Czy Dan Schutte ma rację?

Witold Kurski  - były zawodnik bojerowy

               WPŁYW ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCJI PŁOZOWNICY

                         NA JEJ CHARAKTERYSTYKI  UŻYTKOWE

 

Prezentowane kadrze bojerowej na Spotkaniu Środowiskowym  Gdańsk 7-8  XI 2009 r.

Wstęp

Pod wpływem obciążenia o wartości równym ciężarowi zawodnika przyłożonym w przekrojach burt na ślizgu lodowym, płozownica winna uginać się około 32 mm lub nieco więcej i stąd podatność płozownicy dla zawodnika o wadze  60 kG powinna być  0.65 mm/kG a dla zawodnika o wadze 80 kG tylko  0.40 mm/kG. Te sprawy opisuje dokładnie Uwe Dieckmann, G 600 w artykule ,,USTAWIANIE DNa - Propozycja jednolitych metod pomiarowych”. Tłumaczenie Agnieszki Szumowskiej  tego artykułu znajduje się na stronie www.bojery.pl , a podatność płozownicy w słownictwie zawodników nazywa się ,,stałą płozownicy . Te kanony uległy zmianie gdy zaczęto stosować wyginające się maszty i obecnie zawodnicy stosują płozownice wyginające się pod ciężarem zawodnika o 50% więcej, nawet do 47 mm. Taka płozownica współpracuje dobrze z wyginającym się masztem, ale za bardzo jej środek przybliża się do lodu. Stąd poszukiwania konstrukcji płozownicy zachowującej się nieliniowo.  Odpowiedzi na pytanie, czy  na drodze zmian konstrukcyjnych w płozownicy można ten efekt  osiągnąć jest poświęcone to opracowanie .

Opinie Dan Schuttego

W artykule Dan Schuttego (Nichtlineare Planke ) zamieszczonym zamieszczonym na  stronie internetowej  www.bojery.pl  możemy przeczytać, że poprzez zmianę kształtu płozownicy można uzyskać nieliniową  charakterystykę sztywności płozownicy. Uzyskanie takiej nieliniowej charakterystyki jest bardzo pożądane, gdyż przy  wzroście obciążenia, ugięcia  płozownicy rosną nieproporcjonalnie wolniej, a więc nie trąca ona śniegu przy ekstremalnych obciążeniach. Na poparcie swoich wywodów Dan Schutte nie przytacza jakichkolwiek wyników obliczeń lub  pomiarów, poza stwierdzeniem, że badana przez niego płozownica przy kolejnym wzroście obciążenia o 15 kg zaczęła  zachowywać się nieliniowo.

Nasuwają się więc pytania:

1. Czy rzeczywiście poprzez zmianę kształtu płozownicy można uzyskać jej nieliniową charakterystykę  w stopniu wystarczającym w żegludze ?

2. Czy opisany przez Dan Schuttego efekt mniejszych przyrostów ugięć przy wzrastającym obciążeniu, nie jest  spowodowany poprzez działanie więzów na stanowisku pomiarowym lub przez błędną interpretacje wyników pomiarowych przez Dan Schuttego.

W żegludze na ślizgu DN obserwujemy  pozorny wzrost sztywności płozownicy, który jest  rezultatem współpracy elastycznej płozownicy z wyginającym się masztem i jest zależny od napięcia szotów. Ten efekt opisał Dariusz Kosecki w swoich  pracach, trenerskiej  i magisterskiej.

Eksperyment numeryczny nr.1

Aby odpowiedzieć na pierwsze pytanie wykonano szereg przeliczeń płozownic o różnych kształtach, bowiem zamodelowanie nawet bardzo wyrafinowanej konstrukcji i wykonanie obliczeń jest nieporównywalnie mniej skomplikowane niż wykonanie płozownicy w drewnie i laminacie i późniejsze jej badanie w laboratorium wytrzymałościowym. Do obliczeń użyto Solvera { STATIC NONLINEAR}, z systemu obliczeniowego { FEMAP-NASTRAN}.

