Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu mới PPC (polypropylen copolymer) trong đóng mới tàu cá xa bờ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu mới PPC Polypropylene Copolymer trong đóng mới tàu đánh cá xa bờ” là công trình nghiên cứu c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ NGUYỄN VŨ TUÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU MỚI

PPC (POLYPROPYLEN COPOLYMER) TRONG ĐÓNG MỚI TÀU CÁ XA BỜ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa – 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

LÊ NGUYỄN VŨ TUÂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG VẬT LIỆU MỚI

PPC (POLYPROPYLEN COPOLYMER) TRONG ĐÓNG MỚI TÀU CÁ XA BỜ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài: “Nghiên cứu khả năng sử dụng vật

liệu mới PPC (Polypropylene Copolymer) trong đóng mới tàu đánh cá xa bờ” là

công trình nghiên cứu của cá nhân tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho đến thời điểm này

Khánh Hòa, ngày … tháng … năm 2015

Tác giả luận văn

Lê Nguyễn Vũ Tuân

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, bản thân tôi đã được quý phòng ban của trường Đại học Nha Trang, quý thầy cô Khoa Kỹ thuật giao thông, Khoa Sau Đại học, Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành đề tài Đặc biệt xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ, hướng dẫn tận tình của người hướng dẫn khoa học - Phó Giáo sư – Tiến sĩ Trần Gia Thái - đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài này Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này Đồng thời, cũng xin cảm ơn Thạc sĩ Nguyễn Vũ Hà - Trung tâm đăng kiểm và tư vấn nghề cá và kỹ sư Nguyễn Quốc Bảo - Công ty Hyundai Vinashin, đã đóng góp ý kiến cho tôi trong quá trình thực hiện đề tài Mặc dù đã có nhiều cố gắng hoàn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng lực của mình nhưng không thể tránh khỏi các thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô và các bạn

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình và tất cả các bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Khánh Hòa, ngày … tháng … năm 2015

Tác giả luận văn

Lê Nguyễn Vũ Tuân

MỤC LỤC

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Mục lục v

Danh mục ký hiệu viii

Danh mục chữ viết tắt ix

Danh mục bảng x

Danh mục hình xi

Danh mục đồ thị xv

Trích yếu luận văn xvi

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2

1.3 Mục tiêu, phương pháp, nội dung và giới hạn nghiên cứu 4

1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu 4

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 4

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.3.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu 5

1.4 Giới thiệu phần mềm phân tích kết cấu MAESTRO 6

1.4.1 Khai báo các đặc trưng hình học của các chi tiết kết cấu 7

1.4.2 ây dựng mô hình kết cấu trong MAESTRO 7

Chương 2 : VẬT LIỆU PPC TRONG ĐÓNG TÀU 13

2.1 Lịch sử phát triển và cấu trúc phân tử của vật liệu PPC 13

2.2 Tính chất của vật liệu PPC 16

2.2.1 Đặc tính cơ học 17

2.2.2 Tính an toàn và tính tiết kiệm 17

2.2.3 Tính năng kháng hóa chất 17

2.2.4 Tuổi thọ và độ bền 17

2.2.5 Sự phù hợp của vật liệu PPC cho đóng tàu 18

2.2.6 Khả năng cách nhiệt, chống ồn và chống rung 18

2.2 Khả năng chống tia cực tím và hun nóng 18

2.2.8 Độ bền màu 18

2.2 Tính thân thiện với môi trường 18

2.2.10 Tính hàn 18

2.3 So sánh vật liệu PPC với các vật liệu đóng tàu khác 19

2.3.1 Cơ tính của vật liệu PPC 19

2.3.2 Kết quả kiểm nghiệm cơ tính thực tế đối với vật liệu PPC 21

2.3.3 So sánh các tính chất thủy động 23

2.3.4 Ảnh hưởng của môi trường 24

2.3.5 Biến chất, lão hóa, ăn mòn, phá hủy, xuống cấp 25

2.3.6 Khả năng chống hóa chất và các chất khác 26

2.4 Ứng dụng vật liệu PPC trong đóng tàu 26

2.4.1 Chế tạo các loại tàu cao tốc 27

2.4.2 Chế tạo các loại tàu chạy sông 27

2.4.3 Chế tạo tàu cá 29

2.4.4 Chế tạo các công trình nổi 30

2.5 Giới thiệu các mẫu canô bằng vật liệu PPC 31

2.5.1 Mẫu canô cao tốc phục vụ du lịch có ký hiệu thiết kế H160 31

2.5.2 Mẫu ca nô cao tốc phục vụ thể thao, giải trí có ký hiệu thiết kế H420 34

2.5.3 Mẫu canô đa năng có ký hiệu thiết kế H650 36

2.6 Công nghệ hàn tàu bằng vật liệu PPC 40

2.6.1 Các phương pháp hàn nhựa PPC 40

2.6.2 Các phương pháp hàn nhựa PPC trong chế tạo tàu thuyền 43

Chương 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 47

3.1 Thử nghiệm xác định giá trị hệ số poisson vật liệu PPC 47

3.1.1 Thiết bị thử nghiệm 47

3.1.2 Phương pháp thử nghiệm 48

3.1.3 Thử nghiệm xác định hệ số Poisson 50

3.2 Thiết kế mẫu tàu đánh cá bằng vật liệu PPC 54

3.2.1 Các thông số cơ bản như sau 54

3.2.2 Thiết kế đường hình tàu 54

3.2.3 Bố trí chung của tàu 57

3.2.4 Các thông số kết cấu 61

3.3 Tính toán độ bền thân tàu 62

3.3.1 Thiết lập các thông tin chung về tàu, vật liệu và hệ đơn vị tính 62

3.3.2 ây dựng mô hình kết cấu 63

3.3.3 Áp đặt điều kiện biên 73

3.3.4 Thiết lập ngoại lực tác dụng lên tàu 74

3.4 Giải và xuất kết quả 80

3.4.1 Kết quả xác định tọa độ trọng tâm và tâm nổi của mô hình tàu tính toán 80

3.4.2 Kết quả tính mômen uốn, lực cắt tác dụng lên mô hình tàu 80

3.4.3 Kết quả tính ứng suất và biến dạng 85

3.5 Mối quan hệ giữa giá trị ứng suất và biến dạng lớn nhất khi thay đổi chiều dày tấm vỏ tàu 88

Chương 4 : KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 90

4.1 Kết luận 90

4.2 Kiến nghị 91

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 PHỤ LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU

Lmax : Chiều dài lớn nhất

Ltk : Chiều dài thiết kế

F : Chiều dài của phần hẹp song song

G : Chiều dài khoảng cách giữa 2 điểm đo ban đầu

ΔG : Độ dãn dài của khoảng cách giữa 2 điểm đo ban đầu

W : Chiều rộng của phần hẹp mẫu thử ban đầu

ΔW : Độ co lại của chiều rộng phần hẹp song song

R : Bán kính

 : Hệ số poisson

εtrans : Biến dạng ngang tương đối

εaxial : Biến dạng dọc trục tương đối

 : Ứng suất tại mọi điểm trên trên mặt cắt ngang

E : Mô đun đàn hồi khi kéo

P : Lực kéo

A : Diện tích mặt cắt ngang

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

BGTVT : Bộ giao thông vận tải

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Một số tính chất điển hình của vật liệu PPC (Polystone ® P) 19

Bảng 2.2 Các đặc tính kỹ thuật của vật liệu PPC 20

Bảng 2.3 Giá trị cơ tính chính dùng đóng tàu của vật liệu PPC theo bảng 2.2 20

Bảng 2.4 So sánh cơ tính của vật liệu PPC với các vật liệu đóng tàu khác 21

Bảng 2.5 So sánh cơ tính của vật liệu PPC và thép 23

Bảng 2.6 Các thông số kỹ thuật của các mẫu tàu cá bằng vật liệu PPC 29

Bảng 3.1 Hệ số poisson của một số vật liệu 50

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm hệ số poisson của nhóm ký hiệu mẫu PPC 51

Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm hệ số poisson của nhóm ký hiệu mẫu PPC-1 52

Bảng 3.4 Quy cách các kết cấu cơ bản của mẫu tàu đang xét 60

Bảng 3.5 Bảng so sánh các kích thước mô hình với tàu thực 68

Bảng 3.6 Điều kiện biên theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 21: 2010/ BGTVT 72

Bảng 3 Bảng phân bố trọng lượng các khoang trên tàu 74

Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả các giá trị ứng suất lơn nhất, biến dạng lớn nhất 87

Bảng 3 Giá trị ứng suất lớn nhất và biến dạng lớn nhất khi thay đổi chiều dày tấm vỏ tàu 88

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Menu khai báo để xây dựng các chi tiết kết cấu tàu thủy 7

Hình 1.2 Cấu trúc của quá trình xây dựng mô hình tính trong MAESTRO 8

Hình 1.3 Cấu tạo và các thuật ngữ cơ bản sử dụng trong MAESTRO 9

Hình 1.4 Hộp thoại Module and Substructures 9

Hình 1.5 Hộp thoại Reference Points 10

Hình 1.6 Tập hợp các dãy điểm Endpoint 10

Hình 1 Hộp thoại Strakes 10

Hình 1.8 Kết cấu của một strake 11

Hình 1 Kết cấu một strake và các strake trong môđun kết cấu 11

Hình 1.10 Hộp thoại compound 12

Hình 1.11 Một môđun kết cấu sau khi ghép các sườn lại với nhau 12

Hình 2.1 Công thức phân tử Propylen 14

Hình 2.2 Phản ứng hóa phối trí theo cơ chế polymer 14

Hình 2.3 Chuỗi phần tử của nhựa d o 15

Hình 2.4 Cấu tạo phần tử nhựa d o 15

Hình 2.5 Kết cấu tấm PPC 15

Hình 2.6 Tàu câu cá giải trí Polycraft 530 Warrior 16

Hình 2 Mẫu thử PPC 21

Hình 2.8 Kết quả thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn của vật liệu PPC 22

Hình 2 So sánh tính chất thủy động vật liệu PPC với các vật liệu đóng tàu khác 23

Hình 2.10 Các mẫu tàu cao tốc bằng vật liệu PPC 27

Hình 2.11 Phà sông hai thân 27

Hình 2.12 Mẫu thuyền máy chuyên dụng 27

Hình 2.13 Tàu nghiệp vụ chạy sông 28

Hình 2.14 Tàu nghiệp vụ chạy sông 28

Hình 2.15 Nhà nổi công vụ 28

Hình 2.16 Nhà hàng nổi 28

Hình 2.1 Mô hình tàu cá bằng vật liệu PPC 29

Hình 2.18 Phao nổi bằng tấm nhựa Polystone ®P 30

Hình 2.19 Phao tiêu báo hiệu đường thủy 30

Hình 2.20 Bản vẽ đường hình canô cao tốc phục vụ du lịch H610 32

Hình 2.21 Bản vẽ bố trí chung canô cao tốc H610 32

Hình 2.22 Canô cao tốc phục vụ du lịch H610 33

Hình 2.23 Chạy thử canô H420 34

Hình 2.24 Hình 3D mẫu canô H420 ở các góc nhìn khác nhau 35

Hình 2.25 Hình 3D mẫu canô H650 ở các góc nhìn khác nhau 37

Hình 2.26 Bản vẽ đường hình của tàu du lịch cao tốc bằng vật liệu PPC 38

Hình 2.2 Bản vẽ bố trí chung của tàu du lịch cao tốc bằng vật liệu PPC 39

Hình 2.28 Nguyên lý hàn nhựa bằng dòng khí nóng 40

Hình 2.2 Nguyên lý hàn nhựa nhiệt d o bằng cuôn dây nung 40

Hình 2.30 Hàn đối đầu tấm nung 41

Hình 2.31 Sơ đồ nguyên lý phương pháp hàn ma sát áp dụng hàn nhựa nhiệt d o 42

Hình 2.32 Nguyên lý hàn đùn 42

Hình 2.33 Vùng làm sạch bề mặt liên kết hàn 43

Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý thiết bị hàn đùn 44

Hình 2.35 Các thiết bị hàn dùng trong chế tạo tàu PPC 45

Hình 2.36 Các dạng liên kết hàn tiêu biểu 46

Hình 2.3 Ảnh hưởng của dạng liên kết hàn đến khả năng chịu uốn 46

Hình 3.1 Máy kéo nén hiệu HOUNSFEID H50K-S 47

Hình 3.2 Hình dạng và kích thước mẫu thử 48

Hình 3.3 Quy cách mẫu thử của vật liệu PPC 48

Hình 3.4 Mẫu vật liệu PPC 49

Hình 3.5 Mẫu kéo trước khi thử nghiệm 49

Hình 3.6 Mẫu kéo sau khi thử nghiệm 49

Hình 3 Mẫu hình chữ nhật chịu nén với hệ số Poisson vào khoảng 0.5 50

Hình 3.8 Kết quả thử nghiệm hệ số Poisson 53

Hình 3 Dạng tàu đáy chữ V 55

Hình 3.10 Dạng đáy tàu 55

Hình 3.11 Bản vẽ đường hình tàu câu cá ngừ đại dương bằng vật liệu PPC 56

Hình 3.12: Bản vẽ bố trí chung tàu câu cá ngừ đại dương bằng vật liệu PPC 59

Hình 3.13: Hình vẽ phối cảnh mẫu tàu câu cá ngừ đại dương bằng vật liệu PPC 60

Hình 3.14 Bản vẽ các mặt cắt ngang kết cấu 61

Hình 3.15 Menu khai báo các thông tin chung về tàu tính toán 62

Hình 3.16 Menu chọn hệ đơn vị tính toán 63

Hình 3.17 Menu khai báo các thông số của vật liệu PPC 63

Hình 3.18 Mặt cắt ngang 64

Hình 3.19 Vách kín có miệng hầm 64

Hình 3.20 Kết cấu vách đuôi tàu 65

Hình 3.21 Kết cấu phần mũi tàu 65

Hình 3.22 Kết cấu bên ngoài và bên trong của nửa sau của tàu 66

Hình 3.23 Kết cấu nửa trước của tàu 67

Hình 3.24 Kết cấu cabin tàu 68

Hình 3.25 Hình ảnh mô hình tổng thể của tàu tính toán 68

Hình 3.26 Hình ảnh tổng thể của mô hình tàu khảo sát với các thông số kiểm tra các kích thước của mô hình 69

