Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông cao lý tƣởng nhƣ sau
Hình 39. Đáp ứng biên độ của bộ lọc thông cao lý tưởng.
Hàm truyền của bộ lọc thông cao: c c j khi khi e H 0 1 ) ( (3.8) 2.3.5.3. Bộ lọc thông giải
Hình 40. Đáp ứng của bộ lọc thông giải lý tưởng.
Hàm truyền của bộ lọc thông dải: 2 1 2 1 0 1 ) ( c c c c j và khi khi e H (3.9) 2.3.5.4. Ví dụ
Hình 41. Minh họa tín hiệu dao động với ba tần số cơ bản.
Hình trên minh họa một tín hiệu dao động với ba tần số cơ bản f1 = 10 Hz, f2 = 30 Hz và f3 = 50 Hz.
Cho tín hiệu dao động trên đi qua bộ lọc thông thấp với tần số cắt fcắt = 40 Hz. Đồ thị dao động chỉ còn là tổ hợp của hai thành phần tần số f1 và f2.
Hình 42. Tín hiệu dao động khi đi qua bộ lọc thông thấp.
Cho tín hiệu ở hình 41 đi qua bộ lọc thông cao với tần số cắt fcắt = 15 Hz.
Hình 43. Tín hiệu dao động khi đi qua bộ lọc thông cao.
Tín hiệu cho đi qua bộ lọc thông dải với tần số cắt fc1 = 15 Hz, fc2 = 40 Hz.
Hình 44. Tín hiệu đi qua bộ lọc thông dải.
CHƢƠNG 3 . ĐO ĐẠC DAO ĐỘNG CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG (EKRANOPLAN) (EKRANOPLAN)
Phƣơng tiện vận tải sử dụng hiệu ứng cánh sát đất, ngƣời Nga gọi là ekranoplan và đƣợc viết tắt là EP. phƣơng Tây gọi loại phƣơng tiện này bằng các tên WIG Boat, WIG Craft, WIG Vehicle, Surface Effect Ship, Wingship, Ground Effect Machine, Ground Effect Vehicle.
3.1.1. Ekranoplan - một số đặc điểm cấu tạo và hoạt động
Đa số các EP đƣợc thiết kế, chế tạo để sử dụng trên biển hoặc trên các hồ lớn do những ngƣời tiên phong trong việc chế tạo EP chính là các nhà thiết kế, chế tạo tàu thủy. Hơn nữa, EP đƣợc quan tâm cũng bởi vì nó có thể cất và hạ cánh trên nƣớc một cách dễ dàng, không cần đƣờng băng, không cần sân bay và dịch vụ trên bờ khác. Nhƣ vậy, những EP bay trên mặt nƣớc đều có 3 chế độ hoạt động: bơi dƣới nƣớc, bay trong vùng hiệu ứng WIG (hiệu ứng cánh sát đất) và bay ngoài vùng hiệu ứng WIG nhƣ một máy bay.
Ngoài tính ƣu việt đã nói ở trên, hiệu ứng cánh sát đất cũng có thể gây ra một số phức tạp trong đó có vấn đề ổn định, đặc biệt nguy hiểm khi bay ra khỏi vùng của hiệu ứng WIG. Hiệu ứng WIG đã làm thay đổi áp lực khí động tác dụng lên cánh và do đó sẽ làm thay đổi tâm khí động học và có xu hƣớng đẩy tâm khí động học về phía trƣớc càng xa với đuôi nhất là lúc EP rời vùng hiệu ứng WIG. Do đó việc đảm bảo ổn định của EP đòi hỏi có những tính toán rất chi tiết và thận trọng và những giải pháp kết cấu phù hợp.
