sams microlander - TEC / CAD College
advertisement
SAMS MICROLANDER Lorendz Boom HBO deeltijdopleiding ACE Mechanical Designer Koninklijk NIOZ Landsdiep 4, 1797 SZ ‘t Horntje Texel ©2008 SAMS Microlander SAMS Microlander Sùil na Mara ‘Eye of the Sea’ 2 SAMS Microlander Onderwerp: Ontwerp voor autonoom werkend onderwater-observatieplatform Opdrachtgever: Scottisch Association for Marine Sciences (SAMS) instituut, Schotland Auteur: Lorendz Boom Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) Afdeling Marine Technology Mechanical (MTM) Landsdiep 4 1797 SZ ’t Horntje, Texel Internet: www.nioz.nl E-mail auteur: [email protected] HBO deeltijdopleiding ACE Mechanical Designer November 2008 Begeleider: ir. Ronald Boeklagen TEC, CadCollege Kerkenbos 1018B 6546 BA Nijmegen 3 SAMS Microlander 1 Voorwoord Na een werktuigbouwkundige opleiding aan het ‘Noorderhooft’ college in Den Helder ben ik terecht gekomen bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) op Texel. Dit instituut doet wereldwijd onderzoek naar alle facetten die met de zee te maken hebben, zoals bijvoorbeeld stromingen, het leven in de zee en de samenstelling van de zeebodem. Ik werk hier op de afdeling Mariene Technology Mechanical (MTM) waar we onderhoud plegen aan de zeegaande apparatuur en instrumenten, zoals mobiele labcontainers, water- en bodembemonsteringsapparatuur etc. Tevens verbeteren we bestaande en bouwen we nieuwe instrumenten. Als laatste, en misschien wel de meest belangrijke dan wel leukste taak is het geven van technische ondersteuning op wetenschappelijke expedities aan boord van (buitenlandse) onderzoeksschepen. Op deze manier zien we veel van de wereld. De eerste acht jaar heb ik op de werkvloer gewerkt en heb ik mij het lassen eigen gemaakt van verschillende metalen zoals (roestvast) staal, aluminium en titanium. Vanwege de komst van verschillende computergestuurde machines, zoals de frees- en draaibank maar ook de plasmasnijmachine heb ik programmeercursussen Computer Numerical Control (CNC) gevolgd. Daarna ben ik gevraagd om te komen assisteren bij de werkvoorbereiding vanwege de groeiende hoeveelheid werk. Er werd in die tijd alleen met AutoCAD gewerkt daarna zijn we overgestapt naar Inventor. Hiervoor heb ik in de loop van de jaren verschillende cursussen gevolgd. Om mijn kennis te kunnen vergroten wilde ik nog meer cursussen volgen en kwam ik terecht bij de opleiding van ACE Mechanical Designer van TEC Cadcollege. Op dat moment kwam bij ons het verzoek binnen van een Schots onderzoeksinstituut voor het ontwerpen en eventueel bouwen van een constructie voorzien van meetapparatuur. Deze constructie moet geplaatst worden op koudwater koraalriffen (Fig. 1) en daar voor een bepaalde tijd metingen verrichten. Dit leek mij een interessant onderwerp voor mijn afstudeeropdracht. Werk aan boord van onderzoeksschip ‘Pelagia’ Na dit voorwoord wil ik iedereen bedanken, die mij geholpen hebben dit verslag tot een goed einde te brengen. Alle mensen die tijd vrij hebben gemaakt om me te helpen antwoorden te vinden op vragen, die op mijn weg kwamen. In het bijzonder wil ik mijn studiebegeleiders bedanken van het TEC Cadcollege, dit zijn Ronald Boeklagen en Leonie Bergsma, en ‘last but not least’ mijn vriendin Furu voor alle steun. 4 SAMS Microlander Inhoudsopgave 1 Voorwoord ........................................................................................................................................... 4 2 Doelstelling .......................................................................................................................................... 7 3 Inleiding ............................................................................................................................................... 9 3.1 Organisatie.................................................................................................................................... 9 3.2 Het onderzoek................................................................................................................................ 9 3.3 Opdracht...................................................................................................................................... 10 3.4 Planning ...................................................................................................................................... 11 4 Methodisch ontwerpen lander, vooronderzoek .................................................................................. 12 4.1 Probleemstelling.......................................................................................................................... 12 4.2 Weegfactoren............................................................................................................................... 13 4.3 Formulering begin- en eindtoestand ........................................................................................... 13 4.3.1 Functies ................................................................................................................................ 13 4.4 Werkwijzen per functie ................................................................................................................ 15 5 Werkwijzen ........................................................................................................................................ 15 5.1 Werkwijze 1: Het omhoog houden van de instrumenten ............................................................. 15 5.1.1 Werkwijze A: Paal ................................................................................................................ 15 5.1.2 Werkwijze B: Frame constructie .......................................................................................... 15 5.1.3 Werkwijze C: Drijflichaam en gewicht................................................................................. 16 5.2 Werkwijze 2: Fixeren ten opzichte van de bodem ....................................................................... 16 5.2.1 Werkwijze: A In de bodem.................................................................................................... 16 5.2.2 Werkwijze B: Op de bodem .................................................................................................. 16 5.2.3 Werkwijze C: Combinatie in en op de bodem ...................................................................... 16 5.2.4 Werkwijze D: In bodem geschroefd...................................................................................... 17 5.3 Werkwijze 3 Verschillende bevestigingen ................................................................................... 17 5.3.1 Werkwijze A: Duct tape ........................................................................................................ 