Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng công nghệ CADCAM

CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG Đường kính, bước cánh, củ, cánh và số cánh là các thông số cơ bản của một chong chóng khi hoạt động...  Chong chóng có bước thay đổi Không

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

Chủ nhiệm đề tài : Ths Vũ Thị Thu Trang

Cộng tác: Ths Mai Tuyết Lê

Hải Phòng, tháng 05/2016

ĐẶT VẤN ĐỀ 3

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

1.1 CẤU TẠO CHUNG 5

1.2 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG 5

 Đường kính 5

 Bước 6

 Củ chong chóng 6

 Cánh chong chóng 7

 Số cánh chong chóng 8

1.3 CÁC LOẠI CHONG CHÓNG 9

 Chong chóng bước cố định 9

 Chong chóng có bước thay đổi 11

 Chong chóng dạng ống 12

 Chong chóng Rudder 13

1.4 TỔNG QUAN CHUNG VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ CHONG CHÓNG TÀU THỦY 14

15

CHƯƠNG II MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHONG CHÓNG 19

CHƯƠNG III HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH TRONG KỸ THUẬT 22

3.1 Computational Fluid Dynamics 22

3.2 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 25

CHƯƠNG IV CHẾ TẠO CHONG CHÓNG 30

4.1 Quy trình truyền thống 30

4.2 Tạo mẫu nhanh 31

4.3 Tương lai và phát triển 36

ĐẶT VẤN ĐỀ

Chân vịt tàu thủy là mottj bộ phận vô cùng quan trọng trong hệ thống động lực tàu thủy Nhiệm vụ của chân vịt là biến đổi dòng năng lượng thành lực đẩy giúp vận hành chuyển động của tàu thủy

Sự thống nhất giữa chong chóng tàu thủy và các thiết bị khác trong toàn bộ

hệ trục vô cùng cần thiết để đảm bảo hành trình chuyển động của con tàu Việc thiết kế và chế tạo được một chong chóng tại Việt Nam còn nhiều hạn chế Công nghệ lắp ráp chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của các thợ lành nghề

và các kỹ sư lâu năm Do đó việc sử dụng công nghệ tin học trong thiết kế

và chế tạo chân vịt là vô cùng cần thiết cũng như là hiệu quả cho nền công nghiệp Việt Nam nói chung và nền công nghiệp đóng tàu nói riêng

Việc tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng công nghệ CAD/CAM là phù hợp với yêu cầu đề ra

Thực tế nhận thấy, việc tính toán và thiết kế chân vịt tàu nói chung ở nước

ta hiện nay thường chỉ được thực hiện theo những mẫu chân vịt có sẵn hoặc

sử dụng những chân vịt lắp sẵn theo máy và chế tạo chân vịt theo cách thủ công bằng công nghệ đúc đơn chiếc trong khuôn gỗ hay khuôn cát và tiến hành gia

công trên máy công cụ thông thường Việc chế tạo chân vịt theo công nghệ này có các nhược điểm chính như sau:

 Độ chính xác và độ nhám bề mặt chân vịt thường không đạt yêu cầu,

do đó phải qua giai đoạn gia công tinh và đánh bóng nên mất nhiều thời gian, công sức, phụ thuộc tay nghề công nhân và trong nhiều trường hợp chân vịt có thể không phù hợp chân vịt có thể không phù hợp với tàu

 Để chế tạo ra mỗi chân vịt, trước tiên phải cần chế tạo một chân vịt mẫu và một khuôn đúc nên giá thành còn cao

 Hạn chế việc chế tạo các mẫu chân vịt có đường kính lớn và có yêu cầu độ chính xác cao như chân vịt của các tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v…

 Sau khi chế tạo, không thể sửa chữa được khi chân vịt không phù hợp với tàu thiết kế

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 CẤU TẠO CHUNG

Chân vịt có cấu tạo gồm 2 bộ phận chính: củ chân vịt và cánh chân vịt

Cấu tạo củ chân vịt:

Củ chân vịt là một khối côn trụ thường được đúc liền với cánh, ở giữa củ chân vịt

có lỗ hình côn (hoặc ren) và xẻ rãnh then dùng để lắp vào bề mặt côn của trục chân vịt bằng then

Hình 1 Cấu tạo chung của chong chóng

1.2 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG

Đường kính, bước cánh, củ, cánh và số cánh là các thông số cơ bản của một chong chóng khi hoạt động

