Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu hai thân bằng vật liệu composite

Sau thời gian bốn tháng làm việc với tinh thần khẩn trương nghiêm túc, với sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Văn Nhu, nhóm em đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu thiết kế và c

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC HÌNH xi

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .3

2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 5

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .6

PHẦN II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU HAI THÂN 7

1.1 Khái niệm 7

1.2 Lịch sử phát triển 7

1.2.1 Các tàu nhiều thân nguyên thủy 7

1.2.2 Chinh phục Thái Bình Dương .8

1.2.3 Catamaran của người châu Âu và Mỹ 9

1.2.4 Giai đoạn đầu thế kỷ 21 13

1.3 Đặc điểm của tàu hai thân 14

1.4 Phân loại 15

2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TÀU HAI THÂN 15

2.1 Giới thiệu chung 15

2.2 Sơ lược về thiết kế catamaran .17

2.2.1 Phần vỏ catamaran 17

2.2.2 Thống kê quan hệ giữa các thông số của tàu hai thân Catamaran 19

2.2.3 Một số dạng Catamaran điển hình 20

2.2.3.1 Sêri NPL Southampton 20

2.2.3.2 Sê ri Catamaran VWS’89 (dạng có bẻ góc) 21

3 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE 23

3.1 Giới thiệu chung 23

3.1.1 Khái niệm 23

3.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển 23

3.1.3 Ưu điểm 24

3.2 Phân loại composite 24

3.2.1 Phân loại theo hình dạng 24

3.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần 24

3.3 Cấu tạo của vật liệu composite 25

3.3.1 Polymer nền 25

3.3.2 Chất độn (cốt) 28

3.3.3 Chất pha loãng 29

3.3.4 Chất tách khuôn, chất làm kín và các phụ gia khác 30

3.3.5 Xúc tác – Xúc tiến 31

3.4 Ứng dụng 33

3.4.1 Thế giới 33

3.4.2 Việt Nam 34

3.5 Tầm quan trọng của composite 34

PHẦN III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 35

CHƯƠNG 1: TÍNH CHỌN CÁC THÔNG SỐ CHÍNH 35

1.1 XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƯ 35

1.1.1 Một vài chú thích về nhiệm vụ thư 35

1.1.2 Mục đích sử dụng 36

1.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CHÍNH 36

1.2.1 Chọn tàu mẫu 36

1.2.2 Tính các số liệu cần thiết 37

1.2.2.1 Hệ số khối lượng tàu không tải 37

1.2.2.2 Khối lượng thiết bị năng lượng 37

1.2.2.3 Trọng lượng dự trự lượng chiếm nước 38

1.2.2.4 Trọng lượng thuyền viên, lương thực, thực phẩm, nước sinh hoạt 38

1.2.2.5 Trọng lượng hàng lỏng thay đổi, trọng lượng nước dằn 38

1.2.2.6 Trọng lượng nhiên liệu dầu mỡ, nước cấp 39

1.2.2.7 Phương trình trọng lượng tàu 40

1.3 TÍNH CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CHÍNH 42

1.4 TÍNH LẠI LƯỢNG CHIẾM NƯỚC THEO CÁC KÍCH THƯỚC CHÍNH 43

1.5 TÍNH LẠI LƯỢNG CHIẾM NƯỚC THEO CÁC TRỌNG LƯỢNG THÀNH PHẦN 43

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐƯỜNG HÌNH 45

2.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 45

2.2 KẾT QUẢ 45

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TÍNH NĂNG 54

3.1 XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ THỦY LỰC 54

3.2 TÍNH VÀ VẼ ĐỒ THỊ BONJEAN 54

3.2.1 Đồ thị bonjean .54

3.2.2 Phương pháp xây dựng .54

3.3 ĐỒ THỊ THỦY TĨNH 64

3.3.1 Cơ sở lý thuyết 64

3.3.2 Tính diện tích mặt đường nước S 64

3.3.3 Tính thể tích chiếm nước V 65

3.3.4 Tính trọng lượng tàu D 65

3.3.5 Tính hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước Xf .65

3.3.6 Tính hoành độ tâm nổi Xc .65

3.3.7 Tính cao độ tâm nổi Zc .65

3.3.8 Tính các hệ số 66

3.4 TÍNH CÁC YẾU TỐ THỦY TĨNH TÀU THIẾT KẾ 66

CHƯƠNG 4: BỐ TRÍ CHUNG 69

4.1 PHÂN KHOANG 70

4.1.1 Phân khoang theo chiều dài tàu 70

4.1.1.1 Khoang mũi và khoang đuôi: 70

4.1.1.2 Khoang máy lái 71

4.1.1.3 Khoang chứa lương thực, thực phẩm .71

4.1.1.4 Khoang chứa nước ngọt 71

4.1.1.5 Khoang (két) dầu đốt 71

4.1.1.6 Khoang cách ly 71

4.1.1.7 Khoang máy 71

4.1.1.8 Khu vệ sinh 72

4.1.1.9 Khu vực mặt boong mũi 72

4.1.2 Phân khoang theo chiều cao tàu 72

CHƯƠNG 5: TÍNH KẾT CẤU 75

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 75

5.1.1 Công dụng, vùng hoạt động, quy phạm áp dụng 75

5.1.2 Các thông số cơ bản và tỷ số kích thước của tàu 76

5.1.3 Lựa chọn hệ thống kết cấu 76

5.2 KHOẢNG CÁCH SƯỜN VÀ SƠ ĐỒ PHÂN KHOANG 77

5.2.1 Khoảng cách sườn 77

5.2.2 Sơ đồ phân khoang 77

5.3 TÍNH CHỌN KẾT CẤU .78

5.3.1 Tính toán lớp vỏ 79

5.3.1.1 Lớp vỏ giữa đáy 79

5.3.1.2 Lớp vỏ bao ở đoạn giữa tàu 79

5.3.1.3 Gia cường cục bộ lớp vỏ bao 81

5.3.2 Tính toán boong 81

5.3.2.1 Phạm vi áp dụng 81

5.3.2.2 Chiều dày tấm boong 81

5.3.2.3 Gia cường cục bộ boong 82

5.3.3 Vách kín nước 83

5.4 TÍNH TOÁN KẾT CẤU GIA CƯỜNG 83

5.4.1 Tải trọng thiết kế .83

5.4.1.1 Tải trọng thiết kế kết cấu đáy 83

5.4.1.2 Tải trọng thiết kế kết cấu mạn 84

5.4.1.3 Tải trọng thiết kế kết cấu boong .85

5.4.1.4 Tải trọng thiết kế thượng tầng và lầu .85

5.4.1.5 Tải trọng thiết kế vách kín nước .86

5.5 TÍNH TOÁN DÀN MẠN 86

5.5.1 Sườn 86

5.5.1.1 Phạm vi áp dụng 86

5.5.1.2 Lựa chọn quy cách sườn 86

5.5.1.3 Khoảng cách sườn 87

5.5.1.4 Kích thước của sườn 87

5.5.2 Nẹp dọc mạn 89

5.5.3 Tính toán dàn đáy .90

5.5.3.1 Đà ngang đáy .90

5.5.3.2 Nẹp dọc đáy 91

5.5.4 Tính toán dàn boong của 2 bên thân tàu (trừ phần cầu nối) .92

5.5.4.1 Xà ngang boong .92

5.5.4.1 Xà dọc boong .93

5.5.5 Tính toán kết cấu gia cường vách kín nước 94

5.5.6 Tính toán kết cấu gia cường thượng tầng .95

5.6 TÍNH KẾT CẤU CẦU NỐI 96

5.6.1 Các trường hợp chịu lực 97

5.6.1.1 Tàu trên đáy sóng 97

5.6.1.2 Tàu trên đỉnh sóng 97

5.6.1.3 Tàu chịu xoắn 98

5.6.2 Kiểm tra bền cầu nối 99

5.6.2.1 Tải trọng cầu nối .99

5.6.2.2.Kiểm tra bền cầu nối 100

5.6.2.3 Xác định đặc trưng hình học mặt cắt dọc cầu nối 103

CHƯƠNG 6: TÍNH ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN 104

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 104

