Ứng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủy

Ứng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủyỨng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủyỨng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủyỨng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủyỨng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tính dao động ngang hệ trục tàu thủy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM KHOA MÁY TÀU BIỂN THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG PHẦN MỀM PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY Chủ nhiệm đề tài: TS CAO ĐỨC THIỆP Thành viên tham gia: ThS ĐỖ THỊ HIỀN ThS LÊ ĐÌNH DŨNG Hải Phòng, tháng 5/2016 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Kết đạt đề tài CHƯƠNG DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 1.1 Khái quát dao động ngang hệ trục tàu thủy 1.2 Các phương pháp tính dao động ngang hệ trục tàu thủy 1.2.1 Các phương pháp tính gần 1.2.2 Phương pháp tính dần- Phương pháp Simanxki 10 1.2.3 Các mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy 13 CHƯƠNG MÔ HÌNH PTHH TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY 15 2.1 Giới thiệu khái quát phương pháp PTHH 15 2.2 Phương pháp PTHH tính dao động ngang hệ trục tàu thủy 16 2.2.1 Mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy theo phương pháp PTHH cứng 16 2.2.2 Phương trình dao động ngang hệ trục tàu thủy phương pháp giải 18 CHƯƠNG TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY BẰNG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR 22 3.1 Giới thiệu chung phần mềm phân tích PTHH 22 3.2 Trình tự giải toán công cụ phân tích PTHH 23 3.2.1 Tạo mô hình chi tiết kết cấu cần phân tích 23 3.2.2 Chọn hình thức cần phân tích 24 3.2.3 Khai báo vật liệu thuộc tính vật liệu 25 3.2.4 Khai báo liên kết ràng buộc kết cấu 26 3.2.5 Khai báo trạng thái tải trọng 26 i 3.2.6 Thực tạo lưới PTHH 26 3.2.7 Thực trình phân tích phần tử hữu hạn 27 3.2.8 Thực tính toán đại lượng cần thiết khác 28 3.2.9 Phân tích kết tối ưu trình tính toán 28 3.3 Áp dụng tính dao động ngang cho hệ trục tàu thực tế 28 3.3.1 Các thông số hệ trục tàu: 29 3.3.2 Thực tính dao động ngang so sánh kết 30 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 ii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình tính nk theo phương pháp hai điểm đỡ Hình 1.2 Dao động ngang dầm nhiều nhịp theo phương pháp Simanxki 11 Hình 1.3 Mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy 12 Hình 2.1 Hệ trục tàu thủy thực tế 17 Hình 2.2 Mô hình PTHH cứng đàn hồi – cản hệ trục tàu thủy 17 Hình 3.1 Cửa sổ phân tích kết cấu Autodesk Inventor 2016 24 Hình 3.2 Hai tùy chọn môi trường phân tích kết cấu 25 Hình 3.3 Hộp thoại cho phép khai báo vật liệu chi tiết 25 Hình 3.4 Gắn liên kết cố định cho mặt trụ chi tiết 26 Hình 3.5 Lưới PTHH cho giá đỡ xoay 27 Hình 3.6 Kết phân tích dao động Mode 27 Hình 3.7 Kết phân tích dao động Mode 28 Hình 3.8 Hệ trục tàu Trường Sa 14 29 Hình 3.9 Mô hình hệ trục Autodesk Inventor 30 Hình 3.10 Lưới PTHH hệ trục gồm 4198 phần tử 31 Hình 3.11 Biên độ dao động tương đối tần số thứ 31 Hình 3.12 Biên độ dao động tương đối trục chong chóng 32 iii MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Vấn đề phân tích dao động hệ trục tàu thủy mối quan tâm nhà thiết kế khai thác hệ động lực tàu thủy Bài toán tính dao động hệ trục ngày quan tâm, ý nhiều tàu thiết kế đóng có trọng tải ngày lớn Nó đòi hỏi công suất máy lớn hơn, dẫn đến đoạn trục thiết bị hệ trục phải có kích thước trọng lượng lớn Điều làm cho dạng dao động hệ trục, bao gồm: dao động dọc trục, dao động ngang dao động xoắn, có ảnh hưởng quan trọng đến tuổi thọ độ bền khai thác hệ trục Vấn đề làm giảm ảnh hưởng dao động hệ trục lên độ bền đảm bảo cho hệ trục khai thác vùng vòng quay cộng hưởng dao động đòi hỏi phải có phương pháp tính toán dạng dao động hệ trục tàu thủy cách xác Ngoài ra, xác định xác ứng suất phát sinh đoạn trục vòng quay làm việc tiến gần đến vòng quay cộng hưởng (còn gọi vùng vòng quay cộng chấn) quan tâm để đảm bảo ứng suất không vượt ứng suất cho phép Do nhà thiết kế đóng tàu ngày muốn phân tích xác dao động hệ trục tàu thủy giai đoạn thiết kế kỹ thuật tàu Một phân tích dao động hệ trục quan trọng tính dao động ngang đường trục hệ động lực diesel với thiết bị đẩy chong chóng Để giải toán dao động hệ trục tàu thủy, người ta dùng phương pháp mô hình hóa hệ trục thực qua mô hình vật lý toán học, sau thiết lập hệ phương trình toán học (thường hệ phương trình vi phân) để mô tả trạng thái động học tĩnh học hệ trục Trên thực tế, hệ phương trình toán học mô tả hệ trục điều kiện làm việc thực tế thu thường hệ phương trình vi phân phi tuyến Do vậy, giải thường dùng giả thiết gần để tuyến tính hóa nên độ xác kết thu bị hạn chế Mặt khác, cho dến mô hình tính toán đơn giản chưa xét đầy đủ xác yếu tố ổ đỡ trục hệ số cứng gối đỡ lực cản màng dầu bôi trơn Cho đến nay, tài liệu dùng cho giảng dạy tham khảo thiết kế hệ thống động lực tàu thủy, toán tính dao động ngang thường sử dụng phương pháp gần Simanski – phương pháp xây dựng cho mục đích tính toán tay máy tính chưa đời nên mô hình tính đơn giản cho kết xác Ngày nay, máy tính điện tử đời phát triển vũ bão theo hướng ngày mạnh, có khả tính toán khối lượng lớn, giải toán mà tay giải Bên cạnh đó, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) đời trở thành công cụ vạn cho việc giải phương trình hệ phương trình vi phân phức tạp mô tả dạng toán nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như: Cơ khí, xây dựng, điện – điện tử, hàng không vũ trụ,… Đã có nhiều phần mềm phân tích phần tử hữu hạn cho phép phân tích dạng dao động kết cấu khí, công trình nói chung hệ trục truyền công xuất nói riêng Có thể kể đến phần mềm MSC NASTRAN, ANSYS, Autodesk Inventor,… Vì việc nghiên cứu sử dụng phần mềm phân tích PTHH để tính dao động ngang hệ trục tàu thủy nhằm đạt kết xác hơn, đồng thời làm đưa vào nội dung giảng dạy môn học Thiết kế hệ thống động lực tàu thủy cho sinh viên ngành Máy tàu thủy cần thiết phù hợp với xu hướng đại hóa thiết kế đóng tàu nước ta Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Ở Việt nam, có số tác giả nghiên cứu ứng dụng phương pháp PTHH tính dao động ngang hệ trục tàu thủy đạt thành công mặt thiết lập mô hình phần tử hữu hạn phù hợp cho hệ trục tàu thủy Tuy nhiên phần chương trình tính thường viết ngôn ngữ Pascal Delphi với mục đích chủ yếu minh họa tính khả thi phương pháp nên chương trình thường chưa tối ưu sử dụng tài nguyên máy tính có khả tính toán với số lượng phần tử nhỏ dẫn đến kết nhận có độ xác chưa cao Bên cạnh đó, số tác giả nghiên cứu sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích dao động xoắn hệ trục tàu thủy chưa đề cập đến dao động ngang Trong giáo trình sách tham khảo thiết kế hệ thống động lực tàu thủy giới thiệu cách tính dao động ngang hệ trục tàu thủy phương pháp dần Simanxki – phương pháp gần đúng, tính tay, không phù hợp thời đại máy tính ngày Trên giới, phương pháp PTHH nghiên cứu ứng dụng từ năm 60 kỷ trước Trải qua 50 năm phát triển hoàn thiện, phương pháp PTHH tỏ công cụ đa năng, cho phép giải toán phức tạp trọng hầu hết ngành