Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng công nghệ CADCAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN CƠ KHÍ THUYẾT MINH ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG Đề tài: Nghiên cứu tự động hóa trình thiết kế mô chóng chóng tàu thủy công nghệ CAD/CAM Chủ nhiệm đề tài : Ths Vũ Thị Thu Trang Cộng tác: Ths Mai Tuyết Lê Hải Phòng, tháng 05/2016 ĐẶT VẤN ĐỀ CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 CẤU TẠO CHUNG .5 1.2 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG  Đường kính  Bước  Củ chong chóng  Cánh chong chóng .7  Số cánh chong chóng 1.3 CÁC LOẠI CHONG CHÓNG  Chong chóng bước cố định  Chong chóng có bước thay đổi 11  Chong chóng dạng ống 12  Chong chóng Rudder 13 1.4 TỔNG QUAN CHUNG VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ CHONG CHÓNG TÀU THỦY 14 15 CHƯƠNG II MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHONG CHÓNG .19 CHƯƠNG III HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH TRONG KỸ THUẬT 22 3.1 Computational Fluid Dynamics 22 3.2 Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 25 CHƯƠNG IV CHẾ TẠO CHONG CHÓNG 30 4.1 Quy trình truyền thống .30 4.2 Tạo mẫu nhanh 31 4.3 Tương lai phát triển .36 ĐẶT VẤN ĐỀ Chân vịt tàu thủy mottj phận vô quan trọng hệ thống động lực tàu thủy Nhiệm vụ chân vịt biến đổi dòng lượng thành lực đẩy giúp vận hành chuyển động tàu thủy Sự thống chong chóng tàu thủy thiết bị khác toàn hệ trục vô cần thiết để đảm bảo hành trình chuyển động tàu Việc thiết kế chế tạo chong chóng Việt Nam nhiều hạn chế Công nghệ lắp ráp chủ yếu dựa kinh nghiệm thợ lành nghề kỹ sư lâu năm Do việc sử dụng công nghệ tin học thiết kế chế tạo chân vịt vô cần thiết hiệu cho công nghiệp Việt Nam nói chung công nghiệp đóng tàu nói riêng Việc tự động hóa trình thiết kế mô chóng chóng tàu thủy công nghệ CAD/CAM phù hợp với yêu cầu đề Thực tế nhận thấy, việc tính toán thiết kế chân vịt tàu nói chung nước ta thường thực theo mẫu chân vịt có sẵn sử dụng chân vịt lắp sẵn theo máy chế tạo chân vịt theo cách thủ công công nghệ đúc đơn khuôn gỗ hay khuôn cát tiến hành gia công máy công cụ thông thường Việc chế tạo chân vịt theo công nghệ có nhược điểm sau:  Độ xác độ nhám bề mặt chân vịt thường không đạt yêu cầu, phải qua giai đoạn gia công tinh đánh bóng nên nhiều thời gian, công sức, phụ thuộc tay nghề công nhân nhiều trường hợp chân vịt không phù hợp chân vịt không phù hợp với tàu  Để chế tạo chân vịt, trước tiên phải cần chế tạo chân vịt mẫu khuôn đúc nên giá thành cao  Hạn chế việc chế tạo mẫu chân vịt có đường kính lớn có yêu cầu độ xác cao chân vịt tàu cao tốc, tàu cánh ngầm v v…  Sau chế tạo, sửa chữa chân vịt không phù hợp với tàu thiết kế 1.1 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẤU TẠO CHUNG Chân vịt có cấu tạo gồm phận chính: củ chân vịt cánh chân vịt Cấu tạo củ chân vịt: Củ chân vịt khối côn trụ thường đúc liền với cánh, củ chân vịt có lỗ hình côn (hoặc ren) xẻ rãnh then dùng để lắp vào bề mặt côn trục chân vịt then Hình Cấu tạo chung chong chóng 1.2 CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG Đường kính, bước cánh, củ, cánh số cánh thông số chong chóng hoạt động  Đường kính Đường kính tham số hình học quan trọng việc xác định lượng điện mà cánh quạt tiêu thụ để cung cấp , việc xác định lực đẩy có sẵn cho động đẩy vô cần thiết Thông thường đường kính tỉ lệ với hiệu cánh quạt , khoảng tốc độ cao đường kính lớn tương đương tốc độ cao Đối với tàu điển hình gia tăng nhỏ có đường kính chuyển thành gia tăng đáng kể lực đẩy mô-men xoắn tải trục động cơ, đường kính lớn quay chậm hơn, giới hạn cấu trúc giá trị động Hình Đường kính chong chóng lý thuyết thực tế  Bước Bước hành trình lý thuyết vòng quay chong chóng Ví dụ, chong chóng di chuyển 10 inch vòng quay, bước danh nghĩa chân vịt 10 inch Nó gọi bước danh nghĩa mặt bước thực tế chong chóng so với bước danh nghĩa Sự khác biệt bước danh nghĩa thực tế gọi trượt Bước hiệu chuyển đổi mô-men xoắn trục chong chóng tạo lực đẩy, theo định luật thứ hai Newton  Củ chong chóng Củ đĩa trung tâm vững liên kết trục chong chóng chong chóng Lý tưởng củ có đường kính nhỏ tốt để có lực đẩy tối đa , nhiên có đánh đổi kích cỡ sức mạnh Quá nhỏ củ không đủ mạnh Hình Củ chong chóng  Cánh chong chóng Cánh chong chóng dạng vây xoắn nhô từ củ chong chóng Hình dạng cánh tốc độ định mô-men xoắn cánh quạt cung cấp Chân cánh nơi cánh gắn liền với trung tâm, đầu cánh chong chóng rìa điểm xa từ trục cánh quạt Phía áp suất cao cánh gọi mặt mút Đây mặt mà phải đối mặt phía sau (phía sau) đẩy tàu chuyển động phía trước Sự quay cánh phía áp suất thấp mặt hút cánh chong chóng Đây mặt mà phải đối mặt thượng nguồn hướng phía trước tàu Hình Cánh chong chóng  Số cánh chong chóng Số cánh chong chóng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất chong chóng Tốc độ, mã lực tải yêu cầu tàu lớn dẫn đến cần chong chóng với nhiều cánh Trong việc nghiên cứu thiết kế, số cánh chủ yếu xác định cần thiết phải tránh tần số cộng hưởng có cho kết cấu tàu máy móc Cũng thấy hiệu chân vịt đường kính cánh quạt định đến việc tăng giảm số lượng cánh chân vịt Với việc tăng số cánh diện tích bề mặt tăng lên làm giảm trượt tốc độ chuyển động Bốn năm cánh chong chóng ảnh hưởng đến việc giảm độ rung tiếng ồn cân tốt gây hao phí hệ thống truyền dẫn Thêm cánh chong chóng nhiên thường giảm tốc độ vài hải lý, đánh đổi trình lựa chọn chong chóng 1.3 CÁC LOẠI CHONG CHÓNG  Chong chóng bước cố định Các chong chóng bước cố định chong chóng truyền thống tảng loại chân vịt bẩn năm qua sản xuất dạng đơn hang loạt Các cánh chong chóng có bước cố định có vị trí cố định Theo quy luật tất yếu hướng quay chong chóng thay đổi tàu chuyển động phía sau Điều thực với đảo chiều động ly hợp đảo ngược Các chong chóng cố định có tính kinh tế tàu đến 1250KW Đường kính chong chóng cố định dao động 36 cm 12 mét Có hai lợi chong chóng cố định so với chong chóng bước thay đổi Một chong chóng bước cố định bị hư hỏng Và lợi khác chong chóng không xoay cập bến, không gây nguy hiểm cho tàu neo đậu có nguy dây vướng vào chong chóng Các vật liệu sản xuất khác đáng kể theo loạt thiết kế kích cỡ Đối với cánh quạt lớn, đường kính 300 mm, vật liệu kim loại màu chiếm ưu thế: tỉ lệ đồng cao với mangan niken-nhôm Tuy nhiên, thép không gỉ đạt yêu cầu sử dụng Gang, vật liệu phổ biến để sản xuất chong chóng trước đây, gần biến khỏi thị trường Ngoài ra, cho cánh quạt nhỏ sử dụng thường làm vật liệu polyme, nhôm, nylon gần composite carbon fiber Hình Chong chóng bước không đổi thiết kế để đảm bảo thiết kế chong chóng đủ mạnh Các bước FEA trình bày đây:  Sử dụng COSMOSFloworks để tính toán áp lực bề mặt chong chóng  Chuyển kết COSMOSFloworks để COSMOSWorks công cụ tùy chọn  Tạo môi trường tĩnh