2.1.1. Xây dựng nhiệm vụ thƣ
Ở Việt Nam, thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời chƣa đƣợc thiết kế, chế tạo. Còn trên thế giới, loại thuyền này đã đƣợc một số cá nhân nhƣ Sid Shutt, Steve Ball, Dwight Filley chế tạo, thử nghiệm và cũng đã đạt đƣợc một số thành công bƣớc đầu nhƣng kiểu dáng, kết cấu có nhiều điểm khác nhau và đang ở giai đoạn thử nghiệm. Nhƣng dù sao cũng đã có thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời đƣợc thử nghiệm thành công và đó là cơ sở để nhóm thực hiện đề tài xây dựng nhiệm vụ thƣ và lựa chọn phƣơng pháp thiết kế và chế tạo thử nghiệm thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời với điều kiện ở Việt Nam.
Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời thuộc loại thuyền cá nhân dùng trong các hoạt động thể thao và du lịch sông nƣớc với những đặc điểm chính nhƣ sau:
- Công dụng : thuyền sử dụng trong thể thao và du lịch sông nƣớc. - Khu vực hoạt động : sông, hồ, các đầm, vịnh ven biển không có sóng. - Sức chở : 01 ngƣời, là ngƣời vận hành thuyền.
- Nguồn động lực : sức đạp của ngƣời vận hành qua pedan.
- Hoạt động : thân thuyền đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc với sức đạp của một ngƣời.
2.1.2. Phƣơng pháp thiết kế
Thiết kế tàu nói chung thƣờng gồm hai giai đoạn là thiết kế sơ bộ và thiết kế kỹ thuật. Thiết kế sơ bộ bao gồm các công việc gắn liền với việc xác định các đặc tính của tàu thiết kế. Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, cần phải xây dựng đƣợc phƣơng án xuất phát nhằm đáp ứng các yêu cầu của nhiệm vụ thƣ, tiếp sau là hàng loạt phƣơng án về các kích thƣớc và hệ số hình dáng. Phƣơng án kích thƣớc và hình dáng của tàu thiết kế cần đƣợc phân tích và lựa chọn hợp lý dựa trên cơ sở các tiêu chuẩn đã có và phƣơng án xuất phát đƣợc coi là tàu mẫu gần với tàu thiết kế. Có thể hình dung các công việc chính của thiết kế sơ bộ qua sơ đồ mô tả trên hình 2.1.
Hình 2.1 : Quá trình thiết kế sơ bộ
Quá trình thiết kế sơ bộ bao gồm các công việc, đƣợc tiến hành theo trình tự sau : (1)Từ các yêu cầu đặt ra trong nhiệm vụ thƣ, tính sơ bộ lƣợng chiếm nƣớc tàu D
thoả mãn phƣơng trình trọng lƣợng đã biết P = D =
(2)Xác định sơ bộ các kích thƣớc chính gồm chiều dài, chiều rộng, chiều cao, mớn nƣớc và các hệ số hình dáng của thuyền
(3)Thiết kế đƣờng hình phù hợp các kích thƣớc và hệ số hình dáng đã xác định. (4)Thiết kế kết cấu
(5)Thiết kế sơ bộ bố trí chung.
(6)Tính trọng lƣợng và trọng tâm tàu dựa trên cơ sở bố trí chung và các bản vẽ kết cấu ban đầu đã xây dựng đƣợc.
Riêng với tàu cánh ngầm, ngoài các nội dung trên nhƣ với các tàu thông thƣờng còn có thêm nội dung thiết kế cánh, tính toán động lực học cánh và tốc độ cất cánh.
Thiết kế kỹ thuật chỉ sử dụng kết quả của một trong số rất nhiều các phƣơng án từ thiết kế sơ bộ mà đƣợc cho là hợp lý nhất. Trên cơ sở đƣờng hình tàu đã có, bố trí chung đã ổn định, thiết bị, máy móc đã chọn, các bộ phận thiết kế tiến hành các công việc thiết kế chi tiết và cụ thể hơn, mối liên hệ giữa các bộ phần trên tàu trở thành hiện thực hơn. Trong giai đoạn này các sơ đồ lắp ráp đƣợc hoàn thiện, các thiết kế kết cấu triển khai đến chi tiết, từ đó sử dụng cho việc triển khai chế tạo và lắp ráp.