khoa học kỹ thuật Đã có nhiều phần mềm phân tích phần tử hữu hạn nghiên cứu, đời không ngừng phát triển, có tích hợp công cụ phân tích động học dao động kết cấu Công cụ tỏ hữu dụng cho toán phân tích động học dao động kết cấu khí công trình công nghiệp Tuy nhiên chưa có nghiên cứu áp dụng cụ thể cho tính dao động ngang hệ trục tàu thủy Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng phần mềm phân tích PTHH để tính toán dao động ngang hệ trục tàu thủy Từ xây dựng mô hình tính áp dụng vào thực tế thiết kế hệ trục tàu thủy làm tài liệu giảng dạy dao động ngang hệ trục cho sinh viên ngành Máy tàu thủy học môn học Thiết kế hệ thống động lực tàu thủy Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: nghiên cứu lý thuyết phương pháp tính dao động ngang kết hợp với ứng dụng phần mềm phân tích PTHH cho toán cụ thể tính dao động ngang hệ trục tàu thủy Nội dung: Ngoài phần Mở đầu Kết luận, nội dung đề tài bố cục thành chương, bao gồm: Chương 1- Dao động ngang hệ trục tàu thủy phương pháp tính; Chương 2- Mô hình PTHH tính dao động ngang hệ trục tàu thủy; Chương 3- Tính dao động ngang hệ trục tàu thủy phần mềm Autodesk Inventor Kết đạt đề tài Đề tài cho thấy tranh tổng thể dao động hệ trục tàu thủy nói chung dao động ngang hệ trục nói riêng Đã tập hợp trình bày tóm tắt phương pháp mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy áp dụng ngày Nêu nên điểm mạnh hạn chế phương pháp mô hình Xây dựng mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy theo phương pháp PTHH phù hợp cho việc sử dụng phần mềm phân tích PTHH có, sẵn sàng làm sở cho việc đưa vào nội dung giảng dạy môn học Thiết kế hệ thống động lực tàu thủy, chương tính nghiệm dao động ngang hệ trục Đã hướng dẫn chi tiết bước tính toán dao động ngang hệ trục tàu thủy công cụ phân tích PTHH phần mềm thiết kế mô 3D Autodesk Inventor Phần mềm lựa chọn làm phần mềm tính dao động ngang hệ trục tàu thủy tính phù hợp với chuyên ngành Máy tàu thủy liên kết dễ dàng với AutoCAD, gọn nhẹ, không đòi hỏi tài nguyên máy tính cao CHƯƠNG DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH 1.1 Khái quát dao động ngang hệ trục tàu thủy Hệ trục tàu thủy hệ học phức tạp bao gồm động cơ, trục truyền máy công tác Tùy thuộc vào nhiệm vụ trang trí hệ động lực tàu thủy mà động động đốt diesel, tua bin khí hay động điện, máy công tác chong chóng, máy nén khí hay máy phát điện Hệ trục gồm hay nhiều động lai hay nhiều máy công tác Ở xét động lực học hệ động đốt - trục truyền động - máy công tác Hệ trục tàu thủy đặt gối đỡ liên kết với vỏ tàu Động đốt nguồn sinh động năng, qua trục truyền động, lượng truyền tới máy công tác Do cấu trúc hình học đặc trưng động học, nguồn sinh lực cưỡng tuần hoàn Do làm việc chong chóng, từ liên kết thủy - động sinh lực cưỡng tuần hoàn với tần số bội số số cánh chong chóng Công nghệ chế tạo lắp ráp chi tiết hệ trục tàu thủy không tuyệt đối xác sinh lực biến đổi theo thời gian ảnh hưởng đến làm việc hệ trục Trong trình làm việc, hệ trục đồng thời thực dạng dao động: dao động xoắn, dao động dọc dao động ngang Dao động xoắn xuất hệ trục hệ trục chịu tác dụng mô men xoắn biến thiên tuần hoàn từ hai phía: phía động diesel phía chong chóng Khi tần số ngoại lực tác dụng vào hệ trục tần số riêng hệ xảy tượng cộng hưởng Khi ngoại lực có biên độ nhỏ biên độ dao động cộng hưởng lớn, nhiều vượt giới hạn cho phép Ứng suất bổ sung cộng hưởng đạt tới giá trị mà làm gãy trục Vì thiết kế hệ trục tàu thủy phải tính đến ứng suất phát sinh cộng chấn dao động xoắn Dao động dọc xuất hệ trục lực đẩy từ chong chóng phản lực gối chặn