Hình 3.27 Hình ảnh mô hình tàu trên hình chiếu cạnh (body plan) 70

Hình 3.28 Hình ảnh mô hình tàu trên hình chiếu bằng (Plan) 70

Hình 3.29 Hình chiếu mô hình tàu trên hình chiếu đứng (Profile) 71

Hình 3.30 Phần diện tích ướt của mô hình tàu đang xét 71

Hình 3.31 Kết cấu bên trong của toàn bộ mô hình tàu tính toán 72

Hình 3.32 Áp đặt các điều kiện biên vào mô hình tàu tính toán 73

Hình 3.33 Các tải trọng tác dụng lên thân tàu thủy 74

Hình 3.34 Mô hình tàu nổi cân bằng trên nước tĩnh 74

Hình 3.35 Khai báo các tải trọng trên tàu khảo sát 75

Hình 3.36 Biểu đồ phân bố các tải trọng tác dụng theo chiều dọc tàu 75

Hình 3.37 Phương pháp vẽ profin sóng dạng Trochoid 76

Hình 3.38 Khai báo các thông số của mô hình sóng tính toán 78

Hình 3.39 Tàu khảo sát sau khi đặt mô hình sóng tính toán 78

Hình 3.40 Biểu đồ phân bố lực nổi dọc theo chiều dài mô hình tàu khảo sát 79

Hình 3.41 Chạy cân bằng mô hình tàu trên sóng 79

Hình 3.42 Chạy phân tích mô hình tàu trên sóng 79

Hình 3.43 Giá trị tọa độ trọng tâm (điểm xanh), tâm nổi (điểm đỏ) 80

Hình 3.44 Biểu đồ phân bố mômen uốn dọc theo chiều dài tàu trên nước tĩnh 80

Hình 3.45 Biểu đồ phân bố lực cắt dọc theo chiều dài tàu trên nước tĩnh 81

Hình 3.46 Biểu đồ phân bố áp suất nước biển lên vỏ tàu trên nước tĩnh 81

Hình 3.47 Biểu đồ phân bố mômen uốn dọc theo chiều dài tàu trên đỉnh sóng 82

Hình 3.48 Biểu đồ phân bố lực cắt dọc theo chiều dài tàu trên đỉnh sóng 82

Hình 3.49 Biểu đồ phân bố áp suất nước biển tác dụng lên vỏ tàu trên đỉnh sóng 83

Hình 3.50 Biểu đồ phân bố mômen uốn dọc theo chiều dài tàu trên đỉnh sóng 83

Hình 3.51 Biểu đồ phân bố lực cắt dọc theo chiều dài tàu trên đáy sóng 84

Hình 3.52 Biểu đồ phân bố áp suất nước biển tác dụng lên vỏ tàu trên đáy sóng 84

Hình 3.53 Biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises trong kết cấu tàu trên nước tĩnh 85

Hình 3.54 Biểu đồ biểu thị màu và biến dạng chung của tàu trên nước tĩnh 85

Hình 3.55 Biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises trong kết cấu tàu trên đỉnh sóng 86

Hình 3.56 Biểu đồ biểu thị màu và biến dạng chung của tàu trên đỉnh sóng 86

Hình 3.57 Biểu đồ phân bố ứng suất Von Mises trong kết cấu tàu trên đáy sóng 87

Hình 3.58 Biểu đồ biểu thị màu và biến dạng chung của tàu trên đáy sóng 87

DANH MỤC ĐỒ THỊ

Đồ thị 3.1 Thay đổi ứng suất lớn nhất theo chiều dày tấm vỏ tàu 89

Đồ thị 3.2 Thay đổi biến dạng lớn nhất theo chiều dày tấm vỏ tàu 89

TRÍCH YẾU LUẬN VĂN

Chủ đề nghiên cứu

Trong thực tế hiện nay, việc tìm kiếm các vật liệu mới nhằm thay thế các vật liệu đóng tàu truyền thống có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và mang tính chất cấp thiết Trong bối cảnh đó, loại vật liệu Copolymer Polypropylene (PPC) được Cộng hòa Séc giới thiệu như là một loại vật liệu mới, tiên tiến có nhiều ưu điểm để dùng làm vỏ tàu Một số ít quốc gia, trong đó có Việt Nam đã dùng vật liệu này đóng tàu du lịch cỡ nhỏ

và đang có khuynh hướng muốn sử dụng loại vật liệu này trong đóng các tàu đánh cá Tuy nhiên, để có cơ sở khoa học trong việc sử dụng loại vật liệu này trong đóng tàu cá

có kích thước, tải trọng lớn hơn nhiều so với loại tàu du lịch cỡ nhỏ, đề tài đặt vấn đề nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng loại vật liệu mới này, tập trung về phương diện

độ bền và tính kinh tế, trong việc thiết kế và chế tạo tàu cá xa bờ ở nước ta hiện nay Trên cơ sở đó, đề tài đặt vấn đề thử nghiệm xác định một số cơ tính chính của vật liệu, thực hiện thiết kế sơ bộ một mẫu tàu đánh bắt cá xa bờ bằng chính loại vật liệu này và tiến hành tính độ bền để đánh giá khả năng chịu tải của loại vật liệu này khi sử dụng chế tạo tàu đánh cá

Mục tiêu của để tài

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng vật liệu PPC trong đóng mới tàu đánh cá thông qua việc đánh giá độ bền kết cấu tàu bằng vật liệu PPC Trên cơ sở đó tìm kiếm khả năng sử dụng vật liệu thay thế các vật liệu truyền thống đang dùng đóng tàu đánh cá hiện nay

Phương pháp nghiên cứu đã sử dụng

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

- Thử nghiệm xác định cơ tính vật liệu PPC và ứng dụng các thông số vật liệu

đã xác định trong tính độ bền của mẫu tàu cá thiết kế cụ thể nhằm đánh giá khả năng sử dụng vật liệu mới này trong đóng mới các loại tàu cá xa bờ

- Nghiên cứu tài liệu đã công bố về các tính chất và đặc điểm của vật liệu PPC,

kết hợp kiến thức thiết kế tàu để thiết kế mẫu tàu cá xa bờ bằng vật liệu này

Sử dụng phần mềm MAESTRO để phân tích, đánh giá độ bền tàu thiết kế theo các thông số vật liệu đã có hoặc thử nghiệm xác định

Kết quả nghiên cứu

(1) Đã tiến hành thử nghiệm xác định giá trị hệ số Poisson của vật liệu PPC, trong đó kết quả thử kéo nén theo hướng dọc là  = 0,178 và theo hướng ngang  = 0,191 Biến dạng dọc của vật liệu PPC lớn gấp 11 lần so với biến dạng ngang của nó Vật liệu có khả năng dãn dài, kết quả thử nghiệm kéo độ giãn dài đến 2 ,1 %

mà vật liệu vẫn chưa bị đứt

(2) Thiết kế sơ bộ một mẫu tàu câu cá ngừ làm bằng vật liệu PPC, gồm các bản vẽ đường hình, bố trí chung, kết cấu, cơ sở để đánh giá được độ bền của mẫu tàu Mẫu tàu có các thông số cơ bản gồm Lmax = 20,0 m; Bmax = 5,5 m; D = 2,5 m; công suất máy 250 HP; chiều dày vỏ tàu 40 mm;

(3) Kết quả tính độ bền của mẫu tàu thiết kế với các tấm PPC có chiều dày lớn nhất hiện nay là 40 mm, nhận được kết quả:

+ Giá trị ứng suất lớn nhất max = 7,96 N/mm2

+ Giá trị biến dạng lớn nhất max = 252 mm

Kết luận

- So sánh với cơ tính vật liệu PPC nhận thấy giá trị ứng suất lớn nhất nhỏ hơn giá trị độ bền kéo lý thuyết và độ bền kéo thực tế của vật liệu PPC tương ứng Còn giá trị biến dạng lớn nhất 252 mm so với chiều dài tàu 20 m có biến dạng tương đối bằng 0,0126 nhỏ hơn giá trị biến dạng dọc tương đối bằng 0,01 2 Do đó về

lý thuyết mặc dù có thể sử dụng vật liệu PPC để đóng tàu cá xa bờ nhưng cần hết sức lưu ý về sự xuất hiện biến dạng khá lớn, có thể sẽ gây ra nhiều ảnh hưởng xấu đến quá trình hoạt động của tàu

- Về hiệu quả kinh tế, việc sử dụng vật liệu PPC để đóng tàu đánh cá ít khả thi vì giá thành vật liệu, dẫn đến giá thành của tàu là quá đắt, cao gấp 4 lần so với tàu bằng composite và gấp 2 lần so với tàu vỏ sắt có cùng kích thước

