1. Phân tích tải tác dụng lên hệ
Hệ trục lái gồm 2 đoạn L1 và L2 chiệu tác động của nhiều thành phần lực bao gồm: Lực đẩy tập trung của chân vịt = 2764,82 đặt tại dầu mút của trục. Momen xoắn trục sinh ra do lực thủy động khi tàu bẻ lái tính theo công thức 1.113 trang 55, sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1 như sau : = . = 1,3.538,02 =
699,426 . , với k = 1,3 là hệ số tính đến lượng tăng momen khi đảo chiều quay trục.
Trong bài toán tạm thời bỏ qua ma sát ổ lăn do không đáng kể.
Khối lượng cụm hệ chân vịt, đạo lưu, máy lai chân vịt cũng như các thành phần trong hệ = 1321,83 .
Ngoài ra do chênh lệch khoảng cách giữa trục lái và trọng tâm hệ nên xuất hiện thành phần momen = 1321,83.0,305 = 403,16 . trong đó: 0,305 là khoảng chênh lệch nói trên đo bởi phần mềm SolidWorks.
2. Tính toán đường kính trục lái 2.1. Tính đoạn trục dưới L1
Vật liệu chọn chế tạo trục lái là thép cán không rỉ C30, có = 350 ( ). Ứng suất tới hạn của vật liệu = 0,7. = 245 ( ).
Ứng suất giới hạn của vật liệu khi tính toán là: [ ] = [0,364 ÷ 0,4] = 87 ÷ 97 . Chọn [ ] = 97 .
Trục dưới có độ dài là L1 = 0,68 m được xem như bi ngàm tại vị trí bít nối với L2, đầu còn lại tự do chiệu tác dụng của các lực như phân tích ở trên. Với dầm consol đơn giản như
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 34 vậy thì việc tính phản lực tại ngàm là không cần thiết mà ta có thể trực tiếp vẽ biểu đồ nội lực cho dầm, thứ tự tính gồm:
Momen uốn lớn nhất đối với trục OY là: = + . = 2283,2376 .
Momen uốn lớn nhất đối với trục OZ là: = = 699,426 .
Lực cắt lớn nhất đối với trục OX là: = = 2764,82
Lực dọc trục lớn nhất đối với trục OZ là: = = 1321,83
Từ đây ta có biểu đồ nội lực có dạng như sau:
Hình ảnh: Biểu đồ nội lực tính từ trên xuông tứ tự là: Phản lực, Lực cắt, Xoắn, Lực dọc trục, Momen uốn.
Tính đường kính trục theo sức bền vật liệu
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 35 = | |+| |≤ [ ] ↔10 22,83 + 0,75. 7 0,1. . 1 − + 13218,3 . −4 ≤ 97
Với đơn vị tính trong biểu thức là N và mm. Ngoài ra trục lái có hình dạng là thép hình
trụ rỗng với đường kính trong d = 180 mm phù hợp để bố trí hệ thống ống dẫn dầu bên trong.
Vậy tiết diện mặt cắt ngang của ống là hình vành khăn.
Trong đó: = + + 0,75. : momen uốn tương đương theo thuyết bền 4. Từ bất đẳng thức trên ta lập được bảng tính các giá trị đường kinh trục như sau:
Giá trị kiểm tra 97 Mpa
D= 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189
Wx, F - 1817,54 906,22 602,436903 450,539 359,396 298,63 255,222 222,664 197,339 Kết
luận - không không không không không không không không không
190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200
177,077 160,498 146,68 134,987 124,963 116,275 108,672 101,963 95,9986 90,6615 85,8577 không không không không không không không không thõa thõa thõa không không không không không không không không thõa thõa thõa
Kết luận: giá trị đường kính trục thõa mãn từ 198 mm tới 200 mm, nhưng vì lý do chọn ổ lăn đỡ chặn sau này nên đường kính trục ngoài được lựa chọn là 200 mm.