6.1.1 Loại tàu 104

6.1.2 Vùng hoạt động 104

6.1.3 Qui phạm 104

6.1.4 Các thông số cơ bản 104

6.2 KIỂM TRA TIÊU CHUẨN ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN 105

6.2.1 Kiểm tra tiêu chuẩn về chiều cao tâm nghiêng ban đầu 105

6.2.1.1 Các trường hợp tải 105

6.1.1.2 Chiều cao tâm nghiêng ban đầu 107

6.2.2 Xác định đồ thị ổn định tĩnh và động 108

CHƯƠNG 7: SỨC CẢN 113

7.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 113

7.1.1 Sức cản sóng 114

7.1.2 Sức cản ma sát 114

7.1.3 Sức cản áp suất 116

7.1.4 Sức cản không khí và gió 117

7.2 TÍNH SỨC CẢN 117

7.2.1 Tính sức cản dư 118

7.2.2 Tính sức cản ma sát 120

7.2.3 Tính sức cản không khí và gió 121

7.2.4 Tính sức cản phụ bổ xung 122

7.2.5 Tính sức cản do tác động của môi trường 123

7.3 TÍNH SỨC CẢN TÀU BẰNG PHƯƠNG PHÁP SAVITSKY 127

CHƯƠNG 8: TRANG BỊ ĐỘNG LỰC 136

8.1 TÍNH CHỌN MÁY CHÍNH 136

8.1.1 Hệ số dòng theo 136

8.1.2 Hệ số dòng hút 136

8.1.3 Đường kính chân vịt 136

8.1.4 Hiệu suất thân tàu 137

8.1.5 Hiệu suất xoáy 137

8.1.6 Hệ số dự trữ công suất 137

8.1.7 Hiệu suất đường trục 137

8.1.8 Hiệu suất hộp số 137

8.1.9 Hiệu suất môi trường 137

8.1.10 Hệ số ảnh hưởng thân tàu 138

8.1.11 Số cánh chân vịt 138

8.1.12 Tỷ số mặt đĩa 138

8.1.13 Chọn máy 139

8.2 THIẾT KẾ CHÂN VỊT ĐỂ SỬ DỤNG HẾT CÔNG SUẤT MÁY 147

8.2.1 Kiểm tra bền theo coâng thức Romson 152

8.2.2 Tính khối lượng và momen quán tính chân vịt 154

8.2.2.1 Tính khối lượng chân vịt 154

8.2.2.2 Momen quán tính 154

8.2.3 Xây dựng bảng vẽ chân vịt 155

8.2.3.1 Kích thước hình học của chân vịt: 155

8.2.3.2 Đặc trưng hình học của cánh chân vịt 156

8.2.3.3 Tính chọn then 158

CHƯƠNG 9: THIẾT KẾ HỆ TRỤC 159

9.1 CÔNG DỤNG CỦA HỆ TRỤC TÀU VÀ YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ HỆ TRỤC TÀU 159

9.2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ HỆ TRỤC 159

9.3 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC HỆ TRỤC 160

9.3.1 Bố trí đường tâm trục 160

9.3.2 Các kích thước chính của hệ trục 160

9.3.3 Đường kính trục trung gian 161

9.3.4 Xác định các kích thước khác 162

9.4 PHƯƠNG ÁN BÔI TRƠN, KẾT CẤU 163

9.4.1 Phương pháp bôi trơn 163

9.4.2 Phương án kết cấu 164

9.5 KIỂM TRA SỨC BỀN TĨNH HỆ TRỤC 166

9.6 XÁC ĐỊNH PHẢN LỰC TRÊN CÁC GỐI ĐỠ TÍNH ÁP LỰC RIÊNG CHO PHÉP TRÊN CÁC GỐI ĐỠ 169

9.7 NGHIỆM BỀN HỆ TRỤC 173

CHƯƠNG 10: TRANG THIẾT BỊ 175

10.1 MÁY CHÍNH 175

10.2 THIẾT BỊ LÁI 175

10.2.1 Tính diện tích bánh lái 175

10.2.2 Trục bánh lái 176

10.2.2.1 Phần trên trục lái 176

10.2.2.2 Phần dưới trục lái 177

10.2.3 Bánh lái 178

10.2.3.1 Chiều dày tôn bánh lái 178

10.2.3.2 Xương bánh lái 178

10.2.4 Mối nối giữa trục lái và bánh lái 178

10.2.5 Bulong bích nối 179

10.2.6 Bích nối trục lái 179

10.2.7 Máy lái 179

10.2.7.1 Tay lái 179

10.2.7.2 Xylanh thuỷ lực 180

10.2.7.3 Bơm thủy lực vận chuyển dầu trong hệ thống 180

10.2.7.4 Két chứa dầu thủy lực trong hệ thống: 180

10.2.7.5 Các phụ kiện đi kèm: 180

10.3 PHƯƠNG TIỆN TÍN HIỆU 180

10.3.1 Phương tiện tín hiệu giao thông 180

10.3.2 Pháo hiệu dù đỏ 181

10.3.3 Đèn tín hiệu dự phòng 181

10.4 THIẾT BỊ VÔ TUYẾN ĐIỆN 181

10.5 TRANG BỊ HÀNG HẢI 183

PHẦN IV: QUI TRÌNH CHẾ TẠO MÔ HÌNH 184

1.1 QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ ĐÓNG TÀU COMPOSITE 184

1.2 QUI TRÌNH CÔNG NGHẾ CHẾ TẠO VỎ MÔ HÌNH 184

1.2.1 Công tác chuẩn bị 185

1.2.1.1 Chuẩn bị bản vẽ 185

1.2.1.2 Chuẩn bị nguyên vật liệu 185

1.2.2 Chế tạo khuôn mẫu 186

1.2.2.1 Cắt dưỡng 186

1.2.2.2 Chế tạo khuôn 186

1.2.3 Chế tạo vỏ composite 191

1.2.4 Lắp máy, hệ động lực và bộ điều khiển 192

1.3 QUI TRÌNH SỬ DỤNG MÔ HÌNH 192

1.3.1 Kiểm tra và đổ đầy xăng 192

1.3.2 Kiểm tra pin nguồn của bộ phận điều khiển và tay điều khiển 192

1.3.3 Đóng nguồn bộ điều khiển 193

1.3.4 Kiểm tra bộ điều khiển 193

1.3.5 Khởi động động cơ 193

PHẦN V: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 194

1.1 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 194

1.1.1 Hình ảnh mô hình hoàn thiện 194

1.1.2 Kết quả thử mô hình 195

1.2 KẾT LUẬN 195

1.3 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 196

TÀI LIỆU THAM KHẢO 197

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng II.1 : Tỉ lệ kích thước theo mô hình sêri NPL 21

Bảng III 2.1 : Tọa độ điểm đầu cuối của đường cắt dọc 49

Bảng III.2.2: Tọa độ điểm kết thúc của mặt đường nước 49

Bảng III.2.3: Bảng tọa độ đường hình (chiều cao) 50

Bảng III.2.4: Bảng tọa độ đường hình (nửa chiều rộng) 51

Bảng III.3.1: Diện tích mặt cắt ngang  và mômen Moy 55

Bảng III.3.2 : Hydrostatic Properties 67

BảngIII.5.1 : Trị số của C 80

Bảng III.5.2: trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước 84

BảngIII.5.3: Ttính momnent quán tính măt cắt ngang sườn mạn 89

Bảng 10: tính momnent quán tính măt cắt ngang đà ngang 91

Bảng 11 : Tính momnent quán tính măt cắt ngang xà ngang boong 93

Bảng 12: Ttính momnent quán tính măt cắt ngang xà ngang boong 95

Bảng 13: Ttính momnent quán tính măt cắt ngang xà ngang boong 96

Bảng 14: Trị số tối thiểu của gia tốc thẳng đứng ở mút trước 100

Bảng 15 : Ttính momnent quán tính măt cắt ngang xà ngang cầu nối 101

Bảng 16: Tính ổn định ban đầu 107

Bảng 17: tính tay đòn ổn định 109

Bảng 19 BẢNG TÍNH SỨC CẢN 124

Bảng 20 : Thông số dùng tính sức cản theo Savitsky 131

Bảng 21 : BẢNG TÍNH SỨC CẢN 1 THÂN TÀU 134

Bảng 23: BẢNG TÍNH CHÂN VỊT CHỌN MÁY 141

Bảng 21: CÁC THÔNG SỐ KHÁC 142

Bảng 24: BẢNG TÍNH CHÂN VỊT SỬ DỤNG HẾT CÔNG SUẤT MÁY 148

Bảng 25: Thông số chính chân vịt: 149

Bảng 26: Đường bao cánh chân vịt 149

Bảng 27: BẢNG TỌA ĐỘ CÁC PROFIL CÁNH 150

Bảng 29 : Phương tiện tín hiệu giao thông 181

Bảng 30: Định mức trang thiết bị: 182

Bảng 31: Trang thiết bị hàng hải 183

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình I.1: Tàu Thanh Vân – 05 5