Đạt Không đạt
NHIỆM VỤ THƢ hình học của tàu thiết kế Xác định các đặc điểm Thiết kế tuyến hình
Thiết kế kết cấu
Thiết kế bố trí chung Tính toán và kiểm tra
các tính năng của tàu
2.2. XÁC ĐỊNH ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA THUYỀN CÁNH NGẦM 2.2.1. Xác định lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm D 2.2.1. Xác định lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm D
Lƣợng chiếm nƣớc D là thông số quan trọng đầu tiên cần xác định khi thiết kế. Riêng đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, lƣợng chiếm nƣớc đóng vai trò rất quan trọng vì ảnh hƣởng lớn đến khả năng bay trên mặt nƣớc của thuyền khi đạp. Về lý thuyết, lƣợng chiếm nƣớc đƣợc xác định theo phƣơng trình trọng lƣợng của thuyền cánh ngầm viết dƣới dạng tổng quát nhƣ sau :
D = = PHull + PFoil + PEQ + PFur + PM + DW + D (2.1) trong đó : PHull - trọng lƣợng thân tàu
PFoil - trọng lƣợng hệ thống cánh PEQ - trọng lƣợng thiết bị tàu PFur - trọng lƣợng trang thiết bị PM - trọng lƣợng buồng máy DW - trọng tải của thuyền D - lƣợng chiếm nƣớc dự trữ
Trong trƣờng hợp tổng quát, các thành phần trọng lƣợng có trong phƣơng trình trọng lƣợng sẽ đƣợc tính theo công thức kinh nghiệm hoặc theo các số liệu thống kê. Tuy vậy, do thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời chỉ mới đƣợc chế tạo thử nghiệm nên có thể tính các thành phần trọng lƣợng dựa theo thuyền mẫu cụ thể nhƣ sau:
Theo tài liệu [11] trọng lƣợng của một số thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời đã thử nghiệm thành công ở các nƣớc bằng khoảng 18 23 kg, khối lƣợng ngƣời điều khiển thuyền tính bằng khoảng 72 81 kg. Vậy tổng khối lƣợng của thuyền và ngƣời điều khiển khoảng 90 104 kg. Vì là thiết kế, chế tạo, thử nghiệm lần đầu tiên ở Việt Nam đồng thời để thuận lợi trong quá trình chế tạo chọn khối lƣợng thuyền có lớn hơn. Theo tính toán sơ bộ chọn khối lƣợng thuyền cánh ngầm thiết kế là 30 kg. Khối lƣợng ngƣời điều khiển lấy là 70 kg theo cách tính với ngƣời Việt Nam. Nhƣ vậy, lƣợng chiếm nƣớc thiết kế của thuyền khi đó là:
Nhƣ đã trình bày, lƣợng chiếm nƣớc tại đƣờng nƣớc thiết kế của thuyền là 0,1 tấn. Nhƣng nếu bố trí mặt boong ở đƣờng nƣớc này sẽ làm nƣớc dễ tràn boong, làm ƣớt ngƣời vận hành và các thiết bị truyền động nên cần phải có lƣợng chiếm nƣớc dự trữ mạn khô. Theo thống kê lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm tính cả phần dự trữ xác định sơ bộ phụ thuộc các hệ số gồm hệ số tải trọng μ, hệ số trọng lƣợng tàu không μo và hệ số trọng lƣợng khách μp. Lƣợng chiếm nƣớc của thuyền D là giá trị lớn nhất trong các giá trị tính theo công thức:
D1 = DW
; D2 = DW + o 1 ; D3 =
o
an
(2.2) trong đó : DW - tải trọng của tàu, tính bằng hiệu giữa lƣợng chiếm nƣớc toàn bộ D và lƣợng chiếm nƣớc tàu không Do
a - khối lƣợng của một hành khách cùng đồ dùng. n - số hành khách đi trên tàu
μ, μo, μp - các hệ số sử dụng tàu, có giá trị xác định theo đồ thị hình 2.2.