lực đẩy Dao động dọc hệ trục cho thấy vấn đề không phần quan trọng so với vấn đề độ bền Dao động dọc qua gối chặn truyền qua sinh dao động vỏ tàu Bằng cách sinh dao động dọc vỏ tàu mà tần số chúng rơi vào vùng vòng quay làm việc động Trạng thái dao động vỏ tàu phụ thuộc nhiều vào dao động dọc hệ trục Nếu dao động dọc hệ trục lớn phá vỡ bạc chặn gối chặn lực đẩy làm đứt bu lông lắp ghép gối đỡ [7] Dao động ngang hệ trục gây nên ngoại lực không cân từ chong chóng, từ động thân trọng lượng không cân đoạn trục thiết bị gắn Dao động ngang nguy hiểm xảy cộng hưởng tức tần số ngoại lực tần số riêng hệ Hệ trục tàu thủy hệ dao động phức tạp có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến dao động Khi phân tích dao động coi hệ trục tàu thủy hệ có vô số bậc tự do, có vô số tần số dao động tự Đồng thời hệ phi tuyến, trước hết độ cứng phi tuyến ổ đỡ, màng dầu khớp nối mềm Ngoài có liên quan dạng dao động (xoắn, dọc ngang) môi trường nước sau chong chóng làm dạng dao động này, thực tế, xảy đồng thời Đến nay, việc phân tích dao động đồng thời dạng dao động xác định đầy đủ nhân tố liên quan chưa giải Khó khăn việc xác định mô hình toán học đạt độ xác cần thiết so với thực tế phương pháp giải cách có hiệu Khó khăn việc xác định xác loạt tham số, giá trị cản hay hệ số thủy động học gây nên dao động liên quan Dao động hệ trục tàu thủy tự cưỡng Dao động tự gây tải trọng kích thích thời gian ngắn Hệ đưa khỏi vị trí cân sau ngắt tác động Quá trình dịch chuyển hệ có xu hướng trở vị trí cân ban đầu Dao động cưỡng xét có mặt lực cưỡng sinh Khi độ lớn tải trọng động đáng kể chí khoảng thời gian nhỏ gây chuyển vị biến dạng trục Tính toán dao động tự hệ trục tìm tần số dạng dao động Các tần số dao động tự cần xác định để giải vấn đề tránh dao động cộng √1⁄𝑚1 … √1⁄𝐽 1 𝑀−2 = (2.7) … … [ √1⁄𝑚𝑛 √1⁄𝐽 𝑛] Ma trận độ cứng hệ ma trận đường chéo có dạng: 𝐾= 𝐾11 … [ 𝐾12 𝐾22 … 𝐾23 … 0 … 0 0 … 𝐾𝑛−1,𝑛−1 𝐾𝑛−1,𝑛 𝐾𝑛,𝑛 ] (2.8) Từ ma trận A tính nhờ công thức (2.5) sau: 𝐴= 𝑇 − (𝑀 ) 𝐾𝑀−2 (2.9) Như ma trận A viết dạng sau: 𝐴11 … 𝐴= [ 𝐴12 𝐴22 Đố𝑖 𝑥ứ𝑛𝑔 … 𝐴23 … … 0 0 … 𝐴𝑛−1,𝑛−1 𝐴𝑛−1,𝑛 𝐴𝑛,𝑛 ] (2.10) Đó ma trận dải đường chéo đối xứng gồm khối ma trận có kích thước 2×2 Công thức chi tiết xác định phần tử 𝐴𝑖𝑗 , 𝑖, 𝑗 = … 𝑛 tham khảo [2, 7] Sau xác định ma trận A, để tìm tần số dạng dao động ngang tự hệ trục ta phải xác định trị riêng vec-tơ riêng phương trình (2.4) Tức giải phương trình đại số sau: 𝑑𝑒𝑡(𝐴 − 𝐼𝜔2 ) = (2.11) Thuật toán tính định thức (2.11) xây dựng sở phương pháp khử Gauss phương pháp hội tụ nhanh trình bày [2,7] Bởi ma trận (𝐴 − 𝐼𝜔2 ) ma trận vuông cấp n nên phương trình (2.11) cho n nghiệm giá trị riêng ma trận Lần lượt thay giá trị riêng 20 vào phương trình (2.4) giải vec-tơ riêng U0 biên độ dao động tương đối hệ 21 CHƯƠNG TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY BẰNG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR 3.1 Giới thiệu chung phần mềm phân tích PTHH Trong trình phát triển lý thuyết vỏ phương pháp PTHH, nhiều gói phần mềm phân tích PTHH tạo ra, bao gồm phần mềm thương mại phần mềm học thuật Các phần mềm thương mại có mục tiêu chung thiết kế để chạy độc lập máy tính trạm mạnh mẽ Chúng cho phép giải hầu hết toán trị biên học kết cấu từ toán đơn giản dầm khung toán phức tạp toán trị biên vỏ vỏ số trường hợp đặc biệt Dưới số phần mềm FEA mục đích chung dùng phổ biến: FEMAP (FE Modeling And Postprocessing) phát triển hãng phần mềm Siemens PLM; NASTRAN (NASA Structural Analysis) cung cáp Cơ quản quản lý hàng không vũ trụ Mỹ NASA; ABAQUS (tên lấy từ cụm từ Abacus Calculation Tool) phát