2.2. Tính đoạn trục trên L2
Trục trên có độ dài là L2 = 0,94 m được xem như dầm tựa trên hai gối đỡ chính là tại vị
trí hai ổ đỡ chặn sau này, khoảng cách giữa hai gối chính bằng chiều cao đáy tàu 0,54 m. Với
mô hình dầm dạng này ta cần thiết phải tính phản lực tại hai gối để vẽ biểu đồ nội lực cũng như dùng để tính chọn ổ đỡ chặn sau này, thứ tự tính gồm:
Tính phản lực tại hai gối
. 0,54 = . 1,62 + → = . 1,62 +
0,54 = 9041,05
. 0,54 = . 1,08 + → = . 1,08 +
0,54 = 6276,23
Momen uốn lớn nhất đối với trục OY là: = + ( . + 0,4) =
3389,1656 .
Momen uốn lớn nhất đối với trục OZ là: = = 699,426 .
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 36 Lực dọc trục lớn nhất đối với trục OZ là: = = 1321,83
Từ đây ta có biểu đồ nội lực như sau:
Hình ảnh: Biểu đồ nội lực tính từ trên xuông tứ tự là: Phản lực, Lực cắt, Xoắn, Lực dọc trục, Momen uốn.
Tính đường kính trục theo sức bền vật liệu
Công thức tính ứng suất cho thanh chiệu lực tổng quát là:
=| |+| |≤ [ ] ↔10 33,89 + 0,75. 7
0,1. . 1 −
+ 13218,3
. −4
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 37 Với đơn vị tính trong biểu thức là N và mm. Ngoài ra trục lái có hình dạng là thép hình
trụ rỗng với đường kính trong d = 180 mm phù hợp để bố trí hệ thống ống dẫn dầu bên trong.
Vậy tiết diện mặt cắt ngang của ống là hình vành khăn.
Trong đó: = + + 0,75. : momen uốn tương đương theo thuyết bền 4. Từ bất đẳng thức trên ta lập được bảng tính các giá trị đường kinh trục như sau:
Giá trị kiểm tra 97 Mpa
D= 180 182 184 186 188 190 192 194 196 198
Wx, F - 1887,35 938,322 621,945421 463,735 368,792 305,485 260,256 226,328 199,933 Kết luận - không không không không không không không không không
200 202 204 206 208 210 212 214 216 218 220
178,813 161,529 147,124 134,932 124,482 115,423 107,496 100,502 94,2848 88,7224 83,7167 không không không không không không không không thõa thõa thõa không không không không không không không không thõa thõa thõa
Kết luận: giá trị đường kính trục thõa mãn từ 216 mm tới 220 mm, nhưng vì lý do chọn ổ lăn đỡ chặn sau này nên đường kính trục ngoài được lữa chọn là 220 mm.
3. Chọn thông số bít nối
Bít nối được chọn có dạng hình lục giác với các đặc trưng được chọn theo như trang 103, sổ tay thiết bị tàu thủy tập 1 đề suất.
Số bu lông trên bít là 6.
Chiều dày không nhỏ hơn đường kính bu lông, giả sử chọn 20 mm.
Khoảng cách từ tâm bu lông tới mép ngoài không nhỏ hơn 1,5dbl, chọn giả sử 25 mm. Khoảng cách từ tâm bu lông tới tâm mặt bích không nhỏ hơn 0,7Dtrụ lái tại vị trí lắp ổ, chọn giả sử là 125 mm.
4. Kiểm tra bền trục lái bằng phần mềm ABAQUS CAE Hình học
Toàn bộ kết cấu trục đã thiết kế được xuất từ solidwork sang dạng .STEP và được import vào Abaqus CAE.
