Tính toán thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điểu khiển của robot lặn

Nguyên lý hoạt động của robot được chia thành 02 loại: một loại hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes; và một loại hoạt động theo nguyên lý thủy động lực học của một vật chuyển

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguyễn Văn Nhu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGUYỄN VĂN NHU

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ KHẢO SÁT HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT LẶN

Chuyên ngành: kỹ thuật cơ khí động lực

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS LÊ QUANG

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

HV Nguyễn Văn Nhu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN 8

1.1 Tổng quan về robot lặn 8

1.1.1 Khái niệm robot lặn 8

1.1.2 Sự phát triển của robot lặn 8

1.2 Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn 13

1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn 14

1.4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn 15

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ROBOT LẶN 16

2.1 Động lượng – momen động lượng và động năng của vật rắn 16

2.1.1 Động lượng của vật rắn 17

2.1.2 Ma trận momen quán tinh khối của vật rắn 17

2.1.3 Momen động lượng của vật rắn đối với tâm O thuộc vật 19

2.1.4 Động năng của vật rắn 21

2.2 Thiết lập phương trình động lực học của vật rắn 23

2.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động lượng và momen động lượng 23

2.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động năng 24

2.2.3 Biểu diễn dạng ma trận phương trình vi phân chuyển động của vật rắn 30 2.2.4 Tính lực tác dụng lên Robot lặn 32

2.2.5 Phương trình chuyển động trên robot lặn 35

2.2.6 Các trường hợp riêng 37

CHƯƠNG 3 TUYẾN HÌNH, BỐ TRÍ CHUNG, ĐƯỜNG CONG THỦY LỰC VÀ BONJEAN 39

3.1 Một số nguyên tắc chung trong xây dựng tuyến hình robot lặn 39

3.2 Tuyến hình robot lặn và các thông số cơ bản và bố trí chung 40

3.3 Đường cong thủy lực, đường cong Boonjean và ổn định 43

3.4 phương trình chuyển động của robot lặn 48

3.4.1 Khi robot chuyển động ngang trong nước 48

3.4.2 Khi robot muốn di chuyển lên trên 49

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG CFD KHẢO SÁT SƠ BỘ BIÊN DẠNG ROBOT LẶN 50