Đường kính là một tham số hình học rất quan trọng trong việc xác định lượng điện năng mà một cánh quạt có thể tiêu thụ để cung cấp , do đó việc xác định lực đẩy có sẵn cho động cơ đẩy là vô cùng cần thiết Thông thường đường kính tỉ lệ với hiệu quả của cánh quạt , nhưng trong khoảng tốc độ cao đường kính lớn hơn tương đương tốc độ cao Đối với tàu điển hình là một sự gia tăng nhỏ có đường kính chuyển thành một sự gia tăng đáng kể trong lực đẩy và mô-men xoắn tải trên trục động cơ, do đó đường kính lớn hơn sẽ quay chậm hơn, giới hạn bởi cấu trúc và giá trị động cơ

Hình 2 Đường kính chong chóng lý thuyết và thực tế

Bước là hành trình lý thuyết trong một vòng quay của chong chóng Ví dụ, chong chóng di chuyển 10 inch trong một vòng quay, vì thế bước danh nghĩa của chân vịt

là 10 inch Nó được gọi là bước danh nghĩa vì mặt bước thực tế của chong chóng

sẽ ít hơn so với bước danh nghĩa Sự khác biệt giữa bước danh nghĩa và thực tế được gọi là trượt Bước hiệu quả chuyển đổi mô-men xoắn của trục chong chóng tạo lực đẩy, theo định luật thứ hai của Newton

Củ là đĩa trung tâm vững chắc liên kết giữa trục chong chóng và chong chóng Lý tưởng nhất là các củ có đường kính càng nhỏ càng tốt để có được lực đẩy tối đa ,

tuy nhiên có một sự đánh đổi giữa kích cỡ và sức mạnh Quá nhỏ củ sẽ không đủ mạnh

Hình 3 Củ chong chóng

 Cánh chong chóng

Cánh chong chóng dạng vây xoắn hoặc lá nhô ra từ củ chong chóng Hình dạng của cánh và tốc độ quyết định mô-men xoắn một cánh quạt được có thể cung cấp Chân cánh là nơi cánh gắn liền với các trung tâm, và đầu cánh chong chóng là rìa ngoài cùng của một điểm xa từ trục cánh quạt Phía áp suất cao của cánh được gọi

là mặt mút Đây là mặt mà phải đối mặt phía sau (phía sau) và đẩy tàu chuyển động về phía trước Sự quay của cánh là về phía áp suất thấp hoặc mặt hút của cánh chong chóng Đây là mặt mà phải đối mặt thượng nguồn hoặc hướng về phía trước của tàu

Hình 4 Cánh chong chóng

Số cánh chong chóng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của một chong chóng Tốc

độ, mã lực và tải các yêu cầu cơ bản của tàu lớn dẫn đến cần chong chóng với nhiều cánh Trong việc nghiên cứu thiết kế, số cánh chủ yếu được xác định bởi sự

cần thiết và phải tránh các tần số cộng hưởng có cho kết cấu của tàu và máy móc Cũng thấy rằng cả hiệu quả chân vịt và đường kính cánh quạt sẽ quyết định đến việc tăng hoặc giảm số lượng cánh chân vịt Với việc tăng số cánh diện tích bề mặt tăng lên làm giảm trượt tốc độ chuyển động Bốn và năm cánh chong chóng cũng ảnh hưởng đến việc giảm độ rung và tiếng ồn do một sự cân bằng tốt hơn và gây ra

ít hao phí trên các hệ thống truyền dẫn Thêm cánh chong chóng tuy nhiên thường giảm tốc độ một vài hải lý, nhưng đây là một sự đánh đổi trong quá trình lựa chọn chong chóng

1.3 CÁC LOẠI CHONG CHÓNG

Các chong chóng bước cố định là các chong chóng truyền thống nó là nền tảng của các loại chân vịt cơ bẩn trong những năm qua được sản xuất dưới dạng đơn chiếc hoặc hang loạt Các cánh của một chong chóng có bước cố định có một vị trí cố định Theo quy luật tất yếu hướng quay của chong chóng sẽ thay đổi nếu con tàu chuyển động về phía sau Điều này được thực hiện với một đảo chiều động cơ ly hợp hoặc đảo ngược Các chong chóng cố định có tính kinh tế trong tàu đến 1250KW Đường kính của chong chóng cố định dao động giữa 36 cm và 12 mét

Có hai lợi thế của chong chóng cố định so với chong chóng bước thay đổi Một là chong chóng bước cố định ít bị hư hỏng Và lợi thế khác là các chong chóng không xoay khi cập bến, vì vậy nó không gây ra ít nguy hiểm cho tàu neo đậu và có ít nguy cơ của dây vướng vào các chong chóng

Các vật liệu sản xuất khác nhau đáng kể theo một loạt các thiết kế và kích cỡ Đối với các cánh quạt lớn, đường kính hơn 300 mm, các vật liệu kim loại màu chiếm