- Cần có các giải pháp tránh sự độc quyền, đồng thời hạ giá thành vật liệu hoặc có

chính sách hỗ trợ cho người dân khi đóng tàu cá bằng vật liệu PPC

Từ khóa: nhựa PPC, polypropylene copolymer

Chương 1: PHẦN TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Theo các số liệu thống kê của Tổng cục thủy sản tính đến hết tháng 12/2014, nước ta có vào khoảng 132.000 tàu đánh cá, trong đó tàu đánh cá xa bờ chiếm 1 , % Hầu hết các đội tàu đánh cá của Việt Nam là tàu đánh cá vỏ gỗ chiếm đến , %, trong khi tàu đánh cá vỏ thép, vỏ composite và vỏ bằng vật liệu khác chỉ chiếm 0,1% Thực tế cho thấy, các loại vật liệu đóng tàu cá hiện nay đều có ưu nhược điểm riêng, nhưng chưa có vật liệu nào thật sự có sức hấp dẫn đối với ngư dân nước ta hiện nay Vật liệu thép tuy có ưu điểm về mặt cơ tính và công nghệ thi công nhưng dễ bị han gỉ

và thủy sinh vật bám bẩn nên chi phí sửa chữa và bảo dưỡng thường xuyên khá cao Vật liệu hợp kim nhôm tuy có thể khắc phục được các nhược điểm của tàu vỏ thép nhưng có giá thành cao, công nghệ chế tạo phức tạp, cần có máy móc thiết bị hiện đại Vật liệu Composite tuy có ưu điểm là khả năng chống ăn mòn cao, ít bị bám bẩn, nhưng độ bền va đập kém và không tái chế được nên là mối đe dọa cho môi trường Hơn nữa, việc thi công đóng tàu bằng vật liệu compossite còn mang tính đơn chiếc, phải đóng hàng loạt mới có thể giảm được giá thành do giảm chi phí làm khuôn mẫu

Do đó việc tìm kiếm các loại vật liệu mới nhằm thay thế các vật liệu truyền thống dùng trong đóng tàu có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và mang tính chất cấp thiết

Trong bối cảnh đó, vật liệu Copolymer Polypropylene (PPC) được Cộng hòa Séc giới thiệu như là một loại vật liệu mới, tiên tiến có nhiều ưu điểm để dùng làm vỏ tàu Một số ít quốc gia, trong đó có Việt Nam đã dùng vật liệu này đóng tàu du lịch cỡ nhỏ

và đang có khuynh hướng muốn sử dụng loại vật liệu này trong đóng các tàu đánh cá Tuy nhiên, để có cơ sở khoa học trong việc sử dụng loại vật liệu này trong đóng tàu cá

có kích thước và tải trọng lớn hơn nhiều so với loại tàu du lịch cỡ nhỏ, cần thiết phải đặt vấn đề nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng loại vật liệu mới này, đặc biệt là về phương diện độ bền, trong việc thiết kế và chế tạo tàu cá xa bờ ở nước ta hiện nay

Vì lý do đó, chúng tôi đã được Khoa Kỹ thuật giao thông Trường Đại học Nha trang

giao thực hiện đề tài cao học “Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liêu mới PPC

(Polypropylene Copolymer) trong đóng mới tàu đánh cá xa bờ.”

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Vật liệu PPC do Viện nghiên cứu vật liệu Cộng hòa Séc nghiên cứu và sáng chế trên cơ sở sử dụng chất phụ gia đặc biệt kết hợp với vật liệu Polypropylene của Đức Trong những năm gần đây, một số quốc gia trên thế giới cũng đã bắt đầu nghiên cứu

áp dụng vật liệu này trong nhiều lĩnh vực nói chung và trong đóng tàu thủy nói riêng Tuy nhiên, quốc gia đi tiên phong trong việc ứng dụng và phát triển loại vật liệu này trong ngành đóng tàu trước tiên phải kể đến Cộng hòa Séc với công ty James Boat Công ty này đã chế tạo nhiều tàu cao tốc và dự định chế tạo du thuyền lên đến 24m Ngoài chế tạo tàu thuyền, vật liệu này còn được dùng chế tạo các phao (pontons) nổi, được sử dụng như cầu tàu trong các bến du thuyền, bến phà hoặc trạm đánh bắt cá

Ở trong nước, vật liệu PPC cũng được ứng dụng trong một số ngành công nghiệp nhưng để ứng dụng làm vật liệu chế tạo tàu thuyền và công trình nổi thì hiện mới chỉ

có duy nhất một đơn vị là Công ty Cổ phần Công nghệ Việt – Séc là đang từng bước tiếp cận và làm chủ công nghệ chế tạo tàu thuyền bằng công nghệ vật liệu mới này Mặc dù công ty mới được thành lập và đang trong quá trình phát triển hoàn thiện nhưng đã được sự quan tâm của rất nhiều đơn vị, đặc biệt là các đơn vị trong quân đội Công ty cũng đã có một số đơn đặt hàng nhất định trong việc chế tạo canô, tàu bảo vệ, tuần tra ven biển cở nhỏ

Qua nghiên cứu tình hình ứng dụng của vật liệu PPC trong nước có thể rút ra được các nhận xét sau:

- Việc ứng dụng PPC trong đóng tàu mới được triển khai từ đầu thập niên 2000,

tập trung vào đội tàu cỡ nhỏ, chạy ven bờ, nhất là các tàu tuần tra, du lịch Các sản phẩm tàu bằng vật liệu PPC đang được chính phủ các nước quan tâm để thay thế vật liệu truyền thống đang sử dụnghiện nay

- Số lượng tàu tàu thuyền sử dụng vật liệu PPC ngày càng gia tăng, phù hợp với

xu hướng của thời đại là sử dụng các loại vật liệu thân thiện với môi trường, giảm chi phí bảo dưỡng, tiết kiệm năng lượng và giảm bớt lượng khí thải NOx Tuy nhiên, với nhiều ưu điểm như vậy, đến thời điểm này, rất nhiều nước trên thế giới (trong đó có Việt Nam) chưa có Quy phạm hướng dẫn đóng tàu bằng vật liệu này và cũng chưa thấy công bố nghiên cứu chính thức nào để đánh giá khả năng sử dụng vật liệu này để đóng tàu đánh cá xa bờ cỡ vừa và lớn

Ở Việt Nam, Công ty cổ phần công nghệ Việt Séc ở Vũng tàu là đơn vị đầu tiên được cấp phép sử dụng độc quyền vật liệu này nhưng chủ yếu cũng chỉ trong đóng tàu

và hiện công ty cũng đã thiết kế, chế tạo một số tàu cao tốc phục vụ du lịch, tuần tra…

Do vật liệu được phát minh ở Cộng hòa Séc nên hầu hết công trình nghiên cứu là ở nước này và hiện chưa có công trình nghiên cứu chính thức ở nước ta về vật liệu này Tuy nhiên, điều cần quan tâm là mặc dù đã đưa vào đóng tàu nhưng vật liệu này mới chỉ được Tổ chức Đăng kiểm Lloyd ở Séc (CS Lloyd) công nhận và cho đăng kiểm, còn ở các Đăng kiểm hàng đầu thế giới vẫn chưa có quy phạm đóng tàu vật liệu này Ngay ở Việt Nam, CS Lloyd đã có thư trả lời Cục Đăng kiểm Việt Nam 22/ /2013 là không có đăng kiểm nào trên thế giới có quy phạm về tàu đóng bằng vật liệu PPC Đăng kiểm này cũng chỉ mới sử dụng Tài liệu “Hướng dẫn T-202” của tổ chức này về