4.1 Mô phỏng số động lực học dòng chảy 50

4.1.1 Khái niệm về CFD 50

4.1.2 Ưu nhược điểm của CFD 51

 Hạn chế 51

4.1.3 Các lĩnh vực áp dụng CFD hiện nay 52

4.1.4 Các bước mô phỏng và tính toán trên phần mềm Fluent 52

4.2 Ứng dụng mô phỏng tính toán khảo sát biên dạng robot lặn 54

4.2.1 Mô hình hình học và chia lưới 54

4.2.2 Phương pháp tính toán và điều kiện biên 56

4.2.3 Điều kiện biên 58

4.2.4 Kết quả mô phỏng 58

4.2.5 Đồ thị giữa lực cản và vận tốc tại các vị trí khác nhau 61

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

Kết luận 69

Kiến nghị 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

C Ma trận chứa các lực ly tâm và lực quán tính coriolis

T(t) Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất

M Ma trận khối lƣợng của robot lặn

J0 Ma trận moment quán tính khối tâm của vật

Ω vector vận tốc góc của vật rắn

Vp0 vector vận tốc góc của vật rắn P trong hệ qui chiếu cố định R0

ap0 vector gia tốc góc của vật rắn P trong hệ qui chiếu R0

E Nhiệt dung riêng của chất lỏng,

Keff Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng,

Gk Sự phát sinh năng lƣợng động học rối do gradien vận tốc trung bình,

Gb Sự phát sinh năng lƣợng động học do sức nổi,

YM Thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén được,

C1, C2 Các hằng số (C1=1,44; C2=1,92),

C3 Thể hiện mức độ chịu ảnh của  vào sức nổi,

k;  Số Prandtl rối của k và  (k=1; =1,3),

Sk; S Đại lượng do người dùng định nghĩa

MỞ ĐẦU

Hiện nay, tình hình thế giới đang diễn biến phức tạp Dân số thế giới tăng nhanh, các nguồn dữ trữ về tài nguyên, khoáng sản, nhiên liệu trên đất liền ngày càng trở lên cạn kiệt Các nguồn dự trữ tự nhiên này đã và đang trở thành nguyên nhân sâu xa xủa các cuộc tranh chấp và can thiệp thô bạo của một số nước phát triển đối với các nước có nguồn dự trữ lớn (Iraq, Libia,…) Địa bàn tranh chấp hiện nay không dừng lại ở trên bộ mà đã và đang diễn ra trên biển nơi có trữ lượng tài nguyên lớn gấp nhiều lần so với trên đất liền Các cường quốc trên thế giới đang đẩy mạnh sự hiện diện và khẳng định chủ quyền của mình trên các vùng biển, nơi

có nhiều dự trữ tài nguyên Việt nam cũng không nằm ngoài vòng xoáy này Nổi cộm gần đây là các xung đột giữa Trung Quốc và các nước thuộc khu vực Biển Đông, khi chính phủ Trung Quốc tuyên bố chủ quyền của mình với hầu hết diện tích Biển Đông, coi đây là sân nhà của mình, vi phạm trắng trợn và thô bạo chủ quyền của các nước trong khu vực Trong bối cảnh hiện nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước không thể thiếu các nguồn tài nguyên thiên nhiên Để đáp ứng được yêu cầu này, trong bối cảnh dự trữ trên đất liền đang ngày càng hiếm, con đường tất yếu là đẩy mạnh nghiên cứu và khai thác trong đại dương và trên thềm lục địa Ngoài ra, để phát triển bền vững trong hòa bình và lãnh hải trước sự can thiệp của thế lực bên ngoài chúng ta cần cũng có phương tiện chiến tranh phù hợp Một trong các phương tiện phục vụ cho nghiên cứu, khai thác và bảo vệ lãnh hải đó là tàu ngầm quân sự và các phương tiện lặn khác

Robot lặn và các phương tiện lặn khác đã được phát triển và sử dụng rộng rãi trên thế giới trong cả lĩnh vưc dân sự và quân sự Trong dân sự, chúng được sử dụng để nghiên cứu và thăm dò đáy biển, nghiên cứu đại dương, trong công nghiệp khai thác dầu khí và khoáng sản trên thềm lục địa, vào mục đích du lịch… Số lượng robot lớn nhất tập trung trong lĩnh vực quân sự Các cường quốc hải quân không ngừng cải tiên nhằm chế tạo được robot với nhiều tính năng ưu việt như giảm khả năng bị phát hiện, tốc độ…

Tại Việt nam, số lượng robot hiện đại không nhiều Hiện tại, chúng ta chưa

có khả năng tự thiết kế và chế tạo robot

Mục tiêu của đề tài: Tính toán, thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điều khiển

cho robot lặn

Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tìm hiểu các loại thiết bị lặn trên thế giới làm cơ sơ cho tính toán Sử dụng phối hợp phương pháp thiết kế với lý thuyết và kỹ thuật điều khiển, lý thuyết tàu, cơ học chất lỏng kết hợp với sử dụng các phần mềm mô phỏng Nghiên cứu thủy động lực học robot và hệ thống điều khiển chuyển động

CHƯƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ ROBOT LẶN

mà ta có thể chia ra làm ba loại: Tàu ngầm có điều khiển (Submarine), Phương tiện lặn tự động điều khiển (AUV – Autonomous Underwater Vehicle) và phương tiện lặn điều khiển từ tàu mẹ (ROV – Remotely Operation Vehicle)

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của robot được chia thành 02 loại: một loại hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes; và một loại hoạt động theo nguyên lý thủy động lực học của một vật chuyển động trong dòng chất lỏng (giống máy bay) Tuy nhiên,

do giới hạn về thời gian và định hướng của đề tài nghiên cứu nên chỉ đề cập tới loại robot hoạt động theo nguyên lý của định luật Acsimes, đó là bất cứ một vật nào chìm trong nước, đều chịu một lực đẩy, thẳng đứng, hướng lên trên và có độ lớn đúng bằng phần chất lỏng mà vật đang chiếm chỗ

