Mô phỏng động học và động lực học thiết bị lặn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC PHẠM VĂN BẠCH NGỌC MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2005 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC PHẠM VĂN BẠCH NGỌC MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN Chuyên ngành: CƠ HỌC VẬT THỂ RẮN Mã số: 60.44.21 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM ANH TUẤN Hà Nội - 2005 LỜI CẢM ƠN Mô động học động lực học thiết bị lặn toán phức tạp Trên giới thiết bị lặn đƣợc sử dụng phổ biến khoa học đặc biệt nghiên cứu biển, nhiên giá thành thiết bị lặn cao, nên việc ứng dụng Việt Nam chƣa phổ biến Với khả Khoa học Việt Nam việc nghiên cứu chế tạo thiết bị lặn việc làm hoàn toàn thực đƣợc Với tham vọng chế tạo đƣợc thiết bị lặn Việt Nam, đƣợc hƣớng dẫn khoa học TS Phạm Anh Tuấn công tác Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học, sử dụng kết nghiên cứu giáo sƣ Kreuzer, tác giả thực đề tài tốt nghiệp cao học: “Mô động học động lực học thiết bị lặn” bƣớc khởi đầu cho việc chế tạo thiết bị lặn sau Để thực đề tài tác giả sử dụng phần mềm mô động lực học hệ nhiều vật alaska Nhân tác giả xin chân thành cảm ơn TS Phạm Anh Tuấn TS Trần Thu Hà ngƣời hƣớng dẫn khoa học để tác giả hoàn thành đƣợc luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy, cô Trung tâm đào tào bồi dƣỡng Cơ học - Viện Cơ học, đồng nghiệp Viện Cơ học đặc biệt đồng nghiệp phòng Cơ điện tử động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập nhƣ làm luận văn tốt nghiệp Luận văn này, tác giả giải toán chuyển động đồng thời không gian chiều thiết bị lặn, nhiên toán số vấn đề chƣa đƣợc giải triệt để Vì tác giả mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến nhà khoa học, thầy cô đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn Hà nội, ngày 31 tháng 07 năm 2005 Tác giả Phạm Văn Bạch Ngọc MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chƣơng GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN 1.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển thiết bị lặn giới 1.2 Cấu tạo ứng dụng thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 1.2.1 Cấu tạo thiết bị lặn [17] Error! Bookmark not defined 1.2.2 Ứng dụng thiết bị lặn Error! Bookmark not defined Chƣơng TÍNH NĂNG VÀ CẤU TẠO CỦA MỘT SỐ LOẠI THIẾT BỊ LẶN PHỔ BIẾN TRÊN THẾ GIỚI Error! Bookmark not defined 2.1 Thiết bị lặn ngƣời vận hành [15]Error! Bookmark not defined 2.1.1 Thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROVError! Bookmark not defined 2.1.2 Thiết bị lặn vận hành tự động AUVError! Bookmark not defined 2.2 Thiết bị lặn có ngƣời quan sát - HOV Error! Bookmark not defined 2.3 Phân tích số chi tiết thiết bị lăn ROV [17] Error! Bookmark not defined 2.3.1 Dây dẫn Error! Bookmark not defined 2.3.2 Động đẩy Error! Bookmark not defined 2.3.3 Camera Error! Bookmark not defined 2.3.4 Hệ thống Laser Error! Bookmark not defined 2.3.5 Hệ thống siêu âm Error! Bookmark not defined 2.3.6 Tay máy Error! Bookmark not defined 2.3.7 Sensor đo độ sâu Error! Bookmark not defined Chƣơng MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ LẶN Error! Bookmark not defined 3.1 Ma trận quay [12] Error! Bookmark not defined 5 3.1.1 Thành lập ma trận quay Error! Bookmark not defined 3.1.2 Góc Euler Error! Bookmark not defined 