Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC PHẠM VĂN BẠCH NGỌC MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CƠ HỌC

PHẠM VĂN BẠCH NGỌC

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC

VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CƠ HỌC

PHẠM VĂN BẠCH NGỌC

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC

VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN

Chuyên ngành: CƠ HỌC VẬT THỂ RẮN

Mã số: 60.44.21

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM ANH

TUẤN

Hà Nội - 2005

LỜI CẢM ƠN

Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn là một bài toán phức tạp Trên thế giới thiết bị lặn đã được sử dụng phổ biến trong khoa học đặc biệt trong nghiên cứu biển, tuy nhiên giá thành của một bộ thiết bị lặn này khá cao, nên việc ứng dụng tại Việt Nam là chưa phổ biến Với khả năng của Khoa học Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo thiết bị lặn này là việc làm hoàn toàn có thể thực hiện được Với tham vọng chế tạo được một thiết bị lặn tại Việt Nam, được sự hướng dẫn khoa học của TS Phạm Anh Tuấn công tác tại Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, và sử dụng các kết quả nghiên cứu của giáo

sư Kreuzer, tác giả đã thực hiện đề tài tốt nghiệp cao học: “Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn” đây là bước khởi đầu cho việc chế tạo thiết

bị lặn sau này Để thực hiện đề tài này tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng

động lực học hệ nhiều vật alaska

Nhân đây tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phạm Anh Tuấn và TS Trần Thu Hà những người đã hướng dẫn khoa học để tác giả có thể hoàn thành được luận văn này Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong Trung tâm đào tào và bồi dưỡng Cơ học - Viện Cơ học, các đồng nghiệp Viện Cơ học và đặc biệt các đồng nghiệp tại phòng Cơ điện tử đã động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp

Luận văn này, tác giả mới giải quyết bài toán chuyển động đồng thời trong không gian 3 chiều của thiết bị lặn, tuy nhiên bài toán còn một số vấn đề chưa được giải quyết triệt để Vì vậy tác giả rất mong nhận được sự đóng góp

ý kiến của các nhà khoa học, các thầy cô và các đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn

Hà nội, ngày 31 tháng 07 năm 2005

Tác giả

Phạm Văn Bạch Ngọc

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 4

DANH MỤC VIẾT TẮT 6

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN 9

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển thiết bị lặn trên thế giới 9

1.2 Cấu tạo và ứng dụng của thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu tạo của thiết bị lặn [17] Error! Bookmark not defined 1.2.2 Ứng dụng của thiết bị lặn Error! Bookmark not defined.

Chương 2 TÍNH NĂNG VÀ CẤU TẠO CỦA MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ

LẶN PHỔ BIẾN TRÊN THẾ GIỚI Error! Bookmark not defined 2.1 Thiết bị lặn không có người vận hành [15]Error! Bookmark not defined.

2.1.1 Thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROVError! Bookmark not

defined.

2.1.2 Thiết bị lặn vận hành tự động AUVError! Bookmark not defined.

2.2 Thiết bị lặn có người quan sát - HOV Error! Bookmark not defined 2.3 Phân tích một số chi tiết chính của thiết bị lăn ROV [17] Error!

Bookmark not defined.

2.3.1 Dây dẫn Error! Bookmark not defined 2.3.2 Động cơ đẩy Error! Bookmark not defined 2.3.3 Camera Error! Bookmark not defined 2.3.4 Hệ thống Laser Error! Bookmark not defined 2.3.5 Hệ thống siêu âm Error! Bookmark not defined 2.3.6 Tay máy Error! Bookmark not defined 2.3.7 Sensor đo độ sâu Error! Bookmark not defined

Chương 3 MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ

LẶN Error! Bookmark not defined 3.1 Ma trận quay [12] Error! Bookmark not defined

3.1.1 Thành lập ma trận quay Error! Bookmark not defined 3.1.2 Góc Euler Error! Bookmark not defined 3.2 Phần mềm mô phỏng động học và động lực học [11]Error! Bookmark

not defined.

