi et oversiktsbilde over hvordan posisjonen, den integrerte og den deriverte forandret seg i løpet av en svingning. Figur 5.3.3 Graf for posisjon under DP- test Differansen mellom Er- verdi og Skal- verdien var 0,05 V når posisjonen hadde stabilisert seg, og dette tilsvarer 1,7 cm på modellen. I full skala betyr det ca. 1,1 m, noe som er akseptabelt, men ikke optimalt. Det ble forsøkt å endre konstantene ytterligere, men det ga større svingninger. Vi testet også å legge på et større lodd på en av sidene, slik at motoren måtte gå med et konstant pådrag for å holde posisjonen sin, og dette fungerte også fint ved at integralet bygde seg opp. I tillegg til å feste et lodd ga vi båten svingninger, og den jobbet seg også da fint inn igjen til sett- verdien. Usikkerheten her ligger på 0,01 V for potensiometeret, det tilsvarer 0,3 cm for modellen og 23 cm for fartøyet. SIDE 37
5.4 KRAFTTEST (BOLLARD- PULL) 5.4.1 Gjennomføring Båten blir koblet til en kraftsensor i tanken, ved hjelp av snor og en skrue akterut i båten. Vi kjører båten ved hjelp av datastyring og kan kontrollere ved hjelp av fem hakk hvor mye effekt motoren skal gi ut. Hvert hakk vil altså bety 20 prosent økning. Resultatene logges i PASCO Capstone ved en frekvens på 10 Hz. Figur 5.4.1 - Oppsett av bollard pull- test SIDE 38