1.1.2 Sự phát triển của robot lặn [14]

1.1.2.1 nghiên cứu về robot lặn trên thế giới

Robot lặn đã được nghiên cứu ở hầu hết các quốc gia trên thế giới như ( Mỹ, Nhật, Nga, Trung quốc…) ban đầu từ các trường đại học rồi dần dần đến các công

ty nghiên cứu và phát triển thành các sản phẩm thương mại phục vụ cho nghiên cứu biển và các công tác quốc phòng

Robot lần đầu tiên được biết đến bởi nhà toán học người Anh William Bourne Ông đã công bố thiết kế của mình vào năm 1578; một loại phương tiện bằng gỗ được bọc bằng da không thấm nước có thế ngập nước bằng cách giảm tổng khối lượng, ý tưởng này được thực hiện bởi một thủy thủ người Hà Lan Dutchman

Cornelius Drebbel trong năm 1620 Tuy nhiên, cho đến năm 1776 một loại robot hải quân mới được đưa vào hoạt động David Bushnell đã thiết kế một chiếc robot để đưa vào chiến tranh nước Mỹ giành độc lập Một chiếc robot hình quả trứng nhỏ bằng gỗ liên kết với nhau bằng dây đai có thể hạ xuống một người bằng van điều hành nhận nước vào két và bơm để đẩy nước Mặc dù sự phát triển robot vào thế kỷ

16, lần đầu tiên một phương tiện không người lái được thiết kế bởi hải quân Hoa Kỳ vào năm 1958 Robot được điều khiển bằng một dây cáp và được sử dụng để nghiên cứu robot USS Threster trong năm 1963 đến năm 1966 được sử dụng để tìm kiếm bom hạt nhân bị mất tại vùng biển tây ban nha Hải quân mỹ đã tập trung nghiên cứu kỹ thuật robot dưới nước trong thập niên 1960 Công nghệ này lần đầu tiên được thương mại hóa sử dụng UUV để khám phá dầu mỏ và khí đốt ngoài biển bắc Những khám này được thực hiện bởi một phương tiện từ xa ROV ROV hiện nay vẫn còn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ngoài khơi nhưng Robot tự động UUV dần được phổ biến

Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều trường đại học, viện nghiên cứu và các công ty đang nghiên cứu và chế tạo UUV với hình dạng khác nhau

Đó là robot Aqua, là một robot hình dạng rái cá, thân hình nhỏ, nhanh nhẹn, với cấu tạo chân chèo thay vì cánh quạt Robot được thiết kế để thu thập những dữ liệu phức tạp từ các vụ đắm phép Aqua có thể tự do di chuyển mà không cần dây điều tàu và tìm kiếm các rạn san hô Các nhà nghiên cứu ĐH York (Canada) đã chế tạo một bộ điều khiển chống thấm nước cho khiển Các thiết bị của Aqua sẽ không thấm nước ở độ sâu 18m: nhôm cùng một lớp acrylic sẽ bao phủ bảo vệ thiết bị máy tính Giáo sư Michael Jenkin, ĐH York, cho biết điều tra tàu đắm là một hoạt động rất tinh tế, thợ lặn - robot cần có khả năng phản ứng nhanh với những thay đổi của môi trường Ông nói: "Việc cắt bỏ các dây trên robot dưới nước từ lâu là một thách thức đối với các nhà khoa học Nước cản trở tín hiệu vô tuyến, cản trở giao tiếp không dây truyền thống qua modem Bên cạnh đó, giao tiếp qua dây vừa cồng kềnh, vừa không an toàn cho người thợ lặn".Với Aqua, ở dưới nước, thợ lặn có thể lập

trình thiết bị hiển thị các thẻ trên màn hình, như mã vạch trên điện thoại Camera trên robot sẽ quét những thẻ này theo hai chiều để nhận và thực hiện mệnh lệnh

Vào năm 2008 Trung Quốc cũng hoàn tất việc lắp ráp robot lặn được điều khiển bằng tay đầu tiên của nước này

UUV là cách gọi chung của cả ROV và AUV Sự khác nhau giữa AUV và ROV là dạng ROV có nhiều loại kết cấu khác nhau( khối hộp, dạng cầu, dạng khung…) và được trang bị các thiết bị phụ trợ khác như camera, thiết bị chiếu sáng, cánh tay với dụng cụ có thể thao tác được dưới nước…việc cung cấp năng lượng và truyền tin từ tàu mẹ tới ROV được thực hiện nhờ dây cáp Mặc dù bị hạn chế về phạm vi hoạt động do phụ thuộc vào chiều dài dây cáp, tuy nhiên thời gian hoạt động của ROV không bị hạn chế Thông qua màn hình đội điều khiển sẽ điều khiển bằng các cần điều khiển (Joystick)

Dạng AUV không có dây nối với tàu mẹ Các thiết bị sử dụng năng lượng trực tiếp từ ắc qui lắp trên tàu AUV sẽ làm việc theo một chương trình được lặp trình sẵn, thông thường chúng được sử dụng như một camera di dộng Thời gian và phạm vi hoạt động phụ thuộc vào năng lượng nạp trong ắc qui

Việt Nam có diện tích hơn 330.000 km² bao gồm khoảng 327.480 km² đất liền và hơn 4.200 km² biển nội thủy, với hơn 4.000 hòn đảo, bãi đá chìm lớn nhỏ, gần và xa bờ, có vùng nội thủy, lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa xác định gần gấp ba lần diện tích đất liền khoảng trên 1 triệu km² 28 trong số 64 tỉnh/thành phố nước ta nằm ven biển, diện tích các huyện ven biển chiếm 17% tổng diện tích cả nước và là nơi sinh sống của hơn 1/5 dân số cả nước

Việt Nam là quốc gia có 3 mặt giáp biển, đặc biệt trong đó Biển Đông đóng vai trò trọng yếu Đây là một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối hai đại dương là Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, có 9 quốc gia bao bọc: Việt Nam, Trung Quốc, Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và Campuchia Đây cũng là con đường biển chiến lược của giao thương quốc tế, có 5/10 tuyến đường

hàng hải lớn nhất của hành tinh đi qua Hàng năm, vận chuyển qua biển Đông là khoảng 70% lượng dầu mỏ nhập khẩu từ Trung Đông và Đông Nam Á, khoảng 45% hàng xuất của Nhật, và 60% hàng xuất nhập khẩu của Trung Quốc Theo những nghiên cứu do Sở Môi trường và các nguồn lợi tự nhiên Philippine, vùng biển này chiếm một phần ba toàn bộ đa dạng sinh học biển thế giới, vì vậy nó là vùng rất quan trọng đối với hệ sinh thái

Tuy nhiên, có một sự mâu thuẫn là trong khi Việt nam sở hữu một nguồn tài nguyên biển vô cùng lớn như vậy nhưng tiềm lực nghiên cứu, khai thác thì lại còn rất hạn chế Các số liệu về tài nguyên biển, đặc biệt là vùng đáy biển thì hoàn toàn phụ thuộc vào nước ngoài Hạn chế tưởng chừng như phi lý đó được giải thích bởi Việt Nam chưa làm chủ được về các thiết bị lặn hay tàu lặn phục vụ nghiên cứu cũng như bảo vệ an ninh chủ quyền vùng lãnh hải của mình

Ở nước ta việc nghiên cứu thiết kế mô hình Robot lặn UUV còn ít được chú

ý Các kết quả đạt được vẫn còn hạn chế, việc mua các thiết bị phụ kiện còn khó khăn Hơn nữa, hiện nay chúng ta có rất nhiều công trình trên biển như các dàn khoan, các đường ống dẫn dầu, dẫn khí Các công trình này đòi hỏi các thợ lặn phải làm việc với độ sâu và thời gian ngày càng lớn Do đó việc nghiên cứu thiết kế chế tạo một mô hình tàu lặn cỡ nhỏ có điểu khiển từ xa là một nhu cầu cấp thiết để

có thể triển khai chế tạo một sản phẩm có thể ứng dụng trong các ngành nghiên cứu về công trình biển, đại dương…

Mặc dù gặp nhiều khó khăn nhưng nhiều trường đại học của nước ta cũng đang trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu, chế tạo loại Robot này