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 38 Part 1: Shaft_L1_L2; Import as: Solid – Deformable
Hai trục được ghép lại đúng như trên bản vẽ. Vật liệu
Vật liệu được gán cho trục là thép C30. Các thông số liên quan lần lượt như sau:
Young's Modulus: E=30 000 N/mm2 Poison's Ratio: ρ=0.29
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 39 Density: δ=7.8E-6 kg/mm3
Tiêu chuẩn bền
Trục được kiểm tra ở điều kiện tĩnh. Bài toán được giải trong 1s đồng hồ. Tiêu chuẩn bền áp dụng là kết hợp giữa Tresca-Von Misses. Trong đó:
σTresca≤ [σ ]=35000 N/mm2
σV.Misses≤ [ σ]=35 N/mm2
Hệ số an toàn trong bài dự kiến lấy bằng: SF=1.7. Gán tải
Trục chịu lần lượt các tải sau:
1. Trọng lượng của cụm chân vịt, máy lái. 2. Lực đẩy của chân vịt
3. Áp lực nước truyền từ đạo lưu ở góc lái α =40 Các tải này lần lượt được mô hình hóa như sau:
1. Trọng lượng của cụm chân vịt, máy lái chọn là 1.7Tấn. Được mô hình hóa như một áp suất đặt lên bề mặt trên của tấm bích nối trục L1. Phần diện tích trên của bích nối là
A1=25921.02 mm2
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 40 2. Lực đẩy của chân vịt truyền từ trục chân vịt, truyền đến vỏ máy lái, truyền lên trục lái qua hệ bu lông đai ốc áp vào trong các lỗ vặn bu lông. Lực này đáng lẽ phải được mô hình hóa như vậy. Tuy nhiên, do mục tiêu của bài tính kiểm tra là kiểm tra độ bền của toàn hệ trục, em sẽ chấp nhận mô hình hóa lực đẩy này như một áp suất, đặt vào mặt trước của bít.
Diện tích chịu áp lực đẩy A2=3002.22 mm2
Áp lực đẩy: P= R A2= 2700×10 3002.22 =8.99 N/mm 2
3. Áp lực nước đặt lên đạo lưu tại góc quay lái α =40 cũng được mô hình hóa dưới dạng một áp lực đặt lên trên cạnh của bích nối.
F=2936.76 kGP= F P= F A2= 2936.76×10 3002.2 =9.78 N/mm 2
4. Moment quay lái đặt lên đầu trục là
M=6920 kGm=69200 Nm=69.2E6 Nmm
Điều kiện biên Hệ tọa độ
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 41 Hệ trục tọa độ local gồm 3 trục: U1, U2, U3. Các trục này theo mặc định, trùng với XYZ. Các độ tự do như sau.
1. U1 Tịnh tiến dọc Y 2. U2 Tịnh tiến dọc X 3. U3 Tịnh tiến dọc Z 4. UR1 Quay quanh Y 5. UR2 Quay quanh X 6. UR3 Quay quanh Z
Điều kiện biên sau đây được gán ở vị trí lắp bạc đỡ chặn trên trục. 1. U1=0
2. U2=0 3. U3=0 3. U3=0 4. UR2=0 5. UR3=0
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 42 Mesh
Hệ hai trục được mesh sử dụng phần tử tứ diện (tet free), thuật toán sử dụng là Delaunay. Kích thước trung bình của các phần tử trên trục L1 là 30, trong khi các phần tử trên trục L2 là 40 vì dự kiến, trục L1 chuyển vị lớn hơn.
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 43 Kết quả
Kết quả uốn chung của trục rất khả quan. Ứng suất lớn nhất trên trục đạt 14.4 N/mm^2 tại vị trí chịu áp lực đẩy. Như vậy trục này dư bền theo phép tính kiểm tra và các điều kiện biên đã chọn ở trên. Kết quả được lưu trong file đi kèm.
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 44 Một loạt các điểm được chọn dọc theo đường sinh của trục. Các điểm này được lựa chọn ở phần trục dưới vì phần này chịu uốn nhiều nhất, và nằm ngoài phạm vi đỡ của hai ổ trục. Tập hợp các điểm này gọi là Path-1. Điểm đầu tiên ở của Path-1 ở chân mặt bích của cột.
Chuyển vị theo các phương X, Y, Z lần lượt được biểu diễn trên đồ thị. Chuyển vị theo phương X
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 45 Trục hoành thể hiện khoảng cách thực tính bằng mm giữa các điểm thuộc Path-1. Trục tung thể hiện chuyển vị theo phương X của các điểm này. Giá trị thực liệt kê trong bảng sau.
