Đo đạc và phân tích rung động của tàu cá bằng vật liệu composite

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



NGUYỄN VIỆT ĐIỂN







ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH RUNG ĐỘNG CỦA
TÀU CÁ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE






LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC

HÀ NỘI - 2008


1
MỤC LỤC

MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3
DANH MỤC CÁC BẢNG 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5
MỞ ĐẦU 7
TỔNG QUAN 8
Chƣơng 1. CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VỀ RUNG ĐỘNG 9
1.1. Các khái niệm cơ bản về rung động 9
1.2. Thiết bị đo rung động 12
1.2.1. Đầu đo rung 12
1.2.2. Khối thu thập 16
1.2.3. Khối lƣu trữ và phân tích 16
1.3. Cơ sở phƣơng pháp đo đạc thực nghiệm rung động 16
1.3.1. Xác định đối tƣợng và mục đích đo 16
1.3.2. Chọn lựa và hiệu chuẩn thiết bị đo 16
1.3.3. Chọn chế độ đo, phân tích và lƣu trữ 17
1.3.4. Đánh giá, đƣa ra kết luận 17
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT RUNG ĐỘNG CỦA TÀU THỦY 18
2.1. Cơ lí tính của vật liệu composite làm vỏ tàu 18
2.2. Các thành phần cơ bản cấu thành tàu 19

2.3. Các tiêu chuẩn đánh giá rung động của tàu 19
2.3.1. Tác động của rung động lên con ngƣời 19
2.3.2. Rung động của kết cấu thân tàu 20
2.3.3. Rung động của máy móc thiết bị trên tàu 22
2.4. Nguồn gây rung và các khả năng rung động của tàu 23
2.4.1. Rung động khung thân tàu 24
2.4.2. Rung động các cụm kết cấu chính 30
2.4.3. Rung động các phần tử kết cấu cục bộ 31
2.4.4. Rung động các thiết bị trên tàu 31
2.4.5. Rung động của máy đẩy chính 32
2.5. Đo đạc và phân tích trạng thái rung động của tàu 35
2.5.1. Thiết bị đo 36
2.5.2. Đại lƣợng đo 36
2.5.3. Vị trí lắp đầu đo 37
2.5.4. Chế độ đo 38
2.5.5. Xử lý số liệu 38
Chƣơng 3. ĐO ĐẠC TẠI HIỆN TRƢỜNG 39
3.1. Các thông số kỹ thuật của tàu Cồn Cỏ 01. 39
3.2. Tiến hành đo đạc tại hiện trƣờng 39
3.2.1. Địa điểm và thời gian thực hiện 39
3.2.2. Thiết bị và phần mềm phân tích 40


2
3.2.3. Sơ đồ vị trí điểm đo 40
3.2.4. Chế độ đo, ghi, phân tích xử lý 41
3.2.5. Xử lý kết quả đo và đánh giá 42
3.3. Nhận xét chung và kết luận 50
3.3.1. Nhận xét chung 50
3.3.2. Kết luận 51

KẾT LUẬN 53
KIẾN NGHỊ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 54
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO 56
Phụ lục 1: Hình ảnh 57
Phụ lục 2: Đồ thị 58




3
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VTCB – vị trí cân bằng.
TB – trung bình.
RMS – trung bình bình phƣơng.
Peak – đỉnh.
TT – thứ tự.
FFT – Fast Fourier Transform.
n
ĐC
– tốc độ động cơ.
v/p – vòng/phút.
ĐĐ1 – điểm đo 1.
ĐĐ2 – điểm đo 2.
ĐĐ3 – điểm đo 3.
ĐĐ4 – điểm đo 4.
ĐĐ5 – điểm đo 5.
ĐĐ6 – điểm đo 6.
ĐĐ7 – điểm đo 7.
ĐĐ8 – điểm đo 8.

ĐĐ9 – điểm đo 9.
t – bƣớc thời gian.
N – số điểm phổ.