Hình I.2 : Tàu hai thân đóng mới theo thiết kế của nước ngoài 6

Hình II.1: Tàu hai thân nguyên thủy 7

Hình II.2: Catamaran nguyên thủy của New Guinea 9

Hình II.3: Trimaran của người Philippine cổ 9

Hình II.4: Trimaran của Miller 10

Hình II.5: Catamaran quân sự Demologos 10

Hình II.6: Catamaran Castaila 11

Hình II.7: Catamaran Calais - Dover 12

Hình II.8 : Catamaran khách cao tốc Express 12

Sơ đồ II.1: Tần suất xuất hiện của Catamaran theo chiều dài L 19

Sơ đồ II.2: Tần suất xuất hiện của tỉ soosL/B (chiều dài trên chiều rộng toàn bộ) 19

Sơ đồ II.3: Tần suất xuất hiện của tỉ sốL/H (H là chiều cao mạn) 19

Hình II 10: Mô hình sơ đồ thân vỏ và các ký hiệu 20

Hình III.2.1: Lưới 3D nửa thân tàu thiết kế trong Autoship 46

Hình III.2.2: Lưới 3D toàn bộ thân tàu thiết kế bằng Autoship 47

Hình III.2.3: Mô hình 3D thân tàu trên Autoship 48

Bảng III.3.3: Hull Form Coefficients (with appendages) 67

Hình III.5.1: Sơ đồ phân khoang của tàu thiết kế 77

Hình III.5.2: Phân bố gia tốc thẳng đứng 85

Hình III.5.3 Quy cách của sườn 86

Hình III.5.4: Ký hiệu b, d 88

Hình III.5.5: Tàu trên đáy sóng 97

Hình III.5.6: Tàu trên đỉnh sóng 97

Hình III.5.7: Tàu chịu xoắn 98

Hình III.5.8: Đặc điểm hình học mặt cắt dọc cầu nối 99

Hình III.5.9: Đặc điểm hình học mặt cắt ngang cầu nối 99

Hình III.7.1: Đồ thị xác định hệ số sức cản ma sát 115

Hình III.7.2: Đường cong sức cản dư 120

của các tàu có tỷ số L/B khác nhau 120

Hình III.7.4: Đồ thị Savitsky 1964 130

Hình III.8.1: Đồ thị chọn máy 143

Hình III.8.2: vẽ hình khai triển, hình chiếu thẳng, 151

hình chiếu cạnh, của cánh chân vịt 151

Hình III.8.3: Vẽ đường cắt của mặt bụng 151

cánh chân vịt và củ chân vịt 151

Hình III.8.4: xác định các giá trị b1, b2, b 157

Hình III.9.1 Phương án bố trí hệ trục 160

Hình III.9.2: Sơ đồ bố trí hệ trục 165

Hình III.9.3 Sơ đồ kiểm tra sức bền tĩnh của hệ trục 167

Hình IV.1: Đà dọc tâm của thân 187

Hình IV.3: Khuôn đã dựng xong sườn 188

Hình IV.4: Khuôn đã được tháo các thanh giằng ngang ở mỗi sườn 189

Hình IV.5: Khuôn dưới đã ốp xong mica 189

Hình IV.6 : Đà dọc tâm thượng tầng 190

Hình IV.7 : Khuôn phần thượng tầng đã tháo xong thanh giằng ngang 190

Hình IV.8 : Khuôn phần thượng tầng đã ốp xong mica 191

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nước ta đang phát triển mạnh mẽ Nhiều nhà máy, cụm công nghiệp đóng tàu được đầu tư xây dựng trên khắp các tỉnh thành ven biển, nhiều dự án mới, hợp đồng mới liên tiếp được ký kết, tỉ lệ nội địa hóa của ngành đóng tàu ngày một nâng cao

Tuy nhiên, năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu nước ta còn thấp, công nghệ còn lạc hậu, trình độ quản lý yếu kém, chủ yếu dựa vào lợi thế giá nhân công

rẻ Điều này khiến ngành đóng tàu nước ta phát triển chưa bền vững

Để cải thiện năng lực cạnh tranh của ngành đóng tàu, một trong những điều kiện quyết định hàng đầu là phải đào tạo được đội ngũ kỹ sư giỏi, có khả năng đáp ứng mọi yêu cầu công việc

Một trong những kĩ năng còn hạn chế của các kỹ sư đóng tàu Việt Nam là khả năng thiết kế tàu, hầu hết các bản thiết kế của các tàu lớn đều được mua từ nước ngoài Chính vì vậy, việc đào tạo kỹ sư thiết kế tàu là vấn đề cần quan tâm ở các trường có đào tạo ngành đóng tàu Có như vậy, con tàu Việt Nam mới vươn được ra khơi xa, ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam mới có điều kiện bắt kịp, đón đầu ngành công nghiệp tàu thủy của các nước tiên tiến trên thế giới

Đồ án tốt nghiệp giúp sinh viên hệ thống hóa lại toàn bộ kiến thức chuyên ngành đã được học Mặt khác, nó còn trang bị cho sinh viên khả năng tư duy, tính toán, thiết kế và công nghệ đóng tàu, nó trang bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để làm cơ sở cho việc thiết kế những con tàu thương mại sau này

Sau thời gian bốn tháng làm việc với tinh thần khẩn trương nghiêm túc, với

sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Văn Nhu, nhóm em đã hoàn thành đề tài tốt

nghiệp “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu hai thân bằng

vật liệu composite”

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Đặt vấn đề

2 Cơ sở lý thuyết

3 Tính toán thiết kế

4 Chế tạo mô hình

5 Kết luận và đề xuất ý kiến

Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Văn Nhu, sự ủng hộ giúp đỡ của các thầy trong khoa !

Nha Trang, tháng 01 năm 2011

Nhóm sinh viên thực hiện:

NGUYỄN ĐỨC QUYÊN

VŨ VĂN HẢI

VŨ VĂN DU

ĐINH NGỌC ĐƯỜNG NGUYỄN THANH LIÊM

PHẦN I ĐẶT VẤN ĐỀ

1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Trong những năm gần đây, ngành đóng tàu nước ta đang có những bước phát triển mạnh mẽ Chúng ta đã đóng được những con tàu có tải trọng lớn được bạn hàng trong nước và quốc tế đánh giá cao Tuy nhiên, loại tàu chúng ta đóng chủ yếu vẫn là tàu hàng khô, tàu hàng rời, tàu dầu cỡ nhỏ… Đây là những loại tàu có giá trị kinh tế không cao Thông thường giá thành của một chiếc tàu hàng thường chỉ từ vài đến vài chục triệu đô la, trong khi đó giá thành của một du thuyền du lịch có thể

có giá vài trăm triệu đến cả tỉ đô la

Thị trường du thuyền du lịch những năm trở lại đây liên tục phát triển, nhiều

du thuyền sang trọng đã được ra đời, đặc biệt là các du thuyền cá nhân phục vụ cho giới doanh nhân, giới thượng lưu Trong các loại du thuyền cá nhân thì du thuyền

hai thân vẫn được đặt hàng nhiều nhất do có nhiều ưu điểm như tính ổn định cao, độ

lắc êm và tốc độ vượt trội so với tàu một thân cùng kích cỡ Tàu có sức cản thân tàu nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất trong các loại tàu cao tốc Tàu hai thân còn là loại tàu có hình dáng đẹp xét về mỹ thuật và cảnh quan du lịch

Hiện nay, các nước Bắc Âu, Anh, Pháp, Mỹ, Úc…đang là những nước có thế mạnh về đóng du thuyền Vì lý do về môi trường, sức khỏe người dân, giá trị thương mại…mà những nước này đã và đang chuyển từ đóng tàu hàng sang đóng các loại tàu có giá trị thương mại cao như du thuyền