Tại bộ môn cơ điện tử, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh một nhóm cộng sự đã nghiên cứu thiết kế chế tạo robot cá có thể tự động bơi, lặn trong môi trường nước Robot cá là sự kết hợp của cơ chế sinh học và kỹ thuật robot Robot cá có kích thước 554x160x100 mm, cân nặng 2kg, điện áp hoạt động 5V, dòng điện cực đại 650mA Đầu cá làm từ nhựa Composite, thân cá được gia công bằng nhựa POM, có dạng khối hình chữ nhật rỗng, chỉ có một mặt có khả

năng tháo lắp, mặt đối diện có 2 tầng lỗ để gắn trục và gioăng chống thấm khi chuyển động Ngoài ra, các lỗ bắt ốc để cố định động cơ và gắn chặt lắp hộp kín hoàn toàn Thử nghiệm cho thấy, robot cá có khả năng lặn ở độ sâu 1m, vận tốc bơi 0,25m/s và hoạt động trong 3,5h Trên mình cá được gắn các cảm biến hồng ngoại

để tránh vật cản, đo vận tốc di chuyển, camera quan sát, thiết bị kiểm tra không phá hủy, laban xác định phương hướng Trong quá trình hoạt động dưới nước cá sẽ truyền sóng vô tuyến hình ảnh dưới nước về máy tính trên mặt đất với thông tin truyền về có thể vẽ được bản đồ dưới mặt nước, cung cấp hình ảnh hiện trạng Robot cá này có thể dùng để khảo sát chân đê, kiểm tra hồ chứa, tìm ra các hư hỏng trong các hệ thống dẫn nước đường ống, nghiên cứu cơ chế chuyển động của một số loài sinh vật phục vụ cho công tác nghiên cứu môi sinh…

Tại trường sĩ quan thông tin ( Binh chủng thông tin liên lạc ) đang nghiên cứu chế tạo Robot dưới nước ứng dụng trong quân sự Robot dưới nước ứng dụng trong quân sự mang hình dáng chuyên cơ thu nhỏ, có hai bánh quạt giúp cho việc bơi, lặn được thuận tiện Ngoài ra Robot còn được tích hợp các thiết bị, linh kiện điện tử và phần mềm khác phục vụ hoạt động do thám, trinh sát

1.2 Các vấn đề kỹ thuật trong nghiên cứu robot lặn

Các vấn đề quy định kỹ thuật cho Robot hiện nay đã được đưa vào Quy chuẩn

Kỹ thuật Quốc gia Việt Nam trang 177 – 196 QCVN 21:2010/BGTVT về công

nghiệp tàu thủy năm 2010

Các bài toán kỹ thuật đối với tàu ngầm nói chung và đối với robot lặn nói riêng là:

1 Tuyến hình: liên quan đến đặc tính thủy động lực học, tính ổn định khi vận hành, sức bền, …

2 Vật liệu và biện pháp công nghệ: liên quan đến sức bền, kết cấu, điều kiện vận hành và làm việc, giới hạn giá thành đầu tư

3 Nguồn động lực: liên quan đến chi phí năng lượng, thiết bị động lực đẩy, độ

an toàn chung và an toàn khi vận hành, thời gian làm việc dưới nước, cấp thoát khí

4 Dưỡng khí và điều hòa áp suất: tàu lặn càng sâu và thời gian vận hành càng dài thì vấn đề này càng cần quan tâm liên quan đến an toàn của thủy thủ đoàn

5 Hệ thống lái: phối hợp với nguồn động lực và thiết bị đẩy với hệ thống điều khiển lái và lặn – nổi Có thể điều khiển trực tiếp hoặc theo chương trình Vận hành lái phụ thuộc vào đặc tính ổn định của tàu và đặc tính vận hành của thiết bị động lực đẩy

6 Hệ thống thoát hiểm khẩn cấp: biện pháp an toàn khi sự cố và phương thức thoát hiểm

7 Hệ thống thông tin liên lạc và định vị: về kỹ thuật SONAR sóng ngắn và dài, phối hợp định vị GPS, liên lạc tàu mẹ - con, thiết bị súng bắn phao

1.3 Đề xuất nguyên lý hoạt động của robot lặn

1

1 3

2

4 7

Để cho robot có thể thay đổi góc tấn ta có thể điều khiển cánh lái mũi để thay đổi góc tấn của của robot lặn

khi đang chuyển động thẳng, robot muốn quay trở thì dùng cánh lái đuổi để điều khiển tính quay trở của robot lặn

