Nghiên cứu xây dựng chương trình tính phục vụ thiết kế định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 KEÁT QUAÛ NGHIEÂN CÖÙU ÑAØO TAÏO SAU ÑAÏI HOÏC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH PHỤC VỤ THIẾT KẾ ĐỊNH TÂM HỆ TRỤC TÀU HÀNG TRỌNG TẢI LỚN RESEARCH ON PROGRAMMING FOR DESIGNING THE PROPULSION SHAFTING ALIGNMENT OF LARGE TONNAGE SHIPS Trần Văn Hưng1, Quách Hoài Nam2 Ngày nhận bài: 25/9/2012; Ngày phản biện thông qua: 18/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/3/2014 TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng chương trình tính phục vụ thiết kế định tâm hệ trục tàu hàng trọng tải lớn. Chương trình được xây dựng từ việc mô hình hóa hệ trục tàu, sử dụng phương pháp giải phần tử hữu hạn phù hợp với mô hình đã xây dựng có ưu tiên đến sự tiện lợi cho lập trình và được xây dựng trên phần mềm Matlab để xuất ra các kết quả sau: biểu đồ mômen uốn và lực cắt, đường cong độ võng, tải trọng tại các gối đỡ và ma trận hệ số ảnh hưởng; so sánh kết quả tính cho hệ trục tàu chở dầu thô cỡ lớn VLCC Crude Oil Tanker 300000 DWT với các chương trình tính hiện có. Từ khóa: phương pháp phần tử hửu hạn, ma trận hệ số ảnh hưởng, Matlab ABSTRACT This paper presents research results on programming for designing the propulsion shafting alignment of large tonnage ships. The programs are built from modeling the propulsion shafting by the fi nite element method suitable for the available models with the priority to the convenience in programming and written on Matlab software. The following results are found out during the research: the bending moment diagram and shear force, the defl ection curve, the load in the bearings and infl uence coeffi cient matrix; compare the calculated results between the calculating programs and the existing programs1 on a propulsion shafting of VLCC Crude Oil Tanker 300000 DWT. Keywords: fi nite element method, infl uence coeffi cient matrix, Matlab I. ĐẶT VẤN ĐỀ Chính vì vậy việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết Từ trước đến nay, phương pháp định tâm hệ cũng như xây dựng chương trình tính phục vụ định trục tàu trong các nhà máy đóng tàu ở nước ta chủ tâm hệ trục tàu đáp ứng các yêu cầu của các cơ yếu dựa trên quan điểm độ lệch tâm (SAG) và gãy quan đăng kiểm là một vấn đề cấp thiết, đáp ứng khúc (GAP) hay phương pháp định tâm theo tải nhu cầu tăng cường nội lực của ngành đóng tàu trọng ổ đỡ. Khi áp dụng các phương pháp này trên nước ta trong thiết kế tàu hàng cỡ lớn. hệ trục tàu hàng trọng tải lớn thì việc định tâm rất khó khăn và mất thời gian [2], đặc biệt là việc dịch II. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP chỉnh các gối đỡ với hệ trục tàu lớn. Do đó, khi đóng NGHIÊN CỨU mới các tàu có trọng tải lớn, các cơ quan đăng kiểm yêu cầu các nhà thiết kế phải đưa ra phương pháp 1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu định tâm phù hợp đảm bảo thỏa mãn các tiêu chí Nghiên cứu xây dựng chương trình tính định để đánh giá chất lượng định tâm, phải có bảng tính tâm hệ trục tàu hàng tải trọng lớn cho phép xuất ra định tâm hệ trục trong khâu thiết kế nhằm phục vụ các bảng tính và biểu đồ chuyển vị, nội lực, phản lực cho việc định tâm. gối đỡ, ma trận hệ số ảnh hưởng phục vụ định tâm 1 Trần Văn Hưng: Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2009 – Trường Đại học Nha Trang 2 TS. Quách Hoài Nam: Trường Đại học Nha Trang 120 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 hệ trục tàu hàng trọng tải lớn trong các điều kiện tải trọng khác nhau. 2. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Mô hình hóa hệ trục tàu Để phục vụ cho tính toán định tâm, ta xem xét hệ trục tàu được đưa về dầm thẳng tương đương như hình 1. Hình 1. Mô hình tính định tâm hệ trục tàu - Đưa trục khuỷu về dầm tròn tương đương: Hình 2. Mô hình xác định đường kính thanh tròn tương đương trục khuỷu Theo [6] công thức tính đường kính tương đương: (1) Khi nhà sản xuất động cơ có khuyến cáo về gối đỡ chính phía đầu ra hệ trục sẽ chịu phản lực việc sử dụng các giá trị đường kính tương đương, lớn, ngược lại khi lấy ít gối đỡ sẽ không phản ánh các giá trị đó sẽ được dùng trong tính toán định hết tính chất của hệ trục. Số lượng gối đỡ trên ống tâm và hệ trục tàu có hộp giảm tốc thì mô hình tính bao trục chân vịt, nếu chỉ mô hình hóa về một gối đỡ toán định tâm hệ trục chỉ xét từ chân vịt đến hộp thì vị trí gối đỡ đặt cách phía sau của ổ một khoảng giảm tốc. X = L/4 hoặc L/3 [2]. Nếu dùng hai gối đỡ, vị trí của - Mô hình số lượng gối đỡ trên hệ trục: Số lượng chúng là tại hai đầu ổ trục chân vịt. Khi dùng ba gối gối đỡ chính trên động cơ ảnh hưởng lớn đến quá đỡ hoặc hơn, vị trí của chúng được quyết định bởi trình định tâm. Khi mô hình hóa nếu lấy hết số lượng người thiết kế. Trong trường hợp các ổ trục khác, vị gối ổ đỡ chính thì đoạn trục khuỷu như nối cứng và trí đặt gối đỡ là tại giữa ổ trục. L: Chiều dài bạc lót gối đỡ phía đuôi D: Đường kính của trục chân vịt Hình 3. Vị trí gối đỡ duy nhất cho ổ đỡ trục chân vịt Hình 4. Hướng của tải trọng ổ trục * Các điều kiện tải cần xem xét khi mô hình hóa chân vịt. Khi bạc lót ổ đỡ phía đuôi bằng hợp kim hệ trục chống ma sát được bôi trơn bằng dầu ta cần tính Khi tính toán định tâm hệ trục tàu phải xem xét giá trị áp lực danh nghĩa tại bạc lót và góc nghiêng trong các điều kiện khác nhau như: tương đối giữa trục chân vịt và bạc lót phía đuôi - Điều kiện nhẹ tải (điều kiện lạnh): khi trục hoặc áp suất cực đại ở bạc lót phía đuôi (hình 4) được lắp ghép trước khi hạ thủy, việc tính toán để đảm bảo tải trọng không đặt lên rìa của bạc. Mỗi định tâm hệ trục trong điều kiện đã lắp ghép thay giá trị tính phải nằm trong giới hạn cho phép như cho điều kiện nhẹ tải không cần tính đến lực nổi trong bảng 1 [2]. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 121 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 Bảng 1. Các giá trị cho phép của áp suất tại bạc lót phía đuôi và góc nghiêng tương đối của trục chân vịt và ống bao Đại lượng Giá trị cho phép Chú ý Áp suất danh nghĩa (trung bình) của bạc lót 0,8 Mpa Áp dụng với một hoặc hai bạc lót. Khi Góc nghiêng tương đối giữa trục chân vịt và bạc 3x10-4rad có hai bạc lót, tỉ số góc nghiêng được lót phía đuôi tính cho bạc lót phía đuôi Áp dụng áp lực cho phép của bạc lót Áp suất lớn nhất của bạc lót 40 MPa khi tính toán - Điều kiện nhẹ tải (điều kiện nóng): cần phải 2.2. Phương pháp tính tăng số gối đỡ cho động cơ và hộp số trong khoảng Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn theo cho phép của nhà sản xuất. Trong trường hợp nếu các bước: chân vịt bị chìm hết trong nước thì cũng được xem - Rời rạc hóa kết cấu: như ở trên, hệ trục tàu xét khi tính toán. Khi trục được lắp ghép trước khi hạ được mô hình hóa là một dầm tròn đặt trên các gối, thủy thì việc tính toán định tâm được thực hiện giả dầm được rời rạc thành các phần tử tương ứng định rằng không có sự dịch chỉnh gối đỡ từ đường điểm mút có sự thay đổi của tải trọng, tiết diện và vị trí đặt gối trên dầm. Ta xem hệ trục tàu là bài toán cơ bản giữa trước và sau khi hạ thủy. Tải trọng tính dầm phẳng, các phần tử trên dầm liên tục với nhau toán tại mỗi gối đỡ phải mang giá trị dương. Đối với và mỗi phần tử chỉ có hai bậc tự do, chịu tải tập trục hộp số, sự khác biệt trong tải trọng gối đỡ phía trung và phân bố theo phương thẳng đứng. Theo [1] trước và sau bánh răng trong điều kiện nóng phải ta có phương trình tổng quát: [K]{d} - {P} = 0 (2) nằm trong giới hạn cho phép của nhà sản xuất. Mô Với [K]: ma trận độ cứng tổng thể, {d}: véc tơ men uốn do lực đẩy lệch tâm của trục chân vịt cũng chuyển vị nút, {P}: véc tơ tải tổng thể. được đưa vào trong tính toán định tâm. - Áp đặt điều kiện biên: độ võng tại các gối bằng - Điều kiện đầy tải (điều kiện nóng): Định tâm hệ không. trục tàu trọng tải lớn: tất cả các gối đỡ động cơ được - Xác định độ võng và góc xoay tại nút: Dựa vào đồng đều về tải, thậm chí sự biến dạng vỏ xảy ra khi phương trình tổng quát (2), ta có phương trình cân tàu ở trạng thái đầy tải. bằng tổng thể có thể viết dưới dạng khối [4]: (3) ta có: (4) Từ phương trình (4) ta có: [Kk].{dk} = {Rk} + {Pk} - [KDR].{dR} (5) Giải phương trình (5) ta được {dk} - Xác định phản lực gối đỡ: từ (4) ta có: {R} = [KRD].{dk} + [KR].{dR} - {PR} (6) - Xác định độ võng [5]: v(x) = Nvi(x). vi + Nθi(x).θi + Nvj(x). vj + Nθj(x).θj + (7) - Xác định mô men trên phần tử [5]: (8) - Xác định lực cắt trên phần tử [5]: (9) - Xác định ma trận hệ số ảnh hưởng: theo (5): {Ri}* = [KRD]. {dk} + [KR]. {dRi} - {PR} (10) với i=1÷ n (n là số gối), với {dRi} là véc tơ có kính thước bằng {dR} (mx1) với chỉ duy nhất phần tử hàng thứ i bằng 1, các phần tử khác triệt tiêu. Khi cho chuyển vị bằng 1 mm tại gối thứ i ta giải một bài toán tìm ra phản lực của các gối chính là véc tơ phản lực {Ri}*. Như vậy, để tìm ma trận hệ số ảnh hưởng ta phải giải n bài toán với n là số lượng gối đỡ trên hệ trục. Ta có: (11) - Xác định phản lực gối đỡ khi có chuyển vị cưỡng bức [3]: {RR} = A* {dR} (12) 2.3. Xây dựng chương trình tính: Chương trình tính được xây dựng trên phần mềm Matlab 122 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Thực hiện tính toán trên chương trình đã xây dựng với một tàu cụ thể. 1. Đặc điểm tàu VLCC Crude Oil Tanker 300000 DWT - Kiểu tàu : chở dầu - Chiều dài trục chân vịt : 10.00 m - Chế tạo : năm 1993, tại Hàn Quốc - Chiều rộng : 57.2 m - Máy chính : MAN B&W 7S80MC, - Chiều cao : 30.424 m - Công suất