X(mm) U1(mm) X(mm) U1(mm) 0 0.380094 411.707 0.102614 16.7721 0.38005 431.953 0.0899564 32.8008 0.377118 452.199 0.0778516 57.3048 0.362077 472.445 0.0664997 83.3166 0.326063 492.691 0.0559933 102.94 0.306635 512.937 0.0463387 122.097 0.292134 533.317 0.0374771 147.049 0.275195 554.45 0.029217 168.354 0.260692 578.859 0.0209252 188.879 0.246571 604.149 0.0135657 209.203 0.232771 623.312 0.00878181 229.472 0.219438 642.488 0.00486634 249.726 0.206548 664.754 0.000975193 269.975 0.193871 676.665 -1.96E-005 290.223 0.181143 692.601 -3.51E-005 310.471 0.168224 709.395 -1.78E-006 330.718 0.155125 729.395 0 350.966 0.141934 371.213 0.128732 391.46 0.115595
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 46 Chuyển vị theo phương Y
Giá trị thực thể hiện trong bảng sau.
X(mm) U2(mm) X(mm) U2(mm) 0 -0.101414 411.707 0.00732909 16.7721 -0.06909 431.953 0.00788852 32.8008 -0.0373072 452.199 0.00818713 57.3048 -0.0227822 472.445 0.00825727 83.3166 -0.0212065 492.691 0.0081522 102.94 -0.0205518 512.937 0.00789872 122.097 -0.0182387 533.317 0.00750457 147.049 -0.0152372 554.45 0.00696098 168.354 -0.0125801 578.859 0.00618933 188.879 -0.0102224 604.149 0.00504734 209.203 -0.00811309 623.312 0.00408035 229.472 -0.00616747 642.488 0.00327109 249.726 -0.00428565 664.754 0.00173807 269.975 -0.00240925 676.665 0.000606878 290.223 -0.00056073 692.601 3.15E-005 310.471 0.00119474 709.395 -2.03E-005 330.718 0.00279795 729.395 0 350.966 0.00422733 371.213 0.00546794 391.46 0.00651285
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 47 Chuyển vị theo phương Z
Giá trị thực thể hiện trong bảng sau.
X(mm) U3(mm) X(mm) U3(mm) 0 -0.0311197 411.707 -0.00842654 16.7721 -0.0319005 431.953 -0.00742073 32.8008 -0.0327319 452.199 -0.00645412 57.3048 -0.0313784 472.445 -0.00553907 83.3166 -0.0265582 492.691 -0.00468939 102.94 -0.02405 512.937 -0.00390968 122.097 -0.0231836 533.317 -0.0031962 147.049 -0.0218209 554.45 -0.00253097 168.354 -0.0207358 578.859 -0.00184039 188.879 -0.0196516 604.149 -0.00129453 209.203 -0.0185731 623.312 -0.000930186 229.472 -0.0175224 642.488 -0.000486787 249.726 -0.016501 664.754 -6.70E-005 269.975 -0.0155021 676.665 2.83E-005 290.223 -0.0145116 692.601 4.38E-006 310.471 -0.013518 709.395 5.88E-007 330.718 -0.0125151 729.395 0 350.966 -0.0115052 371.213 -0.0104807 391.46 -0.00945125
SVTH: TRẦN KIẾN TRÚC – NGUYỄN THÀNH TÂM - VT10 Page 48 Như vậy, trục cũng đạt về độ cứng. Chuyển vị lớn nhất của trục là 0.35mm ở phương X, ngay ở node đầu tiên của Path-1.
Chú thích cho kết quả
Sau đây là các ký hiệu dùng trong file result do abaqus tạo ra. Element Label Mã phần tử
Int Pt Intergration point: Đỉnh của các phần tử theo thứ tự AC Yield Active Yielding: Ứng suất chảy của vật liệu.
E.Max Prin Năng lượng
S.Mises Ứng suất Von Mises
S.Max Ứng suất lớn nhất trong các ứng suất Chính.
S.Tresca Ứng suất Tresca