4
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Độ nhạy – Dải biên độ (đỉnh). 15
Bảng 2.1. ISO 6954 – giá trị rung cho phép đối với hành khách trên tàu. 20
Bảng 2.2. Thông số kỹ thuật của máy đo phân tích rung động tàu 36
Bảng 3.1. Thiết bị và phần mềm phân tích. 40
Bảng 3.3. Giá trị rung so với tiêu chuẩn thân thể. 43
Bảng 3.4. Giá trị rung động so với tiêu chuẩn kết cấu. 44
Bảng 3.5. Giá trị rung động so với tiêu chuẩn cho máy 45
Bảng 3.6. Tốc độ động cơ và tần số bội 3 tƣơng ứng. 46




5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Dao động điều hòa. 9
Hình 1.2. Quan hệ giữa chuyển vị, vận tốc, gia tốc. 9
Hình 1.3. Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc. 10
Hình 1.4. Tổ hợp các dao động. 11
Hình 1.5. Hệ thống đo rung động cơ bản. 12
Hình 1.6. Mô hình cơ học đầu đo rung. 13

Hình 1.7 Vật liệu áp điện. 14
Hình 1.8. Đƣờng cong đáp ứng tần số của đầu đo gia tốc kiểu áp điện điển hình. 16
Hình 2.1. Biểu đồ đánh giá rung động kết cấu. 21
Hình 2.2. Phân vùng giá trị rung cho phép (ISO 10816). 22
Hình 2.3. Biểu đồ rung cho phép đối với máy chuyên dùng cho tàu thuyền. 23
Hình 2.4. Các nguồn kích động chính khung thân tàu. 24
Hình 2.5. Hiệu ứng của các lực và mô men của động cơ chính trên thân tàu. 25
Hình 2.6. Lực ổ bi. 27
Hình 2.7. Các dạng dao động khung thân tàu 28
Hình 2.8. Một số dạng rung động đuôi tàu. 30
Hình 2.9. Dao động dọc trục của trục đẩy. 34
Hình 2.10. Dao động xoắn của trục. 34
Hình 2.11. Rung động xung quanh cơ cấu đẩy chính. 35
Hình 3.1. Bản vẽ thiết kế tổng quan tàu Cồn Cỏ 01. 39
Hình 3.2. Tàu Cồn Cỏ 01 trƣớc và sau khi xuất xƣởng. 39
Hình 3.3. Nhóm thực hiện đo đạc tại hiện trƣờng. 40
Hình 3.4. Thiết bị đo + hệ thống hiệu chuẩn – Các đầu đo sử dụng 40
Hình 3.5. Sơ đồ vị trí điểm đo trên tàu. 41
Hình 3.6. Đầu đo gắn tại: buồng lái – buồng khách – đuôi tàu. 41
Hình 3.7. Phần mềm DasyLab – phân tích, xử lý số liệu. 42
Hình 3.7. Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm Đ5(z) và Đ6(z). 47
Hình 3.8. Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ1(z) và ĐĐ3(z). 47
Hình 3.9. Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ2(y) và ĐĐ4(y). 48
Hình 3.10. Đáp ứng tần số của gia tốc rung động điểm ĐĐ7(z), ĐĐ8(z), ĐĐ9(z). 48
Hình 3.11. Gia tốc rung động khi tàu tăng tốc từ 600v/p đến 2600v/p trong khoảng 50s. 50
Hình 3.12. Phổ gia tốc rung động khi tăng tốc độ từ 600v/p đến 2600v/p trong khoảng 50s. . 50
Phụ lục 1.1. Một số hình ảnh đo đạc tại hiện trƣờng. 57
Phụ lục 2.1. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 600v/p. 58
Phụ lục 2.2. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 700v/p. 59
Phụ lục 2.3. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 800v/p. 60

Phụ lục 2.4. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 900v/p. 61
Phụ lục 2.5. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1000v/p. 62
Phụ lục 2.6. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1100v/p. 63
Phụ lục 2.7. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1200v/p. 64
Phụ lục 2.8. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1300v/p. 65
Phụ lục 2.9. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1400v/p. 66


6
Phụ lục 2.10. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1500v/p. 67
Phụ lục 2.11. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1600v/p. 68
Phụ lục 2.12. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1700v/p. 69
Phụ lục 2.13. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1800v/p. 70
Phụ lục 2.14. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 1900v/p. 71
Phụ lục 2.15. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2000v/p. 72
Phụ lục 2.16. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2100v/p. 73
Phụ lục 2.17. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2200v/p. 74
Phụ lục 2.18. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2300v/p. 75
Phụ lục 2.19. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2400v/p. 76
Phụ lục 2.20. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2500v/p. 77
Phụ lục 2.21. Rung động tại các điểm đo khi tàu chạy tốc độ 2600v/p. 78
Phụ lục 2.22. Chế độ chạy quá độ 79





