Đánh giá độ bền của chân vịt tàu thủy chế tạo bằng phương pháp ghép cánh

Chân vịt tàu thủy cánh rời (các cánh được lắp ghép với nhau) mang lại mộ số ưu điểm trong quá trình chế tạo, sửa chữa và thay thế so với chân vịt cánh liền. Để bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm về loại chân vịt này, bài báo đề xuất phương pháp trong đó cánh được lắp với củ chân vịt bằng rãnh đuôi én, sau đó đánh giá đánh giá độ bền và mức độ biến dạng tại vị trí lắp ghép bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của công cụ CAE. Kết quả cho thấy chân vịt ghép đảm bảo được độ bền và độ cứng kết cấu, vẫn giữ được cấu trúc củ cánh nhỏ gọn và có khả năng chịu lực như chân vịt cánh liền.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đánh giá độ bền của chân vịt tàu thủy chế tạo bằng phương pháp ghép cánh Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 4/2016 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA CHÂN VỊT TÀU THỦY CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP CÁNH EVALUATING THE STRENGTH OF BUILT-UP PROPELLER Đặng Xuân Phương1 Ngày nhận bài: 21/01/2016; Ngày phản biện thông qua: 09/6/2016; Ngày duyệt đăng: 15/12/2016 TÓM TẮT Chân vịt tàu thủy cánh rời (các cánh được lắp ghép với nhau) mang lại mộ số ưu điểm trong quá trình chế tạo, sửa chữa và thay thế so với chân vịt cánh liền. Để bắt đầu nghiên cứu thử nghiệm về loại chân vịt này, bài báo đề xuất phương pháp trong đó cánh được lắp với củ chân vịt bằng rãnh đuôi én, sau đó đánh giá đánh giá độ bền và mức độ biến dạng tại vị trí lắp ghép bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự hỗ trợ của công cụ CAE. Kết quả cho thấy chân vịt ghép đảm bảo được độ bền và độ cứng kết cấu, vẫn giữ được cấu trúc củ cánh nhỏ gọn và có khả năng chịu lực như chân vịt cánh liền. Từ khóa: Chân vịt cánh rời, CAE, chế tạo chân vịt, tính toán độ bền ABSTRACT Built-up propeller is an attractive alternative for monobloc fixed pitch propellers because of some key benefits in manufacture, repair and replacement. This paper proposes a method for assembling the fishing vessel’s built-up propeller in which the blades are engaged with the hub by dove-tail grooves. The strength of this kind of propeller was investigated by using CAE simulation tool in order to explore the potential application of this propeller in practice. The research results show that the built-up propellers with a slim hub satisfy the required strength. Keywords: Built-up propeller, CAE, propeller manufacturing, strength analysis I. ĐẶT VẤN ĐỀ Từ trước đến nay, chân vịt tàu thường được chế tạo bằng phương pháp đúc liền khối. Phương pháp này đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa cánh và củ chân vịt. Tuy nhiên, đối với các chân vịt có kích thước lớn, sự liền khối làm cho chân vịt cồng kềnh, dẫn đến quá trình làm khuôn, đúc, gia công và vận chuyển khó khăn hơn so với chân vịt cánh rời. Nếu chân vịt được chế tạo bằng phương pháp ghép các cánh với củ lại với nhau, quá trình đúc và gia công từng cánh riêng lẻ sẽ thuận lợi hơn rất nhiều nhờ sự nhỏ gọn và đơn giản hơn về mặt 1 Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang 100 • NHA TRANG UNIVERSITY kết cấu. Ngoài ra, có thể áp dụng phương pháp gia công cánh trên các máy CNC 3 trục thông dụng một cách dễ dàng. Phương pháp chế tạo cánh rời rồi ghép lại đặc biệt có ý nghĩa đối với các chân vịt có tỉ số mặt đĩa lớn (hình chiếu các cánh có phần giao nhau), các chân vịt có bước xoắn lớn, hoặc các chân vịt cần độ chính xác cao. Giả sử có một chân vịt có đường kính 1,8 mét, với kích thước này thì khó tìm được một máy phay CNC để gia công được toàn bộ các cánh trong một lần gá đặt. Nếu tách riêng từng cánh riêng biệt với chiều dài mỗi cánh khoảng 0,8 mét (không tính củ cảnh) sẽ dễ dàng gá Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản lắp và gia công trên máy CNC cỡ vừa. Chân vịt ghép còn giúp cho quá trình sửa chữa và thay thế các cánh một cách thuận tiện mà trong một vài trường hợp không nhất thiết phải đưa tàu lên đà. Mặc dù chân vịt ghép có nhiều ưu điểm nói trên, câu hỏi đặt ra là liệu chân vịt ghép có đủ độ bền xét trên hai phương diện là ứng suất và biến dạng tại nơi lắp ghép giữa củ và cánh hay không. Ngoài ra, phương án lắp ghép như thế nào là hợp lý về mặt độ bền và tính công nghệ chế tạo là vấn đề cần quan tâm. Nghiên cứu này đi tìm câu trả lời cho các vấn đề nghiên cứu đặt ra nói trên. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Lực tác dụng lên cánh chân vịt Để tính toán được độ bền của cánh chân vịt, xác định được lực tác dụng lên cánh là một công việc quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác tính toán. Lực thủy động tác dụng lên chân vịt rất phức tạp. Lực này ở trạng thái không ổn định, phụ thuộc vào loại chân vịt, tốc độ tàu, hình dáng hình học vỏ tàu và nhiều yếu tố khác như mớn nước, độ ngập nước của chân vịt [2]. Chân vịt làm việc trong môi trường nước tạo ra lực đẩy nhờ lực nâng theo nguyên lý cánh (foil). Hiện nay, các phương pháp tính toán thủy động học của chân vịt gồm những phương pháp theo đó độ phức tạp tăng dần như: lý thuyết động lượng (momentum theory), lifting-line method (một phương pháp của lý thuyết xoáy dạng đơn giản phát triển từ dạng cánh thẳng), phương pháp bề mặt nâng (lifting surface method), phương pháp phần tử biên và phương pháp trường (field methods) [1]. Về phương diện cơ học vật rắn, các thành phần lực tác dụng lên cánh chân vịt được phân tích như sau: Xét một phần tử cánh chắn bởi hai bán r và r + Dr, lực tác dụng gồm 3 thành phần: lực li tâm gây ra do chuyển động quay của khối lượng cánh, lực thủy động tác dụng lên cánh trong đó bao gồm lực đẩy dọc trục (lực đạp) và lực tiếp tuyến do momen cản quay của Số 4/2016 nước gây ra (Hình 1a). Trong thực tế, lực thủy động tác dụng lên cánh chân vịt là lực phân bố dưới dạng áp suất. Sử dụng CFD và những phần mềm chuyên dụng như Fluent hay Ansys CFX là phương pháp mà người ta thường dùng để xác định áp suất tác dụng lên cánh chân vịt [7]. Tuy nhiên phương pháp này trở nên quá phức tạp trong trường hợp chân vịt cánh rời vì vừa phải mô hình bài toán CFD, vừa phải mô tả cả phần tương tác cơ học vật rắn tại chỗ lắp ghép cánh và củ cánh. Bên cạnh đó, sự giao tiếp và trao đổi dữ liệu giữa công cụ CFD và FEM cũng trở nên khó khăn. Do vậy, để thuận tiện trong việc tính toán và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn, các lực phân bố này được xấp xỉ gần đúng thành các lực tập trung đặt tại giữa các dây cung của cánh theo các bán kính cách đều nhau một khoảng 0,1R trong đó R là bán kính chân vịt (Hình 1b). Bài toán được xem xét ở trạng thái tĩnh. Sự phân bố của các lực tập trung này được xác định theo phương pháp của HydroComp [8] một công ty phần mềm thiết kế, tính toán và phân tích về chân vịt tàu thủy. Thành phần lực hướng trục được ký hiệu là FT và thành phần tiếp tuyến được ký hiệu là FQ được tính bằng công ...