3.2.1 Các phân tích tuyến tính Error! Bookmark not defined 3.2.2 Các phân tích phi tuyến Error! Bookmark not defined 3.3 Mô phỏng động học và động lực học dây dẫnError! Bookmark not

defined.

3.3.1 Mô hình dây dẫn bằng phần mềm alaskaError! Bookmark not

defined.

3.3.2 Ngoại lực tác dụng lên dây dẫn Error! Bookmark not defined

3.3.2.1 Lực và Mô men của dòng chảy tác dụng lên một phần tử dây

dẫn theo 3 trục OX, OY và OZ Error! Bookmark not defined 3.3.2.2 Lực đẩy acsimet tác dụng lên một phần tử dây dẫn Error!

Bookmark not defined.

3.3.3 Một số kết quả mô phỏng dây dẫn Error! Bookmark not defined 3.4 Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn và dây dẫn Error!

Bookmark not defined.

3.4.1 Phân tích quá trình họat động của thiết bị lặnError! Bookmark not defined.

3.4.2 Phương trình chuyển động của thiết bị lặnError! Bookmark not

defined.

3.4.2.1 Phương trình động học của thiết bị lặnError! Bookmark not

defined.

3.4.2.2 Phương trình chuyển động học của thiết bị lặn Error!

Bookmark not defined.

3.4.3 Ngoại lực tác dụng lên thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 3.4.3.1 Lực do môi trường tác dụng lên thiết bị lặnError! Bookmark

not defined.

3.4.3.2 Lực đẩy của động cơ đẩy Error! Bookmark not defined 3.4.3.3 Lực đẩy Acsimet Error! Bookmark not defined

3.4.4 Kết quả mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn Error!

Bookmark not defined.

3.4.4.1 Quỹ đạo hoạt động của thiết bị lặn có dạng như hình 3.20

Error! Bookmark not defined

3.4.4.2 Quỹ đạo hoạt động của thiết bị lặn có dạng như hình 3.33

Error! Bookmark not defined 3.5 Nhận xét Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

1 Các kết quả đã đạt được Error! Bookmark not defined

2 Hướng nghiên cứu tiếp theo Error! Bookmark not defined Danh mục các công trình đã công bố Error! Bookmark not defined

Tài liệu tham khảo 11

Phụ lục Error! Bookmark not defined

DANH MỤC VIẾT TẮT AUV: Autonomous Underwater Vehicle

ROV: Remote Operation Vehicle

HUV: Human Underwater Vehicle

UV: Underwater Vehicle

UUV: Unmanned Underwater Vehicle

HOV: Human Occupied Vehicles

MỞ ĐẦU

Trái đất có khoảng 30% diện tích bề mặt là đất phần còn lại chiếm tới 70% diện tích là ngập nước Trong khi phần lớn diện tích mặt đất đã được con người khám phá, khai thác, tìm hiểu và đánh giá rất chi tiết thì phần lớn diện tích môi trường ngập nước mới đang được con người khám phá đặc biệt là môi trường biển Do vậy việc thiết lập một bản đồ chi tiết về tài nguyên cũng như bề mặt đáy biển chưa được con người thực hiện Khi dân số trên thế giới tăng lên thì sự tiêu huỷ nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng tăng lên Chính vì những lý do đó mà việc khám phá, tiềm hiểu những khu vực chưa được khám phá này trở nên rất cần thiết Đối với con người sự hiểu biết một cách rõ ràng

và kiểm soát được môi trường là điều rất quan trọng và có thể trở thành hiện thực nếu được trợ giúp của các nhà khoa học và các thiết bị nghiên cứu tiên tiến