7
MỞ ĐẦU
Hiện nay hầu hết tàu thuyền cỡ nhỏ của Việt Nam đƣợc đóng bằng gỗ, nhƣ

chúng ta biết, nguồn gỗ phục vụ cho đóng mới và sửa chữa tàu cá đang ngày
càng cạn kiệt do bị khai thác bừa bãi, diện tích rừng bị thu hẹp, ảnh hƣởng
nghiêm trọng đến môi trƣờng sinh thái. Việc tìm nguồn nguyên liệu mới thay
cho gỗ trong lĩnh vực đóng tàu nói chung và tàu cá nói riêng là vấn đề rất cần
thiết.
Vật liệu composite ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo tàu
thuyền du lịch, tàu đánh cá, tàu vận tải cỡ nhỏ ven sông biển. Qua thực tế sử
dụng cho thấy, nhƣợc điểm cần đƣợc khắc phục đối với tàu thuyền loại này là độ
rung và độ ồn lớn hơn nhiều so với tàu thuyền cùng cỡ có vỏ bằng gỗ hoặc thép.
Khắc phục đƣợc nhƣợc điểm này thì tàu thuyền đƣợc làm từ vật liệu composite
sẽ có nhiều ƣu điểm vƣợt trội (nhẹ, độ bền riêng cao, chịu môi trƣờng ẩm, mặn,
chịu hà tốt, độ bóng bề mặt cao, dễ tạo dáng) so với tàu thuyền cùng loại làm từ
gỗ và thép.
Để khắc phục đƣợc nhƣợc điểm trên cần phải thực hiện đo rung động của
tàu, phân tích, đánh giá so với các tiêu chuẩn, từ đó là cơ sở cho các quy trình
giảm rung ồn đối với từng tàu thuyền. Đề tài này tập trung đo đạc và phân tích
rung động trên một tàu cụ thể làm bằng vật liệu composite, là bƣớc rất quan
trọng để đƣa ra thực trạng rung động khi vận hành thực tế để đƣa ra các giải
pháp điều chỉnh tiếp theo.


8
TỔNG QUAN
Tàu là một cơ hệ bao gồm nhiều thành phần kết cấu và cơ khí (máy, thiết bị
trên tàu), chịu kích động bởi một tổ hợp các loại tải trọng động phức tạp có chu
kỳ và không chu kì có cƣờng độ tăng lên đáng kể theo độ khốc liệt của sóng biển
và các chế độ vận hành khác nhau. Đáp ứng của toàn bộ các hệ kết cấu và các
thành phần máy, cơ khí của tàu đối với một dải rộng các lực kích động và với
các hệ số giảm chấn nhỏ, thƣờng đặt các nhà thiết kế trƣớc các vấn đề rất nan
giải. Mặc dù các kết quả nghiên cứu về rung động thƣờng cũng đƣợc hƣớng dẫn

áp dụng trong quá trình thiết kế và chế tạo tàu, nhƣng nhiều nguyên nhân tiềm
ẩn vẫn có thể gây ra các vấn đề rung động trên tàu một cách nghiêm trọng. Sự
xuất hiện các vấn đề nhƣ vậy khi một con tàu đƣợc hạ thuỷ là chuyện không
hiếm. Hơn thế, các vấn đề bảo dƣỡng có thể phát sinh trong quá trình vận hành
tàu là chuyện bình thƣờng.
Tàu compostie là loại tàu có vỏ và kết cấu thân tàu làm từ vật liệu
composite, do các đặc tính của vật liệu này (độ cứng kém vật liệu thép và độ
giảm chấn kém vật liệu gỗ) nên vấn đề rung ồn của tàu loại này cần đƣợc quan
tâm giải quyết. Trên thực tế cũng đã xuất hiện những con tàu vỏ compostie có
mức rung ồn vƣợt xa các tiêu chuẩn cho phép.
Luận văn chủ yếu tập trung vào việc đo đạc và phân tích rung động của
một tàu làm bằng composite là tàu Cồn Cỏ 01, gồm có 3 phần chính phân thành
3 chƣơng:
- Chƣơng 1: Cơ sở phƣơng pháp đo đạc thực nghiệm về rung động –
trình bày về các khái niệm, nguyên lý cơ bản của hệ thống đo rung, đƣa ra cơ sở
phƣơng pháp đo thực nghiệm.
- Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết rung động của tàu thủy – tập trung vào các
lý thuyết rung động trên tàu thủy, bao gồm: các thành phần cấu tạo tàu, các
nguồn gây rung động và các khả năng rung động có thể có. Từ đó phục vụ cho
việc đo đạc thực tế.
Chƣơng 3: Đo đạc tại hiện trƣờng – tiến hành đo đạc trên 1 tàu thực, phân tích
các kết quả, so sánh đánh giá với các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành và đƣa ra các
kết luận.


