Nghiên cứu thiết kế tàu canô cao tốc kéo dù bay nhằm phục vụ du lịch biển trên vịnh nha trang 50

1 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, ngành công nghiệp tàu thuỷ nước ta bước phát triển dần chiếm vị trí nước khu vực Trước tàu đóng với mục đích phương tiện vận chuyển hàng hố chủ yếu mục đích sử dụng tàu đa dạng lên nhiều Hiện đội canô cao tốc phát triển mạnh toàn quốc hoạt động nhiều lĩnh vực : du lịch, quân sự, tìm kiếm cứu nạn… Ở Nha Trang từ có đội canơ cao tốc hoạt động lĩnh vực đưa khách du lịch thăm quan hịn đảo ngồi khơi, phục vụ vui chơi, khám phá Đại Dương… hàng năm đem lại nguồn thu đáng kể cho doanh nghiệp Đối với canơ, đặc điểm hình học yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính hàng hải canơ nói chung tốc độ ca nơ nói riêng, đặc điểm hình học bao gồm kích thước vẽ đường hình Đặc điểm hình học ngồi yếu tố ảnh hưởng định đến tốc độ, cịn yếu tố định tới vị trí buộc dây để kéo dù, việc xác định đặc điểm hình học canơ có vai trò ý nghĩa quan trọng đặt phải đạt thiết kế ca nô kéo dù Từ vật liệu truyền thống : gỗ, thép, nhơm, vật liệu dùng để đóng tàu Tuy nhiên, canơ người ta dùng gỗ, thép mà người ta dùng nhôm để đảm bảo yêu cầu tốc độ, thẩm mỹ, sức chở, khả chống chịu môi trường…Với vật liệu nhơm người ta đóng ca nơ mang tính tốt Tuy nhiên, với phát triển khoa học kỹ thuật, vật liệu đời, vật liệu Composite mang ưu điểm bật có độ bền cao, nhẹ, trơ với môi trường nước biển, phương pháp thi công đơn giản, giá thành rẻ… Với ưu điểm trên, vật liệu Composite dần thay vật liệu truyền thống, ưu điểm vật liệu góp phần lớn vào việc giải toán tốc độ Trước yêu cầu trên, để tạo điều kiện tiếp cận thực tế, làm quen với việc giải vấn đề cách cụ thể, sau thời gian học tập em nhà trường giao thực đề tài: Thiết kế canô kéo dù bay phục vụ du lịch vịnh Nha Trang Qua thời gian tìm hiểu hướng dẫn tận tình thấy giáo TH.S PHẠM THANH NHỰT, với động viên giúp đỡ tận tình bạn bè người thân, em hồn thành nội dung đề tài Nội dung đề tài gồm bốn phần : Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Yêu cầu kỹ thuật ca nô kéo dù bay xây dựng nhiệm vụ thư Chương 3: Tính tốn thiết kế (đường hình, bố trí chung, kết cấu, ổn định, tốc độ) Chương 4: Thảo luận kiến nghị Tuy nhiên thời gian kiến thức có hạn nên thực khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong góp ý thầy để em hoàn thiện kiến thức Sinh viên thực CHƯƠNG I ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.TỔNG QUAN Như biết năm gần đây, ngành du lịch tỉnh Khánh Hoà phát triển mạnh mẽ, đặc biệt thành phố Nha Trang, với thiên nhiên ưu đãi nơi có quần thể đảo, bãi tắm tuyệt đẹp với lịng biển chứa rừng San Hơ khoảng 350 lồi có 350 lồi sinh vật biển vịnh Nha Trang khơng giàu tài ngun, đẹp cảnh quan mà cịn gắn liền với nét đẹp văn hóa biển địa văn hóa - du lịch Tháp bà Ponagar, Viện Pasteur Nha Trang, bảo tàng A.Yersin, bảo tàng biển lớn Đơng Dương Chính lý nên vịnh Nha Trang công nhận 29 vịnh đẹp giới Khách du