ưu thế: tỉ lệ đồng cao cùng với mangan và niken-nhôm Tuy nhiên, thép không gỉ cũng đã đạt được yêu cầu sử dụng Gang, là một trong những vật liệu phổ biến để sản xuất chong chóng trước đây, bây giờ đã gần như biến mất khỏi thị trường Ngoài ra, cho cánh quạt nhỏ sử dụng thường được làm bằng các vật liệu như các polyme, nhôm, nylon và gần đây hơn composite carbon fiber

Hình 5 Chong chóng bước không đổi

 Chong chóng có bước thay đổi

Không giống như chong chóng có bước cố định loại chong chóng thay đổi chỉ hoạt động với biến là tốc độ quay , bước chong chóng thay đổi được cung cấp thêm một mức độ tự do trong khả năng của mình để thay đổi độ cánh Các cánh của loại chong chóng có thể đảo chiều, do đó thay đổi bước chong chóng Cơ chế điều chỉnh bước chong chóng nằm trong củ của chân vịt Nó được kích hoạt từ phòng động cơ, điều khiển từ xa từ cây cầu bằng xi lanh thủy lực Các tính năng nổi bật nhất của chân vịt có bước thay đổi là nó chỉ quay theo một hướng Sức mạnh và lực đẩy đi cần thiết có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi vị trí của cánh Có rất nhiều lợi thế của một chân vịt có bước thay đổi , tuy nhiên, có nhiều phức tạp hơn

so với chong chóng cố định

Hình 6 Chong chong có bước thay đổi

 Chong chóng dạng ống

Chong chóng dạng ôngs như tên của nó, thường bao gồm hai thành phần chính: một ống hình khuyên có một aerofoil cắt ngang để thích ứng với biến đổi dòng chảy Phần thứ hai, chong chóng, và một trường hợp đặc biệt của một chong chóng ống trong đó là các thiết kế của lưỡi đã được chỉnh sửa để phù hợp với tương tác dòng chảy gây ra bởi sự hiện diện của ống bao ngoài Chong chóng bên trong ống, đôi khi được gọi là vòi phun Kort theo như tên của nhà sáng chế ban đầu Công ty động lực tàu thủy Kort và sử dụng lâu dài với kiểu cánh quạt, đã ứng dụng trong nhiều năm mà lực đẩy cao ở tốc độ thấp là cần thiết; thường trong các tàu kéo và kéo lưới Trong trường hợp như vậy, các ống nói chung góp khoảng 50 phần trăm của tổng số lực đẩy của lực đẩy ở tốc độ tàu không: gọi là tình trạng kéo cột dây thuyền Tuy nhiên, đóng góp tương đối của ống rơi với một số tốc độ tàu ngày càng tăng

Hình 7 Chong chóng dạng ống

 Chong chóng Rudder

Các đặc điểm chính của chong chóng bánh lái là khả năng xoay của họ giống như một bánh lái , không bị cản trở , đầy đủ 360 độ Chong chóng bánh lái còn được gọi là ' đẩy azimuthing ' hoặc ' Z - ổ đĩa Để đạt được sự tự do này quay, một góc bên phải hộp dưới nước - gear được thúc đẩy bởi một trục điện dọc Trục điện dọc này là trung tâm trong các cổ phiếu bánh lái Lợi thế quan trọng nhất của một chong chóng bánh lái là khả năng để cung cấp cho sự đẩy tối ưu trong mỗi vị trí bánh lái

Hình 8 Chong chóng Rudder

1.Trục nối với máy chính 2.Hộp số ngang nối với trục thẳng

3.Trục thẳng 4.Hộp số dọc nối với trục ngang 5.Kim

6.Chân vịt bước cố định

1.4 TỔNG QUAN CHUNG VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ

CHONG CHÓNG TÀU THỦY

Trong những năm gần đây, sự phát triển của cuộc sống hiện đại đã tạo ra các thay đổi trong ngành công nghiệp đóng tàu như cải tiến hệ thống động cơ đẩy, hệ thống bôi trơn v.v Đặc biệt, những cải tiến mới có nhiều thuận lợi trong việc thiết kế các

bộ phận của tàu thủy như chong chóng, động cơ chính và việc ứng dụng công nghệ cho phép tạo ra sản phẩm hiệu quả và chi phí thấp Những công nghệ này không chỉ làm giảm thời gian sản xuất mà còn tăng độ chính xác cũng như tuổi thọ cho sản phẩm