9
Chƣơng 1. CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VỀ RUNG
ĐỘNG
1.1. Các khái niệm cơ bản về rung động
 Dao động điều hòa

Hình 1.1. Dao động điều hòa.
Phƣơng trình dao động:
x = Asin(2ft + ).
trong đó:
A – biên độ dao động (m).
T – chu kỳ dao động (s).
f=1/T – tần số dao động (Hz).
 Quan hệ giữa chuyển vị, vận tốc, gia tốc của dao động điều hòa
=t=2ft.

Hình 1.2. Quan hệ giữa chuyển vị, vận tốc, gia tốc.
x
Q
P
r
O
θ
x = rsin


P
r
O
θ
V
V cosθ

v =


(r
2
- x
2
)
1/2

P
r
O
θ

2
r

2
rsinθ

a = -

2
x
t
VTCB

x
Lò xo
T
t
A

10
 Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc của dao động điều hòa

Hình 1.3. Quan hệ về pha của chuyển vị, vận tốc, gia tốc.
 Các đại lƣợng thƣờng đƣợc dùng
- Các giá trị đỉnh (peak)
x=X
peak
sin(2ft) = X
peak
sin(t).
v=V
peak
cos(2ft) = V
peak
sin(t+/2).
a=A
peak
sin(2ft) = A
peak
sin(t+).
- Các giá trị trung bình (TB)


2/T
0
TB
dtx

T
2
X
.
- Các giá trị RMS (Root Mean Square)


T
0
2
RMS
dtx
T
1
X
.
 Quan hệ giữa các đại lƣợng của dao động điều hòa
peakTB
X
2
X


.
peakRMS
X
2
1
X 
.

0
x chuyển vị: x=rsin.
v vận tốc: v=Vsin(+/2).
a gia tốc: a=
2
rsin(+).
0
0
90
0

90
0

90
0

360
0

360
0

360
0



11
 Các hệ số đặc trƣng

Hệ số dạng (form factor):
TB
RMS
f
X
X
F 
.
Hệ số nhấp nhô (Crest factor):
peak
RMS
c
X
X
F 
.
Với dao động điều hòa:
11.1
22
F
f



.
71.0
2
1
F
c


.
 Tổ hợp các dao động – phổ biên độ/tần số


Hình 1.4. Tổ hợp các dao động.
Phân tích Fourier: mỗi tín hiệu rung động thƣờng là tổ hợp của nhiều thành
phần dao động điều hòa, phép phân tích Fourier cho phép tách riêng từng thành
x
1
=A
1
sin(2f
1
t).
x
2
=A
2
sin(2f
2
t).
x
3
=x
1
+x
2
.
t (s)

Hz
A
1

A
2

f
1

f
2



12
phần đao động điều hòa đó.
x(t) = 0.5a
0
+a
1
cost+ a
2
cos2t+…+ a
n
cosnt
+ b
1
cost+ b

2
cos2t+…+ b
n
cosnt.
Trong đó:





/2
0
n
dt.tncosx
1
a
;





/2
0
n
dt.tnsinx
1
b
.
(ở đây x(t) phải là hàm tuần hoàn chu kỳ 2/).

1.2. Thiết bị đo rung động
Một hệ thống đo rung động cơ bản có sơ đồ nhƣ hình 1 dƣới đây:

Hình 1.5. Hệ thống đo rung động cơ bản.
Nguyên lý cơ bản của hệ thống đo rung là chuyển năng lƣợng cơ học từ đối
tƣợng rung động thành năng lƣợng điện bằng đầu đo rung, sau đó nó đƣợc
khuếch đại rồi chuyển vào thiết bị xử lý, phân tích và hiển thị.
1.2.1. Đầu đo rung
a. Mô hình cơ học và nguyên lý cơ bản của các đầu đo rung
Đầu đo rung có thể đƣợc mô hình hóa nhƣ hệ dao động 1 bậc tự do:
Đầu đo
- Đầu đo gia tốc
- Đầu đo vận tốc
- Đầu đo chuyển vị
Khối thu thập
- Khuếch đại
- Lọc cứng
- Vi, tích phân cứng
- Chuyển đổi A/D
Lưu trữ & phân tích
- Lưu trữ, hiển thị
- Xử lí, phân tích
Nguồn cấp
- AC
- DC
Đối tượng rung động


13
)t(um)t(kr)t(rc)t(rm




.
(Với giả thiết đầu đo đƣợc gắn chặt với đối tƣợng rung động).
Ở đây u(t) là tín hiệu rung động đầu vào cần đo, r(t) là tín hiệu đầu ra.