17 5.3.2 Werkwijze B: Klem om koker/buisprofiel ............................................................................. 17 5.3.3 Werkwijze C: Strip met boutgaten........................................................................................ 17 5.3.4 Werkwijze D: Ty-raps........................................................................................................... 18 6 Het uitwerken van de structuren......................................................................................................... 19 6.1 Structuur A .................................................................................................................................. 21 6.2 Structuur B .................................................................................................................................. 21 6.3 Structuur C .................................................................................................................................. 22 6.4 Structuur D .................................................................................................................................. 22 5 SAMS Microlander 6.5 Keuze tussen structuren A tot en met D....................................................................................... 23 7 Vormvariaties ..................................................................................................................................... 25 7.1 Frameconstructie......................................................................................................................... 25 7.1.1 Vormvariatie A ..................................................................................................................... 25 7.1.2 Vormvariatie B ..................................................................................................................... 25 7.1.3. Vormvariatie C .................................................................................................................... 26 7.1.4. Vormvariatie D.................................................................................................................... 26 7.1.5 Vormvariatie E ..................................................................................................................... 26 7.1.6 Keuzeverantwoording Frameconstructie ............................................................................. 27 7.2 Combinatie in en op de bodem .................................................................................................... 29 7.2.1 Vormvariatie A Gecombineerd............................................................................................. 29 7.2.2 Vormvariatie B Apart ........................................................................................................... 29 7.2.3 Vormvariatie C Gecombineerd geveerd ............................................................................... 29 7.2.4 Vormvariatie D Apart geveerd ............................................................................................. 29 7.2.5 Keuzeverantwoording Combinatie in en op de bodem......................................................... 30 8 Uiteindelijk ontwerp........................................................................................................................... 32 9 Extra opdracht .................................................................................................................................... 34 9.1 Geïsoleerd ophangen van de instrumenten ................................................................................. 34 9.1.1 Vormvariatie A: Kunststof klem bestaande uit één deel....................................................... 34 9.1.2 Vormvariatie B: Kunststof klem bestaande uit twee delen ................................................... 34 9.1.3 Vormvariatie C: Klembeugel uit twee delen met inleg......................................................... 34 9.1.4 Keuzeverantwoording klembeugels ...................................................................................... 35 10 Eindresultaat inclusief extra opdracht .............................................................................................. 37 10.1 Conclusie ................................................................................................................................... 37 11 Bijlagen ............................................................................................................................................ 38 Bijlage 1 Potentiele ROV’s en SUB’s................................................................................................ 38 Bijlage 2 Potentiele Instrumentconfiguraties.................................................................................... 38 Bijlage 3 Instrumentmaten ................................................................................................................ 39 Bijlage 4 Stromingsberekening ......................................................................................................... 40 Bijlage 5 Sterkteberekening............................................................................................................... 41 Bijlage 6 Werktekeningen.................................................................................................................. 42 6 SAMS Microlander 2 Doelstelling Het ontwerpen van een nieuw observatieplatform ter vervanging van de oude bestaande frames. De te ontwerpen oplossing betreft een constructie: • waarin verschillende instrumenten flexibel geplaatst kunnen worden • met de mogelijkheid deze te plaatsen met een Remotely Operated Vehicle (hierna: ROV) of onbemande onderzeeër • die bestand is tegen de heersende omgevingsfactoren • die voor bepaalde tijd autonoom metingen kan verrichten Copyright Ifremer Fig. 1 Koudwater koraalrif, Gorgoon met kreeftje 7 SAMS Microlander Copyright Ifremer 8 SAMS Microlander 3 Inleiding Dit verslag beschrijft het tot stand komen van een nieuw observatie platform om metingen te verrichten op koudwater koraalriffen. Allereerst geef ik een korte uitleg over het instituut en wil ik aan de hand van een kort verhaaltje iets meer vertellen over koudwater koraalriffen omdat het bestaan van deze riffen nog niet zo lang bekend is. Dit maakt het ook gemakkelijker om een voorstelling te maken bij het doel van het observatieplatform. 