triển Dassault Systèmes Simulia Corp.; ANSYS (Engineering Analysis System) phát triển Swanson Analysis System, Inc.; SAP2000 (Structural Analysis Program) phát triển Computers and Structures, Inc USA; Autodesk Inventor với module Stress Analysis phát triển Autodesk Inc USA Ngoài gói phần mềm thương mại trên, nhóm nhỏ nhà nghiên cứu trường đại học viện nghiên cứu phát triển cách độc lập gói phần mềm FEA, chúng gọi gói phần mềm học thuật, ví dụ CALFEM (Computer Aided Learning of the FEM), OpenFEM (Open-source toolbox based on the FEM) [4],… Các gói phần mềm dựa 22 tảng phương pháp PTHH thường sử dụng dạng phần tử là: phần tử phẳng, phần tử cong, phần tử chiều phần tử chiều suy biến 3.2 Trình tự giải toán công cụ phân tích PTHH Để giải toán phân tích ứng suất, biến dạng trường nhiệt độ phần mềm Autodesk Inventor phải trải qua bước sau đây: - Tạo mô hình chi tiết kết cấu cần phân tích; - Chọn hình thái cần phân tích; - Khai báo vật liệu thuộc tính vật liệu; - Khai báo liên kết ràng buộc (điều kiện biên) kết cấu; - Khai báo trạng thái tải trọng; - Thực tạo lưới PTHH; - Thực trình phân tích phần tử hữu hạn; - Thực tính toán đại lượng cần thiết khác; - Phân tích kết tối ưu trình tính toán 3.2.1 Tạo mô hình chi tiết kết cấu cần phân tích Để thực việc phân tích dao động (Modal Analysis) hay phân tích trạng thái ứng suất (Stress Analysis) phần mềm Autodesk Inventor, phải thực bước tạo mô hình hình học chi tiết hay toàn kết cấu có chứa chi tiết ta cần thực phân tích ứng suất, biến dạng, Việc tạo mô hình thực Autodesk Inventor sử dụng tính Create Sketch nhập từ vẽ AutoCAD vài phần mềm tạo mô hình 3D khác Bản thân Autodesk Inventor cho phép người dùng dựng mô hình 3D từ vẽ 2D AutoCAD Đây điểm mạnh Autodesk Inventor so với phần mềm khác nhà thiết cơ khí từ lâu quen làm việc với AutoCAD họ thật có riêng thư viện thiết kế riêng Để tiện cho việc minh họa bước cần thực toán Ta sử dụng ví dụ cung cấp sẵn Autodesk Inventor thực Autodesk Inventor 2016 thể Hình 3.1 23 3.2.2 Chọn hình thức cần phân tích Autodesk Inventor cung cấp hai tùy chọn khác cho việc phân tích ứng suất, biến dạng theo phương pháp PTHH là: Static Analysis Modal Analysis Static Analysis dùng cho phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng kết cấu tải trọng tĩnh tác dụng Sau ta gọi phân tích tĩnh học Hình 3.1 Cửa sổ phân tích kết cấu Autodesk Inventor 2016 Autodesk Inventor hỗ trợ phân tích dao động ngang tự cho toàn vài chi tiết kết cấu Quá trình xác định tần số dao động tự (còn gọi giá trị riêng) biên độ dao động tương đối kết cấu phần Ngoài ra, Autodesk Inventor cho phép phân tích dao động chế độ tham số, tham số thay đổi thông số thiết kế (về hình dáng hình học, vật liệu, tải trọng,…) Nó cho phép phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng, dao động kết cấu với hình dáng khác kết cấu cụ thể Như tiện lợi cho người làm thiết kế việc so sánh phương án khác hình dáng, kích thước hình học vật liệu Cửa sổ lựa chọn hình thức phân tích kết cấu thể Hình 3.2 24 Hình 3.2 Hai tùy chọn môi trường phân tích kết cấu 3.2.3 Khai báo vật liệu thuộc tính vật liệu Autodesk Inventor cung cấp hộp thoại Assign Materials (xem Hình 3.3) để người dùng khai báo loại vật liệu cho chi tiết kết cấu Người dùng khai báo đặc tính cho vật liệu vật liệu phổ thông cung cấp sẵn phần mềm Hình 3.3 Hộp thoại cho phép khai báo vật liệu chi tiết 25 3.2.4 Khai báo liên kết ràng buộc kết cấu Để khai báo liên kết chi tiết kết cấu, gọi điều kiện biên, sử dụng hộp thoại Constraints Tất lắp ghép thực tế qui dạng liên kết chính: Cố định (Fixed), chốt xoay (Pin) ma sát trượt (Frictionless) Ví dụ hộp thoại liên kết cố định trình bày Hình 3.4 Hình 3.4 Gắn liên kết cố định cho mặt trụ chi tiết 3.2.5 Khai báo trạng thái tải trọng Khai báo dạng tải trọng tác dụng chi tiết kết cấu sử dụng thẻ Loads Các dạng tải trọng bao gồm: Lực tập trung (Force), Lực phân bố bề mặt (Pressure), lực ma sát trượt ổ đỡ (Bearing load), mô men (Moment) trọng lực Sau chọn dạng lực tác dụng, hộp thoại xuất cho phép người dùng chọn vị trí mà tải tác dụng 3.2.6 Thực tạo lưới PTHH Chọn nút Mesh view công cụ để chương trình thực tạo lưới phần tử tự động Tùy theo dạng toán PTHH lưới 1, hay chiều Hình 3.5 trình bày lưới PTHH cho giá đỡ xoay xem xét Tùy theo yêu cầu toán, người dùng hiệu chỉnh lưới PTHH nút lệnh Mesh Setting, Local Mesh Control Convergence Setting 26 Hình 3.5 Lưới PTHH cho giá đỡ xoay 3.2.7 Thực trình phân tích phần tử hữu hạn Chọn nút Simulate công cụ để lệnh cho chương trình bắt đầu thực trình phân tích PTHH Quá trình từ vài đến hàng chục phút tùy theo số phần tử lưới độ phức tạp kết cấu Hình 3.6 Kết phân tích dao động Mode Hình 3.6 trình bày kết dao động tự giá đỡ xoay tần số tự thứ (dao động tâm) Người dùng xoay kết cấu 360o để quan sát kết từ nhiều góc độ khác việc chọn xem kết tần số dao động khác (xem Hình 3.7) 27 Hình 3.7 Kết phân tích dao động Mode 3.2.8 Thực tính toán đại lượng cần thiết khác Một cách tự động, chương trình tính đưa kết chuyển vị nút lưới PTHH dạng đồ thị Tùy theo toán người dùng chọn để xem xuất nhiều kết khác ứng suất, biến dạng, kết cấu 3.2.9 Phân tích kết tối ưu trình tính toán Tùy vào kinh nghiệm phân tích kết cấu theo phương pháp PTHH kiến thức sức bền vật liệu, người phân tích đánh giá kết thu được, từ đưa hiệu chỉnh mô hình tính, lực tác dụng, liên kết,… nhằm tối ưu lưới PTHH để đạt kết xác Tức Autodesk Inventor hỗ trợ người dùng hiệu chỉnh bước bước nêu sau lại thực Simulate lại để thu kết phù hợp 3.3 Áp dụng tính dao động ngang cho hệ trục tàu thực tế Các bước giải toán phân tích dao động ngang hệ trục tàu thủy sử dụng phần mềm Autodesk Inventor trình bày mục 3.2 áp dụng cho hệ trục tàu thủy Tuy nhiên, cần sở để so sánh kết tính toán với phương pháp tin cậy biết, tác giả chọn tính ví dụ cho hệ trục tàu vận tải quân 1.400 - tàu Trường Sa 14 loại tàu hàng khô Dao động ngang 28 tàu tính sử dụng phương pháp Simanxki phương pháp PTHH cứng đàn hồi – cản [2] Sơ đồ hệ trục tàu Hình 3.8 Hình 3.8 Hệ trục tàu Trường Sa 14 3.3.1 Các thông số hệ trục tàu: Trục trung gian 1: nối với trục chân vịt - Đường kính: d1 = 20 cm; - Chiều dài gối đỡ: B1 = 32 cm; - Chiều dày bạc: 1 = 1,5 cm; - Vòng quay trục: n = 375 v/p; - Vật liệu trục: Thép 45 Trục trung gian 2: nối với động - Đường kính: d2 = 22 cm; - Chiều dài gối đỡ: B2 = 25 cm; - Chiều dày bạc: 2 = 1,5 cm; - Vòng quay trục: n = 375 v/p; - Vật liệu trục: Thép 45 Trục chong chóng - Đường kính: dc = 21 cm; - Chiều dài gối đỡ sau: Bc1 = 35 cm; 29 - Chiều dài gối đỡ sau: Bc1 = 30 cm; - Chiều dày bạc: c = 2,0 cm; - Vòng quay trục: n = 375 v/p; - Vật liệu trục: Thép 35 Chong chóng - Đường kính: D = 210 cm; - Số cánh: Z = 4; - Tỉ số đĩa:  = 0,55; - Tỉ số bước: H/D = 0,81; - Vòng quay: n = 375 v/ph; - Vật liệu: Đồng thau; - Trọng lượng liêng:  = 8,6.103 kG/m3 3.3.2 Thực tính dao động ngang so sánh kết Hệ trục tàu mô hình tính dao động ngang phần mềm Autodesk Inventor hình Hình 3.9 Mô hình lưới PTHH trình bày hình Hình 3.10 Trong kết tần số dao động ngang tự biên độ tương đối tần số riêng thứ hiển thị Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.9 Mô hình hệ trục Autodesk Inventor 30 