Hình 1.6. Mô hình cơ học đầu đo rung.
Khảo sát tƣơng quan giữa m, c, k ta sẽ có nguyên lý các loại đầu đo:
 Chuyển vị
).t(u)t(r),t(um)t(rm
)t(kr)t(rc)t(rm






r = f(u): tín hiệu đầu ra là hàm của chuyển vị, nên ta có nguyên lý của đầu
đo chuyển vị.
 Vận tốc
).t(u
2
1
)t(u
c
m
)t(r),t(um)t(rc
)t(kr)t(rm)t(rc
0








r = f(
u

): tín hiệu đầu ra là hàm của vận tốc, nên ta có nguyên lý của đầu
đo vận tốc.
 Gia tốc:
).t(u
1
)t(u
k
m
)t(r),t(um)t(kr
)t(rc)t(rm)t(kr
2
0






r = f(
u


): tín hiệu đầu ra là hàm của gia tốc, nên ta có nguyên lý của đầu
đo gia tốc.
Sau đây tôi sẽ trình bày nguyên lý cơ bản của đầu đo gia tốc, là loại đầu đo
rung thông dụng và phổ biến nhất hiện nay.
m
r(t)
c
k
u(t)
t


14
b. Đầu đo gia tốc
 Các loại đầu đo gia tốc
Dựa vào nguyên lý cơ bản nhƣ đã trình bày ở trên (r = f(
u

)), ngƣời ta đã
chuyển năng lƣợng cơ học thành năng lƣợng điện bằng cách sử dụng một loại
vật liệu áp điện (hình 1.7), khi chịu một lực tác dụng thì nó sẽ sinh ra một điện
tích, điện tích này tỷ lệ thuận với gia tốc vào của đầu đo (gia tốc cần đo).

Hình 1.7 Vật liệu áp điện.
Dựa vào kiểu hoạt động thì có thể phân ra 2 loại đầu đo gia tốc là đầu đo
điện tích và đầu đo điện áp:
- Đầu đo điện tích bên trong chỉ có phần tử cảm ứng (áp điện) mà không
có gắn các mạch điện. Đặc điểm của loại đầu đo này là đầu ra là tín hiệu điện
tích có điện trở cao. Khi đó giữa đầu đo và thiết bị thu thập tín hiệu phải dùng

một bộ khuếch đại điện tích hoặc một bộ chuyển đổi điện tích để chuyển tín hiệu
điện tích đầu ra thành tín hiệu điện áp có điện trở thấp. Các đầu đo điện tích
đƣợc dùng trong các đối tƣợng có nhiệt độ cao nhƣ giám sát các đƣờng ống của
máy, động cơ và các tua bin nhiệt. Để giảm hiệu ứng nhiễu của tín hiêu đầu ra
(do điện trở cao) ngƣời ta dùng cáp đồng trục nối giữa đầu đo và bộ khuếch đại
điện tích.
- Đầu đo điện áp ngoài phần tử cảm ứng (áp điện) nó còn đƣợc tích hợp
mạch điện tử bên trong để chuyển đổi tín hiệu điện tích có điện trở cao thành tín
hiệu điện áp có điện trở thấp, tín hiệu này có thể đƣợc truyền một cách dễ dàng
qua các cáp đồng trục hoặc cáp có lõi 2 dây thông thƣờng. Do điện trở thấp nên
tín hiệu có thể đƣợc truyền qua các cáp dài và đƣợc dùng nhiều trong công
nghiệp. Do bộ khuếch đại tích hợp ngay bên trong nên chúng không cần dùng
những loại cáp nhiễu thấp hoặc các bộ khuếch đại ngoài trƣớc các thiết bị thu
thập tín hiệu. Đầu đo điện áp đƣợc sử dung trong hầu hết việc đo rung động
hoặc xung do tính đơn giản, chính xác, dải tần số rộng và giá thấp. Kiểu điển
hình trong loại này là đầu đo ICP (Integrated Circuit Piezoelectric).
 Các thông số của đầu đo gia tốc
Hai thông số quan trọng của đầu đo gia tốc là độ nhạy và dải tần số làm việc.