3.1 Organisatie Het Koninklijk Nederlands Instituut voor Zeeonderzoek (NIOZ) is opgericht in 1876 te Den Helder. In 1970 is het instituut verhuisd naar het eiland Texel, wat destijds een mooie uitval basis was voor het onderzoek op de Noord- en Waddenzee. Inmiddels wordt er wereldwijd zeeonderzoek gedaan. Het onderzoek strekt zich uit van de Waddenzee tot de diepe oceaan, van het wateroppervlak tot en met de zeebodem. Het instituut heeft daarom verschillende wetenschappelijke afdelingen waaronder o.a. de afdelingen Fysische Oceanografie, Mariene Geologie en Biologie. Op het NIOZ werken de onderzoekers en technische staf nauw samen aan het verbeteren en ontwikkelen van instrumenten en apparatuur. Het instituut heeft een eigen technische afdeling die bestaat uit een constructie werkplaats, een instrumentmakerij en een elektronicawerkplaats. Hier worden de instrumenten en apparatuur ontworpen, gebouwd en onderhouden, die gebruikt worden voor onderzoek op het instituut en op zee. Voor het verkrijgen van de data worden expedities aan boord van schepen gemaakt. Hiervoor bezit het NIOZ vier eigen schepen. Allereerst het onderzoeksvaartuig ‘R.V. Pelagia’. Dit is het schip waarmee onderzoek op de oceanen wordt verricht. De andere drie schepen, de Navicula, de Stern en de Gielesflet zijn kleiner en worden gebruikt voor het onderzoek dichtbij huis, zoals op de Wadden- en de Noordzee. Het is onmogelijk om met de eigen schepen alle onderzoeken te doen. Door de samenwerking met buitenlandse instituten worden er ook vaak niet NIOZ onderzoeksvaartuigen ingezet. Sinds een aantal jaren doet het NIOZ ook meer werk voor andere instituten en bedrijven uit de olie industrie. Vooral de technische afdelingen worden ingezet om betere instrumenten te ontwikkelen en te construeren voor derden, zoals bodem- en waterbemonsterings apparatuur, instrumenten op gebied van golfbewegingen, stromingen en temperaturen van de waterkolom, netten voor het vissen op plankton etc. 3.2 Het onderzoek Tien jaar geleden zijn er bij toeval koudwater koraalriffen (Fig. 1&2) ontdekt in de diepzee op de Europese continentale helling. De Scottisch Association of Marine Sciences (SAMS) en het NIOZ bestuderen al enige jaren deze koudwater koraalriffen, die zeer fragiele ecosystemen vormen. De riffen die onderzocht worden liggen op een diepte van ongeveer 800 m water diepte en vormen net als tropische koraalriffen een belangrijke schuilplaats, kraamkamer en substraat voor vele diersoorten. Het is daarom van Copyright Ifremer Copyright Ifremer koraal met anemonen Fig. 2 Koudwater 9 SAMS Microlander belang om deze riffen zoveel mogelijk in tact te laten tijdens het onderzoek. Tot nu toe is gebleken dat de koralen vooral voorkomen in gebieden waar het hard stroomt. Harde stroming zorgt voor de aanvoer van voldoende voedsel en zorgt er tevens voor dat de koralen niet begraven worden onder het sediment. Om deze omgevingsfactoren te meten rondom de koraalriffen is er de laatste jaren veel gebruik gemaakt van vrijvallende bodem observatoria (hierna landers genoemd), die voor langere tijd op de zeebodem metingen kunnen verrichten. Echter de nu bestaande landers zijn zeer groot, daardoor soms moeilijk aan boord van schepen te gebruiken en laten hun bodemgewichten achter op de zeebodem. Daarom is er grote behoefte aan nieuwe ontwikkelingen op het gebied van landers. 3.3 Opdracht Onlangs kwam er vanaf het SAMS instituut, waar het NIOZ al jaren mee samenwerkt op gebied van koudwater koraalriffen het verzoek voor het ontwerp en eventuele constructie van een kleine lichte lander, waarmee op de zeebodem observaties uitgevoerd kunnen worden. SAMS is in het bezit van twee oudere frames, maar die voldoen niet meer aan de eisen. De onderzoekers willen nu de twee oude frames combineren tot één klein frame wat doormiddel van een ROV, of een onbemande onderzeeër op de zeebodem geplaatst kan worden. Gezien de komende projecten in de Golf van Mexico, waar de lander word ingezet, gaan we er in dit ontwerp vanuit, dat de lander geplaatst wordt door de Amerikaanse ROV ‘ISIS’ (Fig. 3) en zal daarom volgens die voorwaarden ontworpen worden. Echter de mogelijkheid tot plaatsing door een onbemande onderzeeër moet tot de mogelijkheden blijven behoren. Ze willen hier op verschillende manieren data verzamelen en daarom moet de lander uitgerust worden met verschillende instrumenten. Zoals audio- en video opnameapparatuur, stromingsmeters en troebelheid meters. Fig. 3 ROV ‘ISIS’ Om dit te kunnen realiseren zijn de volgende eisen opgesteld: • De lander moet met verschillende configuraties van instrumenten uitgerust kunnen worden (zie bijlage 2). • De lander moet geplaatst kunnen worden door een ROV of een onbemande onderzeeër. • De lander moet bestand zijn tegen de heersende omstandigheden zoals druk en stroming. Bovendien moet hij corrosiebestendig zijn. 10 SAMS Microlander 3.4 Planning 30 Mei Juli Begin augustus Eind augustus 1e terugkomdag 2e Terugkomdag (concept verslag inleveren) definitief verslag presentatie Herzien planning vanwege extra vaartocht: 30 Mei 1e terugkomdag 1 Oktober 1 November 4 November 14 November 28 November morfologisch overzicht en tabellen af concept verslag af 2e terugkomdag definitief verslag inleveren presentatie en examen 11 SAMS Microlander 4 Methodisch ontwerpen lander, vooronderzoek 4.1 Probleemstelling X geschikt voor dieptes tot 3000 meter X corrosiebestendig X X te plaatsen door een R.O.V. of onbemande onderzeeër X X stabiel platform voor wetenschappelijke instrumenten X geschikt voor 3 verschillende instrumentconfiguraties X X maximaal totaalgewicht van 50kg onder water X X bestand tegen een stroming van 1 m/s X sterk genoeg voor gewicht instrumenten X geschikt voor verschillende bodemgesteldheden X instrumenten makkelijk uitwisselbaar X instrumenten tussen 0,5 en 1 m boven zeebodem X X extra experimentenplatform aan zijkant X X transporteerbaar in zeecontainer X X de instrumenten dienen goed beschermd te zijn X X maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces X X prijs X X goed verkrijgbaar materiaal en standaard onderdelen X X gemakkelijk monteren van de componenten X X X X X X X Fabricage X Wens autonoom werkende lander Variabele eis X Vaste eis Voorwaarden Functioneel Het ontwerpen van een lander, die door middel van een ROV of onbemande onderzeeër op de zeebodem of koraalriffen geplaatst kan worden en autonoom metingen kan verrichten gedurende een bepaalde tijd (strategische plaats en ter voorkoming van schade aan de riffen). Er is gekeken naar twee andere landers; de ‘Eye in the Sea’ van National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) uit Amerika en de ROBIO (RObust BIOdiversity) van Oceanlab uit Aberdeen, maar geen van deze landers voldoet aan de nieuwe eisen. Er moeten allerlei dingen aan worden veranderd en tenslotte gaat het hier om de realisatie van een nieuw ontwerp. De modellen van de landers zullen echter wel worden meegenomen in het ontwerpproces. Omdat we in dit ontwerpproces uitgaan van de ROV ‘ISIS’ moeten we rekening houden met