Hình 2.2: Các hệ số sử dụng tàu cánh ngầm
I - tàu của Nga (Liên xô cũ) ; IV - tàu của Ý II - tàu của hãng Supramar ; V - tàu của Mỹ III - tàu sản xuất tại Nhật Bản ; VI - tàu quân sự Mỹ
Với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời thiết kế, do thuyền chở một ngƣời, không có hành lý và đồ dùng cá nhân nên lấy n = 1, a = 70 kg và do đó DW = 0,07 tấn. Giá trị của các hệ số μ, μo, μp đƣợc xác định theo đồ thị thống kê cho trên hình 2.2, trong đó do thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời là thuyền thể thao, công suất nhỏ nên chọn giá trị hệ số thích hợp để lƣợng chiếm nƣớc dự trữ của thuyền không quá lớn Với lý do trên, chọn giá trị các hệ số cụ thể nhƣ sau μ = 0,27 ; μo = 0,73 và μp = 0,26. Thay các giá trị vào các công thức trên có thể xác định đƣợc lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm nhƣ sau : D1 = DW = 27 , 0 07 , 0 = 0,26 (tấn) D2 = DW + oD1 = 0,07 + 0,73.0,26 = 0,26 (tấn) D3 = o an = 26 , 0 1 . 07 , 0 = 0,27 (tấn)
Từ đó có thể xác định sơ bộ lƣợng chiếm nƣớc của thuyền cánh ngầm có tính đến các yếu tố dự trữ là:
D’ = max (D1, D2, D3) = 0,27 (tấn)
2.2.2. Xác định các kích thƣớc chính và hệ số hình dáng thân thuyền
Kích thƣớc chính của thuyền cánh ngầm tính chọn phải thỏa mãn phƣơng trình trọng lƣợng, dung tích tàu và các tính năng tàu nhƣ sức cản nhỏ, ổn định tốt v..v… Phƣơng trình trọng lƣợng đƣợc viết dƣới dạng tổng quát :
D = (2.3) trong đó : - trọng lƣợng riêng của nƣớc, lấy = 1,0 tấn/m3.
- thể tích chiếm nƣớc của tàu, m3
= CB LBT (2.4) Do đó phƣơng trình trọng lƣợng của thuyền đƣợc trình bày dƣới dạng hàm các kích thƣớc chính của tàu nhƣ sau :
D = CB LBT (2.5) Với thuyền cánh ngầm, các kích thƣớc chính của thuyền nhƣ L, B, H, T và hệ số đầy thể tích CB đƣợc xác định dựa trên cơ sở phân tích thống kê cụ thể nhƣ sau:
- Chiều rộng tàu B
Chiều rộng B của đa số tàu nói chung có mối quan hệ chặt chẽ với bố trí chung trên tàu, các tính năng về ổn định, sức cản và một số tính năng hàng hải khác của tàu. Do đó chiều rộng tàu B đƣợc lựa chọn phải đủ lớn nhằm làm tăng tính ổn định tàu nhƣng cần phải đảm bảo sao cho sức cản của tàu là nhỏ nhất trong điều kiện cho phép. - Tỷ lệ L/B
Tỷ lệ L/B nói chung có ảnh hƣởng lớn đến sức cản và tính giữ hƣớng của tàu. Nếu L/B nhỏ, tức có thể chiều dài tàu L ngắn hoặc chiều rộng tàu B lớn sẽ làm sức cản lớn hơn và tính giữ hƣớng kém đi, ngƣợc lại tỷ lệ này lớn sẽ kéo theo chiều dài tàu lớn nên không có lợi cho việc tiết kiệm chi phí vật tƣ đóng tàu và làm tăng giá thành tàu. Thực tế cho thấy tỷ lệ L/B của các tàu cánh ngầm thay đổi trong phạm vi khá rộng, tùy thuộc vào kiểu loại tàu và kinh nghiệm riêng của từng nhà thiết kế tàu cánh ngầm. Các tàu cánh ngầm của Liên Xô trƣớc đây thƣờng nằm trong phạm vi từ (5 ÷ 6), nhƣng cũng có một số trƣờng hợp, giá trị của tỷ lệ kích thƣớc này có thể lên bằng 8. Tàu cánh ngầm các nƣớc khác thƣờng nằm trong khoảng (4,0 ÷ 4,5) thậm chí nhỏ hơn. Đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, do cần tính ổn định hƣớng cao nên chúng tôi quyết định chọn tỷ số L/B của thuyền nằm ở giới hạn trên, tức là L/B = 6 - Tỷ lệ B/T