15
- Độ nhạy đầu đo: là giá trị đầu ra (là giá trị điện)/một đơn vị gia tốc đầu
vào. Với đầu đo điện tích thì giá trị đầu ra là điện tích, đơn vị của độ nhạy sẽ là
pC/g (1pC=10
-12
C; g=9.807m/s
2
). Với đầu đo điện áp thì giá trị đầu ra là điện
áp, đơn vị của độ nhạy sẽ là mV/g (1mV=10
-3

V). Độ nhạy của các đầu đo điện
áp trong công nghiệp thƣờng nằm trong dải từ 10mV/g tới 500mV/g. Nhƣng
trong hầu hết các ngành công nghiệp nói chung thì độ nhạy chuẩn thƣờng là
100mV/g.
Một thông số quan trọng nữa của đầu đo gia tốc liên quan tới độ nhạy là dải
biên độ có thể đo đƣợc. Nhƣ đã biết điện áp ở đầu ra của đầu đo gia tốc tỷ lệ
thuận với gia tốc đầu vào qua hệ số độ nhạy, giá trị giới hạn của điện áp này phụ
thuộc vào nguồn điện áp cấp cho đầu đo, thông thƣờng là 5V. Do đó gia tốc lớn
nhất mà đầu đo gia tốc có thể đo đƣợc bằng giá trị giới hạn của điện áp đầu ra
chia cho độ nhạy đầu đo, đƣợc gọi là dải biên độ có thể đo đƣợc.
Nhƣ vậy đầu đo gia tốc nào có độ nhạy càng cao thì dải biên độ có thể đo
đƣợc càng nhỏ, tƣơng quan tỷ lệ nghịch. Bảng 1.1 là độ nhạy với dải biên độ
(đỉnh) có thể đo đƣợc của các đầu đo gia tốc có giá trị giới hạn điện áp ra là 5V.
Bảng 1.1. Độ nhạy – Dải biên độ (đỉnh).
Độ nhạy (mV/g)
1000
500
100
50
25
10
Dải biên độ (đỉnh, g)
5
10
50
100
200
500
Do dải biên độ có thể đo đƣợc của đầu đo tỷ lệ nghịch với độ nhạy nên
những đầu đo có độ nhạy cao thƣờng đƣợc dùng để đo những rung động có tần

số thấp và biên độ nhỏ, nó không thích hợp cho việc đo đạc rung động tần số
cao. Với với đo đạc rung động tần số cao và biên độ lớn thì nên dung những đầu
đo có độ nhạy thấp thì thích hợp.
- Dải tần số làm việc
+ Tần số riêng của đầu đo gia tốc: là tần số mà tại đó giá trị đầu ra của
đầu đo đạt giá trị lớn nhất, nó có công thức tính nhƣ sau:
2
N
m
k
2
1
f


(Hz).
Trong đó: k – độ cứng; m
2
– khối lƣợng.
+ Dải tần số làm việc:
Với mỗi đầu đo gia tốc nhƣ đã biết giá trị tại đầu ra cần phải tỷ lệ với giá trị
gia tốc đầu vào cần đo, nhƣ đã trình bày tỷ số đó chính là độ nhạy. Theo đƣờng
cong đáp ứng tần số ở hình 1.8 (của đầu đo gia tốc kiểu áp điện điển hình) thì
giá trị độ nhạy này chỉ là hằng số trong 1 dải tần số nhất định, dải tần số này
đƣợc gọi là dải tần số sử dụng hay dải tần số làm việc của đầu đo.


16

Hình 1.8. Đường cong đáp ứng tần số của đầu đo gia tốc kiểu áp điện điển hình.

1.2.2. Khối thu thập
 Khuếch đại: khuếch đại tín hiệu điện từ đầu đo ra do tín hiệu điện đó
đƣợc sinh ra quá nhỏ.
 Lọc cứng: dùng các mạch lọc điện tử analog để lọc nhiễu.
 Chuyển đổi A/D: tín hiệu từ đầu đo, qua khuếch đại, lọc là tín hiệu liên
tục (analog), nó sẽ đƣợc chuyển thành tín hiệu rời rạc (digital) qua bộ chuyển
đổi A/D để chuyển vào máy tính để xử lý tiếp.
1.2.3. Khối lƣu trữ và phân tích
Tín hiệu sau khi đƣợc số hóa sẽ đƣợc truyền vào máy tính để hiển thị, phân
tích và lƣu trữ bằng các phần mềm chuyên dụng.
1.3. Cơ sở phƣơng pháp đo đạc thực nghiệm rung động
1.3.1. Xác định đối tƣợng và mục đích đo
- Trƣớc khi đo rung động cho một đối tƣợng ta cần phải tìm hiểu chi tiết về
đối tƣợng đó nhƣ: hình học, cấu trúc, vật liệu … để có thể biết đƣợc các khả
năng rung động có thể có. Đặc biệt nếu có thể thì mô phỏng đối tƣợng đó bằng
phần mềm chuyên dụng để nhận biết trực quan hơn về khả năng rung động, phục
vụ cho các mục đích đo.
- Xác định mục đích đo rung rõ ràng để xác định các đại lƣợng đo hợp lý,
dễ dàng cho việc lấy thông tin kết quả.
1.3.2. Chọn lựa và hiệu chuẩn thiết bị đo
- Từ đối tƣợng và mục đích đo ta chọn thiết bị hợp lý (kiểu đầu đo, số
lƣợng đầu đo, khối khuếch đại, lƣu trữ, hiển thị, phân tích…).
- Một bƣớc rất quan trọng nữa là cần phải hiệu chỉnh thiết bị đo, mục đích