de ‘payload’ van het voertuig. In dit geval is dit 50 kg onder water (zie bijlage 1). Als we daar het onder water gewicht van de zwaarste instrumentconfiguratie (zie bijlage 2) vanaf trekken houden we maar 12,2 kg over voor het frame en de instrumentbevestigingen. Tabel 1 geeft aan welke voorwaarden zijn opgesteld waaraan de lander in meerdere of mindere mate moet voldoen. Tabel 1 Eisenprogramma van microlander 12 SAMS Microlander 4.2 Weegfactoren Om inzicht te krijgen in de mate waarin de voorwaarden bepalend zijn voor het ontwerp worden weegfactoren op de voorwaarden toegepast. Dit wordt weergegeven in tabel 2. Voorwaarden 1 2 3 4 5 Totaal Functionele voorwaarden 1 Corrosiebestendigheid (1) 1 1 1 0 4 2 Geschikt voor 3 verschillende instrumentconfiguraties 0 (1) 1 0 0 2 3 Geschikt voor verschillende bodemgesteldheden 0 0 (1) 0 0 1 4 Instrumenten tussen 0,5 en 1 meter boven zeebodem 0 1 1 (1) 0 3 5 Als bescherming dienen voor de instrumenten 1 1 1 1 (1) 5 (1) 1 1 1 4 2 Prijs 0 (1) 0 1 2 3 Goed verkrijgbaar materiaal en standaard onderdelen 0 1 (1) 1 3 4 Gemakkelijk monteren van de componenten 0 0 0 (1) 1 Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces Tabel 2Weegfactoren 4.3 Formulering begin- en eindtoestand transportere n naar bodem monteren instrumente n 1 2 plaatsen en loskoppelen door ROV 3 fixeren instrumente n omhoog houden instrumenten 4 transportere n naar oppervlak benaderen en aankoppele 7 8 demonteren instrumente n 9 5 beschermin g bieden 6 Fig .4 Functieblokschema 4.3.1 Functies Aan de hand van het bovenstaande functie blokschema (Fig. 4) kunnen we een aantal functies opstellen welke de lander moet kunnen vervullen. We hebben te maken met een drietal hoofdfuncties: 1. Omhoog houden van de instrumenten (5) 2. Fixeren van de instrumenten ten opzichte van de bodem (4) 13 SAMS Microlander 3. Vastklemmen van de instrumenten (1,9) 14 SAMS Microlander 4.4 Werkwijzen per functie In de komende hoofdstukken gaan worden werkwijzen gezocht voor de genoemde functies. Er is met een aantal mensen op de afdeling gebrainstormd en hier zijn per functie verschillende ideeën uit voort gekomen. De werkwijzen worden per functie besproken en er worden enkele voor en nadelen naar voren gebracht, welke later zullen worden meegenomen bij het uitstippelen van de structuren in het morfologisch overzicht op pagina 17. De structuren die hierin naar voren komen noemen we ‘Structuur A’, ‘Structuur B’, enzovoorts. 5 Werkwijzen 5.1 Werkwijze 1: Het omhoog houden van de instrumenten Onderstaand worden een aantal werkwijzen beschreven voor het omhoog houden van de instrumenten op een bepaalde afstand boven de bodem. 5.1.1 Werkwijze A: Paal Bij de werkwijze in figuur 5 wordt er een paal in de bodem geplaatst door de ROV waaraan de instrumenten gemonteerd zitten. Dit is een eenvoudig te construeren geheel en heeft een laag eigen gewicht. Een van de nadelen van deze werkwijze is dat de instrumenten slecht worden beschermd. Fig. 5 Paal 5.1.2 Werkwijze B: Frame constructie In figuur 6 worden de instrumenten geplaatst in een frame van buis- of kokerprofiel. Dit vergt wat meer constructietijd en is zwaarder dan werkwijze A maar in dit frame worden de instrumenten beter beschermd en het frame staat stabiel op de bodem. Fig. 6 Frameconstructie 15 SAMS Microlander 5.1.3 Werkwijze C: Drijflichaam en gewicht Bij de laatste werkwijze, beschreven in figuur 7 hebben we een gewicht op de bodem met een stuk kabel dat omhoog wordt gehouden door een drijflichaam. De instrumenten worden met klemmen op de kabel gemonteerd. Het construeren en plaatsen is zeer eenvoudig en de constructie heeft een laag eigen gewicht. Er kleven echter nogal wat nadelen aan deze werkwijze. De instrumenten zijn slecht beschermd en de stabiliteit laat te wensen over, zeker wanneer het hard stroomt. Fig. 7 Drijflichaam en gewicht 5.2 Werkwijze 2: Fixeren ten opzichte van de bodem Het is belangrijk dat de constructie gedurende de metingen op de zeebodem op dezelfde positie blijft staan. Dus is het noodzakelijk de constructie op een of andere manier te fixeren ten opzichte van de zeebodem. Hier zijn een aantal werkwijzen voor bedacht. 5.2.1 Werkwijze: A In de bodem Door de constructie vast te pinnen in de zeebodem (Fig. 8). Dit geeft een goede fixatie in horizontale richting en maar echter minder goede fixatie in verticale richting. Fig. 8 In de bodem 5.2.2 Werkwijze B: Op de bodem Hier wordt de constructie op de bodem geplaatst (Fig. 9). Deze werkwijze geeft een goede fixatie in verticale richting en een minder goede fixatie in horizontale richting. Fig. 9 Op de bodem 5.2.3 Werkwijze C: Combinatie in en op de bodem Als we de constructie op deze manier uitvoeren wordt hij zowel op als in de bodem geplaatst (Fig. 10). Zo wordt de constructie in horizontale als en verticale richting gefixeerd. Fig. 10 Combinatie in en op de bodem 16 SAMS Microlander 5.2.4 Werkwijze D: In bodem geschroefd Hier wordt de constructie in de grond vast geschroefd (Fig. 11). Door de constructie te roteren schroeft hij zich vast in de bodem en zorgt voor zowel horizontale als verticale fixatie. Het nadeel van deze werkwijze is het roteren van het geheel. Dit wordt later toegelicht bij het uitwerken van de structuren. 5.3 Werkwijze 3 Verschillende bevestigingen Fig. 11 In bodem geschroefd Vanwege de drie verschillende configuraties (bijlage 2) aan instrumenten is het belangrijk dat de instrumenten op verschillende plaatsen gemonteerd kunnen worden. Hieronder volgen enkele mogelijkheden. 5.3.1 Werkwijze A: Duct tape De bevestiging met ‘Duct’ tape (Fig. 12) is een eenvoudige en snelle methode om de instrumenten te bevestigen. Onder water weegt het praktisch niets en na gebruik kan het van het frame worden verwijderd. Het gaat echter om dure instrumenten die voor langere tijd onder water blijven en het is daarom zeer belangrijk dat de verbinding stand houdt gedurende die periode. Fig. 12 ‘Duct’ tape 5.3.2 Werkwijze B: Klem om koker/buisprofiel Bij deze manier van bevestigen is gekozen voor een klem bestaande uit twee schalen die met behulp van een boutverbinding aan elkaar worden gekoppeld en om het profiel worden geklemd (Fig. 13). Dit biedt de mogelijkheid de instrumenten op bijna alle plaatsen te monteren. Dit kan echter alleen op rechte profielen. De constructie van deze klem is relatief gemakkelijk. Ter voorkoming van elektrolytische werking tussen de klem en het frame onder water is het belangrijk dat beide van hetzelfde materiaal worden gemaakt. Daarom is het vrijwel onmogelijk om deze klemmen op de markt te kopen. Fig. 13 Klem om profiel 5.3.3 Werkwijze C: Strip met boutgaten Bij deze optie wordt er een strip langs de profielen van het frame geplaatst met op een bepaalde afstand gaten waaraan door middel van een