Do hầu hết các EP đều bơi trên nƣớc, nên vấn đề Thủy động lực học khi cất và hạ cánh là rất quan trọng. Khả năng đi biển của EP thƣờng biểu hiện bằng chiều cao sóng khi cất, hạ cánh và bay ở chế độ bình ổn. Các thông số của EP cho thấy, nói chung chiều cao sóng khi cất hạ cánh thấp hơn khi bay bình ổn, có một ít trƣờng hợp chúng nhƣ nhau. Trên quan điểm an toàn thì điều này không phải là tốt, vì cả trong khi bay bình ổn cao hơn nhiều chiều cao sóng cao nhất thì EP vẫn cần sẵn sàng hạ cánh xuống nƣớc khi có sự cố. Nhƣ vậy khả năng đi biển của EP phải đƣợc xác định bằng chiều cao sóng trong cả 3 trạng thái. Ngoài ra, trong thực tế việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào chiều cao sóng cao nhất khi cất cánh, trong khi đó độ bền của EP lại đƣợc tính toán bằng chiều cao sóng cực đại khi hạ cánh (vì khi đó tải trọng thủy động lớn nhất).
Thực tế cho thấy sức cản của EP khi cất cánh lớn hơn nhiều sức cản khi bay bình ổn. Vì thế, động cơ cần phải có kích thƣớc phù hợp cho việc cất cánh, nhƣng chỉ làm việc với công suất thấp khi bay bình ổn, đôi khi thấp hơn khi cất cánh 30-40%. Mặc dù tính hiệu quả của EP đã đƣợc phân tích ở trên, đôi khi cũng có phiền toái về trọng lƣợng và giá thành. Năng lƣợng thừa không thể sử dụng để tăng tốc độ cho chế độ bay bình ổn, bởi vì EP có giới hạn tốc độ rất hẹp. Đa số các EP có tốc độ an toàn xác định, nếu vƣợt quá chúng sẽ không ổn định. Chính vì thế ngƣời ta không muốn trang bị động cơ có công suất lớn hơn so với yêu cầu để tránh cho ngƣời lái khỏi quá tốc độ cho phép. Mâu thuẫn này có thể sẽ đƣợc giải quyết bằng cách giảm sức cản khi cất cánh. Sức cản khi cất cánh bao gồm nhiều yếu tố cấu thành, trong đó chủ yếu là thủy động học (cản nhớt và cản sóng). Cản nhớt đƣợc gây ra do ma sát trên bề mặt tiếp nƣớc của thân. Cản sóng là sự tiêu hao năng lƣợng để tạo ra sóng trên mặt nƣớc. Năng lƣợng cất cánh có thể đƣợc cực tiểu hóa bằng cách tối giản sức cản cất cánh, thƣờng tỷ lệ với bình phƣơng vận tốc cất cánh. Nhƣng do cấu hình khí động học và trọng lƣợng tốc độ dòng khí tối thiểu sinh ra là cố định, nên sức cản chỉ có thể giảm nhờ việc xử lý thân hoặc tạo thêm lực nâng phụ cả thủy động học và khí động học. Lực nâng thủy động học đƣợc tạo ra bởi thân tàu, cánh ngầm (hydrofoils) hay bàn trƣợt nƣớc (hydroski), còn lực nâng khí động học bằng cách động cơ phụ (PAR) phun khí vào cánh hay dùng đệm khí tĩnh (static air cushion). Chúng ta dừng lại ở các giải pháp này nhƣ sau.