Tỷ lệ B/T ảnh hƣởng rất lớn đến tính ổn định, tính lắc và cả sức cản của tàu. Đối với các tàu cánh ngầm chạy biển tỷ lệ này thƣờng nằm trong khoảng (4,5 ÷ 5,0), với tàu cánh nông chạy sông tỷ số này nằm trong khoảng khá rộng là (3,5 ÷ 10,0) nhƣng thực tế cho thấy tỷ số này thƣờng chỉ tập trung trong phạm vi khoảng (8 ÷ 10). Tỷ lệ này lớn sẽ tạo cảm giác tàu rất ổn định nhƣng thực tế nếu chiều cao tâm ổn định lớn sẽ làm cho tàu cứng, chu kỳ lắc ngang nhỏ, gia tốc lắc lớn gây nguy hiểm cho tàu. Đối với thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, do chỉ hoạt động trong sông, hồ không cần phải có mức độ ổn định quá cao, thuyền có thể bị lắc mạnh gây nguy hiểm nên chúng tôi quyết định chọn tỷ lệ B/T của thuyền nằm gần giới hạn dƣới B/T = 4,5. - Hệ số béo CB
Hệ số CB và hệ số lăng trụ có vai trò quan trọng nhất khi đánh giá sức cản tàu. Mặt khác, khi xác định hệ số đầy thể tích chiếm nƣớc CB cần lƣu ý đến các yếu tố nhƣ tốc độ, dung tích chở hàng, bố trí khoang máy nhất là với tàu có buồng máy ở đuôi.
Hệ số béo CB của tàu cánh ngầm chạy biển thƣờng nằm trong khoảng (0,40 ÷ 0,45). Trong trƣờng hợp đặc biệt tàu có kết cấu đáy kiểu nhiều bậc, hệ số này giảm đáng kể chỉ khoảng (0,28 ÷ 0,30), ngƣợc lại với tàu chạy sông CB bằng 0,5 thậm chí lớn hơn. Thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời thuộc loại thuyền nhỏ, sức chở 01 ngƣời, lƣợng chiếm nƣớc là 0,1 tấn, với nguồn động lực cho thuyền là sức đạp của một ngƣời nên thân thuyền phải có kích thƣớc và hình dáng hợp lý để sức cản thân thuyền nhỏ. Kết hợp với các phân tích nêu trên, chọn hệ số đầy thể tích chiếm nƣớc nhỏ, CB = 0,40. Từ đó có thể xác định các kích thƣớc chính của thuyền nhƣ sau :
D = CB LBT = CB B L 2 T B T3 = 0,10 (tấn) T = 2 3 B D L B C B T = 3 2 0,10 1.0, 4.6.4, 5 = 0,13 (m) B = T B T = 4,5.0,13 = 0,57 (m) L = B L B = 6,0.0,57 = 3,42 (m)
Để đảm bảo khả năng bay của thuyền cánh ngầm chạy bằng sức ngƣời, nên tăng tỷ số chiều dài trên chiều rộng để thuyền có hình dạng thuôn đều, nhờ vậy sẽ làm giảm sức cản và tăng tốc độ lƣớt của thuyền. Mặc khác thuận lợi cho việc bố trí hệ thống truyền động, đảm bảo có thể điều chỉnh trọng tâm của thuyền bằng cách dịch chuyển vị trí ghế ngồi của ngƣời vận hành theo chiều dọc thuyền và thuận lợi cho lúc cất cánh. Tuy nhiên việc tăng tỷ số kích thƣớc này quá lớn sẽ ảnh hƣởng đến tính ổn định ngang của thuyền.