boutverbinding de instrumenten kunnen worden geplaatst (Fig. 14). Deze strippen kunnen ook alleen langs rechte profielen worden geplaatst. Een nadeel van deze optie is dat de strippen voor continu extra gewicht zorgen. Dit in tegenstelling tot de vorige optie met de klembeugels. De constructie hiervan is eenvoudig. Fig. 14 Strip met boutgaten 17 SAMS Microlander 5.3.4 Werkwijze D: Ty-raps Bij deze werkwijze worden de instrumenten met behulp van ‘ty raps’ (Fig. 15) aan de constructie bevestigd. Dit is net als werkwijze A een eenvoudige en snelle manier om de instrumenten te monteren maar heeft hetzelfde nadeel namelijk dat het belangrijk is dat de verbinding 100% veilig moet zijn om geen instrumenten te verliezen. Fig. 15 Ty-raps 18 SAMS Microlander 6 Het uitwerken van de structuren In het morfologisch overzicht (Fig. 16) zijn de mogelijkheden van alle verschillende functies uiteen gezet. In het morfologisch schema hebben we vier structuren uitgekozen. De vier structuren worden in de volgende hoofdstukken 6.1, 6.2, 6.3 en 6.4 uitgewerkt. functies werkwijzen omhoog houden van instrumenten paal frameconstructie gewicht en drijver in bodem op bodem combinatie fixeren van de instrumenten ten opzichte van de bodem schroef Voor elk van de vier structuren worden de voor- en nadelen beschreven. A B C D 19 SAMS Microlander vastklemmen instrumenten ‘Duct tape’ klem om profiel strip met boutgaten ‘Ty-raps’ Fig. 16 Morfologisch overzicht Structuur A = Structuur B = Structuur C = Structuur D = 20 SAMS Microlander 6.1 Structuur A Bij structuur A (Fig. 17) is gekozen voor een combinatie van een paal, die door middel van een roterende beweging en de boorkop in de grond wordt gedraaid. De instrumenten zijn met klemmen aan de paal bevestigd. Voordelen: Fig. 17 Structuur A • Het is een constructie die eenvoudig gemaakt kan worden • Het geheel heeft een laag eigengewicht • De instrumenten hebben vrij zicht en de stroommeter heeft geen last van turbulentie om het frame wanneer hij hoog genoeg wordt gemonteerd • De paal biedt een redelijk stabiele ondergrond voor de instrumenten • Het stromingsweerstandoppervlak is laag Nadelen: • De instrumenten worden nauwelijks beschermd • Het is bijna onmogelijk om met een ROV een paal roterend de grond in te draaien want de ROV is bevestigd aan een zogenaamde ‘navelstreng’ (stroom- en signaalkabels voor de besturing) en die zou in de knoop kunnen raken. Er zou dus een extra draai-unit op de ROV gemaakt moeten worden. Er is echter maar weinig ruimte voor extra dingen vanwege de beperkte payload van de ROV • Er is maar beperkte plaats voor de instrumenten tussen de 0.5 en 1 m boven de bodem 6.2 Structuur B Structuur B (Fig. 18) is een combinatie van een frame dat door middel van ‘pins’ aan de onderkant in horizontale richting gefixeerd wordt ten opzichte van de bodem. Ook bij deze structuur worden de instrumenten op het frame gemonteerd met klemmen. Voordelen: Fig. 18 Structuur B • De instrumenten worden goed beschermd door het frame • Er is redelijk veel ruimte om de instrumenten te positioneren op de juiste afstand boven de bodem • Het biedt een zeer stabiele ondergrond voor de instrumenten • Kan eenvoudig door ROV worden geplaatst Nadelen: • Minder makkelijk en snel te construeren • Het frame heeft een relatief hoog eigen gewicht • Tevens is het stromingsweerstandoppervlak vrij groot 21 SAMS Microlander • Bij zachte ondergrond zou het frame weg kunnen zakken 6.3 Structuur C Deze structuur (Fig. 19) lijkt erg op de voorgaande met als enige verschil dat het frame met ‘poten’ is uitgerust, die het frame zowel in horizontale als in verticale richting fixeren. Voordelen: Fig. 19 Structuur C • De instrumenten worden goed beschermd door het frame • Er is redelijk veel ruimte om de instrumenten te positioneren op de juiste afstand boven de bodem • Het biedt een zeer stabiele ondergrond voor de instrumenten • Het is geschikt voor zowel harde als zachte bodem • Kan eenvoudig door ROV worden geplaatst Nadelen: • Het frame heeft een relatief hoog eigen gewicht • Tevens is het stromingsweerstandoppervlak vrij groot • Minder makkelijk en snel te construeren 6.4 Structuur D Als laatste hebben we een structuur gekozen bestaande uit een gewicht en een drijflichaam (Fig. 20) met daar tussen een kabel waaraan de instrumenten kunnen worden bevestigd door middel van klemmen. Voordelen: • Gemakkelijk te construeren • Deze structuur is makkelijk te plaatsten door de ROV Fig. 20 Structuur D Nadelen: • De instrumenten worden slecht beschermd • Het eigen gewicht wordt te hoog voor de ROV • De stabiliteit is slecht 22 SAMS Microlander 6.5 Keuze tussen structuren A tot en met D Alle vier de structuren worden in een tabel (Tabel 3) gezet en beoordeeld, waarbij gebruik wordt gemaakt van de weegfactoren die eerder in hoofdstuk 4.2 zijn bepaald. Voor iedere functie worden punten gegeven. De punten worden vermenigvuldigd met de weegfactoren en zo worden de puntentotalen per functie bepaald. Factor Max. Structuur A Structuur B Structuur C Structuur D Tabel 6.5 1 Corrosiebestendig 4 16 3 (x4=12) 4 (x4=16) 4 (x4=16) 4 (x4=16) 2 Geschikt voor 3 verschillende instrumentconfiguraties 2 8 2 (x2=4) 3 (x2=6) 3 (x2=6) 2 (x2=4) 3 Geschikt voor verschillende bodemgesteldheden 1 4 0 1 (x1=1) 2 (x1=2) 2 (x1=2) 4 Instrumenten tussen 0,5 en 1 m boven zeebodem 3 12 2 (x3=6) 3 (x3=9) 3 (x3=9) 2 (x3=6) 5 Als bescherming dienen voor instrumenten 5 20 0 4 (x5=20) 4 (x5=20) 0 60 22 52 53 28 100% 36% 87% 88% 47% Eis of criterium Functionele voorwaarden Totaalscore Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces 4 16 3 (x4=12) 2 (x4=8) 2 (x4=8) 3 (x4=12) 2 Prijs 2 8 3 (x2=6) 2 (x2=4) 2 (x2=4) 4 (x2=8) 3 Goed verkrijgbaar materiaal 3 12 3 (x3=9) 3 (x3=9) 3 (x3=9) 3 (x3=9) 4 Gemakkelijk monteren van de componenten 1 4 2 (x1=2) 3 (x1=3) 3 (x1=3) 1 (x1=1) 40 29 24 24 30 100% 73% 60% 60% 75% Totaalscore Tabel 3 Weegfactoren en keuze verantwoording Het wordt nog overzichtelijker wanneer we de scores per functie in het Kesselring diagram (Fig. 21) zetten. Fig. 21 Kesselringdiagram 23 SAMS Microlander In het Kesselring diagram kunnen we zien dat structuur A onvoldoende scoort en afvalt. Structuur B en C liggen beide praktisch op hetzelfde punt en dus even ver van de ideale lijn. Het punt van de laatste structuur D ligt weer verder van de lijn af. Het wordt dus een keuze tussen structuur C en D. Omdat de voorkeur uitgaat naar zowel verticale als horizontale fixatie valt de keuze uiteindelijk op structuur C. Hier volgt het overzicht van de werkwijzen die zullen worden gebruikt: • Voor het omhoog houden van de instrumenten zal een frameconstructie gebruikt worden • Voor het fixeren van de instrumenten ten opzichte van de bodem maken we gebruik van een ‘voet’ die de fixatie in horizontale- en verticale richting combineert • Voor het vastklemmen van de instrumenten wordt de werkwijze ‘klem om profiel’ toegepast. In de volgende hoofdstukken wordt de structuur verder uitgewerkt. Voor de werkwijzen ‘frameconstructie’ en ‘fixeren van de instrumenten ten opzichte van de bodem’ worden enkele vormvariaties besproken. 