“Vật liệu và hàn vật liệu phi kim loại - nhựa” và một số tiêu chuẩn chung về nhựa của châu Âu (thực tế cũng không phải là tiêu chuẩn chuyên dùng trong ngành đóng tàu)

mà không có tiêu chuẩn, quy phạm phục vụ việc đăng kiểm tàu đóng mới bằng PPC Với các tiêu chuẩn như vậy hoàn toàn chưa đủ để thực hiện đăng kiểm tàu đóng mới nên đến nay Đăng kiểm Việt Nam vẫn chưa công nhận dùng vật liệu này để đóng tàu Một số tàu PPC ở Việt Nam do Đăng kiểm Hải quân cấp giấy chứng nhận đăng kiểm, không có thiết kế do Cục Đăng kiểm của Việt Nam thẩm định, không có tiêu chuẩn về vật liệu và kết cấu và không có sự giám sát của Cục Đăng kiểm trong quá trình đóng Theo quy định của Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) và Việt Nam, tàu biển phải được thiết kế và đóng theo quy phạm đã được công nhận, trong đó quan trọng là tiêu chuẩn vật liệu và quy cách kết cấu thân tàu nhưng với PPC hiện vẫn chưa có tiêu chuẩn này Trường hợp tàu đóng bằng vật liệu mới chưa có tiêu chuẩn kỹ thuật được công nhận, IMO cho phép áp dụng phương pháp thiết kế dựa trên sự rủi ro (risk based design) Thực chất phương pháp là quá trình nghiên cứu và thử nghiệm lâu dài, ứng dụng các phương pháp lý thuyết và thực tiễn khác nhau nhằm xác định các rủi ro tàu có thể gặp trong đóng mới và hoạt động như cháy, nổ, đâm va, mắc cạn, mất ổn định, chìm đắm, vật liệu lão hóa trong sử dụng, không đủ bền, không chịu được môi trường nước biển

để có biện pháp thích hợp để đảm bảo an toàn cho tàu, người sử dụng và môi trường

Do ở nước ta chưa có điều kiện để thực hiện phương pháp này và do PPC là vật liệu có

độ bền thấp so với các vật liệu đóng tàu truyền thống khác nên cần phải hết sức lưu ý khi thiết kế các tàu bằng vật liệu này

1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu đánh giá khả năng sử dụng vật liệu PPC trong đóng mới tàu đánh cá thông qua việc đánh giá độ bền kết cấu tàu bằng vật liệu PPC Mục đích của nghiên cứu là nhằm ứng dụng một loại vật liệu mới nhằm thay thế các loại vật liệu truyền thống đang dùng trong đóng tàu đánh cá hiện nay

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

Từ mục tiêu và mục đích nghiên cứu đã trình bày, nội dung chính của đề tài sẽ tập trung vào thử nghiệm xác định các thông số và đặc tính cơ học của vật liệu PPC và

sử dụng các thông số của loại vật liệu này trong việc tính toán, kiểm nghiệm lại độ bền của một mẫu tàu đánh cá xa bờ cụ thể được tính toán, thiết kế theo loại vật liệu này Trên cơ sở đó, đi đến tính chọn kích thước kết cấu hợp lý cho kết cấu tàu dạng này, cũng như tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế khi sử dụng vật liệu này trong đóng tàu cá

Từ những trình bày trên đây có thể cấu trúc đề tài gồm các chương chính như sau: Chương 1: Phần tổng quan

Nội dung chương trình bày tổng quan về đề tài, tình hình nghiên cứu trong

và ngoài nước, cùng với mục tiêu, nội dung, phương pháp và giới hạn về nội dung nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Vật liệu PPC trong đóng tàu

Nội dung chương sẽ giới thiệu về vật liệu nhựa PPC, ứng dụng của vật liệu, công nghệ hàn cùng công nghệ chế tạo tàu thuyền bằng vật liệu PPC Trong chương này cũng sẽ trình bày một số cơ sở lý thuyết có liên quan đến việc thực hiện đề tài, tập trung vào các giá trị cơ tính của vật liệu dùng để tính toán

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Đây là chương chính đề tài, trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá khả năng

sử dụng vật liệu PPC trong đóng tàu theo quan điểm sức bền và kinh tế Chương 4 : Kết luận và kiến nghị

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực nghiệm

Thử nghiệm xác định cơ tính của vật liệu PPC và ứng dụng các thông số vật liệu

đã được xác định trong tính toán độ bền của một mẫu tàu đánh cá thiết kế cụ thể nhằm đánh giá về khả năng sử dụng vật liệu mới này trong đóng mới các loại tàu cá xa bờ

- Phương pháp điền dã

Khảo sát thực tế để tìm hiểu vật liệu PPC và các mẫu tàu

1.3.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Do là vật liệu mới nên trong thực tế chưa có mẫu tàu đánh cá bằng vật liệu PPC

và cũng chưa có Quy phạm hướng dẫn thiết kế kết cấu của loại tàu bằng vật liệu này Chính vì thế giới hạn nội dung nghiên cứu của đề tài này trong phạm vi sau:

- Do các giá trị cơ tính của PPC đã được các công ty cung cấp vật liệu công bố, đồng thời cũng đã được Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy của Trường Đại học Nha Trang (UNISHIP) thử nghiệm lại và công bố các kết quả kiểm nghiệm [6]

Do đó trong phạm vi của đề tài này, chúng tôi không tiến hành kiểm nghiệm lại giá trị cơ tính của vật liệu PPC mà chỉ tiến hành thử nghiệm để xác định giá trị

hệ số Poisson của vật liệu

- Nghiên cứu sử dụng thiết kế một mẫu tàu đánh cá nghề câu cá ngừ đại dương làm bằng vật liệu PPC có công suất máy 250 HP để thực hiện tính toán

- Nghiên cứu khả năng sử dụng vật liệu PPC trong chế tạo vỏ tàu trên cơ sở nghiên cứu độ bền và tính kinh tế của loại vật liệu này khi so sánh với các loại vật liệu truyền thống thường dùng trong đóng tàu

1.4 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM PHÂN TÍCH KẾT CẤU MAESTRO

MAESTRO là một phần mềm chuyên dùng để phân tích độ bền kết cấu tàu thủy

do Giáo sư Owen Hughes (Mỹ) xây dựng và đưa vào sử dụng vào năm 1 82 – 1983, trên cơ sở áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bền ở trạng thái giới hạn và tối ưu hóa kết cấu tàu, công trình ngoài khơi và các cấu trúc mỏng, lớn, phức tạp khác Các module cơ bản của phần mềm MAESTRO gồm có Modeling/Analysis/Evaluation, Finemesh Analysis, Eigenvalue Solver, Optimization, ALPS/ULSAP, ALPS/HULL, Nastran Translator, ANSYS Translator.[1]

So với các phần mềm phân tích kết cấu khác thường dùng để tính độ bền tàu, MAESTRO có các tính năng nổi trội trong phân tích độ bền tàu thủy, cụ thể như sau:

- Các phần tử MAESTRO được tối ưu hóa và sử dụng trong kết cấu tàu thủy nên cho phép xây dựng tạo và sửa đổi mô hình lưới thô rất nhanh và dễ dàng, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao

- Đặt các tải trọng dựa vào mô hình, trong đó lực tương tác lên trên thân tàu được xác định dựa trên khoang hàng, yếu tố thủy tĩnh, môi trường thủy động (có khả năng đặt sóng theo mô hình sóng Trochoidal hoặc Sinuasoidal)

- Cho phép tính toán tối ưu hóa kết cấu, tính bền, rung động, ăn mòn tàu thủy

- Cho phép tự động tính toán đường nước thiết kế, có khả năng tự cân bằng, đánh giá độ bền, mức ổn định, tính nổi, tính trọng lượng bản thân các kết cấu, trọng lượng và phân bố tải, trục trung hòa, tâm nổi, trọng tâm, áp lực nước …

- Đánh giá, điều khiển kết cấu, hợp nhất và tiêu chuẩn cấu trúc tạo ra mô hình lưới thô và lưới mịn

- Giảm thiểu thời gian tính toán, xuất kết quả và truy vấn nhanh các kết quả tính ứng suất, biến dạng… và xuất ra các đồ thị biểu diễn phân bố giá trị lực nổi, lực cắt, mômen uốn (theo các phương x, y, z) dọc theo chiều dài tàu