COSMOSWorks  Tải file COSMOSFloworks kết ( fld ) vào môi trường cứu tĩnh  Thiết lập hạn chế chong chóng Phần củ cố định  Chọn vật liệu chong chóng  Tạo liên hệ khả ly tâm cho cánh chong chóng Nó sử dụng để mô vòng quay cánh quạt, đơn vị rad/s  Tạo lưới chạy FEA  Vẽ phân phối ứng suất kết FOS Nếu FOS > = 1.5, chong chóng đủ mạnh; FOS < 1.5, chong chóng yếu, nhà thiết kế thay đổi hình dạng chong chóng để làm tăng sức mạnh hay sử dụng vật liệu mạnh cho chong chóng Ví dụ , hình hiển thị áp suất bề mặt chong chóng ba cánh với 120 RPM làm việc mét chiều sâu nước Vật liệu cánh quạt hợp kim titan với độ dẻo Hình 14 Xác định sức bền chong chóng Hình miêu tả áp suất bề mặt , bao gồm áp suất tĩnh áp suất động Áp suất tĩnh bị ảnh hưởng độ sâu nước phương trình Chong chóng đẩy cung cấp áp lực khác biệt hai bên cánh Áp suất tĩnh hai bên cánh nhau, không cung cấp lực đẩy Áp lực động áp lực khác biệt chong chóng để cung cấp lực đẩy Hình hiển thị phân bố áp suất động chân vịt COSMOSWorks sử dụng kết áp lực bề mặt tham số FEA đầu vào để phân tích sức mạnh chong chóng Kết áp lực cần phải tính đến điều kiện dòng chảy sau ngoại quan tính lực ly tâm xem xét FEA Sau hoàn tất cài đặt, chạy mô FEA hình hiển thị kết bền chong chóng Hình 15 Xác định giới hạn sức bền chong chóng Trong hình, khu vực gần trung tâm có áp lực cao hơn, khu vực cần phải xem xét cách cẩn trọng để xác nhận chong chóng đủ mạnh quay Đồ thị FOS dễ dàng hiển thị thành phần an toàn Nếu FOS không 1.5, có nghĩa chong chóng đủ mạnh Hình cho thấy FOS chân vịt Trong hình, FOS tối thiểu 1,5 có nghĩa tất giá trị FOS không 1,5, kết luận rút chong chóng với vật liệu hợp kim nhôm titan đủ mạnh Có hai phương pháp để thay đổi sức mạnh thiết kế cánh quạt: Một thay đổi vật liệu, hai thay đổi hình dạng thiết kế cánh quạt Từ hình, liên kết củ cánh chong chóng có lực căng định bị phá vỡ với xác suất cao Một thiết kế củ tốt làm giảm ứng suất vào kết nối, chẳng hạn thêm nhiều vật liệu vào kết nối Lượn góc thêm vào phần cánh để tăng sức mạnh Hình hiển thị phần lượn góc chân cánh chân vịt Hình phân bố ứng suất cánh quạt cải tiến với góc lượn Hình 16 Thay đổi vật liệu cho phù hợp với yêu cầu sức bền CHƯƠNG IV CHẾ TẠO CHONG CHÓNG Nhìn chung, có ba loại phương pháp sản xuất chong chóng : Đúc, sử dụng máy CNC tạo mẫu nhanh Hai phương pháp có truyền thống nhiều năm kể từ tàu xây dựng Sau mẫu nhanh áp dụng để kiểm tra khả chân vịt môi trường thực tế Các kỹ sư khách hàng có nhiều lợi từ phương pháp Trong dung sai cho phép so với phương pháp thông thường, phương pháp giúp tiết liệm chi phí sản xuất giảm thời gian chế tạo chong chóng 4.1 Quy trình truyền thống Đúc cách phổ biến để tạo nguyên mẫu chong chóng chong chóng thực Các vật liệu thông thường kim loại biến thành dạng lỏng trước đặt khuôn mà thiết kế hình dạng mong muốn, sau chờ đợi vài cho hỗn hợp kiên cố Để có chong chóng ra, khuôn thường bị hỏng bị biến dạng Quá trình thể biểu đồ Tạo khuôn (vật liệu tạo khuôn cát) Vật liệu đổ vào khuôn dạng lỏng Chờ cho vật liệu ổn định kết dính Lấy chong chóng khỏi khuôn Sử dụng máy làm bề mặt chong chóng Hình 17 Quy trình truyền thống Như thể sơ đồ, để hoàn tất trình cách hoàn hảo, nhà sản phải người kinh nghiệm Sản xuất chong chóng hay không phụ thuộc nhiều vào độ xác cao mà nhà khai thác làm bước xây dựng khuôn Bất kỳ lỗi lựa chọn vật liệu sai cho khuôn, xô lệch làm hình thành khuôn dẫn đến sai lầm lớn phần kết thúc chí sản phẩm bị hỏng Hơn nữa, phương pháp nhiều thời gian rót kim loại từ rắn đến dạng lỏng sau chờ đợi cho trở lại hình dạng ban đầu Đây trình tốn lãng phí cho nhà quản lý dự án Do bất tiện đúc, CNC sử dụng số trường hợp để sản xuất chong chóng Trong phương pháp này, thông tin sản phẩm số cánh, độ dày cánh, củ, dung sai chuyển từ máy tính vào máy CNC tập tin CAD Máy tải tập tin đầu vào để sản xuất mẫu thiết kế xác, không yêu cầu hoàn thành sản phẩm lần sau di chuyển khỏi máy Tuy nhiên, điều phù hợp với kích thước hình chong chóng vừa nhỏ, cho chong chóng lớn vài tuần để hoàn thành Ngoài ra, lãng phí vật liệu nhiều phương pháp trước vật liệu chưa sử dụng tái chế tái sử dụng nên điều coi vấn đề tài môi trường công ty Dường giải pháp không đáp ứng phát triển thời đại nhiều ý kiến cho tốc độ cao yếu tố quan trọng Đây yêu cầu thực tế dẫn đến đời mẫu nhanh ngành công nghiệp 4.2 Tạo mẫu nhanh Công nghệ giới thiệu vào cuối năm 1980 nhanh chóng trở thành lựa chọn ưa thích nhiều doanh nghiệp công ty đóng tàu mà công ty khí xây dựng Tạo mẫu nhanh đóng vai trò quan trọng việc giảm thời gian sản xuất nâng cao chất lượng mô hình thử nghiệm cuối Nó cho phép xây dựng mô hình vật lý hay nguyên mẫu từ liệu CAD 3D Có nhiều loại tạo mẫu nhanh như: in ấn 3D, chọn lọc thiêu kết laser (SLS), stereolithography (SLA) v.v Mỗi loại công nghệ tạo mẫu đòi hỏi vật liệu kỹ thuật riêng để chế tạo nguyên mẫu nên việc lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào mục đích cụ thể ngành công nghiệp cụ thể Do môi trường làm việc đặc biệt xung quanh nước tất cánh chong chóng, nguyên mẫu cho chong chóng cần vật liệu chịu áp lực cao STL giải pháp đáp ứng cho yêu cầu STL phương pháp sử dụng tia laser mạnh mẽ để tạo đối tượng 3D vật liệu kim loại, thủy tinh, nhựa, gốm sứ, vv Các đối tượng sản xuất lớp, lớp bổ sung người cuối mô hình mong muốn hoàn thành Phương pháp áp dụng cho nhiều loại vật liệu, vật liệu bột thép Độ dày lớp nhỏ 10-3 để 4,10-2, điều đảm bảo tính xác cao cho mô hình chong chóng độ nhẵn cho bề mặt cánh chong chóng Công nghệ đáp ứng yêu cầu chất lượng tài Chỉ 650 $ cho sản phẩm ngày để hoàn thành họ phải tiêu tốn 1300 $ cho sản phẩm sử dụng công nghệ khác chờ khoảng tháng để hoàn thành sản phẩm với phương pháp truyền thống Các ví dụ liệt kê cách sử dụng FDM 2000 để làm mẫu thử nhanh Hình 18 FMD 2000 Các liệu 3D chuyển đổi sang file STL trước đưa vào FMD năm 2000 Máy tính toán khối lượng chân vịt ước tính thời gian chế tạo cho kỹ sư Các biểu đồ cho thấy bước sản xuất rõ ràng Mở SML file Chọn vật liệu HÌnh thành dạng Quickslice Lựa chọn dụng cụ chế tạo Tạo thiết bị hỗ trợ Tạo chiều dày miếng(chiều dày: từ 2.10-3 tới 3.10-1) Tạo dạng.SML file Chuyển tới FDM 2000 Kiểm tra vật liệu máy Chuyển.SML file sang máy để sản xuất sản phẩm Hình 19 Quy trình tạo mẫu thử nhanh Hình 20 Mẫu thử 4.3 Tương lai phát triển Dựa cải thiện năm gần , việc thiết kế chế tạo chân vịt thấy loạt thay đổi Những thay đổi tiết kiệm nhiều thời gian không cho kỹ sư mà cho nhà sản xuất , họ giảm thời gian thiết kế lại lỗi thiết kế sản xuất Trong tương lai, công nghệ CAD , CAM, mẫu nhanh đóng vai trò quan trọng sản xuất chong chóng Họ tảng cho việc tạo mô hình với chức tối ưu hóa tính mô ngành công nghiệp đóng tàu Hình Cấu tạo chung chong chóng Hình Đường kính chong chóng lý