lịch đến Nha Trang khơng tắm biển mà cịn muốn chinh phục Đại Dương vươn đảo, chơi nhiều trò chơi với cảm giác mạnh như: môtô nước, bay dù kéo ca nô… Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên, em giao thực đề tài với nội dung: Thiết kế canô kéo dù bay phục vụ du lịch vịnh Nha Trang Thực tế nhận thấy, yếu tố quan trọng khó khăn thiết kế chế tạo ca nô phải đạt tốc độ cao Về mặt lý thuyết có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ: Đặc điểm đường hình, bố trí chung, hệ thống động lực…Do thiết kế ca nơ tốn phức tạp có ý nghĩa quan trọng Ở nước ta ca nô chủ yếu thiết kế dựa ca nô mẫu có tốc độ cao có tính tốt thử nghiệm Vì đề tài này, chúng tơi dựa ca nơ có sẵn có phân tích lựa chọn nhằm mục đích đưa mẫu ca nơ phù hợp mặt tính năng, tốc độ, phù hợp điều kiện kinh tế- kỹ thuật- công nghệ nước ta * Đặc điểm địa hình khí hậu vịnh Nha Trang Vịnh Nha Trang có diện tích khoảng 507 km2 bao gồm 19 hịn đảo, Hịn Tre đảo lớn nhất, diện tích 3.250 ha; đảo nhỏ Hịn Nọc, Vịnh Nha Trang có khí hậu hai mùa rõ rệt Mùa khô kéo dài từ tháng riêng đến tháng tám, mùa mưa từ tháng chín đến tháng mười hai, Nhiệt độ bình quân 26 độ C, nóng 39 độ C, lạnh 14,4 độ C, gió với tần suất khác nhau, mùa đơng hướng gió Tây Bắc Bắc Đông Bắc, chiếm tới tần suất 80 90 % Về mùa hạ hướng gió Tây Tây Nam chiếm tần suất 50% Tốc độ gió trung bình vào khoảng – 2,5 (km/h) Những đặc điểm khí hậu thuận lợi cho tham quan du lịch biển 1.2 GIỚI THIỆU CÁC VẬT LIỆU DÙNG TRONG CHẾ TẠO CANÔ Gỗ loại vật liệu phổ biến từ lâu sử dụng việc đóng tàu thuyền Việt Nam giới dễ thực với nguồn cung cấp dồi giá rẻ Ở nước ta cịn dùng nhiều gỗ để đóng sửa chữa đội tàu đánh cá dân gian tàu vận tải sông Ngày với phát triển dân số làm cho nguồn gỗ ngày cạn kiệt, đóng nhiều tàu gỗ nguy phá rừng cao, gây hại cho môi trường Thép loại vật liệu sử dụng rộng rãi đóng tàu, nhờ có đặc tính ưu việt thép tính học, giá thành hợp lý…mà người ta đóng tàu dài đến 500m trọng tải đưới 1/2 triệu vật liệu gỗ đóng tàu 50 ÷ 60m Tuy nhiên, hai vật liệu truyền thống làm vỏ tàu địi hỏi quy trình bảo dưỡng nghiêm khắc Tàu vỏ gỗ phải kéo lên bờ định kỳ, tàu vỏ thép phải đưa vào ụ lên đà để bảo dưỡng định kỳ Sự phát triển mạnh mẽ công nghệ đại dẫn đến nhu cầu to lớn loại vật liệu, đồng thời có nhiều tính chất cần thiết mà vật liệu nêu (kim loại, ceramic, polymer) đứng riêng rẽ khơng thể có được, mà bật loại vừa bền lại vừa nhẹ, lại có tính ăn mịn cao Tính chất cần thiết vật liệu mà phần lớn sản phẩm khí, chế tạo máy địi hỏi tính chịu nén, kéo, chịu ăn mòn nhẹ Qua nghiên cứu, người ta tìm phức hợp vật liệu gồm sợi bon chịu kéo keo silicát chịu nén bổ trợ cho nhau, hai nhẹ khơng bị ăn mịn hố học, vật liệu vật liệu Composite (FRP) Canô phương tiện nhỏ dùng để phục vụ quân sự, vận chuyển hàng hoá, hành khách, phục vụ du lịch, tuần tra, cứu nạn, sơng, hồ, vịnh… Vì đặc điểm canơ phải có tốc độ cao, có lượng dãn nước nhỏ, tính quay trở tốt, tính động cao, khối lượng nhỏ dễ dàng vận chuyển….Chính yếu tố nên yêu cầu vật liệu chế tạo ca nô phải phù hợp Trước chưa có vật liệu Composite hầu hết canô chế tạo từ hợp kim nhơm hợp kim nhẹ, độ bền cao, khả chống chịu môi trường lớn nên phù hợp yêu cầu độ bền, tốc độ, lượng dãn nước nhỏ, tính thẩm mỹ, phương pháp thi công…Hiện với phát triển mạnh mẽ công nghệ đại, vật liệu đời vật liệu Composite (FRP) vật liệu có đăc điểm sau: * Ưu điểm: + Có độ bền vững cao, trọng lượng nhẹ + Có độ tính hố học tốt, tính học cao + Chịu biến dạng uốn + Chịu tác dụng lực liên tục + Không thấm nước + Riêng nhựa pholyester có độ bền chịu nhiệt cao, chịu ẩm xâm thực môi trường + Phương thức thi công đơn giản, tuổi thọ cao + Giá thành phù hợp * Nhược điểm: + Modun đàn hồi thấp + Sức chịu ma sát chịu đập thấp + Bị giòn nhiệt độ cao Chính ưu điểm bật vật liệu nên thay dần vật liệu nhơm chế tạo canơ trước Vì vậy, đề tài sử dụng vật liệu Composite việc chế tạo vỏ canô kéo dù bay 1.3 VẬT LIỆU COMPOSITE 1.3.1 Định nghĩa thành phần phân loại 1.3.1.1 Định nghĩa Vật liệu Composite hay Composite vật liệu tổ hợp từ hai vật liệu có chất khác Vật liệu tạo thành có đặc tính trội đặc tính vật liệu thành phần xét riêng rẽ Tuy nhiên, định nghĩa chưa đầy đủ Vật liệu composite xác định theo tiêu chuẩn: - Cả hai chất thành phần phải có tỷ lệ lớn 5% - Chỉ pha thành phần có tính khác tính vật liệu Composite khác cách đáng kể với tính vật liệu thành phần - Trong vật liệu Composite, vật liệu thành phần khơng hồ tan hẳn vào Về phương diện hoá học, Composite có hai pha (hoặc nhiều hơn) riêng biệt, phân mặt phân cách riêng biệt Thành phần liên tục tồn với khối lượng lớn Composite gọi Composite gốm, kim loại polymer Thành phần thứ hai gọi cốt, có tác dụng làm tăng tính cho vật liệu Cơ tính vật liệu composite phụ thuộc vào: Cơ tính vật liệu thành phần, luật phân bố hình học vật liệu cốt, tác dụng tương hỗ vật liệu thành phần,… 1.3.1.2 Phân loại Vật liệu Composite phân loại theo hình dáng theo chất vật liệu thành phần * Theo chất vật liệu nền: Tùy thuộc vào chất vật liệu nền, vật liệu Composite chia thành ba nhóm: - Composite kim loại (như hợp kim nhôm, titan…) với vật liệu cốt dạng: Sợi kim loại (Bo); sợi khoáng (cacbon, SiC) - Composite khoáng (gốm) với cốt dạng: sợi kim loại (Bo); hạt gốm (cacbua,nitơ) Hạt kim loại (chất gốm kim) - Composite hữu (nhựa, hạt) với vật liệu cốt dạng: sợi hữu (polyamit, Kevlar ); sợi khoáng (thuỷ tinh cacbon…); sợi kim loại (Bo, nhôm ) * Theo hình dáng vật liệu cốt: - Vật liệu Composite cốt sợi: Khi vật liệu cốt sợi, ta gọi Composite cốt sợi, sợi sử dụng dạng liên tục, dạng gián đọan: Sợi ngắn, vụn….Ta điều khiển phân bố, phương sợi để có vật liệu dị hướng theo ý muốn Và tạo vật liệu có lý tính khác nhau, ý tới: + Bản chất vật liệu thành phần + Tỷ lệ vật liệu tham gia + Phương sợi - Vật liệu Composite cốt hạt: Khi vật liệu cốt có dạng hạt, ta gọi Composite cốt hạt Hạt khác sợi chỗ, khơng có kích thước ưu tiên Hạt thường sử dụng để cải thiện số tính