Chong chóng truyền lực đẩy bằng cách thay đổi các chiều quay của trục chân vịt vào chong chóng để làm cho di chuyển tàu Trong quá khứ, việc thiết kế phần này đòi hỏi rất nhiều các thông số như đường kính, độ dày cánh v.v Quá trình này mất nhiều thời gian để hoàn thành một bản vẽ và sửa chữa hoàn thành trong trường hợp

nó đã có những sai lầm Ngày nay, các chương trình trên máy tính đóng vai trò chính trong hầu hết các quá trình này, các kỹ sư có thể tiết kiệm thời gian để tạo ra

và điều chỉnh một chân vịt để phù hợp với các yêu cầu của khách hàng của họ mà không cần vẽ một cái mới như thời gian trước đó Hơn nữa sự xuất hiện của các mẫu mô phỏng cho phép khách hàng để xem và chạm vào sản phẩm của mình trong một kích thước nhỏ với ít tiền trong giới hạn dung sai cho phép theo tiêu chuẩn Vì vậy, các mô phỏng của chong chóng thường được sử dụng trước khi sản xuất nó Nếu phần mềm có khả năng làm việc tất cả các công việc bao gồm phân tích, thiết kế, mô phỏng, nó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các kỹ sư và nhà quản lý Quá trình này được làm rõ hơn trong biểu đồ sau:

Sai

Sai Sai

Đúng

Hình 9 Sơ đồ khối quá trình sản xuất chong chóng

Băt đầu với các

và thiết kế

Sử dụng FEA để kiểm tra sức bền

Sức bền đã được chấp nhận

Xuất file STL

và mẫu thử

mô phỏng Kiểm tra

Thông số được thông qua

Sản xuất chong chóng

Đúng Đúng

Lý thuyết về Momen là lý thuyết chính được sử dụng cho chong chóng trong thế

kỷ qua Trong thời gian trước đó, các kỹ sư thiết kế lực tác dụng lên cánh chong chóng và quyết định số cánh theo kinh nghiệm riêng của họ vì vậy nguy cơ bị hư hỏng trong thiết kế là rất cao Sau đó, một lý thuyết dầm đơn giản đã thay thế một

số lý thuyết cơ bản những đầu tiên tuy nhiên nó đã không thực hiện bất kỳ sự cải thiện rõ ràng trong việc tăng độ chính xác của các thông số cánh Trong cuộc sống hiện đại , phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được giới thiệu để phân tích các phần cánh một cách chi tiết và cẩn thận để đảm bảo lực tác dụng

Phương pháp

Kể từ khi các cánh chong chóng đầu tiên được tạo ra theo lý thuyết cánh máy bay vào năm 1910 đến nay đã có nhiều cách thiết kế áp dụng cho các cánh chong

chóng Trong đó, phương pháp lifting line method và panel one là một trong

những phổ biến nhất Các phát minh vào năm 1952 bởi Lerbs, nó có một số bước tương tự như lý thuyết cánh máy bay tuy nhiên Lerbs thêm lực đẩy và mô-men xoắn trong tính toán cùng nhịp cánh Do sự thay đổi mới, tính toán của nó là khá gần với điều kiện tải thực sự của con tàu đó là lý do tại sao nó được phát triển và

sử dụng như là nền tảng cơ bản trong ngành đóng tàu Bên cạnh sau này đã được đưa ra vào năm 1976 quan tâm hơn đến các dòng chảy đó là một trong những điều kiện làm việc đặc biệt của phần con tàu Do sự khác biệt về mật độ giữa không khí

và nước như vậy đã có một số tác dụng về việc sửa đổi thiết kế cánh chong chóng Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, các nhà sản xuất thích phương pháp này vì một

số lợi thế như: đầu tiên nó đòi hỏi ít chi tiết hơn, áp dụng cho các loại cánh chong chóng thông thường cho người thiết kế và tính toán một cách dễ dàng cánh và củ Trong phương pháp này, sức bền chính thu được trong phân tích bền bằng cách sử dụng các lý thuyết dầm đơn giản trong tính toán Đây là loại bền bao gồm bền uốn tạo ra bởi lực đẩy và mô-men xoắn Hai phương trình liên quan đến những thuyết bền này được liệt kê dưới đây

nó ở chỗ nó có thể kết nối trực tiếp với bất kỳ loại phần mềm CAD

nó được bổ sung một số ứng dụng đặc biệt cho các thiết kế cơ khí để lưu trữ các

nhiệm vụ kỹ thuật Đầu tiên là CosmosFlo trình đó là CFD áp dụng cho mô phỏng dòng chảy và thứ hai là comos ứng dụng FEA phân tích ứng suất