3.2 Phần mềm mô động học động lực học [11]Error! Bookmark not defined 3.2.1 Các phân tích tuyến tính Error! Bookmark not defined 3.2.2 Các phân tích phi tuyến Error! Bookmark not defined 3.3 Mô động học động lực học dây dẫnError! Bookmark not defined 3.3.1 Mô hình dây dẫn phần mềm alaskaError! Bookmark not defined 3.3.2 Ngoại lực tác dụng lên dây dẫn Error! Bookmark not defined 3.3.2.1 Lực Mô men dòng chảy tác dụng lên phần tử dây dẫn theo trục OX, OY OZ Error! Bookmark not defined 3.3.2.2 Lực đẩy acsimet tác dụng lên phần tử dây dẫn Error! Bookmark not defined 3.3.3 Một số kết mô dây dẫn Error! Bookmark not defined 3.4 Mô động học động lực học thiết bị lặn dây dẫn Error! Bookmark not defined 3.4.1 Phân tích trình họat động thiết bị lặnError! Bookmark not defined 3.4.2 Phƣơng trình chuyển động thiết bị lặnError! Bookmark not defined 3.4.2.1 Phƣơng trình động học thiết bị lặnError! Bookmark not defined 3.4.2.2 Phƣơng trình chuyển động học thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 3.4.3 Ngoại lực tác dụng lên thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 3.4.3.1 Lực môi trƣờng tác dụng lên thiết bị lặnError! Bookmark not defined 3.4.3.2 Lực đẩy động đẩy Error! Bookmark not defined 3.4.3.3 Lực đẩy Acsimet Error! Bookmark not defined 6 3.4.4 Kết mô động học động lực học thiết bị lặn Error! Bookmark not defined 3.4.4.1 Quỹ đạo hoạt động thiết bị lặn có dạng nhƣ hình 3.20 Error! Bookmark not defined 3.4.4.2 Quỹ đạo hoạt động thiết bị lặn có dạng nhƣ hình 3.33 Error! Bookmark not defined 3.5 Nhận xét Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Các kết đạt đƣợc Error! Bookmark not defined Hƣớng nghiên cứu Error! Bookmark not defined Danh mục công trình công bố Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 11 Phụ lục Error! Bookmark not defined 7 DANH MỤC VIẾT TẮT AUV: Autonomous Underwater Vehicle ROV: Remote Operation Vehicle HUV: Human Underwater Vehicle UV: Underwater Vehicle UUV: Unmanned Underwater Vehicle HOV: Human Occupied Vehicles MỞ ĐẦU Trái đất có khoảng 30% diện tích bề mặt đất phần lại chiếm tới 70% diện tích ngập nƣớc Trong phần lớn diện tích mặt đất đƣợc ngƣời khám phá, khai thác, tìm hiểu đánh giá chi tiết phần lớn diện tích môi trƣờng ngập nƣớc đƣợc ngƣời khám phá đặc biệt môi trƣờng biển Do việc thiết lập đồ chi tiết tài nguyên nhƣ bề mặt đáy biển chƣa đƣợc ngƣời thực Khi dân số giới tăng lên tiêu huỷ nguồn tài nguyên thiên nhiên tăng lên Chính lý mà việc khám phá, tiềm hiểu khu vực chƣa đƣợc khám phá trở nên cần thiết Đối với ngƣời hiểu biết cách rõ ràng kiểm soát đƣợc môi trƣờng điều quan trọng trở thành thực đƣợc trợ giúp nhà khoa học thiết bị nghiên cứu tiên tiến Nghiên cứu biển đặc biệt quan trọng Việt Nam mặt dân sinh an ninh quốc phòng Một đất nƣớc có bờ biển dài 3000km diện tích lớn sông, hồ, đầm lầy…, nơi có lƣợng lớn động vật, thực vật tài nguyên chƣa đƣợc tìm hiểu Môi trƣờng nƣớc cần đƣợc tìm hiểu thay mà để bảo vệ gìn tài nguyên thiên nhiên nơi mà hàng năm mang nguồn ngoại tệ lớn cho đất nƣớc Hiện việc khám phá tìm hiểu nguồn tài nguyên dƣới nƣớc công cụ thô sơ, thợ lặn việc làm không thực tế, sử dụng thợ lặn gặp nhiều rủi nguy hiểm khả lặn sâu làm việc dƣới nƣớc ngƣời bị hạn chế Đối với công trình biển cần thƣờng xuyên đƣợc giám sát nhƣ giàn khoan dầu khí biển, đƣờng ống