Hình 3.10 Lưới PTHH hệ trục gồm 4198 phần tử Hình 3.11 Biên độ dao động tương đối tần số thứ 31 Hình 3.12 Biên độ dao động tương đối trục chong chóng Từ kết tính toán so sánh với kết tính phương pháp Simanxki phương pháp PTHH cứng đàn hồi – cản [2] ta thấy: - Dùng phần mềm Autodesk Inventor: nk = 982,8 v/p - Phương pháp PTHH cứng: nk = 974,5 v/p - Phương pháp Simanxki: nk = 909,6 v/p Vậy kết ba phương pháp tương đối gần Từ so sánh kết cụ thể phương pháp tính trên, đưa đến nhận xét sau: - Thực chất ba phương pháp tính gần Với toán không mang tính chất toán học túy phương pháp tính khác nhau, thu kết khác điều tránh khỏi - Vì chưa có số liệu xác tuyệt đối vòng quay tới hạn nên kết luận phương pháp xác Song, với nội dung cụ thể phương pháp tính thấy phương pháp PTHH có ưu điểm xét đầy đủ ảnh hưởng số yếu tố cụ thể hệ trục đến dao động 32 KẾT LUẬN Đề tài trình bày khái quát dao động hệ trục tàu thủy nói chung dao động ngang hệ trục tàu thủy nói riêng, đồng thời trình bày tóm tắt phương pháp mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy sử dụng nay; Trình bày mô hình PTHH để tính dao động ngang hệ trục tàu thủy theo phương pháp PTHH cứng đàn hồi – cản, phương pháp quan tâm ngày nay; Đề tài trình bày bước phân tích dao động kết cấu nói chung phần mềm Autodesk Inventor Từ áp dụng tính dao động ngang hệ trục tàu thủy tàu cụ thể so sánh kết với phương pháp khác Từ khẳng định bước giải toán tính dao động ngang hệ trục tàu thủy hoàn chỉnh, ứng dụng máy tính tối ưu để làm tài liệu giảng dạy cho sinh viên; Hướng phát triển đề tài: Tiếp tục mở rộng sang toán tính dao động xoắn hệ trục tàu thủy, toán phân tích ứng suất, biến dạng hệ trục thiết bị hệ trục tàu thủy 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoài Sơn, Lê Thanh Phong Mai Đức Đãi Ứng dụng phương pháp PTHH tính toán kết cấu NXB ĐH Quốc gia Tp HCM, 2006 [2] Nguyễn Thị Hằng Tính dao động ngang hệ trục tàu thủy phương pháp PTHH cứng Luận văn thạc sĩ khoa học, ĐH Hàng hải Việt Nam, Hải Phòng, 1997 [3] Nguyễn Vĩnh Phát Phân tích dao động ngang hệ trục tàu thủy có kể đến độ mềm kết cấu đỡ Luận văn tiến sĩ, ĐH Bách khoa Gdansk, Ba lan, 1988 [4] Cao Đức Thiệp Thực phương pháp PTHH MATSHEL – gói phần mềm tính toán thành phần dạng vỏ tường mỏng kết cấu tàu thủy Luận văn tiến sĩ, ĐH Hàng hải Gdynia, Ba lan, 2013 [5] Đặng Hộ Thiết kế trang trí động lực tàu thủy- tập NXB GTVT, Hà Nội, 1986 [6] J.N Reddy Introduction to the finite element method McGraw-Hill, Inc., 1993 [7] O.C Zienkiewicz, R L Taylor, and J Z Zhu The finite element method for solid and structural mechanics Elsevier Butterworth-Heinemann, USA, sixth edition, 2005 [8] O.C Zienkiewicz, R L Taylor, and J Z Zhu The finite element method: Its basis and fundamentals Elsevier Butterworth-Heinemann, USA, sixth edition, 2005 [9] Z Parszewski Drgania i maszyn NXB NT Warszawa, Polska, 1982 [10] S Hylarides Transverse vibration of ship’s propulsion system ISP, vol 22, Nr 252, 1975 34 [...]... trị nút; 8 Tính toán các kết quả, đại lượng liên quan Trong phần còn lại của chương này sẽ trình bày phương pháp PTHH cứng để tính dao động ngang của hệ trục tàu thủy 2.2 Phương pháp PTHH tính dao động ngang hệ trục tàu thủy 2.2.1 Mô hình tính dao động ngang hệ trục tàu thủy theo phương pháp PTHH cứng Hệ trục tàu thủy (xemHình 2.1) thường bao gồm 1 đoạn trục chong chóng và một hay nhiều đoạn trục trung... 