Thử nghiệm động lực học cánh phụ tàu đệm khí động (ekranoplan)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC LÊ DUY MINH THỬ NGHIỆM ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG (EKRANOPLAN) Ngành: Cơ học Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 60 44 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH NGUYỄN TIẾN KHIÊM HÀ NỘI - 2008 MỤC LỤC MỞ ĐẦU TỔNG QUAN CHƢƠNG DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU 10 1.1 MƠ HÌNH DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU 10 1.1.1 Hệ bậc tự 10 1.1.1.1 Khái niệm bậc tự 10 1.1.1.2 Khái niệm dao động 10 1.1.1.3 Dao động cưỡng bức, đặc trưng tần số 13 1.1.1.4 Hàm phản ứng xung 16 1.1.1.5 Tích phân Duhamel 18 1.1.1.6 Hệ số động lực tựa phổ phản ứng 19 1.1.2 Hệ nhiều bậc tự 22 1.1.2.1 Các đặc trưng động lực học 22 1.1.2.2 Các đặc trưng phổ 24 CHƢƠNG KỸ THUẬT ĐO DAO ĐỘNG 26 2.1.NGUYÊN LÝ ĐO DAO ĐỘNG 26 2.1.1 Nguyên lý động học 26 2.1 Nguyên lý động lực học 27 2.1.3.Đầu đo chuyển động 30 2.1.3.1 Đầu đo chuyển vị 31 2.1.3.2 Đầu đo vận tốc 32 2.1.3.3 Đầu đo gia tốc động học 33 2.2.THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG 34 2.2.1 Thiết bị học 34 2.2.2 Thiết bị điện tử 36 2.2.2.1.1 Yêu cầu đầu đo dao động theo phương pháp điện 36 2.2.2.2 Các đặc trưng đầu đo 36 2.2.3 Một số máy đo đại 38 2.3 XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG 40 2.3.1 Thuộc tính vật lý tín hiệu dao động 40 2.3.2 Biểu diễn tín hiệu dao động dạng số hóa 40 2.3.3 Tần số lấy mẫu tín hiệu 43 2.3.4 Biểu diễn tín hiệu miền tần số phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) 43 2.3.4.1 Tổng quan phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) phép biến đổi Fourier ngược (IFFT) 43 1.4.4.2 Cơ sở toán học phổ tín hiệu dao động 43 2.3.5 Bộ lọc thông thấp, lọc thông cao lọc thông giải lý tƣởng 45 2.3.5.1 Bộ lọc thông thấp lý tưởng 45 2.3.5.2 Bộ lọc thông cao lý tưởng 46 2.3.5.3 Bộ lọc thông giải 46 2.3.5.4 Ví dụ 47 CHƢƠNG ĐO ĐẠC DAO ĐỘNG CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG 50 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG (EKRANOPLAN) 50 3.1.1 Ekranoplan - số đặc điểm cấu tạo hoạt động 50 3.1.2 Cấu tạo tàu đệm khí động Thăng Long 1000 52 3.1.3 Kết cấu tàu đệm khí động 53 3.2 CHI TIẾT KẾT CẤU CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG 54 3.3 ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 56 3.3.1 Mục đích 56 3.3.2 Địa điểm thời gian thực 56 3.3.3 Thiết bị phần mềm phân tích 56 3.3.4 Sơ đồ bố trí điểm đo 58 3.3.5 Quy trình đo, phân tích xử lý tín hiệu đo 58 3.3.5.1 Quy trình 58 3.3.5.2 Phân tích xử lý tín hiệu đo 59 3.3.6 Kết đo đạc 59 3.3.6.1 Lần đo 59 3.3.6.2 Lần đo 62 3.3.6.4 Lần đo 67 3.3.6.5 Lần đo 69 3.3.6.6 Lần đo 71 3.3.6.7 Lần đo 73 3.3.6.8 Lần đo 75 3.4 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 77 3.4.1 Tiêu chuẩn đánh giá 77 3.4.2 Đánh giá 78 KẾT LUẬN 79 KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 MỤC LỤC HÌNH VẼ Hình Dao động lắc đơn 10 Hình Dao động tự khơng cản 12 Hình Dao động tự có cản 13 Hình Dao động hệ bậc tự có xét đến ảnh hưởng chuyển vị 13 Hình Biểu đồ Nyquist hàm độ dẫn học M(ω) 16 Hình Tải trọng xung 16 Hình Đồ thị hệ số động lực kd góc pha theo tỷ số tần số 20 Hình Tải trọng va chạm 20 Hình Xung hình nửa sin 21 Hình 10 Đồ thị tựa phổ phản ứng hệ 22 Hình 11 Sơ đồ nguyên lý đầu đo sử dụng hiệu ứng dịng xốy 26 Hình 12 Đáp ứng tương quan đầu đo proximity loại vật liệu 27 Hình 13 Hình ảnh đầu đo chuyển vị động Viện học 27 Hình 14 Mơ hình bậc tự đầu đo động học 28 Hình 15 Đồ thị minh họa góc R0 z0 30 Hình 16 Hàm truyền ( biên độ pha) đầu đo (a) Biên độ, (b) Pha 30 Hình 17 Hàm truyền (biên độ pha) đầu đo chuyển vị 31 Hình 18 Sơ đồ nguyên l đầu đo vận tốc 32 Hình 19 Một số đầu đo vận tốc Viện học 32 Hình 20 Sơ đồ nguyên lý đầu đo gia tốc kiểu áp điện có tiền khuếch đại 33 Hình 21 Một só đầu đo gia tốc áp điện Viện Cơ học 34 Hình 22 Sơ đồ cấu tạo máy Heiger 34 Hình 23 Tần số kế 35 Hình 24 Tần số kế Frank 36 Hình 25 Sơ đồ nguyên lý chung hệ thống đo đại 38 Hình 26 Máy đo dao động B&K 2825 39 Hình 27 Máy đo dao động 16 kênh DEWE-BOOK 16 39 Hình 28 Biên độ tần số tín hiệu sin 40 Hình 29 Tổ hợp hai tín hiệu dao động với tần số khác 40 Hình 30 Nguồn dao động chuẩn 40 Hình 31 Tín hiệu đo lớn đầu đo gia tốc thể 41 Hình 32 Giá trị chuyển đổi tương ứng với mức điện áp ±5V 41 Hình 33 Minh họa điểm lấy mẫu tín hiệu 42 Hình 34 Giá trị mẫu thu thập 42 Hình 35 Tín hiệu tái tạo 42 Hình 36 Một tín hiệu dao động tổ hợp ba tín hiệu dao động thành phần 45 Hình 37 Biểu diễn tín hiệu dao động miền tần số 45 Hình 38 Đáp ứng biên độ lọc thông thấp lý tưởng 46 Hình 39 Đáp ứng biên độ lọc thơng cao lý tưởng 46 Hình 40 Đáp ứng lọc thông giải lý tưởng 47 Hình 41 Minh họa tín hiệu dao động với ba tần số 47 Hình 42 Tín hiệu dao động qua lọc thơng thấp 48 Hình 43 Tín hiệu dao động qua lọc thơng cao 48 Hình 44 Tín hiệu qua lọc thông dải 49 Hình 45 Mơ hình tàu đệm khí động Thăng Long 1000 52 Hình 46 Mơ hình kết cấu tàu đệm khí động 53 Hình 47 Hình chiếu kết cấu cánh phụ tàu đệm khí động 55 Hình 48 Hình chiếu cạnh cánh phụ tàu đệm khí động(có gắn động cơ) 55 Hình 49 Ảnh chụp cánh phụ tàu đệm khí động 55 Hình 50 Sơ đồ vị trí gắn đầu đo gia tốc cánh phụ 58 Hình 51 Ảnh chụp vị trí gắn đầu đo lần đo thực tế trường 58 Hình 52 Đồ thị tín hiệu gia tốc miền thời gian 60 Hình 53 Đồ thị tần số đo điểm đo F1 đến F5 60 Hình 54 Chuyển vị điểm đo F1 đến F5 61 Hình 55 Phóng to biểu đồ chuyển vị điểm từ F1 đến F5 61 Hình 56 Dạng dao động cánh phụ, lần đo 62 Hình 57 Đồ thị gia tốc điểm đo lần đo 63 Hình 58 Đồ thị gia tốc miền tần số, lần đo 63 Hình 59 Đồ thị chuyển vị điểm lần đo 63 Hình 60 Biểu diễn chi tiết đồ thị dao động lần đo 64 Hình 61 Dạng dao động cánh phụ, lần đo 64 Hình 62 Đồ thị gia tốc điểm đo lần đo 65 Hình 63 Đồ thị gia tốc điểm đo lần miền tần số 66 Hình 64 Đồ thị chuyển vị điểm lần đo 66 Hình 65 Chi tiết dạng dao động điểm đo lần đo 66 Hình 66 Dạng dao động phần cánh phụ bên trái, lần đo 67 Hình 67 Biểu đồ gia tốc miền thời gian lần đo 68 Hình 68 Gia tốc miền tần số lần đo 68 Hình 69 Biểu đồ chuyển vị miền thời gian 68 Hình 70 Chi tiết chuyển vị điểm đo lần đo 69 Hình 71 Dạng chuyển động phần cánh phụ phía trái, lần đo 69 Hình 72 Gia tốc chuyển động miền thời gian 70 Hình 73 Gia tốc biểu diễn miền tần số 70 Hình 74 Chuyển vị điểm 71 Hình 75 Một đoạn tín hiệu chuyển