Do porównań zamodelowano płozownice (patrz rys.1)  o wymiarach jak dla DN w następujących wariantach:

Płozownica no. 1 w stanie nieobciążonym prosta, jako wzorzec porównawczy .

Płozownica no. 2  w stanie nieobciążonym z płynną krzywą. W tym stanie środek płozownicy znajduje się o osiem centymetrów wyżej niż końce.

Płozownica no. 3 w stanie nieobciążonym w środkowej części zupełnie prosta, z krzywiznami bliżej końców, tak jak zaleca to robić Dan Schutte. Podobnie jak u płozownicy no. 2 środek płozownicy w stanie nieobciążonym  znajduje się osiem centymetrów wyżej niż końce.

Płozownica no. 4, która gdy jest w stanie nieobciążonym to jej środek jak i końce znajdują się na tym samym poziomie,  lecz pośrednie przekroje są wyżej. Największe wyniesienie pośrednich przekrojów wynosi osiem centymetrów. W ten sposób stworzony został kolejny model do celów porównawczych.

Aby modele płozownic jak najlepiej przybliżały rzeczywiste warunki występujące w ruchu to podpory wprowadzające obciążenia ze strony lodu umieszczono na ostrzach płóz. Wtedy od sił ze strony lodu powstają dodatkowe momenty gnące i płozownica wygina się inaczej niż na stanowisku pomiarowym gdy nie zamontowano płóz.

Wyniki obliczeń dla ugięć płozownicy

Wszystkie płozownice zostały obciążone takim samym obciążeniem i tak samo podparte. Efekt nieliniowości określono na podstawie ilorazu ugięcia środka płozownicy przy całkowitym obciążeniu przez podwojoną wartość ugięcia tego samego miejsca przy działaniu połowy obciążenia. Dla płozownicy zachowującej się liniowo  wartość ta wynosi ,,1.0000".

Odejmując od otrzymanego ilorazu liczbę ,,1.0000"  otrzymujemy różnicę ,,R", która określa efekt nieliniowości. Po pomnożeniu tej różnicy przez ,,100” otrzymujemy wynik w procentach i te wartości podano dla każdej z płozownic.  Wartość ujemna ,,R" wskazuje że pod obciążeniem płozownica staje się sztywniejsza, zaś wartość dodatnia ,,R" wskazuje, że pod obciążeniem staje się coraz bardziej miękka.

Wyniki obliczeń zestawione na rys.1 wykazują, że wartości różnicy ,,R" dla wszystkich płozownic w tym również o kształcie zalecanym przez Dan Schuttego są dodatnie, a więc reklamowany korzystny efekt wzrostu sztywności jako związany wyłącznie z konstrukcją płozownicy nie występuje. Charakterystyki wszystkich płozownic są miękkie.

Wniosek jest prosty. Nie można osiągnąć charakterystyki sztywnej dla płozownicy wyłącznie na drodze zmiany jej kształtu. 

Ilustracja miękkiej charakterystyki jest pokazana na rys. 2.

Pozostaje więc wyjaśnienie w jaki sposób Dan Schutte stwierdził wzrost sztywności, i czy czasem nie zaszła pomyłka w interpretacji zjawiska. Wyjaśnić należy zastosowaną przez Dana Schuttego metodykę pomiaru:

1. Czy pomiar dokonywany był na stanowisku pomiarowym, czy też na ślizgu, bowiem współpraca płozownicy z masztem i kadłubem zmienia wynik pomiaru?

2. Czy przed rozpoczęciem pomiaru został wyeliminowany wpływ luzów w układzie zawieszenia ? W badaniach wytrzymałościowych ten problem załatwia tak zwane obciążenie wstępne.

3. Czy obsady płóz podczas obciążania miały możliwość ruchów poziomych?

 Brak możliwości przemieszczania się ostrzy płóz skutkuje pozornym zwiększeniem sztywności  płozownicy. Na rysunku 3 pokazano jak zachowuje się płozownica Nr. 2 gdy ostrza płóz nie mają możliwości swobodnego odsunięcia się. Są to również wyniki obliczeń zaserwowane przez Femap-Nastran. Sztywność płozownicy w kierunku pionowym wzrasta, zależnie od poziomej siły OB wywieranej przez lód na boczne powierzchnie ostrzy płóz. Te poziome reakcje  na płozach są kolejną przyczyną chwilowych wzrostów sztywności płozownicy w ruchu ślizgu. 