24 SAMS Microlander 7 Vormvariaties Nu er een structuur is gekozen, kan het concept verder worden uitgewerkt. Voor twee van de drie werkwijzen uit de gekozen structuur zijn in de volgende hoofdstukken een aantal vormvariaties bedacht. Deze werkwijzen worden stuk voor stuk besproken en aan de hand van de weegfactoren en het Kesselring diagram wordt er een keuze gemaakt. 7.1 Frameconstructie Om een geschikt frame te verkrijgen is er een stabiel frame nodig dat met alle poten ‘draagt’ en dat ook de heersende stroming voldoende kan weerstaan zodat het niet omver wordt geduwd. Er is in het vooronderzoek gekeken naar reeds bestaande frames. Twee van de hieronder vermelde frames zijn, de ‘Eye in the Sea 2’ en de ‘ROBIO’. Zoals eerder genoemd worden ze niet nagebouwd maar wel meegenomen in het ontwerpproces wat betreft het model van het frame. 7.1.1 Vormvariatie A Het ‘Eye in the Sea’ frame (Fig. 22) is een frame bestaande uit een combinatie van een driehoekig onderframe met daarop een frame in piramide vorm. Het staat op drie poten voor de stabiliteit en is geschikt om met de ROV ‘ISIS’, maar ook om met de ‘Johnson Sea-link’ submarine te worden geplaatst. Zie respectievelijk de ‘Tbar’ in het midden van de piramidevorm en de twee ‘trechters’ in het onderste driehoekige deel van het frame. Het frame is samengesteld uit aluminium buisprofiel en het boven- en ondergedeelte kan worden gescheiden. Fig. 22 ‘Eye in the Sea’ 7.1.2 Vormvariatie B Het ‘ROBIO’ frame van Oceanlab (Fig. 23) is een meer piramidevormig frame. Het frame staat ook op drie poten. Alleen bij dit frame kunnen de poten niet uitgewisseld worden in tegenstelling tot het ‘Eye in the Sea’ frame. Dit frame wordt in het algemeen door een kabel vanaf het schip naar de bodem gelaten. Hiervoor is het grote oog aan de bovenkant geplaatst. Het is samengesteld uit aluminium buisprofiel Fig. 23 Oceanlab ‘ROBIO’ 25 SAMS Microlander 7.1.3. Vormvariatie C Dit is een eenvoudig frame samengesteld uit koker- of buisprofiel (Fig. 24). Hier wordt een maximale ruimte en bescherming behaald voor de instrumenten. Een nadeel van dit frame is het grote stromingsweerstandoppervlak. Het is echter eenvoudig te construeren. Fig. 24 Vormvariatie C 7.1.4. Vormvariatie D Het frame is wederom opgebouwd uit kokeren/of buisprofiel (Fig. 25). Bij dit frame is de ruimte voor de instrumenten kleiner dan bij het ‘rechte driehoek’ frame, maar daarentegen is het stromingsweerstandoppervlak kleiner Ook kan er minder materiaal gebruikt worden wat het gewicht ten goede komt. Qua constructie is het minder makkelijk als voorgaande frames. Fig. 25 Vormvariatie D 7.1.5 Vormvariatie E Deze vormvariatie (Fig. 26) lijkt op vormvariatie D maar dit keer zijn de profielen over een kortere afstand gebogen zodat er meer ruimte overblijft voor het vastklemmen van de instrumenten. Het stromingsweerstandoppervlak wordt daardoor ook wat kleiner. De constructie komt redelijk overeen met vormvariatie D. Fig. 26 Vormvariatie E 26 SAMS Microlander 7.1.6 Keuzeverantwoording Frameconstructie In onderstaande tabellen 4&5 staan de weegfactoren en keuzeverantwoording. De voorwaarden uit de eerder opgestelde tabel met weegfactoren in hoofdstuk 4.2 zijn aangepast. Voor alle vormvariaties wordt hetzelfde materiaal gebruikt en dus kan de voorwaarde ‘corrosiebestendigheid’ worden weggelaten. Er is gekozen om de instrumenten met een klembeugel aan het frame te bevestigen, daarom is de nieuwe voorwaarde ‘plaats voor bevestiging van klembeugel’ opgenomen. Voorwaarden 1 2 3 4 Totaal (1) 1 1 1 4 2 Instrumenten tussen 0,5 en 1 meter boven zeebodem 0 (1) 0 0 1 3 Als bescherming dienen voor de instrumenten 0 1 (1) 1 3 4 Plaats voor bevestiging van klembeugel 0 1 0 (1) 2 (1) 1 0 2 2 Prijs 0 (1) 0 1 3 Goed verkrijgbaar materiaal en standaard onderdelen 1 1 (1) 3 Functionele voorwaarden 1 bestand tegen stroming van 1 m/s Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces Max. Vormvariatie A Vormvariatie B Vormvariatie C Vormvariatie D Vormvariatie E Eis of criterium Factor Tabel 4 Weegfactoren 4 16 1(x4=4) 4(x4=16) 1(x4=4) 2(x4=8) 3(x4=12) 1 4 2(x1=2) 2(x1=2) 4(x1=4) 4(x1=4) 4(x1=4) 3 12 3(x3=9) 3(x3=9) 4(x3=12) 4(x3=12) 4(x3=12) 2 8 4(x2=8) 4(x2=8) 4(x2=8) 1(x2=2) 2(x2=4) 40 23 35 28 26 32 100% 58% 88% 70% 65% 80% Functionele voorwaarden 1 Bestand tegen stroming van 1 m/s 2 Instrumenten tussen 0,5 en 1 m boven zeebodem 3 Als bescherming dienen voor instrumenten 4 Plaats voor bevestiging klembeugel Totaalscore Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces 3 12 3 (x3=9) 3 (x3=9) 4 (x3=12) 3 (x3=9) 3 (x3=9) 2 Prijs 1 4 2 (x1=2) 3 (x1=3) 2 (x1=2) 3 (x1=3) 3 (x1=3) 3 Goed verkrijgbaar materiaal 2 8 3 (x2=6) 3 (x2=6) 3 (x2=6) 3 (x2=6) 3 (x2=6) 24 17 18 20 18 18 100% 71% 75% 83% 75% 75% Totaalscore Tabel 5 Weegfactoren en keuzeverantwoording 27 SAMS Microlander Fig. 27 Kesselring diagram Aan de resultaten in het Kesselring diagram (Fig. 27) zien we dat vormvariant E het dichtst bij de ideale lijn ligt. Aan de hand van stromingberekeningen (bijlage 5) worden de uiteindelijke dimensies van het frame bepaald. 28 SAMS Microlander 7.2 Combinatie in en op de bodem Omdat het platform gebruikt wordt op plaatsen met een verschillende ondergrond namelijk hard, zacht (sediment) en rotsachtig (koraalriffen), is het wenselijk dat het platform uitgerust kan worden met verschillende soorten poten. Poten met een groot oppervlak voor de zachtere sedimenten (verticale fixatie) en poten voor de harde sedimenten en rotsachtige ondergronden (horizontale fixatie) of een combinatie ervan. Het grote oppervlak is nodig om de oppervlaktedruk van het gewicht van het platform op de bodem te reduceren zodat het niet in het zachte sediment wegzakt en onverhoopt vast komt te zitten. De scherpe uiteinden (spikes) dienen ervoor de kans zo klein mogelijk te maken dat het platform weg kan glijden op zeer harde ondergrond. Er is besloten om deze poten demontabel te maken in verband met het transport van het frame. 