- Khả năng chia lưới mịn dùng cho việc phân tích độ bền cục bộ của các kết cấu

mà không phụ thuộc vào điều kiện biên của kết cấu cục bộ muốn phân tích Nói cách khác, MAESTRO tự động đặt ra các điều kiện biên cục bộ dựa trên điều kiện biên của mô hình tổng thể

- Với thuật toán tối ưu hóa, MAESTRO cho phép tính độ bền kết cấu tàu thủy với thời gian rút ngắn một cách kỷ lục, so với các phần mềm cùng loại khác

MAESTRO cho phép người sử dụng khai báo các thông số để định nghĩa vật liệu

do đó thích hợp trong tính toán độ bền kết cấu tàu bằng vật liệu mới như vật liệu PPC Mặt khác, MAESTRO cho phép xây dựng chính xác mô hình các kết cấu tàu khảo sát nhờ chức năng khai báo quy cách của từng chi tiết kết cấu có trong kết cấu thân tàu Ngoài những nội dung sẽ trình bày trong chương 3 khi tính độ bền mẫu tàu khảo sát, trong phần này giới thiệu hai nội dung quan trọng là khai báo các đặc trưng hình học của các chi tiết kết cấu và xây dựng mô hình tính khi sử dụng phần mềm MAESTRO

1.4.1 Khai báo các đặc trưng hình học của các chi tiết kết cấu

Dựa vào bản vẽ kết cấu của tàu khảo sát, tiến hành khai báo đặc trưng hình học

để định nghĩa và xây dựng mô hình các chi tiết kết cấu cơ bản trong kết cấu tàu thủy

Ví dụ, quá trình khai báo các chi tiết kết cấu tấm và dầm được thực hiện bằng cách vào

mục Properties chọn th Plate để khai báo và xây dựng kết cấu tấm (hoặc là chọn

th Beam để khai báo và xây dựng kết cấu dầm) tạo ID, đặt tên kết cấu, khai báo quy cách của tấm (hoặc dầm), khai báo vật liệu Create để xây dựng kết cấu tấm

(hình 1.1a) hoặc kết cấu dầm (hình 1.1b).[1]

(a) Kết cấu tấm (b) Kết cấu dầm

Hình 1.1 Menu khai báo để xây dựng các chi tiết cấu tàu thủy

1.4.2 Xây dựng m hình kết cấu trong MA STRO

Quá trình xây dựng mô hình kết cấu trong phần mềm MAESTRO được thực hiện

theo trình tự như mô tả ở hình 1.2, bắt đầu từ xây dựng các chi tiết kết cấu (Elements) sau đó liên kết các chi tiết kết cấu với nhau để xây dựng các môđun kết cấu (Module), liên kết các môđun kết cấu lại với nhau để hình thành nên các phân đoạn (Substructre)

và toàn bộ kết cấu tàu thủy (Ship).[1]

Hình 1.2 Cấu trúc của quá trình xây dựng m hình tính trong MA STRO

Quá trình xây dựng các phân đoạn kết cấu được thực hiện theo trình tự như sau: Sau khi xây dựng xong từng chi tiết kết cấu, khởi tạo hay định nghĩa các môđun

kết cấu (module Definition) nhập tọa độ của các điểm tham khảo (Reference point) xác định lần lượt từng điểm (Endpoint no.) nằm trên từng dải tôn đang xét (strake no.),

từ đó hình thành nên từng kết cấu sườn của mô hình tàu đang tính toán (section no.)

Bằng cách tương tự, dựng tiếp tục kết cấu sườn tàu nằm ở các khoảng cách sườn (section spacing) khác nhau để hình thành nên từng môđun kết cấu(substructure) của

mô hình tàu đang xét như mô tả trên hình 1.3.[1]

Hình 1.3 Cấu tạo và các thuật ngữ cơ bản sử dụng trong MA STRO

 Tạo hay định nghĩa môđun kết cấu bằng cách vào menu của phần mềm và

chọn Model  Part Creat/Modify xuất hiện hộp thoại Module and

Substructures đặt tên cho môđun kết cấu (hình 1.4).[1]

Hình 1.4 Hộp thoại Module and Substructures

 Tạo điểm bằng cách vào menu của phần mềm và chọn Model Nodes

Creat/Modify  EndPoint xuất hiện hộp Reference Points (hình 1.5)

nhập tọa độ điểm xác định vị trí và hình dạng của thanh đà tàu (hình 1.6).[1]

Hình 1.5 Hộp thoại Reference Points

Hình 1.6 Tập hợp các dãy điểm ndpoint

 Tạo các dải tôn tàu bằng cách vào menu của phần mềm và chọn Model

Elements  Creat/Modify Strake xuất hiện hộp Strakes (hình 1.7)

đặt tên và nối các điểm Endpoint lại với nhau để tạo dải tôn tàu (hình

1.8).[1]

Hình 1.7 Hộp thoại Strakes

Hình 1.8 là kết cấu một dải tôn (strake).[1]

Hình 1.8 Kết cấu của một dải tôn

Hình 1.9 là các dải tôn trong một môđun kết cấu.[1]

Hình 1.9 Kết cấu một dải t n và các dải t n trong m đun kết cấu

Do hệ thống kết cấu sườn và đà ngang đáy bố trí dọc chiều dài tàu nên ta có thể liên kết chúng lại với nhau thành môđun kết cấu bằng cách vào menu chương trình và

nhập mục ModelElements  Create/Modify Compound xuất hiện hộp thoại Compound để nhập các thông số như mô tả trên hình 1.10.[1]

Hình 1.10 Hộp thoại compound

Hình 1.11 là hình ảnh các môđun kết cấu sau khi ghép lại với nhau.[1]

Hình 1.11 Một m đun kết cấu sau khi ghép các sườn lại với nhau

Chương 2 : VẬT LIỆU PPC TRONG ĐÓNG TÀU

2.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ CẤU TRÚC PHÂN TỬ CỦA VẬT LIỆU PPC

PPC do Viện nghiên cứu vật liệu của nước Cộng hòa Séc nghiên cứu và sáng chế trên cơ sở sử dụng chất phụ gia đặc biệt kết hợp với vật liệu Polypropylene của Đức để tạo ra vật liệu này, tạm gọi là vật liệu nhựa siêu bền có nhiều ưu điểm nên đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nói chung và trong đóng các tàu du lịch nói riêng Thật ra, công ty nghiên cứu vật liệu PPC đã có nhiều kinh nghiệm sử dụng chất d o cho sản xuất công nghiệp và có ý tưởng sử dụng vật liệu nhựa đóng tàu từ năm 1 6 Trong thời k này, đã hình thành sự hợp tác giữa một số cá nhân có tâm huyết từ các lĩnh vực khác nhau như đóng tàu, công nghiệp ôtô, sản xuất nhựa nhằm tận dụng loại vật liệu tiên tiến này cho các mục đích khác, ngoài mục đích sử dụng ban đầu của nó Động lực cơ bản thúc đẩy họ lúc bây giờ là việc một số nhà sản xuất bắt đầu đóng các thuyền cỡ nhỏ từ nhựa PE dùng làm ca nô và xuồng cỡ nhỏ khác để tung ra thị trường Sau thời k đầu có phần lãnh đạm với vật liệu này, ở thị trường nước ta và châu Âu, các sản phẩm làm từ vật liệu này đã chiếm thị phần của các loại vật liệu khác như composite, kim loại… do cơ lý tính, chất lượng, tuổi thọ, độ bền lâu của vật liệu này Trong thời k đầu, nhóm nghiên cứu và phát triển loại vật liệu mới này đã gặp phải vấn đề là tuổi thọ và tính ổn định của các tính chất cơ bản của vật liệu này không cao, cho đến khi họ có được sự hợp tác với một hãng sản xuất nhựa hàng đầu của châu Âu, nhất là sự hợp tác với Viện nghiên cứu vật liệu tại thành phố Brno ở Cộng hòa Séc Kết quả là sự ra đời vật liệu mới tên Copolymer polypropylene polystone@P(PPC) hình thành khi bổ sung một số chất phụ gia đặc biệt, chất ổn định hóa và chất độn đã làm tăng cơ tính nhựa d o nói trên mà không mất đi tính đàn hồi của nó, được kiểm định theo kết quả số 4625000 6/2003, được hãng bảo vệ bằng patent (bằng sáng chế) Sau khi nhóm nghiên cứu sản xuất được các mẫu chế thử và các sản phẩm dân dụng đầu tiên, cũng như đã đạt được một số kinh nghiệm nhất định đối với loại vật liệu này, hãng hợp tác với Giáo sư Peter Patek ở Bộ môn đóng tàu của Trường Đại học Kỹ thuật Slovakia và Giáo sư Mark Harvey ở Bộ môn đóng tàu và thủy động lực học Đại học Berlin (Đức) để phát triển loại xuồng cao tốc có chiều dài hơn 20 m dùng chở khách Kết quả sự hợp tác này là sự ra đời tàu khách đầu tiên bằng PPC mang tên Duna bus