Wyniki obliczeń zmian odległości pomiędzy ostrzami płóz

Oglądając wyniki obliczeń serwowane przez Femap-Nastran znajdujemy przemieszczenia ostrzy płóz jakie mają miejsce podczas uginania się płozownicy. Wyniki zestawione poniżej przedstawiają dla wszystkich czterech płozownic zmianę odległości pomiędzy ostrzami płóz przy zmianie obciążenia z 50 procent maksymalnego obciążenia  (leżący w kokpicie sternik, znikome obciążenie żagla wiatrem) do stu  procent obciążenia (gdy płoza nawietrzna zaczyna odrywać się od lodu) (patrz rys.3). Poniżej przytoczone wyniki odnoszą się do przypadku gdy na ostrzu płozy nie działa dodatkowa siła pozioma OB..

1. Płozownica 1  DB = 16.8    mm.

2. Płozownica 2  DB = 22.5    mm.

3. Płozownica 3  DB = 23.8    mm.

4. Płozownica 4  DB = 17.2    mm. 

Różnice zmian odległości pomiędzy ostrzami płóz zależne od kształtu płozownicy są zauważalne. Najmniejsze zmiany występują u płozownicy nr.1, ale jej środek zbyt blisko przybliża się do lodu.

W następnej kolejności jest płozownica o kształcie skrzydła mewy.

 Płozownice nr. 2 i nr. 3  a więc i ta zalecana przez Dan Schuttego dają wyniki gorsze o 30 procent w stosunku do płozownicy o kształcie skrzydła mewy.

Wnioski z eksperymentów numerycznych

Obliczenia wykazały, że ugięcia środka  płozownicy wyizolowanej od ślizgu i badanej na stanowisku pomiarowym wprawdzie  zależą od jej kształtu ale różnice są bardzo małe wręcz drugorzędne, a wszystkie płozownice mają charakterystykę miękką.

Jednakże w ruchu ślizgu występują efekty współpracy pomiędzy  płozownicą, kadłubem, żaglem, masztem i podłożem, które powodują, że ugięcia płozownicy zmieniają się nieliniowo i to według przepisu dla charakterystyki sztywnej.

Wyodrębnić należy dwa zasadnicze efekty:

1. Przyłożenie siły poziomej OB ze strony lodu  na ostrzu płozy jest powodem, że ugięcia płozownicy zmieniają się nieliniowo. Siła OB. powstaje w ruchu ślizgu na skutek oddalania się od siebie ostrzy płóz przy poruszaniu się po nierównościach lodu. Ale rozchodzenie się ostrzy płóz skutkuje większymi oporami ruchu ślizgu. Pozostają dalsze poszukiwania efektywnych rozwiązań, które skutkują jak najmniejszymi zmianami odległości pomiędzy ostrzami płóz w czasie ruchu ślizgu. Płozownica o kształcie skrzydła mewy jest bardzo dobra.

2. Współpraca płozownicy z wyginającym się masztem co skutkuje zmianą geometrii układu i redystrybucją sił, dzięki czemu w ruchu ślizgu płozownica zachowuje się jakby miała charakterystykę sztywną .

Wnioski końcowe:

Poszukiwanie rozwiązań konstrukcyjnych płozownicy o nieliniowej charakterystyce jedynie na drodze zmiany jej kształtu nie rokuje powodzenia. Wyizolowana od ślizgu płozownica mająca  charakterystykę liniową,  po zamontowaniu do ślizgu i w czasie ruchu ślizgu będzie chwilowo zachowywać się  jak silnie nieliniowa i to z pożądaną charakterystyką sztywną, dzięki wymienionym wyżej efektom. Tu należy szukać właściwych rozwiązań.

Skorygowano 01 grudnia 2017 r.  w Gdańsku.

Opracował na blogu - Paweł Kurski - fan żeglarstwa lodowego.