Thực tế này đặt ra cho ngành đóng tàu nước ta một câu hỏi: tại sao chúng ta không đóng các loại tàu có giá trị thương mại cao như du thuyền cá nhân? Vẫn biết rằng đóng du thuyền thì đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao hơn nhưng với sự quan tâm và đầu tư thích đáng chúng ta hoàn toàn có thể đóng được loại tàu này Song song với việc đóng các loại tàu vận tải thông thường, chúng ta nên đầu tư phát triển đóng các

loại tàu có giá trị cao như tàu du lịch Đây là một hướng đi mới đầy khả quan cho ngành đóng tàu nước ta bởi lẽ với sự phát triển của ngành du lịch, nhu cầu vui chơi, giải trí, nghỉ dưỡng của người dân thì thị trường tàu du lịch, đặc biệt là những du thuyền cá nhân như tàu hai thân sẽ ngày một phát triển

Từ khi ra đời đến nay, vật liệu composite đã chứng minh được tính ưu việt của mình Với những ưu điểm như độ bền cao, nhẹ, dễ tạo hình, tính thẩm mỹ cao…vật liệu composite đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, trong đó có ngành đóng tàu Việc ứng dụng vật liệu composite để chế tạo du thuyền hiện đã rất phổ biến

Ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu và chế tạo tàu hai thân vỏ composite vẫn còn ít được quan tâm Một số cơ sở khoa học đã bắt tay vào việc nghiên cứu chế tạo tàu hai thân vỏ composite, tuy nhiên kết quả thu được chưa nhiều Việt Nam vẫn chưa có quy phạm hướng dẫn việc phân cấp và chế tạo tàu hai thân vỏ composite Một số cơ sở sản xuất đã chế tạo loại tàu này tuy nhiên kích thước còn nhỏ, thiết kế phải đi mua của nước ngoài Do vậy muốn phát triển lĩnh vực đóng tàu

du lịch vỏ composite tại Việt Nam thì việc nghiên cứu thiết kế loại tàu này là công việc quan trọng trước mắt Chúng ta cần có những tài liệu và bản thiết kế do chính người Việt Nam thực hiện

Với một sinh viên chuẩn bị ra trường, đề tài tốt nghiệp là cơ hội tốt để sinh viên củng cố lại kiến thức, trang bị cho mình những kỹ năng cần thiết mà một kỹ sư cần phải có Việc lựa chọn đề tài rất quan trọng với những sinh viên năm cuối Sau khi bàn bạc cân nhắc kỹ lưỡng, nhóm chúng em đã thống nhất lựa chọn

đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm mô hình tàu hai thân bằng

vật liệu composite”,dưới sự hướng dẫn của Th.s Huỳnh Văn Nhu

Mục đích nghiên cứu của đề tài nhằm cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản nhất về tàu hai thân, trang bị cho sinh viên khả năng thiết kế loại tàu này, ngoài ra còn trang bị những kiến thức thực tế khác

Ý nghĩa của đề tài

-Là cơ hội để sinh viên tổng hợp lại kiến thức trước khi ra trường, đồng thời trang bị cho sinh viên những kỹ năng mà một kỹ sư cần phải có

-Rèn luyện khả năng làm việc nhóm

-Trang bị cho sinh viên nhiều kiến thức thực tế bổ ích cần thiết cho công việc sau này

-Đề tài có ý nghĩa thực tế, có tính ứng dụng cao

2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam hiện nay đã có một số cơ sở nghiên cứu và chế tạo tàu hai thân bằng vật liệu hợp kim nhôm và composite

Viện Nghiên cứu Chế tạo Tàu thủy –Trường Đại học Nha Trang

(UNINSHIP) là một trong những cơ sở đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu và chế tạo

thành công tàu hai thân bằng vật liệu composite

Hình I.1: Tàu Thanh Vân – 05

Ngoài ra một số cơ sở khoa học khác cũng đang có những đề tài nghiên cứu

về tàu hai thân như đại học Bách Khoa Hà Nội, khoa Kỹ Thuật Giao Thông – đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh…

Hiện nay, một số cơ sở sản xuất trong nước như Công ty Cổ phần Công nghệ Hải Long (Hải Phòng), Công ty Viễn Đông (Hà Nội)… đã sản xuất một số loại tàu hai thân phục vụ du lịch và tuần tra Tuy nhiên, các công ty này đều sử dụng thiết kế của nước ngoài

Hình I.2 : Tàu hai thân đóng mới theo thiết kế của nước ngoài

2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ở các nước có thế mạnh đóng tàu từ lâu như các nước Bắc Âu, Nga, Mỹ, Canada, Australia… việc nghiên cứu và chế tạo tàu hai thân không còn là vấn đề mới mẻ Việc thiết kế tàu hai thân đã thu được nhiều kết quả khả quan tuy nhiên có rất ít tài liệu được ban hành về hướng dẫn thiết kế catamaran một cách chi tiết Các mẫu tàu đang được sử dụng đều là độc quyền của một số công ty, tài liệu thiết kế các loại tàu đó vẫn là bí mật công nghệ

PHẦN II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU HAI THÂN

1.1 Khái niệm

Tàu nhiều thân (multi hull ships) là tên gọi chung của các tàu: tàu hai thân

giống nhau (catamaran); tàu hai thân không giống nhau (proa); tàu hai thân (ba thân) có diện tích mặt đường nước nhỏ (SWATH – Small Waterplane Area Twin (Tri) Hull ); tàu ba thân giống nhau (trimaran); tàu có thân phụ (Ship With Outrigger); tàu bốn thân (Four Hull Ship); và thậm chí năm thân (Penta Hull Ship)

1.2 Lịch sử phát triển

1.2.1 Các tàu nhiều thân nguyên thủy

Tàu nhiều thân được đề cập lần đầu tiên vào thời cổ đại Người La Mã đã xây dựng một hạm đội lên đến 400 chiếc tàu hai thân Hình II.1 giới thiệu mẫu tàu chiến hai thân của người La Mã cổ đại

Hình II.1: Tàu hai thân nguyên thủy

1.2.2 Chinh phục Thái Bình Dương

Tàu biển đầu tiên vượt Thái Bình Dương là các catamaran được chế tạo bởi các công cụ bằng đá Giao thông thủy đã bắt đầu sử dụng các thân cây rỗng như là tàu một thân Để tăng tính ổn định, một thân cây nhỏ được lắp ở bên hông như một thân phụ Thân phụ có thể có kích thước nhỏ hơn và đặt sát với thân chính

Những chuyến hải hành xa hơn đã khơi dậy sự phát triển của catamaran bao gồm hai thuyền lớn gắn với nhau bởi các thanh ngang và các thanh ngang nối với nhau bằng một sàn phẳng Theo các thủy thủ người châu Âu ở thế kỉ 12-18, bao gồm James Cook (1728-1779), thời bấy giờ đội tàu của châu Đại Dương đã có nhiều catamaran Chẳng hạn như người Tahiti có 160 catamaran, thường có chiều dài khoảng 18 – 24m Catamaran lớn nhất dài 40m và có thể chuyên chở 144 người chèo và 39 chiến binh Một số tàu chiến Tahiti có thể vận chuyển hàng trăm chiến binh

Catamaran rất cần thiết cho các chuyến hải hành dài ngày, khi không chỉ có chiến binh mà còn cả phụ nữ và trẻ em đi theo tàu Nó cần phải mang theo thực phẩm, gà vịt và trâu bò Catamaran và các tàu có thân phụ nhỏ phục vụ cho mục tiêu giao thông và trinh sát

Trong thế kỷ 18, người châu Âu đã tìm thấy các tàu quân sự cỡ lớn của các

bộ lạc người Maori ở New Zealand Huyền thoại Maori kể rằng tổ tiên của họ đến

từ miền trung Polynesia trên những con tàu nhiều thân

Từ địa phương “kattoo maran” có nghĩa là “những thân cây được ghép lại với nhau” trở thành catamaran được thừa nhận như hiện nay