1.4 Vấn đề nghiên cứu của luận văn

Những tìm hiểu tổng quan cho thấy các bài toán kỹ thuật trong nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot lặn nói chung mang tính liên ngành cao Hướng nghiên cứu

về robot lặn là một hướng mới chưa được xúc tiến trong nước và mang tính thực tiễn cao về kinh tế - xã hội cũng như an ninh quốc phòng Để từng bước xây dựng phát triển hướng nghiên cứu mang tính cấp thiết trên, luận văn này triển khai nội

dung nghiên cứu cho mẫu robot lặn, với tiêu đề: “Tính toán, thiết kế và khảo sát hệ thống ổn định và điều khiển cho robot lặn”

Mục tiêu của đề tài là:

Xây dựng mô hình robot lặn với biên dạng phù hợp dựa vào chất lượng thủy động lực học của dòng chảy bao

Đánh giá khảo sát mẫu thiết kế bằng việc áp dụng mô phỏng số (CFD) trên máy tính ở các trạng thái vận hành khác nhau

Định hướng tối ưu hóa thiết kế

Nội dung chính:

Tìm hiểu chung về robot lặn trên thế giới

Tìm hiểu các vấn đề thủy khí kỹ thuật, động lực học ứng dụng trong tính toán kỹ thuật robot lặn

Tìm hiểu về phương pháp CFD

Xây dựng tuyến hình robot lặn

Khảo sát đặc tính vận hành mẫu robot lặn bằng mô phỏng CFD

Đề tài gồm 4 chương, cụ thể:

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Động lực học và mô hình tính toán của robot lặn

Chương 3: Tuyến hình, bố trí chung và đường cong thủy lực boojean

Chương 4: Ứng dụng CFD khảo sát biên dạng robot lặn

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CỦA ROBOT

LẶN [1,2,3,4,5,8]

Một robot lặn ROV, AUV hay một tàu ngầm chuyển đọng trong nước được

mô hình hóa là một vật rắn Việc thiết lập phương trình động lực học cho một vật rắn chuyển động có thể sử dụng các công cụ như sau: định lý động lượng, định lý momen động lượng, định lý động năng, phương trình Lagrange 2,… Phần này trình bày động lực học vật rắn sau đó áp dụng thiết lập phương trình vi phân chuyển động cho robot dưới nước

2.1 Động lượng – momen động lượng và động năng của vật rắn [1]

Xét một vật chuyển động trong không gian với hai hệ trục tọa độ: một hệ cố định R0 = (Oxyz)0 và một hệ gắn liền vật R = (Oxyz) ( hình 2.1) Gọi O là vận tốc điểm O gốc của hệ vật, là vector vận tốc góc của vật Các vector này được biểu diễn trong hệ gắn liền vật R = (Oxyz) với các vector đơn vị { 1 , 2 , 3 } như sau:

rp

2.1.1 Động lượng của vật rắn [1]

Để tính động lượng của vật rắn, trước hết xét một phân bố có khối lượng dm, vị trí phân bố được xác định bởi vector uOP Vận tốc của phân bố được xác định theo quan hệ vận tốc hai điểm thuộc vật

mu udm với C là khối tâm của vật u c OC

2.1.2 Ma trận momen quán tinh khối của vật rắn

Việc tính momen động lượng của vật rắn đối với một điểm, liên quan đến momen quán tính khối của vật rắn trong một hệ trục tọa độ Trong phần này, xét vật

rắn B và hệ trục tọa độ Oxyz, ma trận momen quán tính khối của vật rắn đối với hệ

trục tọa độ đƣợc xác định bởi công thức sau:

Trong đó ux y z, , Tlà vector tọa độ của phân tố khối lƣợng dm trong hệ

quy chiếu Oxyz Đƣa vào phép tính tích phân hai ma trận sóng:

Nhƣ vậy biểu thức 2.9 đƣợc sử dụng để xác định ma trận momen quán tính

khối của vật rắn đối với hệ quy chiếu Oxyz

Công thức xoay trục tọa độ: giả sử cần tính ma trận momen quán tính của vật

đối với hệ trục cùng gốc Ox’y’z’, ma trận quay giữa hệ này là A Liên hệ tọa độ

giữa hệ này nhƣ sau:

u  Au

Từ (2.9) và (2.10) ta có ma trận momen quán tính đối với trục Ox’y’z’ là:

2.1.3 Momen động lƣợng của vật rắn đối với tâm O thuộc vật

Khảo sát vật rắn B chuyển động trong không gian, biết vận tốc điểm O thuộc vật v Ovà vận tốc góc , vật rắn có khối lƣợng m, khối tâm C, u C OC(hình 2.1)

Để đƣa ra momen động lƣợng của vật rắn đối với điểm O thuộc vật, ta xét khối lƣợng phân tố dm có vận tốc là v và momen động lƣợng của vật rắn đối với điểm O thuộc vật đƣợc xác định bởi:

l   u vdm   u vdm    u  v    u dm

Đặt hO   u      u dm (*)

Ta có: l O mu v Oh O (2.15)

Ta thấy rằng nếu cố định điểm O (v O 0), tức là vật rắn chuyển động quay quanh điểm O cố định, khi đó l O h O, nhƣ vậy vector h Ochính là momen động lƣợng của vật rắn trong chuyển động quay quanh điểm cực O

Tính toán trong hệ trục Oxyz gắn liền vật, với [e1 e2 e3] là 3 vector đơn vị,

Là các thành phần momen quán tính khối của vật rắn và các thành phần momen quán tính tích đối với các trục tọa độ gắn vào vật

Ta có thể biểu diễn vector momen động lƣợng h O của vật rắn trong hệ gắn liền vật nhƣ sau:

h    e e e   J 

Momen động lƣợng của vật rắn đối với khối tâm C của nó:

Nếu điểm O trùng với khối tâm C của vật, ta có:

2.2 Thiết lập phương trình động lực học của vật rắn [1,2,3,4,5]

Để thiết lập được các phương trình động lực học của vật rắn ta có thể sử dụng các phương pháp như: phương pháp động lượng đó là định lý biến thiên động lượng và định lý biến thiên momen động lượng; phương pháp năng lượng như: định

lý biến thiên động năng; hoặc phương trình lagrange loại 2,…

2.2.1 Áp dụng định lý biến thiên động lượng và momen động lượng

Các phương trình động lực của vật rắn được viết trên cơ sở định lý động lượng và định lý biến thiên momen động lượng với điểm O di động (O cố định trên vật)

2.2.2 Áp dụng định lý biến thiên động năng

Định lý biến thiên động năng đƣợc thực hiện nhƣ trong biểu thức:

dT

dt 

Trong đó T là động năng của vật;  Wlà tổng công suất của các lực tác dụng

lên vật đƣợc xác định theo công thức:

độc lập, nên từ phương trình trên

ta suy ra hai phương trình như sau:

0 0

Các phương trình (2.36) vừa nhận được cũng trùng với kết quả nhận được từ

định lý chuyển động khối tâm và định lý biến thiên momen động lượng đối với tâm

O di động:

Với vector vận tốc và vector vận tốc góc trong hệ qui chiếu gắn liền vật :

Và uc  x ec x  y ec y  zc ze , các phương trình (2.32) hoặc (2.38) được viết

dưới dạng khai triển như sau:

Là ma trận đối xứng chứa đầy đủ các thông tin quán tính của vật rắn: khối lượng, vị

trí khối tâm, các thành phần momen quán tính khối

Ma trân CRB  v chứa các số hạng mà CRB  v v chứa các lực ly tâm, lực quán

Ma trận C thỏa mãn (2.42) có thể không duy nhất, và chúng ta sẽ chọn để nó phản

đối xứng Dưới đây là hai trường hợp thỏa mãn:

Trường hợp 1:

      Sin   Sin      

c RB

Lực cản tỷ lệ gia tốc: A

Lực cản phụ thuộc vận tốc: D

Trọng lực và lực đẩy do thể tích nước bị choán chỗ: g   

Lực điều khiển do các cánh quạt động cơ: 

Các thành phần khác không được kể trên được coi là nhiễu: E

M là một ma trận đối xứng xác định dương Các thành phần trên đường chéo

chính lớn hơn nhiều các thành phần khác Khi đó có thể gần đúng:

 11, 22, 33, 44, 55, 66

A

M  diag A A A A A A

Và

Trường hợp đơn giản nhất ta coi lực cản từng chuyển động độc lập với nhau

và các lực cản này tỷ lệ bậc nhất và bậc hai đối với vận tốc, khi đó ta có: