Đánh giá dao động của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Bài báo trình bày kết quả tính ứng suất của dao động xoắn tác dụng lên hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối tượng đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của tàu VTQSTS.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đánh giá dao động của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC ĐÁNH GIÁ DAO ĐỘNG XOẮN CỦA HỆ TRỤC CHÂN VỊT TÀU VẬN TẢI QUÂN SỰ TRƯỜNG SA BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ESTIMATING THE TORSIONAL VIBRATION OF PROPELLER SHAFT SYSTEM OF NAVAL TRANSPORT TRUONG SA CLASS SHIP BY FINITE ELEMENT METHOD Lê Văn Duyên1, Phạm Hùng Thắng2 Ngày nhận bài: 24/4/2014; Ngày phản biện thông qua: 6/5/2014; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả tính ứng suất của dao động xoắn tác dụng lên hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS. Kết quả nghiên cứu cho thấy đối tượng đã đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của tàu VTQSTS. Từ khóa: ứng suất, dao động xoắn, hệ trục chân vịt, phương pháp phần tử hữu hạn, Ansys ABSTRACT The article presents the result of calculating the torsional vibration stress that affected the naval transport Truong Sa class ship propeller shaft system by the finite element method with the support Ansys software. The research results showed that subjects met the technical requirements of naval transport Truong Sa class ship. Keywords: stress, torsional vibration, propeller shaft system, finite element method, Ansys I. ĐẶT VẤN ĐỀ Dao động xoắn hệ trục chân vịt tàu thủy là một trong những vấn đề được quan tâm từ rất sớm. Từ những năm đầu của thế kỷ 20, các nhà khoa học châu Âu đã xác định được một trong những nguyên nhân gây ra hư hỏng và gãy hệ trục chân vịt là do hiện tượng dao động xoắn gây ra. Ngày nay, việc tính toán dao động xoắn của hệ trục chân vịt là một nội dung quan trọng trong tính toán thiết kế tàu thủy và được đưa vào trong số các yêu cầu bắt buộc của Đăng kiểm các nước. Độ chính xác của các kết quả tính dao động xoắn của hệ trục chân vịt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó việc xây dựng mô hình tương đương nhằm mô tả cấu trúc vật lý của hệ có ý nghĩa rất quan trọng. Về mặt kết cấu nói chung, các hệ trục 1 2 chân vịt tàu dân sự đơn giản hơn so với tàu quân sự. Do yêu cầu về đảm bảo độ tin cậy, tính cơ động và sức sống cao nên hệ trục chân vịt tàu quân sự thường có kết cấu phức tạp. Điều này sẽ làm tăng nguy cơ xuất hiện dao động xoắn cộng hưởng trong dải tốc độ làm việc của động cơ và dễ gây hư hỏng cho hệ trục. Đây cũng chính là lý do buộc các nhà thiết kế phải hoàn thiện phương pháp tính, tăng độ chính xác của các kết quả tính toán, nhất là đối với hệ trục chân vịt tàu quân sự. Bài báo sẽ trình bày cách xây dựng mô hình tính, cách giải bài toán dao động xoắn tự do, dao động xoắn cưỡng bức của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH), sử dụng phần mềm ANSYS. Lê Văn Duyên: Cao học Cơ khí động lực 2012 – Trường Đại học Nha Trang PGS.TS. Phạm Hùng Thắng: Trường Đại học Nha Trang 84 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU đoạn trục, trên mỗi đoạn trục có nhiều thiết bị trung 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Hệ trục chân vịt của tàu vận tải quân sự Trường Sa (VTQSTS) được đóng mới tại Việt Nam. Đánh giá dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS ở các chế độ tốc độ cộng hưởng và chế độ tốc độ 110% công suất. lớn và hệ trục làm việc ở chế độ quá tải lớn với 2. Phương pháp nghiên cứu Từ các thông số kỹ thuật và kết cấu của hệ động lực tàu, xây dựng mô hình tương đương, tính toán dao động xoắn tự do và cưỡng bức của hệ trục chân vịt tàu vận tải quân sự Trường Sa khi làm việc ở chế độ tốc độ cộng hưởng và chế độ tốc độ 110% công suất định mức, trên cơ sở ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng phần mềm ANSYS) để xác định ứng suất xoắn tác dụng lên hệ trục. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Kết quả 1.1. Xây dựng mô hình tính Như chúng ta đã biết, hệ trục chân vịt tàu thủy là một hệ thống rất phức tạp, bao gồm nhiều gian (khớp nối mềm, bộ ly hợp), chiều dài đoạn trục cường độ cao. Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta thường thay thế (quy dẫn) hệ thống phức tạp bằng một hệ thống tương đương đơn giản. Hệ thống tương đương bao gồm các khối lượng tập trung (các đĩa) được gắn lên các đoạn trục có độ cứng tương đương với các đoạn trục thực. Khi quy dẫn hệ thống thực về hệ tương đương cần phải đảm bảo các điều kiện sau [2]: - Động năng và thế năng của hệ thực phải bằng động năng và thế năng của hệ tương đương. - Công (hoặc công suất) của các lực (bao gồm các lực kích thích và các lực cản) tác động lên hệ thực phải bằng công (hoặc công suất) của các lực tác động lên hệ tương đương. Trên hình 1 là mô hình tương đương khi khảo sát dao động xoắn của hệ trục chân vịt tàu vận tải Quân sự Trường Sa (VTQSTS) [1]. Hình 1. Sơ đồ hệ thống tương đương của hệ động lực tàu VTQSTS “Hệ qui đổi của hệ trục chân vịt tàu VTQSTS” [1]: Mô men quán tính tương đương: J1 = J2 = J3 = J4 = J5 = J6 = 0,4377 kG.m2; J7 = 2.084 kG.m2; J8 = 131,75 kG.m2 Độ cứng tương đương: C1 = C2 = C3 = C4 = C5 = 37.106 Nm/rad; C6 = 34.106 Nm/rad; C7 = 1,6.106 Nm/rad Chiều dài tương đương: l1 = l2 = l3 = l4 = l5 = 0.75 m; l6 = 0.8 m; l7 = 16.88 m Hệ số cản của xilanh 1, 2, 3, 4, 5, 6 (br1, br2, br3, br4, br5, br6). Để đưa mô hình tương đương trên vào trong phần mềm ANSYS, ta phải sử dụng 2 phần tử: phần tử MASS21 và phần tử COMBIN14. Phần tử MASS21 dùng để mô tả các khối lượng tập trung (các đĩa), thông số khai báo cho phần tử này là mô men quán tính khối lượng. Phần tử COMBIN14 dùng để mô tả các khâu đàn hồi và các khâu giảm chấn, thông số khai báo cho phần tử này là độ cứng và các hệ số cản. Sau khi đặt các tải trọng liên kết ta sẽ được mô hình tính như trên hình 2. Hình 2. Mô hình tính dao động xoắn hệ trục chân vịt tàu VTQSTS bằng phần mền ANSYS TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 85 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản 1.2. Bài toán dao động xoắn tự do Mục đích tính toán dao động xoắn tự do là xác địn ...