3.3 Áp dụng tính dao động ngang cho một hệ trục tàu thực tế Các bước giải bài toán phân tích dao động ngang hệ trục tàu thủy sử dụng phần mềm Autodesk Inventor như trình bày trong mục 3.2 có thể áp dụng được cho hệ trục tàu thủy bất kỳ Tuy nhiên, vì cần cơ sở để so sánh kết quả tính toán với một phương pháp tin cậy đã biết, tác giả chọn tính ví dụ cho hệ trục tàu vận tải quân sự 1.400 tấn - tàu Trường... phương pháp tính dao động ngang đang được sử dụng ngày nay, trong đó dao động ngang được xét độc lập với các dao động xoắn và dọc của hệ trục tàu thủy 1.2 Các phương pháp tính dao động ngang hệ trục tàu thủy Để giải bài toán dao động nói chung của hệ trục tàu thủy, có các phương pháp sau: Phương pháp mô hình hóa hệ trục thực qua những mô hình tương tự: Phương pháp này khắc phục được những hạn chế của phương... trong hệ tọa độ chung đếu bằng 1 Trong phương pháp PTHH cứng, mỗi phần tử cứng thứ i được xem như là một vật rắn có khối lượng mi đặt tại tâm hình học của nó Các phần tử đàn hồi cản có kích thước được bỏ qua và thông số đặc trưng ảnh hưởng tới dao động ngang của hệ trục là hệ số cứng của nó 2.2.2 Phương trình dao động ngang hệ trục tàu thủy và phương pháp giải Bài toán tính dao động ngang hệ trục tàu thủy. .. ý là hệ trục dao động theo một tần số mà tần số đó trùng với vòng quay tới hạn của trục Do vậy nếu cần xác định vòng quay tới hạn của trục lúc tàu vận hành thì chỉ cần xác định tần số dao động ngang tự do của hệ trục là được Việc tính toán dao động ngang hay xác định vòng quay tới hạn của hệ trục có một ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành hệ trục tàu thủy đặc biệt là với các hệ trục. .. vec-tơ riêng U0 chính là biên độ dao động tương đối của hệ 21 CHƯƠNG 3 TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY BẰNG PHẦN MỀM AUTODESK INVENTOR 3.1 Giới thiệu chung về phần mềm phân tích PTHH Trong quá trình phát triển của các lý thuyết vỏ và phương pháp PTHH, nhiều gói phần mềm phân tích PTHH đã được tạo ra, bao gồm cả phần mềm thương mại và phần mềm học thuật Các phần mềm thương mại có mục tiêu chung... trong mô hình tính dao động ngang Trong tính toán có xét cả khối lượng nước kèm Hình 2.1 Hệ trục tàu thủy thực tế Trong phương pháp PTHH cứng, mô hình liên tục của hệ trục tầu thủy được đưa về mô hình rời rạc gồm một số hữu hạn các phần tử cứng được nối với nhau bằng các phần tử đàn hồi - cản Hình 2.2 Mô hình PTHH cứng và đàn hồi – cản của hệ trục tàu thủy Cách chia như sau: ban đầu chia hệ trục làm n... đến tính đàn hồi của gối đỡ Bài toán đưa về khảo sát dao động của hệ gồm (n+1) phần tử cứng và (n+m) phần tử đàn hồi cản, với m là số các gối đỡ của hệ trục Mô hình PTHH của hệ trục như trình bày trên Hình 2.2 Đối với bài toán tính dao dộng hệ trục ta chọn gốc cho hệ tọa độ địa phương của phần tử cứng trùng với nút của phần tử và chính là trọng tâm hình học của nó Như vậy các cô-sin chỉ phương của hệ. .. khi tính dao động ngang theo mô hình liên tục thường chỉ xét riêng đoạn trục chong chóng [2] Phương pháp tính áp dụng cho các dạng mô hình này chính là phương pháp PTHH với việc dùng phần tử dạng thanh để mô tả [9] Tuy vậy, một phương pháp tiện lợi và thích hợp là tính dao động ngang theo mô hình sử dụng các PTHH cứng và đàn hồi- cản [2] 14 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PTHH TÍNH DAO ĐỘNG NGANG HỆ TRỤC TÀU THỦY... thường sử dụng 4 dạng phần tử cơ bản là: phần tử phẳng, phần tử cong, phần tử 3 chiều và phần tử 3 chiều suy biến 3.2 Trình tự giải bài toán bằng công cụ phân tích PTHH Để giải bài toán phân tích ứng suất, biến dạng hoặc trường nhiệt độ bằng phần mềm Autodesk Inventor chúng ta phải trải qua các bước cơ bản sau đây: - Tạo mô hình chi tiết hoặc kết cấu cần phân tích; - Chọn hình thái cần phân tích; - Khai