Thân EP đƣợc xem xét tổng thể khi thiết kế chủ yếu là là về khí động học. Nhƣng trên thực tế của các tàu tốc độ cao hay thủy phi cơ việc tăng tỷ số L/D thủy động học cũng có ý nghĩa quan trọng. Tuy nhiên việc thiết kế thủy động học thân EP không đơn giản nhƣ đối với tàu thủy. Một số EP đang tồn tại đƣợc thiết kế về khí động học rất tốt nhƣng thủy động học lại không đạt yêu cầu. Bàn trượt nước ít đƣợc sử dụng nhƣng nó lại có tác dụng lớn để tạo thêm lực nâng thủy động. Hạn chế của bàn trƣợt là tỷ số L/D thấp vì vậy nó dùng chủ yếu cho hạ cánh. EP Orlyonok của Nga là một ví dụ điển hình của EP có sử dụng bàn trƣợt. Cánh ngầm cũng có thể đƣợc dùng để nâng thân tàu lên khỏi mặt nƣớc trƣớc khi lực nâng khí động đủ lớn để đỡ cả trọng lƣợng. Cánh ngầm có tỷ số L/D tốt hơn nhiều ván trƣợt nƣớc vì thế nó có tác dụng lớn hơn cho cất cánh và đặc biệt có tiềm năng và hiệu quả cho EP tuy chƣa nhiều EP sử dụng cánh ngầm. Nguyên nhân là do việc ứng dụng thử nghiệm cho X-114H không đạt hiệu quả mong muốn. Tuy nhiên sự thất bại trong việc sử dụng cánh ngầm cho X-114H không phải vì hiệu quả thấp mà do lắp đặt và thiết kế cánh chƣa hợp lý. Một minh chứng cho sự thành công của việc sử dụng cánh ngầm cho EP là
VT-01. Cánh ngầm đã giúp cho VT-01 giảm quãng đƣờng chạy khi cất cánh từ 1000m xuống còn 400m. Hạn chế chủ yếu của cánh ngầm là tăng lực cản thẳng đứng khi cất cánh. Động cơ phụ (PAR) hoặc việc thổi khí hoạt động theo nguyên lý phản lực hay cánh quạt đặt trƣớc cánh thổi dòng khí vào phía dƣới cánh khi cất cánh. Dòng khí chuyển động giữa cánh và mặt nƣớc sẽ tạo ra lực nâng ngay cả khi tàu đứng yên. Lúc này lực cản thủy động nói chung bị loại trừ và do đó sức cản “cực đại” cũng giảm. Đa số các EP của Nga sử dụng nguyên lý này có hiệu quả, nhƣng chƣa thật kinh tế. Có lẽ vì thế nên các EP thƣơng mại ít sử dụng PAR. Ở Nga cũng đã có sử cải tiến hệ thống PAR từ động cơ phản lực cho Quái vật Caxpi xuống cánh quạt thông thông thƣờng cho Volga-2 hay Amphistar. Đệm khí tĩnh cũng là một thiết bị đƣợc nghiên cứu sử dụng mới gần đây cho WIGB khi cất cánh cho các loại SES hay tàu đệm khí (hovercraft). Mặc dù cũng có lý lẽ cho rằng PAR thực chất cũng là đệm khí, đệm khí tĩnh hoạt động khác hẳn. Đệm khí tĩnh đƣợc gắn chặt xung quanh tàu và dòng khí đƣợc thổi vào một vài chỗ trống dƣới cánh tạo ra áp suất thấp hơn nhiều so với PAR.
3.1.2. Cấu tạo tàu đệm khí động Thăng Long 1000
Mô hình tàu đệm khí động Thăng Long 1000 đƣợc giáo sƣ Shoyzo Kubo ở đại học Tottori đƣa ra nhƣ sau.
Hình 45 Mô hình tàu đệm khí động Thăng Long 1000.
Sức chở: 02 ngƣời, 75kg x 2 = 150 kg. Tải trọng cánh: 40kg/m2
.
Chiều rộng: 5,3 m. Chiều dài: 7,0 m.
Cánh : Cung dài 2,3m, rộng 2,2 mét. Profile dạng S. Cánh phụ: Cung dài 0,36m. Rộng 2,5m.
Thân thuyền rộng 0,7m. Phao: rộng 0,1m.
Động cơ: Hirth F33 AS công suất 28 Hp, trọng lƣợng 12,7 kg, truyền động đai G33.
Cánh quạt: đƣờng kính 40 inches, 3 cánh chỉnh đƣợc góc nghiêng. Tốc độ hành trình 166 km/h. Tốc độ cất cánh: 64 km/h.
3.1.3. Kết cấu tàu đệm khí động
\
Hình 46. Mô hình kết cấu tàu đệm khí động.