Hình II.2: Catamaran nguyên Hình II.3: Trimaran của người

thủy của New Guinea Philippine cổ

1.2.3 Catamaran của người châu Âu và Mỹ

Vào thế kỷ 17, sau 2000 năm quên lãng, catamaran đã trở lại châu Âu Bá

tước W Petti của nước Anh đã chế tạo mẫu catamaran Simon & Iude (khoảng năm

1660) nhằm chứng minh tính ưu việt của catamaran so với tàu một thân truyền thống Được tái tạo năm 1669, catamaran có chiều dài 10m, chiều rộng mỗi thân 1,2m, có thể đạt được vận tốc 15-20 hl/h với tính năng hàng hải thỏa đáng Bá tước

W Petti cũng chế tạo 3 catamaran chạy buồm Invention II, Experiment và St Michael and Archangel

100 năm sau, P.Miller của Scotland đã chú ý đến tàu nhiều thân Trong thời

gian từ 1786-1789 ông đã chế tạo catamaran Experiment dài 34m, chiều rộng một

thân 4m, với 5 cột buồm và 4 bánh guồng giữa các thân Ông cũng chế tạo 2 trimaran (hình II 4) Một trong số chúng đã đi đến Stockholm và St.Petersburg

Hình II.4: Trimaran của Miller

Những tiến bộ sâu hơn về công nghệ tàu nhiều thân gắn liền với Robert

Fulton Vào năm 1804 tàu Monarch của Anh có trang bị cả mìn đã đến cảng

Buologne để tấn công hạm đội của Pháp Năm 1812 các phà hơi nước đầu tiên Jersey và York được chế tạo để chạy trên hành trình New York – New Jersey Cùng năm này, khi Mỹ tuyên chiến với Anh, thiết kế của Robert Fulton được sử dụng để

chế tạo catamaran loại Demologos trang bị một động cơ hơi nước (hình 5) Tàu

được hạ thủy vào 29/10/1814 Nhiệm vụ của con tàu này là bảo vệ cảng và bờ biển New York

Hình II.5: Catamaran quân sự Demologos

Phà hai thân được chế tạo ở Anh vào những năm 1820 Mỗi thân được trang

bị một động cơ hơi nước dẫn động guồng quay đặt giữa các thân Việc đảo chiều nhanh có thể thực hiện trong vòng một phút Vận chuyển khách và hàng qua eo biển

Manche là nhiệm vụ của catamaran Castalia dài 90m được đóng vào năm 1874

(hình 6) Nó có khả năng vận chuyển 1000 khách trong các buồng ở tiện nghi Castalia hoạt động trong khoảng hai năm Nó có tính năng hàng hải tốt nhưng tốc

độ chỉ có 11hl/h, thấp hơn nhiều so với tàu một thân Thời điểm đó, sự cạnh tranh

về giao thông cao tốc yêu cầu phải hiện đại hóa nó, và sau đó nó bị thải hồi

Hình II.6: Catamaran Castaila

Ba năm sau, vào năm 1877, tàu hai thân lớn nhất thế kỷ 19, phà Calais – Dover được đóng mới Tốc độ chạy thử trên biển với lượng chiếm nước 2000 tấn và công suất 4000 mã lực là 14hl/h

Hình II.7: Catamaran Calais - Dover

Có trên 12 catamaran lắp máy hơi nước chạy trên sông Mississippi trong thế

kỷ 19 Chúng có 3 guồng quay, hai cái lắp bên ngoài các thân, cái còn lại lắp giữa hai thân Do tính năng kém trong quá khứ, thế kỷ 20 bắt đầu với không nhiều sự

quan tâm đến catamaran Catamaran khách cao tốc Express được đóng tại Liên Xô

năm 1939 Nó có lượng chiếm nước 46 tấn, lắp máy 3000 hp, do V.A.Gartwieg

thiết kế, đã phá kỷ lục với tốc độ 100km/h Du thuyền Venturi đóng ở Mỹ năm 1949

đã đạt tới tốc độ 26hl/h

Hình II.8 : Catamaran khách cao tốc Express

1.2.4 Giai đoạn đầu thế kỷ 21

Dù gặp nhiều thất bại trong vận hành, tàu nhiều thân vẫn thu hút được sự

chú ý ở nửa sau của thế kỷ 20 Khả năng chở và tốc độ được nâng cao, tính năng hàng hải và tiện nghi được cải thiện cùng với chi phí thấp là những ưu điểm của catamaran mới được chế tạo Chương trình R&D tập trung vào hệ thống giao thông tiên tiến đang được phát triển ở nhiều nước

Catamaran dạng cắt sóng Sea-Cat đã lập kỷ lục mới về tốc độ trong hành trình qua Đại Tây Dương Sự phát triển của catamaran cắt sóng bắt đầu ở cuối thế

kỷ 20 không khác nhiều so với catamaran của đất mẹ châu Đại Dương

Việc đóng mới tàu nhiều thân rất phát triển ở Úc Vào năm 1988, xưởng đóng tàu Astral Ship gần Perth bắt đầu đóng catamaran Ngay sau đó họ nhận được nhiều đơn đặt hàng từ Trung Quốc, Hồng Kông, Singapor, Indonesia, Anh… Các tàu có chiều dài đến 76m, sức chở 400 người và 70 xe hơi, tốc độ lên đến 40hl/h, cũng như các tàu nhỏ đã rất phổ biến

Hình II.9 Mẫu tự hành có thân phụ

Trong những thập niên gần đây, Hawaii lại là nơi tàu có thân phụ được phát minh Nathan I.Daniel đã phát triển mô hình tàu dài 17,7m, ông ta tin rằng đây là

mô hình của mẫu tàu tương lai có sức chở 500-1000 khách với tốc độ 30hl/h

Nước Pháp bắt đầu thay thế các tàu quét mìn biển loại Aggressive do Mỹ chế tạo bằng 7 catamaran Chiếc tàu 900 tấn đầu tiên thuộc loại tàu Narvik được đóng tại xưởng đóng tàu Lorian

Vào những năm 1950, người ta tin rằng Na Uy, với những vịnh hẹp của mình, cần một hệ thống giao thông mới để vận chuyển hành khách và hàng hóa Catamaran trở thành nguồn động lực của hệ thống đó, vượt qua cả tàu một thân và cánh ngầm

Chương trình R&D của Đức về tàu cao tốc không thông thường (SUS) được khởi động năm 1990 Hai trong số ba chương trình tập trung vào tàu nhiều thân Nhật Bản cũng đạt được nhiều kết quả khả quan với tàu nhiều thân Tháng 4 năm 1993, catamaran cánh ngầm lắp máy diezel mang tên Mitshubishi Super Shuttle 400 có tốc độ 40hl/h với 315 hành khách đã được hạ thủy

Có thể thấy rằng, cuối thế kỷ 20 các tàu hai thân đã trải qua hành trình dài từ kết cấu nguyên thủy đến những con tàu tinh xảo hàng đầu, như các catamaran cắt sóng Ngành thương mại tàu nhiều thân đã trở thành quốc tế hóa với Úc, Nhật, Na

Uy là các quốc gia dẫn đầu Hàn Quốc, Mỹ, Trung Quốc, Philippin cũng đang đang chứng tỏ mình là những quốc gia có tiềm năng chế tạo tàu hai thân

1.3 Đặc điểm của tàu hai thân

Tàu hai thân có nhiều tính năng hàng hải ưu việt như tính ổn định cao, độ lắc

êm và tốc độ hơn hẳn so với tàu một thân cùng kích cỡ Tàu có sức cản thân tàu nhỏ, độ an toàn cao, ít lắc, mặt boong khai thác rộng và có chi phí sử dụng thấp nhất trong các loại tàu cao tốc Catamaran còn là loại tàu thuyền có hình dáng đẹp xét về

mỹ thuật và cảnh quan du lịch

1.4 Phân loại

1 Theo đặc điểm hình học thân tàu

- Tàu có 2 thân đối xứng qua mặt cắt dọc giữa (catamaran)

- Tàu có 2 thân không giống nhau (proa)

2 Theo tuyến hình thân tàu

- Tàu có mặt cắt ngang dạng chữ V hoặc U Tuy nhiên sự phân chia này không rõ rệt

3 Theo công dụng

- Tàu hàng

- Tàu khách

- Phà

2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT KẾ TÀU HAI THÂN

2.1 Giới thiệu chung

Trong những thập niên gần đây, catamaran đã phát triển nhanh chóng và trở thành một dạng giao thông biển khá phổ biến Khu vực phát triển của loại tàu này là các tuyến biển ngắn, cự ly biểu thị ưu việt vượt trội của catamaran thông qua các thuộc tính như công suất yêu cầu, tính kinh tế, không gian bố trí và tính êm dịu của tàu Sự phát triển nhanh chóng của thị trường dẫn đến nhu cầu mở rộng phạm vi thiết kế về kích thước, tốc độ và tính đa dạng của tải trọng (hành khách, xe cộ hay công te nơ)

Tuy nhiên, ngay cả hiện nay, có rất ít công cụ thiết kế catamaran sẵn có Thực tế này gây trở ngại cho các chủ tàu cũng như nhà thiết kế khi cần thiết lựa chọn mẫu tàu, nếu không có sự trợ giúp của các chuyên gia về lĩnh vực này

Đặc tính sức cản và công suất yêu cầu là những đại lượng cơ bản nhất khi thiết kế catamaran, chúng có quan hệ chặt chẽ với tốc độ và tính tiết kiệm nhiên liệu, và do đó liên quan đến hiệu quả hoạt động của tàu

Trong bối cảnh của sự phát triển nhanh chóng của nền thương mại thế giới, bài toán tối ưu hoá tốc độ đội tàu chở hàng trở nên cực kỳ quan trọng Việc duy trì

công suất đẩy ở mức độ thấp nhất có thể để đảm bảo tính kinh tế của đội tàu cũng là nhu cầu cấp bách

Việc giảm sức cản của tàu đến giới hạn tối thiểu xác định rất khó thực hiện đối với tàu một thân thông thường Nguyên nhân là để giảm sức cản, các tàu một thân cần phải có chiều rộng rất bé, chiều dài rất lớn và thể tích chiếm nước hạn chế Điều này ảnh hưởng đến tính ổn định và khả năng tải của tàu

Catamaran là giải pháp hữu hiệu để giải quyết cả hai vấn đề này Sự phân tách giữa các phần vỏ bên của catamaran sẽ tạo nên tính ổn định tốt, trong khi sự thanh mảnh của vỏ tàu tạo nên đặc tính sức cản hiệu quả Sự phân chia lượng chiếm nước và diện tích mặt đường nước giữa hai vỏ dẫn đến hình thành mặt boong rộng, chất lượng ổn định tốt và kết quả là tốc độ lắc và góc lắc nhỏ Sàn tàu hình chữ nhật, kích thước lớn có thể dùng để bố trí chở khách, chở hàng, hoặc thậm chí dùng cho các mục đích quân sự

Gần đây nhiều catamaran đã được chế tạo - chủ yếu bằng nhôm hay composite, để đáp ứng nhu cầu về chủng loại tàu chạy nhanh kinh tế và có đặc tính

đi biển tốt Tuy nhiên hiện nay có rất ít tài liệu về thiết kế catamaran Thực tế này gây trở ngại cho các chủ tàu cũng như nhà thiết kế khi cần thiết lựa chọn mẫu tàu, nếu không có sự trợ giúp của các chuyên gia về lĩnh vực này

Khác với loại một thân, sự tồn tại của hai thân sát nhau sẽ tạo nên thành phần sức cản bổ sung Hiệu ứng Venturi gây ra sự tăng độ nhớt chất lỏng giữa hai vỏ Điều này dẫn đến một số ảnh hưởng :

 Thứ nhất, sự gia tăng độ nhớt chất lỏng làm tăng ma sát bề mặt

 Thứ hai, sự không đối xứng của dòng chảy bên dưới mỗi thân vỏ tạo nên dòng chảy ngang, dẫn đến hình thành lực ngang, và gây thêm một thành phần sức cản

Ngoài ra cần tính đến sức cản khí động của phần trên mớn nước và sức cản của các phần phụ dưới nước (chân vịt, bánh lái ) Ngược lại với các loại vỏ tàu thông thường, cả hai thành phần này chiếm phần đáng kể trong tổng sức cản của

Catamaran do chúng có kiến trúc thượng tầng lớn Kết quả thử nghiệm mô hình với

tỉ lệ thật cho thấy thành phần này chiếm đến 9% tổng sức cản của catamaran

Cũng như tàu một thân, đặc tính hình học (ảnh hưởng đến sức cản và công suất yêu cầu) và kết cấu (liên quan đến sức bền, tính kinh tế) là 2 khía cạnh trọng tâm của việc thiết kế catamaran do chúng có quan hệ mật thiết với tốc độ, khả năng đi biển và tính kinh tế

2.2 Sơ lược về thiết kế catamaran

Về cơ bản, catamaran bao gồm 3 phần :

- Phần vỏ dùng để cung cấp lực nổi và lắp đặt thiết bị đẩy

- Kết cấu nối hoặc kết cấu ngang để cung cấp sức bền ngang cho tàu

- Thượng tầng lắp trên kết cấu ngang

Thiết kế catamaran hòan chỉnh là sự kết hợp hài hòa cả 3 phần trên

Thiết kế vỏ là phần chủ yếu nhất trong các bộ phận trên, nhằm xác định đặc tính thủy động, sức cản, đặc tính công suất của catamaran Với các tàu thông thường, sức cản tăng rất nhanh sau điểm ứng với hệ số Fruode Như vậy để thiết kế tàu cao tốc cần phải giảm tối đa lượng sóng tạo nên trong bề mặt tự do Catamaran

có thể thực hiện điều này do nó có hình dáng thon

2.2.1 Phần vỏ catamaran

2.2.1.1 Đặc điểm hình học

a Hình dạng phần vỏ

Hình dạng vỏ Catamaran hiện nay có hai loại chủ yếu :

- Dạng hông tròn: phần chuyển tiếp giữa đáy và mạn có góc lượn khá lớn Loại này thường dùng với các catamaran có lượng chiếm nước lớn, tốc độ thấp

- Dạng có bẻ góc : phần chuyển tiếp giữa đáy và mạn được giới hạn bởi đường bẻ góc, là loại chế tạo đơn giản Ở tốc độ thấp có sức cản lớn, tuy nhiên ở tốc độ cao hơn có xuất hiện lực nâng động học, làm giảm diện tích ướt của vỏ Các catamaran

có lượng chiếm nước bé, tốc độ cao thường sử dụng vỏ dạng này

b Bố trí vỏ

Bao gồm hai cách :

- Catamaran đối xứng có hai nửa vỏ đối xứng qua đường tâm của nó

- Catamaran không đối xứng: hai vỏ không đối xứng qua mặt cắt dọc giữa, loại này được sử dụng với mục đích giảm hiệu ứng tương tác trong các kênh hẹp

Catamaran hoạt động ở chế độ có hệ số Froude cao hơn (Fn > 0,7) có thể tạo nên lực nâng động học từ vùng đáy phẳng ở phía lái của tàu Các catamaran này được gọi là loại rẽ nước bán phần (tàu nửa lướt) Các vỏ loại này thường có dạng hông tròn ở khu vực phía mũi và đáy phẳng ở phía lái Ở tốc độ cao hơn, hiệu ứng tương tác giữa các nửa vỏ ít quan trọng hơn

Khi Catamaran hoạt động ở chế độ có hệ số Froude cao Fn > 1,2 lực nâng tăng lên đáng kể, làm giảm lực nổi cần thiết để cân bằng với trọng lượng tàu (lực nổi sẽ

bé hơn lượng chiếm nước tàu) Lực đẩy và diện tích ướt giảm, làm giảm đáng kể sức cản sinh sóng và sức cản ma sát Các tàu này được gọi là tàu hoạt động ở chế độ lướt (tàu lướt), và thường là loại có ky chính

2.2.1.3 Các thông số cơ bản cần xác định khi thiết kế Catamaran

- Chiều dài toàn bộ, LOA

- Chiều dài thiết kế, L

- Chiều rộng toàn bộ, BOA

- Chiều rộng thiết kế, B

- Chiều chìm tối đa

- Lượng chiếm nước tổng Δ

- Lượng chiếm nước khi nhẹ tải

- Tốc độ, V

- Công suất yêu cầu

Catamaran hiện nay có chiều dài tối đa là 125m Chiều rộng lớn nhất, chiều chìm, chiều sâu của tàu có quan hệ tỉ lệ tuyến tính với chiều dài tàu Tỉ số

LWL và LOA thường là hằng số và nằm trong khoảng 0,85-0,9; Tỉ số LWL/B thay đổi từ 9-20 biểu thị xu hướng tăng theo chiều dài tàu Tỉ số phân tách (S/L) từ 0,1-0,3 và không phụ thuộc chiều dài tàu Tỉ số giữa chiều rộng nửa vỏ và chiều chìm (B/d) thay đổi từ 1,25 – 2,5 và cũng không phụ thuộc chiều dài tàu

2.2.2 Thống kê quan hệ giữa các thông số của tàu hai thân Catamaran

Phương pháp sử dụng trong chuyên đề này là dựa vào kết quả thống kê các catamaran đang hoạt động hiệu quả Hiện nay chọn các thông số cơ bản trong giai đoạn thiết kế sơ bộ của tàu catamaran cũng như mối quan hệ giữa chúng

Sơ đồ II.1: Tần suất xuất hiện của Catamaran theo chiều dài L

Sơ đồ II.2: Tần suất xuất hiện của tỉ soosL/B (chiều dài trên chiều rộng toàn bộ)

Sơ đồ II.3: Tần suất xuất hiện của tỉ sốL/H (H là chiều cao mạn)

Chiều cao mạn tàu được tính theo công thức sau:

H = T + Hd + Gap

Với :

T = Chiều chìm của tàu

Hd = Chiều cao hộp boong (khoảng cách từ đáy dưới cầu nối đến mạn) Thông thường Hd được xác dịnh theo biểu thức kinh nghiệm:

Hd = B/7.5

Gap = Chiều cao từ mặt nước đến đáy cầu nối

Ngoài ra, số liệu thống kê cho thấy Gap được xác định theo công thức gần đúng: Gap = 0,37L0,56

2.2.3 Một số dạng Catamaran điển hình

2.2.3.1 Sêri NPL Southampton

Các mẫu thuộc sê ri này có dạng hông tròn và transom phía lái Các loại vỏ này đại diện cho đa số catamaran đang hoạt động hiện nay Các mẫu được thử nghiệm có các tỉ số L/B, B/T khác nhau và thay đổi rất ít Mặt cắt ngang của các mẫu được giới thiệu trong hình 3 Tất cả các mô hình đều có hệ số béo CB = 0,397

và hệ số lăng trụ CP = 0,693 Các đặc tính chi tiết của các mẫu này cho trong bảng II.1 Tổng sức cản trên nước tĩnh và phân tích loại sóng của các mẫu này được thực hiện trong phạm vi số Froude từ 0,1 đến 1

Hình II 10: Mô hình sơ đồ thân vỏ và các ký hiệu

Bảng 1 : Tỉ lệ kích thước theo mô hình sêri NPL

bộ phần nổi của vỏ tàu)

Ba dạng mặt cắt ngang khác nhau được nghiên cứu bao gồm:

- Mặt cắt ngang đối xứng với đường tâm nằm trong nửa vỏ

- Mặt cắt ngang bán đối xứng có mặt phẳng trung tâm nằm ở Bnửa vỏ /4 về phía bên trong của từng nửa vỏ

- Mặt cắt ngang không đối xứng có mặt phẳng trung tâm nằm ở mép bên cạnh của đường ống catamaran

Các kiểm tra được thực hiện trong sê ri VWS cho thấy dạng mặt cắt đối xứng yêu cầu công suất đẩy thấp nhất, ứng với tốc độ cao nhất và có đặc tính hàng hải chấp nhận được, do đó dạng mặt cắt ngang này được lựa chọn trong sê ri VWS’89 Tất cả các vỏ này đều có mặt nghiêng phía sau lái và lan can nhỏ chìa ra bên ngoài Hình dạng phía sau thân tàu phù hợp với việc lắp chân vịt chìm hoàn toàn trong nước hoặc thiết bị phun nước (WaterJets) Với các vỏ tàu dạng có bẻ góc hiệu ứng giao thoa không nhạy cảm nhiều với khoảng cách giữa hai nửa vỏ ở tốc độ cao, do

đó khoảng cách này được duy trì cân xứng với LWL (Sống/LWL = 0,167)

Phạm vi các thông số tàu trong sêri VWS

· LWL : 15-60m

· Lượng chiếm nước : < 1000 tấn

· Tốc độ tương ứng với số Fn : Fn < 1,4

· LWL/B : 7,55 – 13,55

· βM(góc nâng của mặt cắt ngang giữa tàu) : 13 - 160

· δw(góc nghiêng của transom): 0, 4, 8, 120

Trên cơ sở đặc điểm hình dáng, các quan hệ kích thước đã nêu trên, kết hợp với loại tàu cần thiết kế, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, người thiết kế có thể lựa chọn một nhóm thông số phần vỏ phù hợp với chức năng của tàu thiết kế

Tất nhiên, chất lượng của tàu thiết kế phụ thuộc vào khả năng lựa chọn của người thiết kế

3 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE

3.1 Giới thiệu chung

3.1.1 Khái niệm

Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu Composite được cấu tạo từ các thành phần cốt nhằm đảm bảo cho Composite có được các đặc tính cơ học cần thiết và vật liệu nền đảm bảo cho các thành phần của Composite liên kết, làm việc hài hoà với nhau

3.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Vật liệu Composite đã xuất hiện từ rất lâu trong cuộc sống, khoảng 5.000 năm trước Công nguyên người cổ đại đã biết vận dụng vật liệu composite vào cuộc sống ( ví dụ: sử dụng bột đá trộn với đất sét để đảm bảo sự dãn nở trong quá trình nung đồ gốm)

Người Ai Cập đã biết vận dụng vật liệu Composite từ khoảng 3.000 năm trước Công nguyên, sản phẩm điển hình là vỏ thuyền làm bằng lau, sậy tẩm pitum

về sau này các thuyền đan bằng tre trát mùn cưa và nhựa thông hay các vách tường đan tre trát bùn với rơm, dạ là những sản phẩm Composite được áp dụng rộng rãi trong đời sống xã hội

Sự phát triển của vật liệu composite đã được khẳng định và mang tính đột biến vào những năm 1930 khi mà Stayer và Thomat đã nghiên cứu, ứng dụng thành công sợi thuỷ tinh; Fillis và Foster dùng gia cường cho Polyeste không no và giải pháp này đã được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp chế tạo máy bay, tàu chiến phục vụ cho đại chiến thế giới lần thức hai

Năm 1950 bước đột phá quan trọng trong ngành vật liệu Composite đó là sự xuất hiện nhựa Epoxy và các sợi gia cường như Polyeste, nylon,… Từ năm 1970 đến nay vật liệu composite nền chất dẻo đã được đưa vào sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và dân dụng,y tế, thể thao, quân sự vv…

3.1.3 Ưu điểm

Tính ưu việt của vật liệu Composite là khả năng chế tạo từ vật liệu này thành các kết cấu sản phẩm theo những yêu cầu kỹ thuật khác nhau mà ta mong muốn, các thành phần cốt của Composite có độ cứng, độ bền cơ học cao, vật liệu nền luôn đảm bảo cho các thành phần liên kết hài hoà tạo nên các kết cấu có khả năng chịu nhiệt

và chịu sự ăn mòn của vật liệu trong điều kiện khắc nghiệt của môi trường Một trong các ứng dụng có hiệu quả nhất đó là Composite polyme, đây là vật liệu có nhiều tính ưu việt và có khả năng áp dụng rộng rãi, tính chất nổi bật là nhẹ, độ bền cao, chịu môi trường, dễ lắp đặt, có độ bền riêng và các đặc trưng đàn hồi cao, bền vững với môi trường ăn mòn hoá học, độ dẫn nhiệt, dẫn điện thấp Khi chế tạo ở một nhiệt độ và áp suất nhất định dễ triển khai được các biện pháp công nghệ, thuận lợi cho quá trình sản xuất

3.2 Phân loại composite

Vật liệu composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của vật liệu thành phần

3.2.1 Phân loại theo hình dạng

 Vật liệu composite độn dạng sợi: Khi vật liệu tăng cường có dạng sợi, ta gọi

đó là composite độn dạng sợi, chất độn dạng sợi gia cường tăng cơ lý tính cho polymer nền

 Vật liệu composite độn dạng hạt: Khi vật liệu tăng cường có dạng hạt, các

tiểu phân hạt độn phân tán vào polymer nền Hạt khác sợi ở chỗ nó không có kích thước ưu tiên

3.2.2 Phân loại theo bản chất, thành phần

 Composite nền hữu cơ (nhựa, hạt) cùng với vật liệu cốt có dạng: sợi hữu cơ (polyamide, kevlar…), Sợi khoáng (thủy tinh, carbon…), sợi kim loại (Bo, nhôm…)

 Composite nền kim loại: nền kim loại (hợp kim Titan, hợp kim Al,…) cùng với độn dạng hạt: sợi kim loại (Bo), sợi khoáng ( Si, C)…

 Composite nền khoáng (gốm) với vật liệu cốt dạng: sợi kim loại (Bo), hạt kim loại (chất gốm), hạt gốm (cacbua, Nitơ)…

3.3 Cấu tạo của vật liệu composite

- Thành phần nguyên liệu (loại và tỷ lệ tác chất sử dụng)

- Phương pháp tổng hợp

- Trọng lượng phân tử

- Hệ đóng rắn (monomer, chất xúc tác, chất xúc tiến)

- Hệ chất độn

Bằng cách thay đổi các yếu tố trên, người ta sẽ tạo ra nhiều loại nhựa UPE có các tính chất đặc biệt khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng

Có hai loại polyester chính thường sử dụng trong công nghệ composite Nhựa orthophthalic cho tính kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi Còn nhựa isophthalic lại có khả năng kháng nước tuyệt vời nên được xem là vật liệu quan trọng trong công nghiệp, đặc biệt là hàng hải

Đa số nhựa polyester có màu nhạt, thường được pha loãng trong styrene Lượng styrene có thể lên đến 50% để làm giảm độ nhớt của nhựa, dễ dàng cho quá trình gia công Ngoài ra, styrene còn làm nhiệm vụ đóng rắn tạo liên kết ngang giữa các phân tử mà không có sự tạo thành sản phẩm phụ nào Polyester còn có khả năng

ép khuôn mà không cần áp suất

Polyester có thời gian tồn trữ ngắn là do hiện tượng tự đông rắn của nó sau một thời gian Thông thường, người ta thêm vào một lượng nhỏ chất ức chế trong quá trình tổng hợp polyester để ngăn ngừa hiện tượng này

Nhà sản xuất có thể cung cấp nhựa ở dạng tự nhiên hay có dùng một số phụ gia Nhựa có thể được sản xuất để chỉ cần cho xúc tác vào là sử dụng được Như đã

đề cập ở trên, cần phải có thời gian để polyester tự đông rắn Tốc độ trùng hợp quá chậm cho mục đích sử dụng, vì vậy cần dùng chất xúc tác và chất xúc tiến để đạt độ trùng hợp của nhựa trong một khoảng thời gian nào đó

Khi đã đóng rắn, polyester rất cứng và có khả năng kháng hoá chất Quá trình đông rắn hay tạo kết ngang được gọi là quá trình Polymer hóa Đây là phản ứng hoá học chỉ có một chiều Cấu trúc không gian này cho phép nhựa chịu tải được

mà không bị giòn

Cần phải chuẩn bị hỗn hợp nhựa trước khi sử dụng Nhựa và các phụ gia khác phải được phân tán đều trước khi cho xúc tác vào Phải khuấy đều và cẩn thận

để loại bỏ bọt khí trong nhựa ảnh hưởng quá trình gia công Điều này rất quan trọng

do bọt khí còn trong nhựa sẽ ảnh hưởng tính chất cơ lý, làm cấu trúc sản phẩm bị yếu Cần phải chú ý rằng việc dùng xúc tác và xúc tiến với hàm lượng vừa đủ sẽ cho vật liệu những tính chất tốt nhất Nếu quá nhiều xúc tác sẽ làm quá trình gel hoá

xảy ra nhanh hơn, ngược lại, nếu ít xúc tác quá trình đóng rắn sẽ bị chậm lại

- Vinylester

Vinylester có cấu trúc tương tự như polyester, nhưng điểm khác biệt chủ yếu của nó với polyester là vị trí phản ứng, thường là ở cuối mạch phân tử do vinyl ester chỉ có kết đôi C=C ở hai đầu mạch mà thôi Toàn bộ chiều dài mạch phân tử đều sẵn chịu tải, nghĩa là vinylester dai và đàn hồi hơn polyester Vinylester có ít nhóm ester hơn polyester, nhóm ester rất dễ bị thủy phân, tức là vinylester kháng nước tốt hơn các polyester khác, do vậy nó thường được ứng dụng làm ống dẫn và bồn chứa hoá chất

Khi so sánh với polyester thì số nhóm ester trong vinyl ester ít hơn, nghĩa là vinyl ester ít bị ảnh hưởng bởi phản ứng thủy phân Thường dùng vật liệu này như

là lớp phủ bên ngoài cho sản phẩm ngập trong nước, như là vỏ ngoài của tàu, thuyền Cấu trúc đóng rắn của vinyl ester có khuynh hướng dai hơn polyester, mặc

dù để đạt tính chất này, nhựa cần nhiệt độ cao sau đông rắn

- Epoxy

Epoxy là đại diện cho một số nhựa có tính năng tốt nhất hiện nay Nói chung, epoxy có tính năng cơ lý, kháng môi trường hơn hẳn các nhựa khác, là loại nhựa được sử dụng nhiều nhất trong các chi tiết máy bay Với tính chất kết dính và khả năng kháng nước tuyệt vời của mình, epoxy rất lý tưởng để sử dụng trong ngành đóng tàu, là lớp lót chính cho tàu chất lượng cao hoặc là lớp phủ bên ngoài vỏ tàu hay thay cho polyester dễ bị thủy phân bởi nước và gelcoat

Nhựa epoxy được tạo thành từ những mạch phân tử dài, có cấu trúc tương tự vinylester, với nhóm epoxy phản ứng ở vị trí cuối mạch Nhựa epoxy không có nhóm ester, do đó khả năng kháng nước của epoxy rất tốt Ngoài ra, do có hai vòng thơm ở vị trí trung tâm nên nhựa epoxy chịu ứng suất cơ và nhiệt nó tốt hơn mạch thẳng, do vậy, epoxy rất cứng, dai và kháng nhiệt tốt

Nhựa epoxy, ta dùng chất đông rắn để tạo mạng không gian ba chiều Chất đông rắn ưa sử dụng là amine, được cho vào epoxy, lúc này giữa chúng sẽ xảy ra phản ứng hoá học Thường nhóm epoxy sẽ phản ứng kết khối với nhóm amine, tạo

ra cấu trúc phân tử ba chiều phức tạp Amine kết hợp với epoxy theo một tỉ lệ nhất định, đây là yếu tố quan trọng vì việc trộn đúng tỉ lệ đảm bảo cho phản ứng xảy ra hoàn toàn Nếu tỉ lệ trộn không đúng thì nhựa chưa phản ứng hoặc chất đông rắn còn dư trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến tính chất sản phẩm sau đông rắn

Để đảm bảo tỉ lệ phối trộn chính xác, nhà sản xuất thường công thức hoá các thành phần và đưa ra một tỉ lệ trộn đơn giản bằng cách đo khối lượng hay thể tích của chúng

Cả nhựa epoxy lỏng và tác nhân đông rắn đều có độ nhớt thấp thuận lợi quá trình gia công Epoxy đông rắn dễ dàng và nhanh chóng ở nhiệt độ phòng từ 5-

1500C, tuỳ cách lựa chọn chất đông rắn Một trong những ưu điểm nổi bật của epoxy là co ngót thấp trong khi đông rắn Lực kết dính, tính chất cơ lý của epoxy được tăng cường bởi tính cách điện và khả năng kháng hoá chất

Ứng dụng của epoxy rất đa dạng, nó được dùng làm: keo dán, hỗn hợp xử lý

bề mặt, hỗn hợp đổ, sealant, bột trét, sơn

3.3.2 Chất độn (cốt)

Đóng vai trò là chất chịu ứng suất tập trung vì chất độn thường có tính chất

cơ lý cao hơn nhựa Người ta đánh giá chất độn dựa trên các đặc điểm sau:

 Tính gia cường cơ học

 Tính kháng hoá chất, môi trường, nhiệt độ

 Phân tán vào nhựa tốt

 Truyền nhiệt, giải nhiệt tốt

 Thuận lợi cho quá trình gia công