vị cắt 71 Hình 76 Biểu đồ gia tốc lần đo 72 Hình 77 Biểu đồ gia tốc miền tần số 72 Hình 78 Biểu đồ chuyển vị miền thời gian 73 Hình 79 Phóng to chuyển vị 73 Hình 80 Biểu đồ gia tốc lần đo 74 Hình 81 Biểu đồ gia tốc miền tần số, lần đo 74 Hình 82 Biểu đồ chuyển vị biểu diễn miền tần số, lần đo 75 Hình 83 Biểu đồ gia tốc miền thời gian, lần đo 76 Hình 84 Biểu đồ gia tốc miền tần số, lần đo 76 Hình 85 Biểu đồ chuyển vị miền thời gian, lần đo 76 Hình 86.Biểu đồ đánh giá mức rung động kết cấu 77 MỤC LỤC BẢNG Bảng Thiết bị phần mềm phân tích 57 Bảng Giá trị dao động điểm lần đo 59 Bảng Giá trị đo điểm lần đo 62 Bảng Giá trị dao động điểm đo lần 65 Bảng Các giá trị đo lần đo 67 Bảng Giá trị chuyển động đo lần đo 70 Bảng Giá trị dao động điểm đo lần đo 72 Bảng Các giá trị dao động đo được, lần đo 73 Bảng Các giá trị dao động đo được, lần đo 75 MỞ ĐẦU Tàu đệm khí động (EP- Ekranoplane) sử dụng hiệu ứng cánh sát đất (Wing in Ground Effect) đƣợc quan tâm nghiên cứu, chế tạo nhiều nƣớc giới Điển hình nƣớc nhƣ Nga, Đức, Mỹ, Trung Quốc Nhật Bản Viện Cơ học hợp tác với chuyên gia nƣớc nghiên cứu, thiết kế chế tạo thử nghiệm tàu đệm khí động hai chỗ ngồi Việt Nam Đây lĩnh vực nên việc thiết kế, tính tốn chế tạo cịn gặp nhiều khó khăn trình độ khoa học kỹ thuật nƣớc Việc chế tạo thành công đƣa vào sử dụng thực tế phƣơng tiện giao thông yêu cầu phải đáp ứng đƣợc tiêu chuẩn an toàn khắt khe Đối với tàu đệm khí động thiết bị bay, trọng lƣợng thân tàu lớn, tính hoạt động thiết bị giảm Nhƣng thiết kế tàu với tiêu chí gọn nhẹ mà coi nhẹ yếu tố bền, độ an tồn thật thảm họa Vấn đề khiến cho việc tính tốn, thử nghiệm chi tiết, phận tàu quan trọng Việc thử nghiệm tĩnh động đối cho tàu đệm khí động đòi hỏi thời gian nhân lực nhiều Với phạm vi luận văn tốt nghiệp cao học, tác giả trình bày phần đo đạc thử nghiệm đặc trƣng dao động cánh phụ gắn tàu đệm khí động TỔNG QUAN Theo thiết kế tàu đệm khí động Thăng Long 1000, cánh phụ (canard) đƣợc lắp phía đầu mũi tàu Nhiệm vụ cánh phụ mang hai động chính, giúp tạo lực nâng thêm giữ ổn định cho tàu Trong q trình làm việc tàu đệm khí động, cánh phụ phận rung động lớn chúng phải chịu rung động hai động gây Do đó, việc tính tốn, mơ động cánh phụ chƣa đủ Việc đo đạc thực nghiệm kết cấu cần thiết, mang lại nhiều thông tin quý giá cho việc hồn thiện kết cấu tàu đệm khí động Luận văn trình bày vấn đề sau: - Tổng quan lý thuyết dao động kết cấu - Kỹ thuật đo dao động mà đo dao động có chu kỳ - Kỹ thuật thu thập xử lý tín hiệu số - Thử nghiệm động cánh phụ tàu đệm khí động - Đánh giá, kết luận kết đo đạc ... hình tàu đệm khí động Thăng Long 1000 52 Hình 46 Mơ hình kết cấu tàu đệm khí động 53 Hình 47 Hình chiếu kết cấu cánh phụ tàu đệm khí động 55 Hình 48 Hình chiếu cạnh cánh phụ tàu đệm. .. đo đạc thử nghiệm đặc trƣng dao động cánh phụ gắn tàu đệm khí động 9 TỔNG QUAN Theo thiết kế tàu đệm khí động Thăng Long 1000, cánh phụ (canard) đƣợc lắp phía đầu mũi tàu Nhiệm vụ cánh phụ mang... ĐẠC DAO ĐỘNG CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG 50 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG (EKRANOPLAN) 50 3.1.1 Ekranoplan - số đặc điểm cấu tạo hoạt động 50 3.1.2 Cấu tạo tàu đệm khí động