Chế tạo chong chóng

Sau khi xác nhận thiết kế bởi CAE , mẫu thử là cần thiết cho việc kiểm tra khả năng của chong chóng trong điều kiện thực tế Các công nghệ CAE mới cho phép một số ứng dụng để thực hiện mô phỏng chong chóng, ước tính kết quả của thử nghiệm Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tốc độ thiết kế để

có được một sản phẩm hoàn thành Tuy nhiên , các mô phỏng là không thể tạo ra tất cả các tình huống có thể xảy ra trong thực tế đời sống cho nên đó là lý do tại sao các kỹ sư sử dụng các mẫu thử thực tế trong những bước cuối cùng Các loại mẫu thử có thể phản ánh chính xác hơn về các chức năng và hoạt động của chong chóng vượt ra khỏi khả năng của các mô phỏng Kết quả là , các chong chóng thường được chế tạo sau khi mô phỏng để có được kết quả đáng tin hơn

CHƯƠNG II MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHONG CHÓNG

Mặc dù lịch sử của chong chóng tàu thủy bắt ddaauff từ thời cổ đại với các thiết bị như tuốc bin nước và cối xay gió, công nghệ thiết kế chong chóng hiện đại chỉ thực

sự xuất hiện cho đến đầu thế kỷ XX với sự phát triển của lý thuyết tiên tiến khí động học Tại thời điểm đó, quá trình thiết kế chủ yếu liên quan đến sử dụng phương trình cơ bản dòng chảy, các mối quan hệ thực nghiệm và chuyên môn kỹ thuật để có được những thiết kế tốt nhất bằng giấy và bút chì Với sự ra đời của máy tính và tăng nhanh sức mạnh tính toán sau này trong thế kỷ này, máy tính hỗ trợ thiết kế đã trở thành một tiêu chuẩn cho thiết kế thực hành

Sự phát triển của các phần mềm thiết kế chong chóng đặc biệt đã giải phóng các kỹ

sư từ các bản vẽ thiết kế rộng lớn và vô số các tập tin Trong dự án này, thương mại hóa phần mềm thiết kế cánh quạt PropExpert và PropCad (được phát triển bởi HydroComp, Inc) sẽ được đưa ra làm ví dụ để minh họa CAD đã đơn giản hóa quá trình thiết kế cánh quạt

Quá trình thiết kế cánh quạt có thể được đơn giản hóa thành hai bước chính:

- Xác định kích thước thích hợp thủy động lực học và hình dạng

- Tạo các bề mặt cánh và dữ liệu thiết kế chong chóng

Bước 1.Xác định kích thước thích hợp thủy động lực học và hình dạng

Kỹ sư dụng một tập hợp các thông số cánh quạt để đại diện cho các bề mặt cánh

và các thông số này bao gồm cả các thông số đầy đủ và chi tiết thông số đầy đủ (như phần số cánh, đường kính) xác định kích thước tổng thể và hình dạng từ quan điểm của các phần cánh 2D Thông số chi tiết (như nghiêng, phân phối dày vv) thường xác định những nơi mà các phần cánh 2D được đặt trong không gian, cũng như xem xét đến các yếu tố rung động, sức bền và sản xuất

PropExpert là một công cụ phần mềm để tính kích thước và phân tích các chong chóng cho Workboat Nó được thiết kế để cung cấp thông tin đáng tin cậy với số lượng dữ liệu thân tàu là tối thiểu và chủ yếu sử dụng bởi các nhà cung cấp động

cơ, bánh răng và chong chóng Hình cho thấy các cửa sổ PropExpert nhập vào các thông tin tàu và hình là giao diện PropExpert cho chong chóng

Hình 10 Các thông số của chong chóng

Bước 2.Tạo bề mặt cánh và dữ liệu thiết kế chong chóng

Dựa trên các phân tích với PropExpert, chúng ta sẽ biết các thông số hoàn chỉnh của chong chóng và có thể tiến hành việc tạo ra các bề mặt cánh 2D và 3D và dữ liệu thiết kế cánh quạt Đặc biệt PropCad là cần thiết để có những thông số và thiết

kế không đổi cũng như là phát triển các tài liệu liên quan thiết kế bề mặt cánh và chong chóng

PropCad là nguồn hình thành tài liệu thiết kế chong chóng và bề mặt cánh Nó tạo

ra các bản vẽ thiết kế chong chóng thông thường (xem hình) và các bảng số liệu

Nó cũng phát triển một khái niệm đầy đủ về hình dáng 3D của các bề mặt cánh thủy động lực (Hình cho thấy các thiết kế 3D) và có thể gói dữ liệu này để xuất khẩu sang CAD thông thường, CAM và phần mềm mô phỏng PropCad cung cấp