máy : 31920 BHP - Chiều dài lớn nhất : 330.00 m - Tốc độ quay : 77.0 rpm - Mớn nước thiết kế : 20 m - Chiều dài tàu : 327.50 m - Khối lượng chân vịt : 56000 KG - Chiều cao tàu : 60.5 m - Tải trọng : 300,000 DWT Hình 5. Vị trí gối đỡ duy nhất cho ổ đỡ trục chân vịt 2. Kết quả tính và kiểm chứng với RDM, NK 2.1. Biểu đồ độ võng, lực cắt và mô men Hình 6. Biểu đồ nội lực của hệ trục theo chương trình Hình 7. Biểu đồ nội lực của hệ trục tính bằng RDM TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 123 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 Hình 8. Biểu đồ nội lực của hệ trục theo NK [7] 2.2. Áp lực gối đỡ Bảng 2. Bảng so sánh áp lực gối đỡ giữa các chương trình tính TT Nút gối Phản lục gối (N) TT Nút gối Phản lục gối (N) TT Gối Phản lục gối (kgf) 1 7 1.393e+6 1 7 1392959.35 1 7 139295.220 2 8 -2.140e+6 2 8 -2143988.08 2 8 -214398.670 3 10 8.146e+5 3 10 819569.53 3 10 81956.652 4 16 -9.074e+4 4 16 -90759.885 4 16 -9075-998 5 20 8.655e+4 5 20 86439.239 5 20 8643.455 6 22 -6.577e+4 6 22 -65899-03 6 22 -6589.810 7 23 2.173e+2 7 23 2138.72 7 23 213.664 8 24 -5.353e+2 8 24 -539.47 8 24 -53.416 9 25 8-867e+l 9 25 89.44 9 25 8.903 a. Theo chương trình b. Theo RDM c. Theo NK 2.3. Ma trận hệ số ảnh hưởng Bảng 3. Bảng ma trận hệ số ảnh hưởng theo chương trình Chuyển Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Phản lục Nút gối TT vị (mm) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) gối (N) 1 7 1 1,393e+6 -2,140e+6 8,196e+4 -9,074e+3 8,630e+3 -6,581e+3 2,173e+2 -5,356e+2 8,862e+1 2 8 1 -2,140e+6 3,379e+5 -1,465e+5 2,548e+4 -2,498e+4 1,876e+4 -6,085e+2 1,533e+2 -2,303e+1 3 10 1 8,146e+5 -1,465e+5 8,675e+4 -2,964e+4 3,379e+4 -2,611e+4 8,655e+4 -2,103e+2 3,503e+1 4 16 1 -9,074e+4 2,584e+4 -2,964e+4 2,575e+4 -6,468e+4 5,317e+4 -1,720e+3 4,303e+2 -7,106e+1 5 20 1 8,655e+4 -2,498e+4 3,396e+4 -6,468e+4 4,798e+5 -6,027e+5 2,040e+5 -5,114e+4 8,303e+3 6 22 1 -6,577e+4 1,677e+4 -2,498e+4 5,317e+4 -6,027e+5 8,953e+5 -4,520e+5 1,523e+5 -2,545e+4 7 23 1 2,173e+2 -6,085e+2 8,520e+2 -1,720e+3 2,040e+5 -4,520e+5 4,514e+5 -2,643e+5 6,921e+4 8 24 1 -5,353e+2 1,537e+2 -2,107e+2 4,307e+2 -5,114e+4 1,527e+5 -2,646e+5 2,551e+5 -9,303e+3 9 25 1 8,867e+1 -2,307e+1 -3,507e+1 -7,307e+1 8,307e+3 -2,549e+4 6,923e+4 -9,303e+4 4,064e+3 Bảng 4. Bảng ma trận hệ số ảnh hưởng theo NK Áp lực Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ Dịch chỉnh δ (kgf) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) (1mm) R1 139295,22 -214398,67 81956,65 -9075,99 8643,45 -6589,81 213,66 -53,41 8,90 R2 -214398,67 342737,79 - 147868,08 25863,06 -24630,48 18778,39 -608,86 152,21 -25,36 R3 81956,65 -147868,08 86843,21 -29740.64 34253,71 -26115,19 864,74 -211,68 35,28 R4 -9075,99 25863,06 -29740,64 25755,06 -64621,26 53184,96 -1724,44 431,11 -71,85 R5 8643,45 -24630,48 34253,71 -64621,26 487261,26 -602809,51 204508,11 -51127,02 8521,17 R6 -6589,81 18778,39 -26115,19 53184,96 -602809,51 895929,32 -459651,52 152728,03 -25454,67 R7 213,66 -608,86 846,75 -1724,44 204508,11 -459651,52 451271,61 -264078,49 69223,18 R8 -53,41 152,21 -211,68 431,11 -51127,02 152728,03 -264078,49 255095,36 -92936,09 