vật liệu nền, chẳng hạn tăng độ cứng, tăng khả chịu nhiệt, chịu mòn, giảm khả co ngót… 1.3.1.3 Vật liệu Composite (FRP) chế tạo canô Vật liệu Compositer (FRP) chế tạo canô cốt sợi thuỷ tinh nhựa polyester không no * Cốt sợi thuỷ tinh băm (sau gọi “tấm sợi băm”), vải sợi thuỷ tinh thô (sau gọi “vải sợi thô”), sợi thuỷ tinh thô (sau gọi “sợi thô”), dùng làm cốt cho FRP chế tạo từ sợi dài * Mát gồm lớp sợi liên tục gián đoạn, phân bố hỗn loạn mặt phẳng Các sợi giữ với nhờ chất liên kết hồ tan khơng hồ tan nhựa, tuỳ thuộc vào cơng nghệ sử dụng Tính phân bố hỗn loạn sợi làm cho “mát” có tính đẳng hướng mặt phẳng Vải (hay băng) tổ hợp mặt sợi, mớ …vv, thực nhờ kỹ thuật dệt Vải gồm: - Phương (dọc), tập hợp tất sợi song song, phân bố mặt phẳng theo chiều dài vải - Phương ngang, tập hợp tất sợi bắc ngang qua sợi dọc Người ta phân biệt loại vải dựa vào loại sử dụng (sợi đơn giản, mớ…), có nghĩa dựa vào khối lượng dài sợi, vào kiểu tréo sợi dọc ngang, bao gồm kiểu: Lụa trơn, xa tanh, vân chéo, kiểu đồng phương * Nhựa polyester Nhựa polyester sử dụng từ lâu để chế tạo vật liệu Composite Dựa mô đun đàn hồi, người ta phân loại polyester: Nhựa nền, nhựa cứng vừa phải nhựa cứng Loại nhựa cứng thường sử dụng để chế tạo vật liệu composite Chúng ta liệt kê số tính loại nhựa cứng đóng rắn Khối lương riêng 1.200 kg/m3 Mô đun đàn hồi kéo 2,8 đến 3,5 Gpa Mô đun đàn hồi uấn đến Gpa Ứng suất phá huỷ kéo 50 đến 80 Mpa Ứng suất phá huỷ uấn 90 đến 130 MPa Biến dạng phá huỷ kéo đến % Biến dạng phá huỷ uấn đến % Độ bền nén 90 đến 200 MPa Độ bền cắt 10 đến 20 MPa Nhiệt độ uấn cong tải trọng (1,8 Mpa) 60 đến 1000C * Nhựa polyester có ưu điểm: - Cứng - Ổn định kích thước - Khả thấm vào sợi nhựa cao - Dễ vận hành - Chống mơi trường hố học Giá thành hạ * Nhựa polyeste có nhược điểm sau: 1.4 - Dễ bị nứt, đặc biệt nứt va đập - Độ co ngót cao (khoảng – 10%) - Khả chịu nước, nước nóng - Bị hư hại tác hại tia cực tím - Dễ bắt lửa - Chịu nhiệt trung bình (dưới 1200C) CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUỶ ĐỘNG HỌC CA NÔ CAO TỐC Đa số canô hoạt động dựa lý thuyết thuỷ động học hoạt động nguyên lý có hình dáng, kết cấu đơn giản hoạt động nguyên lý khí động học Trong đề tài này, canô thiết kế hoạt động ngun lý thuỷ động học ta cần tìm hiểu nguyên lý thuỷ động học canô cao tốc * Lực nâng lực cản phẳng Lực nâng lực cản lướt ảnh hưởng lớn đến tốc độ canơ cao tốc, ta cần xác định thành phần lực để lựa chọn hình dáng đáy canơ hợp lý nhằm làm nhẹ cho ca nô chạy Đối với tàu chạy chậm tàu thuộc nhóm tàu chạy nhanh đứng yên nước phương trình cân viết dạng trọng lượng toàn tàu lực W = V (1.1) Trong W - trọng lượng tàu (Tấn) V - thể tích chiếm nước (m3)  - trọng lượng riêng nước (T/m 3) Tàu chạy, sang giai đoạn độ lực nâng bắt đầu tham gia vào thành phần lực tác dụng lên tàu, phương trình cân có dạng: W = V1+ L (1.2) 10 Trong W- lượng thân tàu (tấn) Trong đó: V1 - thể tích chìm phần thân tàu trạng thái chạy đủ nhanh, môi trường V1