Thực hiện phác thảo hình dáng thuyền trên máy tính bằng phần mềm thiết kế tàu AutoShip với điều kiện không thay đổi lƣợng chiếm nƣớc, điều chỉnh hình dáng thuyền để nhận đƣợc các thông số hợp lý và kết hợp so sánh với số liệu có đƣợc từ thuyền đã đƣợc chế tạo thử nghiệm thành công chọn các kích thƣớc chính của thuyền: L = 3,60 m ; B = 0,57 m ; T = 0,13 m ; CB = 0,40.
Kiểm tra lại lƣợng chiếm nƣớc mới của thuyền :
D = CB LBT = 1.0,40.3,60.0,57.0,13 = 0,10 (tấn)
Sai số lƣợng chiếm nƣớc giữa hai lần tính toán là 2,6%, nhỏ hơn 3% nên có thể chấp nhận đƣợc.
2.3. THIẾT KẾ ĐƢỜNG HÌNH THUYỀN
Đƣờng hình thuyền đƣợc thiết kế dựa trên cơ sở tham khảo đƣờng hình tàu mẫu đồng thời đảm bảo thỏa mãn những thông số hình học đã xác định trong phần trên. Thực tế, việc thiết kế đƣờng hình thuyền thỏa mãn các hệ số hình dáng không đơn giản vì thế trong phần này chúng tôi sử dụng phần mềm Autoship, một trong các phần mềm thiết kế tàu rất thông dụng hiện nay để thiết kế và điều chỉnh đƣờng hình của thuyền, đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên đây, nhất là thỏa mãn các hệ số hình dáng đã xác định. Các bƣớc thiết kế đƣờng hình bằng Autoship đƣợc mô tả nhƣ trên hình 2.3.
Hình 2.3: Sơ đồ khối quy trình thiết kế đường hình thuyền bằng AutoShip
Xuất sang mềm AutoCAD
đƣờng hình dáng thân thuyền
Hiệu chỉnh các mặt cong
mô tả đƣờng hình dáng của
thân thuyền
Tính các yếu tố thủy tĩnh
Lƣợng chiếm nƣớc
Không đúng
Đúng
Tạo mặt cong vỏ thuyền
Xuất sang phần mềm MS Excel bảng tọa độ đƣờng hình thực
Xây dựng hoàn thiện bản vẽ đƣờng hình
Các bƣớc thiết kế đƣờng hình đƣờng mô tả qua các hình vẽ sau :
Hình 2.4: Tạo mặt cong vỏ thuyền bằng phần mềm AutoShip.
Hình 2.6: Bề mặt vỏ thuyền sau khi hiệu chỉnh xong.
Hình 2.8: Đường hình xuất từ AutoShip sang AutoCAD
Hình 2.9: Tọa độ đường hình xuất sang phần mềm MS Excel và thiết lập bảng toạ độ đường hình hoàn chỉnh
Xuất và hoàn chỉnh bản vẽ đƣờng hình trong phần mềm AutoCAD ta đƣợc bản vẽ đƣờng hình thuyền nhƣ bản vẽ số 01.
Sử dụng chức năng Instant Hydrostatics có trong phần mềm AutoShip để tính các yếu tố thủy tĩnh của thuyền (hình 2.10).
Hình 2.10: Tab tính nhanh các yếu tố thủy tĩnh thân thuyền bằng AutoShip
- Chiều dài thiết kế LWL = 3,60 m