R9 8,90 -25,36 -35,28 -71,85 8521,17 -25454,67 69223,18 -92936,09 40699,44 124 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2014 2.4. Bảng so sánh giữa chương trình tính với các 3. Thảo luận chương trình khác Khi xây dựng chương trình tính, chương trình Bảng 5. So sánh phản lực gối đỡ hay bị nhầm lẫn với các chương trình tính như RDM nhưng thực tế, việc tính toán áp lực gối đỡ và ma Chương trình Gối RDM R (N) NK R (N) R (N) trận hệ số ảnh hưởng không thể tiến hành đồng thời 1 139307,166 139259,35 1392952,20 trên RDM cũng như các chương trình tính khác. 2 -2140500.744 -2143988,08 -2143986,70 Đây là bước đầu để làm cơ sở cho việc tính toán 3 814650,015 819569,53 819566,52 dịch chỉnh các ổ đỡ phục vụ cho việc định tâm hệ 4 -90746,300 -90759,88 -90759,98 trục tàu hàng trọng tải lớn. 5 86556,137 86439,23 86434,55 6 -6577,935 -65899,03 -65898,10 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 7 2173,114 2138,72 2136,64 1. Kết luận 8 -535,322 -539,47 -534,16 - Xây dựng được chương trình và xuất ra kết 9 89,678 89,44 89,03 quả chuyển vị, nội lực của hệ trục, biểu đồ nội lực, Bảng 6. So sánh mô men uốn, lực cắt ma trận hệ số ảnh hưởng và phản lực gối đỡ khi có và độ võng lớn nhất chuyển vị cưỡng bức. - Khi so sánh các kết quả tính từ chương Đại lượng Chương trình RDM NK trình với NK, RDM có độ sai lệch nhỏ, có thể áp Mô men uốn max 1,072643e+6 1,073002e+6 1,033459e+6 dụng được. (N.m) Lực cắt max 2. Kiến nghị 6,9599e+5 6,9639e+5 7,2409e+5 (N) - Khi lựa chọn mô hình hệ trục tàu không tránh Độ võng max khỏi những sai số, đặc biệt là mô hình dầm tương 0,518043 0,518082 0,428174 (mm) đương của trục khuỷu, nên cần nghiên cứu xác định Bảng 7. Giá trị sai lệch kết quả tính theo RDM mô hình phù hợp hơn. và NK so với chương trình tính - Trong quá trình xây dựng chương trình tính Sai lệch Sai lệch chỉ là một công đoạn trong quá trình lắp đặt hệ Kết quả tính của chương trình so với so với NK trục, chương trình chỉ mới được thực hiện lần đầu RDM (%) (%) không tránh những sai sót. Do đó cần phải phát triển Phản lực gối đỡ lớn nhất 0,083 0,088 chương trình thoàn thiện, nhằm phục vụ quá trình Phản lực gối đỡ nhỏ nhất 0,22 0,72 định tâm hệ trục như yêu cầu của Đăng kiểm. Mô men uốn lớn nhất 0,03 0,37 - Nghiên cứu tối ưu hóa vị trí gối đỡ trung gian, Lực cắt lớn nhất 0,05 0,89 mô hình các gối đàn hồi (thay vì cứng như trong đề Độ võng lớn nhất 0,07 0,20 tài) trong các điều kiện gần thực tế hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng, 2002. Phương pháp phần tử hữu hạn lý thuyết và lập trình, tập 1. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội. 2. Nguyễn Đăng Cường, 1998. Thiết kế và lắp ráp thiết bị tàu thủy. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội. 3. Quách Hoài Nam, 2010. Hướng dẫn sử dụng phần mềm FEM- RDM. Trường Đại học Nha Trang. 4. Quách Hoài Nam, 2010. Phương pháp phần tử hữu hạn. Trường Đại học Nha Trang. 5. Chu Quốc Thắng, 1997. Phương pháp phần tử hữu hạn. NXB Khoa học và Kỹ thuật. Hà Nội. Tiếng Anh 6. ClassNK, 2006. Guidelines on Shafting Alignment, Nippon Kaiji Kyokal. Japan. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 125