chở 65 hành khách chạy ở tốc độ khá cao trong điều kiện vận hành liên tục

Vật liệu PPC có tên đầy đủ là Polypropylene Copolymer Polystone®P sản phẩm đồng trùng hợp vật liệu cao phân tử Polypropylene (PP) là loại polymer - sản phẩm phản ứng trùng hợp Propylen với công thức phân tử tổng quát (C3H6)x (hình 2.1) [2]

Hình 2.1 C ng thức phân tử Propylen

Trùng hợp là phản ứng kết hợp số lớn phân tử mà không tách ra sản phẩm phụ tức phản ứng xảy ra không có biến đổi thành phần nguyên tố chất tham gia phản ứng Những năm gần đây, phổ biến nhất là phương pháp trùng hợp anion phối trí có xúc tác Ziegler – Natta, dùng để tổng hợp công nghiệp các polymer điều hòa lập thể Điển hình nhất là hợp chất TiCl4 và Al(C2H5)3 vì dẫn xuất nhôm alkyl có tính nhận điện tử,

Ti là kim loại chuyển tiếp có tính chất cho điện tử nên dễ tạo liên kết phối trí úc tác phức này không tan và cấu tạo của chúng đến nay vẫn chưa xác định cụ thể Tuy nhiên dựa trên cơ sở nghiên cứu cấu tạo của các chất xúc tác phức tạp cho thấy nó là một phức lưỡng kim loại, trong đó nhóm alkyl phải tham gia vào các liên kết phối trí Phản ứng theo cơ chế polymer hóa phối trí dưới xúc tác ở dạng bimetallic (hình 2.2) [2]

Hình 2.2 Phản ứng hóa phối trí theo cơ chế polymer

Về bản chất, polypropylene (PP) là polymer thuộc nhóm nhựa nhiệt d o họ olefin, gồm nhiều chuỗi phân tử liên kết với nhau bằng liên kết Van der Waals yếu (hình 2.3), liên kết hydro, tương tác giữa nhóm phân cực và xếp chồng các vòng thơm (hình 2.4) [2]

Hình 2.3 Chuỗi ph n tử của nhựa d o Hình 2.4 Cấu tạo ph n tử nhựa d o

Vật liệu được chế tạo thành tấm phẳng, chiều dày 5 mm đến 40 mm (hình 2.5) và các tàu đóng từ những tấm này bằng việc hàn nhiệt hạch theo một công nghệ đặc biệt.[2]

Hình 2.5 Kết cấu tấm PPC

2.2 TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU PPC

Polypropylene (PP) do Giulio Natta phát hiện 1 54, đi vào sản xuất thương mại quy mô lớn từ 1 5 và dùng phổ biến ở nhiều lĩnh vực nhờ ưu điểm hơn hẳn của nó Polypropylene dạng tấm Polystone ®P dùng phổ biến với ứng dụng đa dạng từ kết cấu bồn chứa, đường ống, lớp lót, cho đến các phương tiện vận tải như tàu, thùng xe… Trong những năm gần đây, một số quốc gia đã ứng dụng vật liệu này trong đóng tàu Hình 2.6 giới thiệu mẫu tàu câu cá giải trí dùng polypropylene do công ty SEA Media Pty Ltd tại Bundaberg, trung tâm Queensland, Australia phát triển những năm gần đây Tàu có chiều dài 5,3 m, rộng 2,4 m, chiều cao 1,2 m, trọng lượng tàu không là 00 kg, lắp máy 115 HP với bình đựng nhiên liệu 130 lít và trọng lượng máy 450 kg [3]

Hình 2.6 Tàu câu cá giải trí Polycraft 530 Warrior

Ở nước ta hiện nay, PP được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp nhưng vẫn chưa được ứng dụng phổ biến làm vật liệu chế tạo tàu và các công trình nổi Nhựa PP sử dụng trong công nghiệp được phân cấp thành 3 loại chính:

- Homopolymers (PPH) là cấp vật liệu PP vạn năng, có các ưu điểm nổi bật về

độ bền, độ cứng, khả năng chịu nhiệt độ cao mà không bị biến dạng

- Impact copolymers (viết tắt Impact PPC) là vật liệu PP pha (5 15)% ethylen nhằm cải thiện khả năng chống va đập cho vật liệu ở nhiệt độ thấp tới – 20oC

Độ dai của chúng còn được tăng cường bằng cách pha thêm chất nhựa đàn hồi

- Random copolymers (viết tắt Random PPC) là vật liệu PP gồm các đơn phân

tử xếp ngẫu nhiên dọc chuỗi phân tử dài polypropylene chứa (1÷ 7)% ethylen Mỗi cấp vật liệu PP chọn tùy lĩnh vực ứng dụng, chi phí, phương pháp gia công, trong đó vật liệu PPC thường chọn cho các ứng dụng có đòi hỏi cao về độ dai va đập

Việc tìm kiếm các vật liệu nhẹ, có đặc điểm cơ học và tính chất vật lý, hóa học phù hợp với môi trường nước biển từ lâu đã là mối quan tâm lớn của ngành đóng tàu

Vì thế, nhựa PPC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng tàu nhờ một số ưu điểm nổi bật như sau:

so với polyethylene (PE), độ dai va đập PPC thấp hơn nhưng có nhiệt độ làm việc và

độ bền kéo lớn hơn, với độ bền kéo (18.1 30.2) Mpa, độ dai va đập (8 ÷ 140) kJ/m2 Vật liệu PPC có thể chịu được nhiệt độ trong khoảng từ (- 35 ÷ 70)oC

2.2.2 Tính an toàn và tính tiết kiệm

Vật liệu có thể nổi trên mặt nước do có trọng lượng riêng thấp, bằng 0, 1 kg/lít

Trong vật liệu có Paraffine chống thấm nước làm ma sát giữa vật liệu và nước nhỏ nên giảm sức cản, nhờ vậy tiết kiệm (20 – 30)% nhiên liệu tiêu thụ so với tàu vật liệu khác

2.2.3 Tính năng kháng hóa chất

Do cấu trúc không phân cực Polymer là Polystone@ P nên PPC có tính kháng hoá chất rất cao và làm việc tốt trong những điều kiện của môi trường khắc nghiệt PPC tỏ ra rất ưu việt khi sử dụng trong môi trường ăn mòn của axit vô cơ, kiềm, muối (nước biển), dung môi hữu cơ, tác nhân khử dầu mỡ, chống tác động ăn mòn điện hóa

Có thể làm sạch và khử trùng bằng hóa chất mà không gây tổn hại cho vật liệu PPC Vật liệu PPC còn là loại vật liệu trung tính đối với nước ngọt và thực phẩm