Nghiên cứu biển đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam cả về mặt dân sinh và an ninh quốc phòng Một đất nước có bờ biển dài trên 3000km và một diện tích rất lớn sông, hồ, đầm lầy…, nơi có một lượng lớn động vật, thực vật

và tài nguyên còn chưa được tìm hiểu Môi trường nước này cần được tìm hiểu vì nó không chỉ có duy nhất và không thể thay thế mà còn để bảo vệ và gìn giữa tài nguyên thiên nhiên nơi mà hàng năm còn mang về một nguồn ngoại tệ lớn cho đất nước Hiện nay việc khám phá và tìm hiểu nguồn tài nguyên dưới nước bằng các công cụ thô sơ, và thợ lặn là việc làm không thực

tế, sử dụng thợ lặn gặp nhiều rủi do và nguy hiểm hơn nữa khả năng lặn sâu

và làm việc dưới nước của con người bị hạn chế Đối với các công trình biển cần thường xuyên được giám sát như các giàn khoan dầu khí trên biển, đường ống dẫn dầu, đường dây dây dẫn quang,… thì việc xử dụng thợ lặn là hoàn toàn không khả thi và không có khả năng thực hiện Chính vì vậy, sự trợ giúp

của các công cụ nghiên cứu, giám sát hiện đại là việc làm tất yếu, đó chính là một trong những lý do quan trọng để phát triển các thiết bị lặn - UV

Hiện nay, trên thế giới có nhiều dạng thiết bị lặn khác nhau như: thiết

bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV- , thiết bị lặn liên lạc với tầu mẹ bằng sóng siêu âm - AUV, HOV… tất cả các dạng tầu lặn đó đều có những ưu việt

và đặc trưng riêng và được ứng dụng trong các mục đích cụ thể Một trong những ưu việt chung của thiết bị lặn chính là khả năng vận hành tự động của chúng, chúng có thể hoàn thành nhiệm vụ của mình một cách tự động không cần đến sự điều khiển trực tiếp của con người mà thông qua hệ thống các lệnh điều khiển do con người thiết lập sẵn Ngoài ra thiết bị lặn còn có khả năng làm việc trong môi trường nước và ở độ sâu lớn hơn so với con người Một thiết bị lặn tiêu chuẩn bao gồm: Phần mềm điều khiển, hệ thống tự động hoá,

và các cơ cấu chấp hành cùng các thiết bị phụ khác, đây chính là một dạng sản phẩm Cơ điện tử Xu hướng hiện nay của các nhà khoa học là đưa các sản phẩm công nghệ cao vào ứng dụng trong cuộc sống, các dạng sản phẩm của

Cơ điện tử cũng không nằm ngoài xu hướng đó Hơn nữa hiện nay tác giả đang công tác và làm việc tại Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học nên đây chính

là các lý do mà tác giả chọn nghiên cứu thiết bị lặn, mà trước tiên bằng việc tìm hiểu, mô phỏng động học và động lực học của thiết bị lặn bằng phần mềm

mô phỏng cơ học hệ nhiều vật alaska

Trong phạm vi của luận văn này tác giả đề cập đến thiết bị lặn có dây dẫn được nối với tầu mẹ trong quá trình hoạt động - ROV Thiêt bị lặn ROV

sẽ dễ dàng hơn các thiết bị lặn khác trong việc điều khiển và cung cấp năng lượng trong quá trình hoạt động, do việc liên lạc giữa ROV và trung tâm điều khiển trên tầu mẹ thông qua một dây dẫn Việc sử dụng thiết bị lặn này sẽ phù hợp với khả năng chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam là phù hợp nhất

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN

1.1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển thiết bị lặn trên thế giới

Phần lớn các mẫu thiết bị lặn ngày nay đều được thiết kế dựa trên các mẫu thiết bị lặn được thiết kế vào năm 1930 và mô hình tầu ngầm quân sự, nhưng nó không thể hoạt động được tại các độ sâu lớn, đó chính là hạn chế lớn nhất của các thiết bị lặn được chế tạo từ những năm 1930 của thế kỷ trước Những mẫu thiết kế đầu tiên cho thiết bị lặn đó là dạng hình cầu, tuy nhiên những mẫu thiết kế này luôn tồn tại sự nguy hiểm, việc điều khiển thiết

bị lặn này luôn đặt trong tình trạng nằm ngoài khả năng kiểm soát của con người Thiết bị lặn loại này được liên lạc với tầu mẹ bằng một hệ thống tời kéo, và các hệ thống đảm bảo an toàn khác như hệ thống dẫn khí, hệ thống cân bằng áp suất…

Hình 1.1: Thiết bị lặn dạng hình cầu Thiết bị lặn tự hành được phát triển và cải tiến trong suốt thập niên