thuyết thực tế .6 Hình Củ chong chóng .7 Hình Cánh chong chóng Hình Chong chóng bước không đổi 10 Hình Chong chong có bước thay đổi 11 Hình Chong chóng dạng ống 12 Hình Chong chóng Rudder 13 Hình Sơ đồ khối trình sản xuất chong chóng 15 Hình 10 Các thông số chong chóng 20 Hình 11 Dựng hình chngs chóng môi trường tĩnh 21 Hình 12 Mô xác định áp lực cánh chong chóng 24 Hình 13 Mô áp lực chong chóng trường hợp 25 Hình 14 Xác định sức bền chong chóng 27 Hình 15 Xác định giới hạn sức bền chong chóng .28 Hình 16 Thay đổi vật liệu cho phù hợp với yêu cầu sức bền 29 Hình 17 Quy trình truyền thống .30 Hình 18 FMD 2000 33 Hình 19 Quy trình tạo mẫu thử nhanh .34 Hình 20 Mẫu thử 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Klaas van Dokkum, Ship Knowledge, DOKMAR, Netherlands, 2003.P244~ [2] John Carlton Marine Propellers and Propulsion, Elsevier Ltd, Oxford, 2007.pp.13-22 [3] D Frechou, L Mees, D Lebrun, et al., PIV operations in Hydrodynamic Facilities AMT’09 Conference, Nantes, pp 41–42, 2009 [4] J Bosschers, G Vaz, A R Starke, et al., Computational Analysis of Propeller Sheet Cavitation and Propeller Ship Interaction.R.I.N.A.Marine CFD conference, Southampton, pp 55–56, 2008 [5] A Koop, H Hoeijmakers, Numerical Simulation of Unsteady Threedimensional Sheet Cavitation 7th Int Conf on Cavitation, CAV2009, Ann Arbor, Michigan, USA, pp 26–29, 2009 [6] M Gaafary, H El-Kilani, M Moustafa, Optimum design of B-series marine propellers, Alexandria Eng vol 50, no 1, pp 13–18, 2011 [7] G Kuiper, New developments and propeller design, J Hydrodyn., Ser B 22, no 5, pp 1368–1381, 2010 [8] Anderson, J.D., Computational fluid dynamics: an introduction, Berlin, 2009 [9] Nicholson, D W., Finite Element Analysis: Thermomechanics of Solids, Boca Raton, 2008 [10] Lee, S., Ice Controllable pitch propeller-Strength Check based on IACS Polar Class Rule, Texas, USA, 2008 [11] Burtner, E., 1953, “ A relationship of preliminary Propeller Diameter” Journal of the American Society of Naval Engineers Inc Vol.65, No.3 [12] XueYin Wu, 2010, “ A rapid development process for marine propellers through design, simulation and prototyping” [13] Kerwin, J.E., 2001, “ Hydrofoils and propellers”, Massachusetts Institute of Technology [14] Erickson, L.L., 1990, “Panel Methods- An Introduction” NACA Technical Paper 2995, California [15] Muckle W., 1941, "Stresses in Propeller Blades", The Shipbuilder and marine Engine Builder, Vol 47, No 388, pp.336·341 [16] Morgan, W.B., 1954, "An Apimate Method ofObtaining Stresses in a Propeller Blade" David Taylor Model proxBasin, Report No 919, Washington D.C., pp.18 [17] Ghose, J P., Gokarn, R P., 2004, "Basic Ship propulsion", New Delhi [18] D'Epagnier, P.K., Chung, II., Stanway, J.M., Kimball, \V.R., 2007, "An Open Source Parametric Propeller Design Tool", Cambridge [19] Farin, Gerald E., 1993, "Curves and surfaces for computer aided geometric design: a practical guide", Boston, Toronto [20]Lombard, M" 2009, "SolidWorks 2009 bible", Indiana [21] Richard L Van /lorn, 1971, "Validation orSimulation Results" Carnegie Mellon University [22] Paul DeGarmo, J l'emple Black, Ronald A Kohser, 1988, "Materials and processes in manufacturing" New York [23] Ali Kamrani, Emad Abouel Nasr, 2006, "Rapid prototyping: theory and practice" New York [24] "StrataSys FOM 2000 Specifications." http://tn