弗吉尼亚理工大学的牵引罐设施为工程研究做好了准备

弗吉尼亚理工大学的牵引罐设施为工程研究做好了准备

• 2022-11-30
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Mark Shepheard和M. Javad Javaherian使用通用棱柱形滑行船体模型在升级后的牵引油箱中进行受控运动猛击实验。

弗吉尼亚理工大学拥有60年历史的拖曳坦克藏在诺里斯大厅的地下室深处，迫切需要整容。该盆地及其牵引车主要用于船舶阻力研究，正在显示出其年龄。

2018年底，Christine Gilbert副教授和Craig Woolsey教授Kevin T. Crofton 航空航天与海洋工程系通过国防大学研究仪器计划从海军研究办公室获得了62万美元。由此产生的仪器升级使老化的拖曳罐现代化，为弗吉尼亚理工大学提供了一个独特的测试设施，以进行创新的非传统实验，这些实验将为美国国防部服务。

作为美国十几辆学术牵引坦克之一，弗吉尼亚理工大学的升级坦克为本科生和研究生工程专业的学生提供了最先进的设施的宝贵经验，尖端技术培训，并最终有机会致力于推进军事研究，这在劳动力发展中起着至关重要的作用。该设施位于大西洋中部地区的几个美国海军和商业设施附近，特别是在华盛顿特区和诺福克，这些设施定期雇用弗吉尼亚理工大学的工程师来支持国防部的任务。

海军建筑师和工程师使用实验性拖曳坦克设施在受控环境中进行物理模型实验。虽然它们的大小和长度各不相同，但这些设施通常由一个米长的盆组成，水箱上方的导轨上有一个牵引车，该拖曳车将模型高速拉过水面。研究人员能够测试船舶和海洋工程车辆和仪器的小型模型，并捕获流体动力学数据，如阻力，升力和流力，同时研究波浪对车辆结构的影响。

“学生将能够使用新的牵引罐设施来获得基础知识 - 无论他们是否通过本科或研究生研究项目，独立学习，课程或竞争性工程设计获得这个机会，”Gilbert说。“弗吉尼亚理工大学从事拖曳坦克实验的经验对于在战场和海军实验室进行的实验工作来说是宝贵的工作培训。

运动更平稳，速度精确控制

弗吉尼亚理工大学开始与DLBA(Gibbs& Cox的一个部门)合作，与爱丁堡设计公司合作，从2019年开始进行运输升级的贸易研究。以前的牵引车被拆除，取而代之的是高速简单的框架设计，不再需要研究人员和学生乘坐马车。车厢现在是远程操作的，配备了用于监控的摄像头，并且拥有更平稳的车厢沿着其轨道的运动和更精确控制的车厢速度。

滑块本身能够以每秒7米(或每秒23英尺)的恒定最大速度运行。车厢采用皮带驱动系统推进，每个轨道上都有一个大型电动机。制动器是电磁的，为高加速和减速负载提供足够的制动力。车厢的主要结构是使用ITEM铝型材与大型定制铝制零件相结合建造的。这些挤出件允许轻松构建和修改实验装置。

牵引箱的进一步增加包括专用的数据采集系统和一套用于实验的新型传感器，例如力计，加速度计，电位计，波探头，倾角仪和压力传感器。

由DLBA设计并由弗吉尼亚理工大学建造的新安装的垂直平面运动机构通过规定起伏和俯仰运动来促进模型的受控运动实验。该机制由两个线性致动器操纵，将具有可控的升升运动，范围为64厘米。

尽管弗吉尼亚理工大学的牵引油箱尺寸相对较小 - 盆地长98英尺，宽6英尺，深4英尺 - 但最大车厢速度是类似尺寸的拖曳油箱的两倍多。该设施的新升级可实现精确测量，使该设施非常适合小型海洋车辆和平台，包括小型船只，自主水下航行器和仿生机器人。实验能力包括阻力和推进测试，线性和非线性机动实验以及航海模型开发。

“保持高质量的设施以支持正规和研究型教育至关重要，”吉尔伯特说。“特别是，改进后的设施将有助于验证在波浪中机动的水下船只的新分析模型，或用于研究波浪中小型船只撞击的计算流体动力学模型。

高速飞船的撞击波浪

该奖项是由陆军研究办公室，海军研究办公室和空军科学研究办公室进行的国防大学研究仪器计划资金的优异竞赛的结果。

吉尔伯特还领导水弹性实验室，他正在领导首批利用现代化设施的研究项目之一，这是一项关于小型船只在波浪中撞击的研究。当一艘船在被波浪部分或全部发射到空中后，强行撞回海中时，就会发生撞击。除了损坏船体结构，危及船上的有效载荷和仪表以及伤害人员外，撞击事件还会显着限制操作并降低船舶的性能。吉尔伯特的实验将特别关注船体和波浪之间的流固耦合。

在升级后的拖曳油箱中，研究小组将使用通用棱柱刨船体(GPPH)模型和海军提供的高速船只研究形状进行受控运动猛击实验。

目前的这项研究扩展了吉尔伯特之前的一个项目，她与美国海军学院合作开发波浪流体动力加载船。该研究中使用的模型是刚性的，因此仅测量了运动学和压力载荷。

现在，利用弗吉尼亚理工大学牵引罐的较短长度，吉尔伯特和她的团队将在三个阶段的对照实验中模拟这种猛击事件。

吉尔伯特和她的团队一直在检查模型的横截面，或垂直落入平静水中的楔块。通过以恒定的俯仰角将通用棱柱形刨平船体模型垂直下降到平静的水中来捕获初步数据。她的团队计划结合船只的前向运动和速度，使用垂直平面运动机制来近似于撞击平静的水面。

最后，Gilbert和她的团队将用柔性面板替换刚性模型的前部，以仔细观察流体结构相互作用以及结构如何能够响应冲击。就像汽车上的保险杠可以减少碰撞过程中的冲击一样，柔性面板可以减少船上的人在撞击事件中感受到的撞击加速度。这是国防部和海军特别感兴趣的，不仅是为了改善人类安全，也是为了解决自主船只的撞击事件。在没有人员在船上的情况下发生的撞击事件可能会对船舶继续执行其预期任务的能力或仪器执行其功能的能力产生负面影响。

最近的毕业生Mark Shepheard ' 21，M.S. ' 22，在Gilbert的指导下完成了他的硕士论文，收集并审查了数百个猛烈事件的数据，并使用机器学习将它们分为三种典型的事件类型。此外，Shepheard在通用棱柱刨削船体模型上进行了垂直下降实验。

展望未来，该团队将能够将这些独特的撞击特性编程到垂直平面运动机构中，隔离运动，并在精确控制的设置下进行实验。在牵引坦克中，团队可以强制车厢的运动精确复制这些事件，并将其用于针对计算模型的验证。

这种能力是弗吉尼亚理工大学独有的，并将该设施定位为少数大学拥有的牵引罐之一，能够使用垂直平面运动机构执行高速，受控运动猛击测试。