17
là để xem thiết bị đó còn hoạt động đúng nữa hay không.
1.3.3. Chọn chế độ đo, phân tích và lƣu trữ
Tùy vào mục đích đo rung, ta chọn chế độ đo và phân tích, lƣu trữ phù
hợp, ví đo đo đánh giá theo tiêu chuẩn ta chọn dải tần số đo theo tiêu chuẩn để

so sánh, nếu đo để chẩn đoán thì chọn dải tần số rung theo đối tƣợng có thể đáp
ứng đƣợc.
1.3.4. Đánh giá, đƣa ra kết luận
Đây là bƣớc cuối cùng, sau khi đo đạc, lƣu trữ ta phân tích các kết quả
theo mục đích đo, so sánh đánh giá và kết luận.


18
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT RUNG ĐỘNG CỦA TÀU THỦY
2.1. Cơ lí tính của vật liệu composite làm vỏ tàu
[2] Vật liệu composite đƣợc dùng phổ biến trong đóng tàu cá và tàu du lịch
nhỏ ở Việt Nam thuộc loại GRP (Glassfiber Reinforced Plastic). Vật liệu GRP
là loại vật liệu compostie dựa trên cốt sợi thuỷ tinh, và nền là nhựa tổng hợp.
Theo thống kê có đến hơn 80% vật liệu compostite thuộc loại GRP. Thành phần
cơ bản của vật liệu compostie đƣợc dùng trong đóng tàu gồm:
 Nhựa nền
Nhựa nền vật liệu compostie thƣờng dùng bao gồm Polyester không no
UPR (Unsaturated Polyester Resin), Epoxy, Silicon, Vinylester, Phenolic.
 Cốt sợi thuỷ tinh
- Sợi đồng phƣơng: Đây là dạng cơ bản nhất, từ loại sợi đồng phƣơng, các
loại khác nhƣ vải (Cloth), vải thô (Wowen roving) sẽ đƣợc tạo ra. Cơ lí tính của
composite có cốt sợi đồng phƣơng đƣợc lấy làm cơ sở để tính toán các đặc trƣng
cơ lí của các loại vật liệu composite khác.
- Vải thuỷ tinh (Cloth): Vải thuỷ tinh đƣợc dệt từ sợi đồng phƣơng theo các
kiểu dệt khác nhau. Trong thực tế thƣờng dùng các loại vải thuỷ tinh nhƣ kiểu
lụa, kiểu xa tanh, kiểu vân chéo…
- Vải thô (Wowen roving): Vải thô cũng đƣợc dệt từ sợi đồng phƣơng,
nhƣng khoảng cách giữa các sợi lớn hơn so với vải thuỷ tinh.
- Mat (Chopped Strand Mating): Mat đƣợc chế tạo bằng cách rải ngẫu
nhiên các sợi thuỷ tinh trên bề mặt.

 Cấu trúc lớp
Trong thực tế sản xuất, vật liệu cốt đƣợc sử dụng và cách phân bổ các lớp
trong đóng tàu chủ yếu gồm hai loại chính và đƣợc phân bổ nhƣ sau:
- Lớp cốt sợi MAT thƣờng đƣợc dùng làm lớp đầu tiên, lớp trung gian và
lớp cuối cùng của vỏ tàu, lớp cốt sợi mat thƣờng có hai loại M300 (tỷ trọng
300g/m
2
), loại M450 (tỷ trọng 450g/m
2
).
- Lớp vải thô đƣợc dùng xen kẽ với MAT và cũng có hai loại đƣợc dùng
phổ biến là WR600 (tỷ trọng 600g/m
2
) và WR800 (tỷ trọng 800g/m
2
).
 Đặc điểm cơ học
Do có cấu tạo đặc biệt nhƣ vậy nên vật liệu compostie có sự khác biệt với
các vật liệu đẳng hƣớng (thép, hợp kim…) ở một số điểm sau:
- Mô đun đàn hồi thay đổi theo không gian.
- Tồn tại các hiệu ứng kéo theo.
- Các chi tiết kết cấu GRP thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng lớp.
Do đó, việc xác định đƣợc các đặc trƣng cơ lí (mô đun đàn hồi E, mô đun