1950 đến nay các thiết bị lặn được trang bị hoàn thiện hơn, đó chính là kết

quả của việc cải tiến công nghệ và đồng thời đáp lại yêu cầu của các nhà khoa học trong việc nghiên cứu môi trường biển Để có thể quan sát trực tiếp và đo đạc, giám sát được đáy biển ngày nay thiết bị lặn được trang bị các máy quay camera, các tay robot, các cảm biến, và các thiết bị phụ trợ khác Ngoài mục đích phục vụ nghiên cứu khoa học ra thiết bị lặn này còn có thể tìm kiếm các thiết bị đã mất, phục vụ trong du lịch và phục vụ trong cứu hộ trên biển

Năm 1954 một thiết bị lặn tự hành loại này đã được chế tạo và thử nghiệm thành công bởi Auguste Piccard, nó được dùng để thăm dò vùng biển sâu và khắc phụ được các hạn chế của các mẫu thiết bị lặn trước đây Thiết bị lặn loại này thực tế mà nói nó gần giống như một kinh khí cầu hoạt động dưới nước

Hình 1.2: Thiết bị lặn Trieste II Năm 1960 phiên bản thứ 2 của thiết bị lặn ra đời có tên là Trieste II, nó

có thể mang theo 2 người trong quá trình làm việc, có khả năng lặn sâu tới 30,580ft (hay 10,900 m) và lập nên một kỷ lục về khả năng lặn sâu của thiết

bị lặn Một trong những điều gây ấn tượng mạnh nhất đó chính là thiết bị lặn

Tài liệu tham khảo

[1] Hồ Quang Long “Sổ tay thiết kế tầu thủy” Nhà xuất bản khoa học và kỹ

thuật

[2] Nguyễn Xuân Hùng “Động lực học công trình biển-Dynamics of offshore Structures” Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc

gia

[3] S.K Chakarabarti “Hydrodynamics of offshore structures”

Computational Mechanics Publications Southampton Boston

[4] Michael S Triantafyllou, Franz S Hover “Maneuvering and control of marine vehicle” Department of Ocean Engineering, Massachusetts

Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts USA

[5] E.Kreuzer, N.Q Hoang, W, Bessa “ROV Research at Mechanics and Ocean Engineering”, Technical Universty Hamburg-Haburg

[6] Edwin Kreuzer and Fernando C Pinto “Controlling the Position of a Remotely Operated Underwater Vehicle” Technical Universty

Hamburg-Haburg, Ocean Engineering Section II Hamburg Germany

[7] Ferial El-Hawary, “The Ocean Engineering handbook”, B.H

Engineering Systems Ltd, Halifax, Nova Scotia, Canada

[8] Minoo H.Patel, “Dynamics of offshore structures” Reader in

Mechanical Enginerring, Universty College, London

[9] W Kleczaka, Edwin Kreuzer “On the mathematical modeling of ROV”

Robot control syroco 1991 Vienna Austria

[10] N.Kato “Underwater Towed vehicle Maneuverable in both vertical and Horizontal axis” The proceeding of the first International offshore and

polar engineering conference, Endinburgh, The United kingdom

[11] “Alaska User Manual, Version 3.0, Simulation Tool in Multibody System Dynamics” Institute of Mechatronics, Inc at the Technical University

Chemnitz, Germany

[12] Ahmed A Shabana “Dynamics of Multibody systems” University of

Illinois at Chicago Cambridge University Press

[13] L M Milne, Thomson.C B E “Theoretical hydrodynamcis” Th

Macmillan Company, New York

[14] S VanZwieten Tannen “Dynamic simulation and control of an autonomous surface vehicle” Florida Atlantic University

[15] Singiresu S Rao “Mechacnical Vibrations” Predue University

[16] http://www.mil.no/felles/ffi/hugin/start/program/AUV/

[17] http://www.diveweb.com/uw/archives/arch/mayjune00.03.shtml

[18] http://www.rov.org/student/education.cfm

[19] http://www.diveweb.com/uw/archives/arch/mayjune00.03.shtml