dẫn dầu, đƣờng dây dây dẫn quang,… việc xử dụng thợ lặn hoàn toàn không khả thi khả thực Chính vậy, trợ giúp công cụ nghiên cứu, giám sát đại việc làm tất yếu, lý quan trọng để phát triển thiết bị lặn - UV Hiện nay, giới có nhiều dạng thiết bị lặn khác nhƣ: thiết bị lặn có dây dẫn nối với tầu mẹ ROV- , thiết bị lặn liên lạc với tầu mẹ sóng siêu âm - AUV, HOV… tất dạng tầu lặn có ƣu việt đặc trƣng riêng đƣợc ứng dụng mục đích cụ thể Một ƣu việt chung thiết bị lặn khả vận hành tự động chúng, chúng hoàn thành nhiệm vụ cách tự động không cần đến điều khiển trực tiếp ngƣời mà thông qua hệ thống lệnh điều khiển ngƣời thiết lập sẵn Ngoài thiết bị lặn có khả làm việc môi trƣờng nƣớc độ sâu lớn so với ngƣời Một thiết bị lặn tiêu chuẩn bao gồm: Phần mềm điều khiển, hệ thống tự động hoá, cấu chấp hành thiết bị phụ khác, dạng sản phẩm Cơ điện tử Xu hƣớng nhà khoa học đƣa sản phẩm công nghệ cao vào ứng dụng sống, dạng sản phẩm Cơ điện tử không nằm xu hƣớng Hơn tác giả công tác làm việc Phòng Cơ điện tử - Viện Cơ học nên lý mà tác giả chọn nghiên cứu thiết bị lặn, mà trƣớc tiên việc tìm hiểu, mô động học động lực học thiết bị lặn phần mềm mô học hệ nhiều vật alaska Trong phạm vi luận văn tác giả đề cập đến thiết bị lặn có dây dẫn đƣợc nối với tầu mẹ trình hoạt động - ROV Thiêt bị lặn ROV dễ dàng thiết bị lặn khác việc điều khiển cung cấp lƣợng trình hoạt động, việc liên lạc ROV trung tâm điều khiển tầu mẹ thông qua dây dẫn Việc sử dụng thiết bị lặn phù hợp với khả chế tạo ứng dụng Việt Nam phù hợp 10 Chương GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ LẶN 1.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển thiết bị lặn giới Phần lớn mẫu thiết bị lặn ngày đƣợc thiết kế dựa mẫu thiết bị lặn đƣợc thiết kế vào năm 1930 mô hình tầu ngầm quân sự, nhƣng hoạt động đƣợc độ sâu lớn, hạn chế lớn thiết bị lặn đƣợc chế tạo từ năm 1930 kỷ trƣớc Những mẫu thiết kế cho thiết bị lặn dạng hình cầu, nhiên mẫu thiết kế tồn nguy hiểm, việc điều khiển thiết bị lặn đặt tình trạng nằm khả kiểm soát ngƣời Thiết bị lặn loại đƣợc liên lạc với tầu mẹ hệ thống tời kéo, hệ thống đảm bảo an toàn khác nhƣ hệ thống dẫn khí, hệ thống cân áp suất… Hình 1.1: Thiết bị lặn dạng hình cầu Thiết bị lặn tự hành đƣợc phát triển cải tiến suốt thập niên 1950 đến thiết bị lặn đƣợc trang bị hoàn thiện hơn, kết 11 việc cải tiến công nghệ đồng thời đáp lại yêu cầu nhà khoa học việc nghiên cứu môi trƣờng biển Để quan sát trực tiếp đo đạc, giám sát đƣợc đáy biển ngày thiết bị lặn đƣợc trang bị máy quay camera, tay robot, cảm biến, thiết bị phụ trợ khác Ngoài mục đích phục vụ nghiên cứu khoa học thiết bị lặn tìm kiếm thiết bị mất, phục vụ du lịch phục vụ cứu hộ biển Năm 1954 thiết bị lặn tự hành loại đƣợc chế tạo thử nghiệm thành công Auguste Piccard, đƣợc dùng để thăm dò vùng biển sâu khắc phụ đƣợc hạn chế mẫu thiết bị lặn trƣớc Thiết bị lặn loại thực tế mà nói gần giống nhƣ kinh khí cầu hoạt động dƣới nƣớc Hình 1.2: Thiết bị lặn Trieste II Năm 1960 phiên thứ thiết bị lặn đời có tên Trieste II, mang theo ngƣời trình làm việc, có khả lặn sâu tới 30,580ft (hay 10,900 m) lập nên kỷ lục khả lặn sâu thiết bị lặn Một điều gây ấn tƣợng mạnh thiết bị lặn 12 Tài liệu tham khảo [1] Hồ Quang Long “Sổ tay thiết kế tầu thủy” Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Nguyễn Xuân Hùng “Động lực học công trình biển-Dynamics of offshore Structures” Trung tâm Khoa học Tự nhiên Công nghệ Quốc gia [3] S.K Chakarabarti “Hydrodynamics of offshore structures” Computational Mechanics Publications Southampton Boston [4] Michael S Triantafyllou, Franz S Hover “Maneuvering and control of marine vehicle” Department of Ocean Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts USA [5] E.Kreuzer, N.Q Hoang, W, Bessa “ROV Research at Mechanics and Ocean Engineering”, Technical Universty Hamburg-Haburg [6] Edwin Kreuzer and Fernando C Pinto “Controlling the Position of a Remotely Operated Underwater Vehicle” Technical Universty Hamburg-Haburg, Ocean Engineering Section II Hamburg Germany [7] Ferial El-Hawary, “The Ocean Engineering handbook”, B.H Engineering Systems Ltd, Halifax, Nova Scotia, Canada [8] Minoo H.Patel, “Dynamics of offshore structures” Reader in Mechanical Enginerring, Universty College, London [9] W Kleczaka, Edwin Kreuzer “On the mathematical modeling of ROV” Robot control syroco 1991 Vienna Austria [10].N.Kato “Underwater Towed vehicle Maneuverable in both vertical and Horizontal axis” The proceeding of the first International offshore and polar engineering conference, Endinburgh, The United kingdom [11].“Alaska User Manual, Version 3.0, Simulation Tool in Multibody System Dynamics” Institute of Mechatronics, Inc at the Technical University Chemnitz, Germany [12].Ahmed A Shabana “Dynamics of Multibody systems” University of Illinois at Chicago Cambridge University Press 13 [13].L M Milne, Thomson.C B E “Theoretical hydrodynamcis” Th Macmillan Company, New York [14] S VanZwieten Tannen “Dynamic simulation and control of an autonomous surface vehicle” Florida Atlantic University [15].Singiresu S Rao “Mechacnical Vibrations” Predue University [16].http://www.mil.no/felles/ffi/hugin/start/program/AUV/ [17].http://www.diveweb.com/uw/archives/arch/mayjune00.03.shtml [18].http://www.rov.org/student/education.cfm [19].http://www.diveweb.com/uw/archives/arch/mayjune00.03.shtml [...]... nghệ và đồng thời đáp lại yêu cầu của các nhà khoa học trong việc nghiên cứu môi trƣờng biển Để có thể quan sát trực tiếp và đo đạc, giám sát đƣợc đáy biển ngày nay thiết bị lặn đƣợc trang bị các máy quay camera, các tay robot, các cảm biến, và các thiết bị phụ trợ khác Ngoài mục đích phục vụ nghiên cứu khoa học ra thiết bị lặn này còn có thể tìm kiếm các thiết bị đã mất, phục vụ trong du lịch và phục... trên biển Năm 1954 một thiết bị lặn tự hành loại này đã đƣợc chế tạo và thử nghiệm thành công bởi Auguste Piccard, nó đƣợc dùng để thăm dò vùng biển sâu và khắc phụ đƣợc các hạn chế của các mẫu thiết bị lặn trƣớc đây Thiết bị lặn loại này thực tế mà nói nó gần giống nhƣ một kinh khí cầu hoạt động dƣới nƣớc Hình 1.2: Thiết bị lặn Trieste II Năm 1960 phiên bản thứ 2 của thiết bị lặn ra đời có tên là Trieste... có khả năng lặn sâu tới 30,580ft (hay 10,900 m) và lập nên một kỷ lục về khả năng lặn sâu của thiết bị lặn Một trong những điều gây ấn tƣợng mạnh nhất đó chính là thiết bị lặn 12 Tài liệu tham khảo [1] Hồ Quang Long “Sổ tay thiết kế tầu thủy” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật [2] Nguyễn Xuân Hùng Động lực học công trình biển-Dynamics of offshore Structures” Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