2.2.4 Tuổi thọ và độ bền

Nhờ tính kháng axit, là sản phẩm dầu mỏ và chống mốc nên PPC có tuổi thọ cao, nhờ có các chất phụ gia đặc biệt nên có khả năng chống lão hóa, giữ màu sắc ổn định lâu dài, tuổi thọ sản phẩm có thể lên đến (30 – 40) năm tùy môi trường và địa lý

2.2.5.Sự ph hợp của vật liệu PPC cho đóng tàu

PPC là vật liệu sạch, không bị ăn mòn và gỉ, kể cả trong môi trường nước biển,

nên vỏ tàu PPC không bị gỉ sét, không bị bám bẩn bởi các loài thủy sinh, rong rêu nên mất ít thời gian và chi phí cho việc bảo trì và sơn sửa vỏ tàu Tàu có thể rửa sạch dễ dàng bằng miếng bọt biển, cùng với vòi nước có áp lực cao, nhờ vậy tiết kiệm nhiều chi phí bảo trì, bảo dưỡng so với vật liệu truyền thống khác Do có pha thêm parafin chống thấm nước và không bị các loài thủy sinh bám dính nên vật liệu PPC làm giảm sức cản thủy lực, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu đến 30%

2.2.6 Khả năng cách nhiệt, chống ồn và chống rung

Vật liệu có tính cách nhiệt, cách âm, chống ồn, chống rung tốt, vật liệu màu sáng nên mặc dù tiếp xúc hoàn toàn dưới nắng mặt trời giữa trưa hè nhưng không hấp nhiệt,

bề mặt vẫn mát, tạo cảm giác dễ chịu cho người trên tàu (không xảy ra với vật liệu màu sẫm) Vật liệu có khả năng làm giảm tiếng ồn, nhiệt từ động cơ, giảm rung tốt

2.2 .Khả năng chống tia cực tím và hun nóng

Vật liệu PPC bền vững đối với tia cực tím, giúp tàu thuyền làm việc trực tiếp

dưới ánh nắng không bị xuống cấp, biến dạng

2.2.8 Độ bền màu

Với màu sắc đa dạng do sự có mặt của các hóa chất tạo màu được pha vào trong

quá trình chế tạo nên vật liệu PPC có giá trị thẩm mỹ khá cao do giữ được màu sắc dưới tác động của ánh sáng mặt trời (chủ yếu là tia cực tím) và các loại hóa chất

2.2 Tính thân thiện với m i trường

Vật liệu thân thiện với môi trường và không ảnh hưởng đến sức khỏe con người Phương tiện bằng vật liệu này sau nhiều năm sử dụng có thể tái chế để dùng 100% Việc sản xuất và gia công PPC không tạo ra chất độc hại với môi trường và sức khỏe

2.2.10 Tính hàn

PPC có tính hàn tốt và nhiều màu sắc khác nhau nên có thể thỏa mãn được nhiều yêu cầu đa dạng khác nhau của khách hàng về thiết kế mẫu mã, kiểu dáng và trang trí

Do sử dụng công nghệ hàn nhiệt để liên kết các tấm kết cấu nên không cần làm khuôn

và có khả năng tự động hóa cao nên tiết kiệm thời gian, chi phí gia công, sửa chữa

2.3 SO SÁNH VẬT LIỆU PPC VỚI CÁC VẬT LIỆU ĐÓNG TÀU KHÁC

2.3.1 Cơ tính của vật liệu PPC

Về nguyên tắc, để có thể sử dụng một loại vật liệu trong thiết kế và chế tạo tàu cần xác định các giá trị cơ tính vật liệu cần trong chế tạo tàu theo quy định Đăng kiểm gồm các giá trị về độ bền kéo, môđun đàn hồi kéo, độ bền uốn và môđun đàn hồi uốn Bảng 2.1 là đặc tính tiêu biểu của nhựa tấm PPC do hãng Rochling (Đức) sản xuất [2]

Bảng 2.1 Một số tính chất điển hình của vật liệu PPC (Polystone ® P)

Tính chất tiêu biểu Phương pháp kiểm tra Đơn vị đo Giá trị đo

T nh ch t cơ h c

Độ cứng Shore D, 15 giây ISO 868 Điểm 69

Độ cứng Brinell D, 30 giây ISO 2039-1 Điểm 50

Tuy nhiên, theo các thông tin do công ty Plastics International cung cấp trên website www.plasticsintl.com thì đặc tính kỹ thuậtcủa PPC được cho trên bảng 2.2.[4]

Bảng 2.2 Các đặc tính kỹ thuật của vật liệu PPC

Với đặc điểm cơ lý tính như vậy, bước đầu nhiều người cho rằng có thể sử dụng vật liệu này đóng tàu nhưng để có cơ sở đánh giá khả năng này, trước tiên cần xác định các giá trị cơ tính cần trong chế tạo tàu theo quy định Đăng kiểm như trong bảng 2.3, gồm độ bền kéo, môđun đàn hồi kéo, độ bền uốn, môđun đàn hồi uốn từ bảng 2.2 [4]

Bảng 2.3 Giá trị cơ tính chính d ng đóng tàu của vật liệu PPC theo bảng 2.2

psi kg/mm2 MPa

1 Độ bền kéo (Tensile Break) 4,814 3,38 33,20

2 Mô đun đàn hồi kéo (Tensile Modulus) 152,192 107,00 1049,69

3 Độ bền uốn (Flexural Strengh) 3,741 2,63 25,80

4 Mô đun đàn hồi uốn (Flexural Modulus) 183,860 129,26 1268,1

2.3.2 Kết quả kiểm nghiệm cơ tính thực tế đối với vật liệu PPC

Để có cơ sở khẳng định giá trị cơ tính của vật liệu PPC do các hãng cung cấp, Viện Nghiên cứu chế tạo tàu Trường Đại học Nha Trang (UNISHIP) đã kiểm nghiệm lại giá trị cơ tính các mẫu vật liệu PPC do Hội Nghề cá Khánh Hòa cung cấp (hình 2.7) [4]

Hình 2.7 Mẫu thử PPC

Kết quả so sánh với giá trị cơ tính của vật liệu PPC với các vật liệu đóng tàu truyền thống khác được trình bày trong bảng 2.4 [4]

Bảng 2.4 So sánh cơ tính của vật liệu PPC với các vật liệu đóng tàu khác

Đại lượng Đơn vị Vật liệu

PPC (bảng 2.2)

Vật liệu PPC thực tế

Cơ tính FRP theo QCVN

6282 : 2003

Thép cấp A đóng tàu

Gỗ tàu thuyền (chò)

Cơ tính FRP dùng đóng tàu

ở Việt Nam

Độ bền kéo kg/mm2

3,38 2,72 10,00 46,89 10,54 19,67 Môđun đàn

Từ kết quả trong bảng 2.4, UNISHIP đã đưa ra một số nhận xét sơ bộ như sau:[4]

- Kết quả kiểm nghiệm cơ tính thực tế của vật liệu PPC khá phù hợp với giá trị lý thuyết do các hãng cung cấp, mặc dù có một số chỉ tiêu có giá trị hơi thấp hơn

- Khi so sánh cơ tính vật liệu PPC với các vật liệu dùng đóng tàu truyền thống, kể

cả yêu cầu Quy phạm tàu bằng chất d o cốt thủy tinh QCVN-6282:2003 nhận thấy các giá trị cơ tính chính cần trong đóng tàu của PPC bé hơn rất nhiều Do

đó cần cân nhắc khi sử dụng vật liệu này để chế tạo các loại tàu có tải trọng lớn

và hoạt động ở khu vực thời tiết khắc nghiệt

Hình 2.8 là kết quả thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn của vật liệu PPC [4]

Hình 2.8 Kết quả thử nghiệm kéo và thử nghiệm uốn của vật liệu PPC