Thân thuyền:
Kết cấu chính của thân thuyền đƣợc minh họa trong hình trên.
Vật liệu:
Thân thuyền: Phần dƣới làm bằng vật liệu PC đƣợc bao phủ bằng vật liệu GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) và phần trên đƣợc làm bằng cùng loại vật liệu nhƣng mỏng hơn.
Khung: các khung PV đƣợc bao phủ GFRP có khoét lỗ cho phần điện, điều khiển và làm giảm trọng lƣợng thân thuyền.
Xà dọc: làm bằng vật liệuPlywood đƣợc bọc ngoài bằng vật liệu FRP.
Phần trên ca bin: Khung hợp kim nhôm.
Cánh chính: Phần trƣớc: các thanh dầm làm bằng PV+GFRP, dầm chính: vật liệu PV bọc bằng GFRP. Dầm phụ: PV bọc bằng GFRP với các chiều dày khác nhau.
Cánh phụ: vật liệu Plywood đƣợc phủ bằng FRP cho các thanh chính và phụ. Giữa các thanh dầm: PV bọc bằng GRP.
Đuôi và cánh chỉnh: vật liệu Foam bọc bằng FRP với các dầm nối với cánh.
3.2. CHI TIẾT KẾT CẤU CÁNH PHỤ TÀU ĐỆM KHÍ ĐỘNG
Kết cấu cánh phụ tàu đệm khí động nhƣ sau:
Hai thanh dầm chính đặt phía trƣớc làm bằng vật liệu sợi các bon có các thông số:
- tiết diện mặt cắt ngang hình hộp chữ nhật cao 40mm, rộng 20mm và chiều dày trung bình 5mm.
- Chiều dài một bên dầm chính: 2500mm.
Hai dầm phụ đặt phía sau làm bằng vật liệu sợi các bon có thông số nhƣ sau: - Chiều dài dầm phụ: 2500mm.
- Tiết diện mặt cắt ngang hình chữ C cao 40mm, rộng 10mm. Chiều dày trung bình 5mm.
Dầm chính và dầm phụ mỗi bên cánh đƣợc liên kết với nhau bằng thép không gỉ có hình dạng theo fropin của cánh phụ.
Mỗi bên cánh phụ gắn động cơ, khối lƣợng động cơ mđc = 12,8kg. Cánh phụ liên kết với thân thuyền bằng bu lông.
Hình 47. Hình chiếu bằng kết cấu cánh phụ tàu đệm khí động.
Hình 48. Hình chiếu cạnh cánh phụ tàu đệm khí động(có gắn động cơ).
.
3.3. ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 3.3.1. Mục đích 3.3.1. Mục đích
Cánh phụ tàu đệm khí động có nhiệm vụ mang hai động cơ chính, tạo thêm lực nâng cho tàu. Theo thiết kế, cánh phụ luôn phải đảm bảo sao cho trục cánh quạt nghiêng một góc 30
nhằm đảm bảo cánh quạt luôn tạo ra lực nâng cho tàu. Trong quá trình làm việc, cánh phụ luôn chịu tải trọng động ( lực mất cân bằng do động cơ piston, mất cân bằng cánh quạt, lực khí động, v..v…) có thể ảnh hƣởng đến kết cấu làm việc của cánh phụ. Việc thử nghiệm tĩnh động nhằm kiểm tra kết cấu cánh phụ có đủ bền, đảm bảo cho tàu đệm hoạt động là cần thiết.
3.3.2. Địa điểm và thời gian thực hiện
- Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy, Đại học Nha Trang 44 Hòn Rớ, Phƣớc Đồng, Tp. Nha Trang, Tỉnh Khánh Hòa. - Thời gian thực hiện: tháng 3/2008.
Bảng 1. Thiết bị và phần mềm phân tích. TT Tên thiết bị Số lƣợng Đặc tính kỹ thuật Hãng sản xuất 1
Máy đo dao động 16 kênh DEWE-
BOOK 16
01
Thu thập tín hiệu 16 kênh. Chuyển đổi A/D 12 bit. Giao tiếp và truyền số liệu với máy tính thông qua truyền thông serial và USB.