7.2.1 Vormvariatie A Gecombineerd Deze gecombineerde uitvoering (Fig. 28) is uitgerust met zowel een plaat en spikes en is dus geschikt voor beide bodemgesteldheden. Fig. 28 Vormvariatie A 7.2.2 Vormvariatie B Apart In het geval van de aparte uitvoering (Fig. 29) kan gekozen worden tussen de gewenste poot al naar gelang de bodemgesteldheid. Fig. 29 Vormvariatie B 7.2.3 Vormvariatie C Gecombineerd geveerd Deze uitvoering (Fig. 30) is hetzelfde als de eerste uitvoering behalve dat deze geveerd wordt bevestigd ten opzichte van het platform. Deze poten kunnen zich beter ‘zetten’ naar de bodem. Als de bodem niet helemaal vlak is kan de schijf zich bewegen om een zo groot en gelijkmatige druk op de bodem te realiseren. Fig. 30 Vormvariatie C 7.2.4 Vormvariatie D Apart geveerd Hier kan ook weer worden gekozen tussen de twee verschillende poten (Fig. 31). Beide worden geveerd bevestigd. Fig. 31 Vormvariatie D 29 SAMS Microlander 7.2.5 Keuzeverantwoording Combinatie in en op de bodem In onderstaande tabellen 6&7 zien we de weegfactoren en keuzeverantwoording. De voorwaarden uit de eerder opgestelde tabel met weegfactoren in hoofdstuk 4.2 zijn wederom aangepast. Er zijn een aantal nieuwe voorwaarden bepaald die betrekking hebben op de poten zoals het gewicht, het gebruiksgemak en de stabiliteit voor het frame. Voorwaarden 1 2 3 4 Totaal (1) 0 0 1 2 Gebruiksgemak 1 (1) 0 2 3 Stabiliteit voor frame 1 1 (1) 3 (1) 1 1 3 2 Prijs 0 (1) 0 1 3 Goed verkrijgbaar materiaal en standaard onderdelen 0 1 (1) 2 Functionele voorwaarden 1 Gewicht Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces Factor Max. Vormvariatie A Vormvariatie B Vormvariatie C Vormvariatie D Tabel 5 Weegfactoren 1 Gewicht 1 4 2(x1=2) 4(x1=4) 1(x1=1) 3(x1=3) 2 Gebruiksgemak 2 8 2(x2=4) 4(x2=8) 1(x2=2) 3(x2=6) 3 Stabiliteit voor frame 3 12 3(x3=9) 3(x3=9) 2(x3=6) 2(x3=6) 24 15 21 9 15 100% 63% 88% 38% 63% Eis of criterium Functionele voorwaarden Totaalscore Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces 3 12 3(x3=9) 3(x3=9) 2(x3=6) 2(x3=6) 2 Prijs 1 4 3(x1=3) 3(x1=3) 2(x1=2) 2(x1=2) 3 Goed verkrijgbaar materiaal 2 8 3(x2=6) 3(x2=6) 2(x2=4) 2(x2=4) 24 18 18 12 12 100% 75% 75% 50% 50% Totaalscore Tabel 7 Weegfactoren en keuzeverantwoording 30 SAMS Microlander In het Kesselring diagram (Fig. 32) zien we dat vormvariatie C en D te laag scoren, omdat de stabiliteit van het frame erg belangrijk is in verband met de audio- en video opnames. Het is van belang dat de kans op trillingen en vibratie van het frame minimaal is dus vallen deze opties af. De keuze is tussen vormvariatie A en B. Beide liggen ongeveer even ver van de ideale lijn. Echter B scoort qua functionaliteit iets hoger dus valt de keuze op die vormvariatie. Fig. 32 Kesselringdiagram 31 SAMS Microlander 8 Uiteindelijk ontwerp Figuur 33 toont het voorlopige ontwerp. Het is een combinatie geworden van: • vormvariatie E van de werkwijze ‘frameconstructies’ • vormvariatie B van de werkwijze ‘in en op de bodem’ • En de werkwijze ‘klem om buis/kokerprofiel’ Fig. 33 Voorlopig ontwerp Om het frame zo licht mogelijk te houden, wordt aluminium buisprofiel 32x3 mm gebruikt. De materiaalsamenstelling is AlMnSi1, ook wel Aluminium 6082 genoemd. Dit is zeewaterbestendig en sterk genoeg om de instrumenten te dragen (zie bijlage 5). Dit materiaal is redelijk tot goed te verkrijgen op de markt, in tegenstelling tot titanium. Aan de hand van de stromingsberekeningen (zie bijlage 4) zijn de platen van de poten verandert om zo de basis van het frame maximaal te kunnen maken. Om het stromingsweerstandoppervlak van het boven gedeelte niet te vergroten wordt een extra bocht in de poten aangebracht en is de hoogte gereduceerd. De stromingsberekening is gebaseerd op een totaalgewicht van 50 kg onder water. Als er een andere (lichtere) instrumentconfiguratie gemonteerd wordt zou deze berekening niet meer kloppen en is de kans groot dat het frame in gebieden met extreme stromingen 32 SAMS Microlander omver wordt geduwd. Om dat te voorkomen is er op de poten een voorziening gemaakt om loden gewichtjes te plaatsen, om het totaal gewicht onder water tot 50 kg aan te vullen. Figuur 34 toont het uiteindelijke ontwerp van de lander met zowel (afneembare) platte poten en ‘spikes’. Ook is goed te zien dat de platen van de poten naar binnen zijn gebracht. Aan de bovenzijde is de ‘T-bar’ (zie bijlage 6) gemonteerd voor het transport met de ROV ‘ISIS’. Om alle instrumenten te kunnen monteren en de ruimte optimaal te benutten zijn er drie extra profielen geplaatst. Fig. 34 Definitief ontwerp 33 SAMS Microlander 9 Extra opdracht 9.1 Geïsoleerd ophangen van de instrumenten Als extra opdracht heeft SAMS gevraagd te kijken hoe de instrumenten goed geïsoleerd in het frame gehangen kunnen worden. Omdat de instrumenten gemaakt zijn van verschillende materialen zoals: aluminium, roestvast staal, duplex en titanium is het belangrijk om de instrumenten geïsoleerd op te hangen ten opzichte van andere metalen van bijvoorbeeld het frame of de klembeugels. Hier wordt een sterke kunststof voor gebruikt, Ertacetal genaamd. Het is een zeer sterke en slijtvaste kunststof, die goed tegen lage temperaturen kan en geen water opneemt. Een groot bijkomend voordeel is dat het nagenoeg dezelfde dichtheid heeft als water en dus gewichtsneutraal is onder water. Hier zijn een aantal vormvariaties voor bedacht. 9.1.1 Vormvariatie A: Kunststof klem bestaande uit één deel De klem in figuur 35 bestaat uit één deel en wordt uit een plaat kunststof gefreesd. Bij deze optie worden de instrumenten in het gat geschoven en daarna wordt door middel van een bout de spleet verkleind waardoor het instrument wordt vast geklemd. Het is een beugel die gemakkelijk gemaakt kan worden. Een nadeel van deze beugel is dat de speling tussen de diameter van het gat en de diameter van het instrument vrij klein is. Vaak zitten er dikke waterbestendige stickers op de instrumenten, dat het inschuiven in de klem bemoeilijkt. Fig. 35 Vormvariatie A 9.1.2 Vormvariatie B: Kunststof klem bestaande uit twee delen Figuur 36 toont de klem die net als de voorgaande optie uit een plaat kunststof wordt gefreesd. De instrumenten worden bij deze klem vast gezet door middel van twee bouten (draadeinden) door en door. Doordat het twee losse delen zijn kan het instrument er eenvoudig in gelegd worden waarna de beide helften weer aan elkaar worden bevestigd. Fig. 36 Vormvariatie B 9.1.3 Vormvariatie C: Klembeugel uit twee delen met inleg De klem in figuur 37 is gemaakt van een metaal zoals bijvoorbeeld aluminium of roestvast staal. De klem bestaat uit twee delen en wordt met behulp van een boutverbinding aan elkaar gezet. Om het instrument te isoleren wordt er van kunststof een inleg in geplaatst. 