Có thể cấu hình phần cứng tƣơng thích để đo: dao động, biến dạng, nhiệt độ, điện áp,v..v…. DEWETRON - ÁO 2 Phần mềm thu thập và phân tích tín hiệu DASYLAB 7.0 01
Đọc và lƣu trữ tín hiệu đo từ máy đo dao động DEWE-BOOK 16.
Phân tích và xử lí tín hiệu đo đạc.
GmbH - CHLB ĐỨC
3 Đầu đo gia tốc B&K 4371 02 Độ nhạy: 1pC/m/s2 . Dải tần số làm việc: 0,1Hz đến 12.600 Hz B&K - ĐAN MẠCH 4
Đầu đo gia tốc tiền khuếch đại Model 750 03 Độ nhạy: 10mV/m/s2 . Dải tần số làm việc: 0,5 đến 10.000 Hz. ENDEVCO – MỸ
3.3.4. Sơ đồ bố trí điểm đo
Hình 50. Sơ đồ vị trí gắn đầu đo gia tốc trên cánh phụ.
Sơ đồ bố trí các điểm đo nhƣ trong hình trên. Do số lƣợng đầu đo gia tốc có hạn (05 đầu đo) nên mỗi lần chỉ có thể đo đƣợc tối đa 05 điểm.
Hình 51. Ảnh chụp vị trí gắn đầu đo trong một lần đo thực tế tại hiện trường.
3.3.5. Quy trình đo, phân tích và xử lý tín hiệu đo 3.3.5.1. Quy trình 3.3.5.1. Quy trình
- Tần số lấy mẫu tín hiệu: 50Hz.
- Số lƣợng mẫu cho một bản ghi tín hiệu: 512.
- Gắn đầu đo gia tốc, đo tín hiệu gia tốc cánh phụ tại các điểm theo sơ đồ trên, đo làm nhiều lần, tại nhiều vị trí khác nhau.
- Tác động lực lên cánh phụ tại các vị trí đầu cánh, vị trí gắn động cơ, đo xác định tần số riêng, dạng dao động của cánh phụ trong các trƣờng hợp có gắn và không gắn động cơ. Có và không có gắn càng chống.
3.3.5.2. Phân tích và xử lý tín hiệu đo
- Phân tích tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số, tìm tần số dao động riêng của cánh phụ.
- Tích phân tín hiệu đo đạc để đƣợc tín hiệu chuyển vị, tìm dạng dao động riêng của cánh phụ ứng với tần số dao động riêng.
- Đánh giá kết quả thực nghiệm.
3.3.6. Kết quả đo đạc
3.3.6.1. Lần đo 1
Các đầu đo gia tốc gắn tại các điểm đo F1, F2, F3, F4, F5 tƣơng ứng với các kênh đo lần lƣợt từ 0 đến 4. Tác động lực vào phần giữa điểm F1 và F2 nhằm tìm dao động uốn của cánh.
Bảng 2. Giá trị dao động tại các điểm ở lần đo 1
Điểm đo Gia tốc RMS (m/s2
) Vận tốc RMS (cm/s) Chuyển vị RMS (mm) F1 7,586 10,361 5,38 F2 5,641 7,528 3,987 F3 8,451 11,370 5,754 F4 3,812 4,648 2,484 F5 2,566 3,729 1,938
Hình 52. Đồ thị tín hiệu gia tốc trong miền thời gian tại các điểm đo F1 đến F5.
Hình 53. Đồ thị tần số đo được tại các điểm đo F1 đến F5.
Đồ thị chuyển vị thu đƣợc bằng cách tích phân giá trị vận tốc hai lần, sử dung bộ lọc thông cao Butterworth bậc 10 có tần số cắt để lọc các thành phần DC.
Hình 54. Chuyển vị tại các điểm đo F1 đến F5.
Hình 55. Phóng to biểu đồ chuyển vị các điểm từ F1 đến F5.