34 SAMS Microlander De constructie van deze beugels is vrij arbeidsintensief en het gewicht ligt hoger dan de beugels bestaande uit alleen maar kunststof. Fig. 37 Vormvariatie C 9.1.4 Keuzeverantwoording klembeugels In onderstaande tabellen 8&9 zien we de weegfactoren en keuzeverantwoording. De voorwaarden uit de eerder opgestelde tabel met weegfactoren in hoofdstuk 4.2 zijn ook hier aangepast. Er zijn een aantal nieuwe voorwaarden bepaald die betrekking hebben op de klemmen zoals het gewicht, het gebruiksgemak en het stromingsweerstandoppervlak. Voorwaarden 1 2 3 Totaal (1) 1 1 3 2 Gemakkelijk inklemmen instrumenten (gebruiksgemak) 0 (1) 1 2 3 Stromingsweerstandoppervlak 0 0 (1) 1 (1) 1 1 3 2 Prijs 0 (1) 0 1 3 Goed verkrijgbaar materiaal en standaard onderdelen 0 1 (1) 2 Functionele voorwaarden 1 Laag gewicht Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces Factor Max. Vormvariatie A Vormvariatie B Vormvariatie C Tabel 8 Weegfactoren 1 Laag gewicht 3 12 4(x3=12) 4(x3=12) 2(x3=6) 2 Gemakkelijk inklemmen instrumenten (gebruiksgemak) 2 8 1(x2=2) 3(x2=6) 3(x2=6) 3 Stromingsweerstandoppervlak 1 4 2(x1=2) 2(x1=2) 3(x1=3) 24 16 20 15 100% 67% 83% 63% Eis of criterium Functionele voorwaarden Totaalscore Fabricage voorwaarden 1 Maakbaarheid; eenvoudig (snel) productieproces 3 12 3(x3=9) 3(x3=9) 1(x3=3) 2 Prijs 1 4 3(x1=3) 3(x1=3) 2(x1=2) 3 Goed verkrijgbaar materiaal 2 8 3(x2=6) 3(x2=6) 3(x2=6) 24 18 18 11 100% 75% 75% 46% Totaalscore Tabel 9 Weegfactoren en keuzeverantwoording 35 SAMS Microlander Fig. 38 Kesselring diagram In het Kesselring diagram zien we dat de vormvariant C te laag scoort en daardoor afvalt. Vormvariant B scoort zichtbaar het best. Deze manier gaan we gebruiken om de instrumenten geïsoleerd in te klemmen. De vorm van de klemblokken zal nog iets aangepast worden om het stromingsweerstandoppervlak zo klein mogelijk te maken. 36 SAMS Microlander 10 Eindresultaat inclusief extra opdracht Fig. 39 Definitief ontwerp inclusief de drie verschillende instrumenten configuraties en de ‘echte’ aan boord van het Engelse Royal Research Ship (RRS) ’Discovery’ 10.1 Conclusie Het toepassen van methodisch ontwerpen heeft ertoe geleid, dat er een mooi eindproduct (Fig. 39) is ontstaan dat voldoet aan de, door de opdrachtgever, gestelde eisen. Door het definiëren van de functies met daaraan gekoppeld de weegfactoren kon goed worden bepaald wat de meest ideale werkwijzen en/of vormvariaties waren. Door de resultaten van de tabel met keuzeverantwoording weer te geven in het Kesselringdiagram werd dit nog eens extra verduidelijkt. Het Inventor tekenpakket is zeer handig bij het ontwerpproces, omdat er gemakkelijk tussen de klant en de fabrikant kan worden overlegt door bijvoorbeeld 3D modellen te sturen. De klant kan deze dan via de ‘viewer’ bekijken, en eventueel met aanpassingen komen. Uiteindelijk is er een lander ontworpen die voldoet aan de gestelde eisen. Alleen de wens om een extra experimenteerplatform aan de zijkant van de lander te monteren is afgevallen vanwege de beperkte ‘payload’ van de ROV. Het ontwerp is geconstrueerd in de werkplaats van het NIOZ en inmiddels ingezet op de koudwater koraalriffen in de Golf van Mexico. 37 SAMS Microlander 11 Bijlagen Bijlage 1 Potentiele ROV’s en SUB’s Potential deployment platforms Name ROV/SUB Institute Payload (water) Payload (air) Dimensions Kraken ROV University of Conneticut (USA) 50 lbs / 22.65 kg ISIS ROV NERC (UK) 160 lbs / 70 kg Johnson Sea‐link SUB HBOI (USA) 104 lbs / 47.2 kg 204 lbs / 92.6 kg Jago SUB MPI (DE) 444 lbs / 200 kg 30 inch (762 mm) spacing between loading poles Victor ROV IFREMER (FR) 150 lbs / 330 kg 100 lbs / 220 kg Nautile SUB IFREMER (FR) 444 lbs / 200 kg Bijlage 2 Potentiele Instrumentconfiguraties 38 SAMS Microlander Instrumentation dimensions (* closest estimate so far) System Item Digital Still Digital Sills (OE14‐208) Flash (OE11‐242) Oceanlab contoller Video camera (OE15‐ Digital Video 100A) IR LED x2 DVR (Digital Video Recorder) Hydrophone Made by Ben and Ian Current meter (L) Aquadopp 6000m Current meter (H) Aanderaa RCM9 IW Optical Instruments Transmissiometer Potential Configurations Light scattering meter Fluorometer D eployment 1, Digital Stills DH‐4 data logger L (mm) W D (mm) H (mm) (mm) Weight (Air/Water) (kg) 285 209 674 120 101 166 4/0.7 2.05/0.38 43/27.4 247* 149.45* 80 80 2.3*/1* 2.2*/2.2* 503 500 756 595 47 127 256 178 283 100 84 128 32 63 104 93 64 46*/14* ?/4 9.5/5.3 15.49/10* 3.6/2.7 0.3/0.1 1.54/1* 2.6/1 Qty Weight (Air/W Item a ter) (kg) We estimate: 1 4/0.7 Digital Sills (OE14‐208) Frame weight to be approximately 25 kg in air / 20 kg in water. Flash (OE11‐242) 1 2.05/0.38 Clamps and fixings to be approximately 10 kg in air / 8 kg in water Oceanlab contoller 1 43/27.4 Hydrophone 1 ?/4 Current meter (L) 1 9.5/5.3 73.55/37.78 Deployment 2, Digtal Video Total Item Qty Weight (Air/Water) (kg) Video camera (OE15‐100A) 1 2.3*/1* IR LED x2 1 2.2*/2.2* DVR (Digital Video Recorder) 1 46*/14* Hydrophone 1 ?/4 Current meter (L) 1 9.5/5.3 77.2/28.7 Deployment 3, Hydrographic Monitoring Total Item Qty Weight (Air/Water) (kg) Current meter (H) 1 15.49/10* Transmissiometer 1 3.6/2.7 Light scattering meter 1 0.3/0.1 Fluorometer 1 1.54/1* DH‐4 data logger 1 2.6/1 23.53/15.34 Total Bijlage 3 Instrumentmate n 39 SAMS Microlander Bijlage 4 Stromingsberekening Omstroming van een vast lichaam: Fw=Cw*A*1/2*ρV2 "dwars" op de stroom wel symmetrisch, basis: L = 1401 mm Zijaanzicht Vooraanzicht: Input: Stroomsnelheid Soort. Massa V V rho 1.16 2.2 1045 Weerstandscoeff. Frontaal opp. C_w A_fr 1.41 0.445 m/s Nmijl/uur kg/m^3 m^2 kracht N x-arm m 500 0.42 Gewicht in water Stromingsweerstand Pootdruk voor G F_water F_nv Stromingsweerstand F_water 437 N F_nv F_na 0 500 N N F_wv 0 N F_wa check 437 0 N N y-arm m z-arm m 0.48 1.24 Output: Pootdruk voor Pootdruk achter Wrijvingsweerst. voor Wrijvingsweerst. achter Sigma f_x=0 == > min wrijvingscoeff op 1 poot op 2 poten op 1 poot op 2 poten 0.87 poten V_max = V_max, 20% safety = 116 93 cm/s cm/s Macro: ctrl-v = bereken V_max 40 SAMS Microlander Bijlage 5 Sterkteberekening De sterkteberekening is uitgevoerd met materiaalgegevens uit onderstaande tabel (bron: Matweb.com). De kracht is 77.2 kg en staat gelijk aan het totaalgewicht van de zwaarste instrumentconfiguratie boven water (zie bijlage 2). Physical Properties Density Mechanical Properties Metric English Comments 2.70 g/cc 0.0975 lb/in³ AA; Typical Metric English Comments Hardness, Vickers Tensile Strength, Ultimate 95 95 290 MPa 42100 psi Tensile Strength, Yield 250 MPa 36300 psi wall thickness < 5 mm wall thickness < 5 mm Figuur 41 geeft aan dat met een safety factor van 11 de constructie voldoende sterk is. Om tot een betrouwbaar resultaat te komen zijn er vier verschillende berekeningen uitgevoerd. Met normale, fijne en grove ‘mesh’. Daarna is nog eens een berekening gedaan met de convergentiemethode. Fig.41 Safety factor 41 SAMS Microlander Bijlage 6 Werktekeningen 1. Frame Lander a. Frame Lander b. Overzicht Frame Lander c. Onderdelen Frame Lander d. Onderdelen Frame Lander 2. Voet a. Voet b. Overzicht Voet c. Onderdelen Voet 3. Klem a. Klem b. Onderdelen Klem 4. Spike a. Spike 5. T-bar a. T-bar 1#4 2#4 3#4 4#4 1#3 2#3 3#3 1#2 2#2 1#1 1#1 42