19
đàn hồi trƣợt, hệ số Poisson ) của vật liệu composite và ứng xử của nó là một
vấn đề rất phức tạp.
2.2. Các thành phần cơ bản cấu thành tàu
[6] Có thể chia toàn bộ tàu thành 5 phần nhƣ sau:

 Khung thân tàu.
 Cụm kết cấu chính.
 Các phần tử kết cấu cục bộ.
 Thiết bị trên tàu.
 Các hệ máy đẩy chính.
Cách phân loại trên đặc biệt hữu ích trong chẩn đoán, đánh giá và phát triển
cách giải quyết các vấn đề rung động trên tàu.
Ba phần đầu tiên liên quan tới kết cấu và kích thƣớc, các lực kích động
chính lên các phần này chủ yếu là do chân vịt hoặc các lực động cơ đẩy kiểu
diesel truyền trực tiếp qua kết cấu và lan truyền trong đó.
Thiết bị trên tàu đƣợc phân loại thành thiết bị chủ động và bị động, thiết bị
chủ động là trực tiếp sinh ra các lực rung động, thiết bị bị động thì không sinh ra
lực rung động. Đáp ứng của những thiết bị này có thể liên quan tới chính lực
kích động của chúng hoặc tới các lực truyền qua kết cấu tàu.
Hệ máy đẩy chính có thể bị kích động bởi chân vịt, mất cân bằng động
hoặc thủy động lực hoặc do các lực điều hòa trong trƣờng hợp với động cơ
diesel. Các rung động vƣợt mức của hệ máy chính có thể phá hỏng thân tàu,
thiết bị hoặc chính các máy đó.
Hiểu biết về lực kích động và đáp ứng của các phần tử riêng biệt và mối
tƣơng quan giữa chúng sẽ giúp cho việc nhận biết hầu hết các vấn đề rung động
gặp phải. Mục 2.4 sẽ phân tích chi tiết từng mục cụ thể ở trên.
2.3. Các tiêu chuẩn đánh giá rung động của tàu
Để đánh giá mức rung động của tàu ngƣời ta phân ra 3 loại tiêu chuẩn:
 Tác động của rung động lên con ngƣời.
 Rung động của kết cấu thân tàu.
 Rung động của máy móc thiết bị trên tàu.
2.3.1. Tác động của rung động lên con ngƣời
Các tiêu chuẩn tham khảo: [9], [10], [15].
Tiêu chuẩn ISO 6954 hƣớng dẫn cách đo, ghi và đánh giá rung động liên
quan tới khả năng thích nghi trên các tàu thƣơng mại và tàu khách:

20
- Thiết bị đo đạc: theo tiêu chuẩn ISO 8041, cần đƣợc hiệu chuẩn trƣớc
khi đo.
- Vị trí và hƣớng đo:
+ Vị trí: chọn vị trí trên sàn đáp ứng rung động lớn nhất có thể.
+ Hƣớng đo: theo 3 hƣớng của tàu là dọc tàu, ngang tàu và phƣơng
thẳng đứng.
- Điều kiện đo: quá trình ghi số liệu cần đảm bảo tất cả các điều kiện sau:
+ Lộ trình tự do kiểm tra theo 1 dòng chảy thẳng (lộ trình tự do là điều
kiện đƣợc duy trì khi tàu chạy ở tốc độ cố định và dòng với bánh lái
luôn tạo 1 góc nhỏ hơn 20 so với mạn trái và mạn phải của tàu).
+ Động cơ đảm bảo chạy ở tốc độ cố định.
+ Biển động cấp 3 hoặc nhỏ hơn.
+ Chân vịt ngập nƣớc.
+ Độ sâu của nƣớc không đƣợc nhỏ hơn 5 lần tầm nƣớc của tàu.
- Quá trình đo: chế độ đo, ghi để lấy số liệu theo tiêu chuẩn 2631.
Tiêu chuẩn ISO 6954 đƣa ra cách đánh giá khả năng thích nghi của những
ngƣời hoạt động trên tàu. Nó phân loại ra các lớp áp dụng cho các vùng khác
nhau trên tàu mà đƣợc sự chấp nhận giữa bên đóng tàu, chủ tàu và bên đánh giá
khả năng thích nghi. Các giá trị đƣa ra là RMS của gia tốc (mm/s
2
) và vận tốc
(mm/s) và là giá trị toàn thang có tính đến trọng số tần số trong dải từ 1Hz đến
80Hz.
Bảng 2.1. ISO 6954 – giá trị rung cho phép đối với hành khách trên tàu.

Phân loại vùng
A

B
C
mm/s
2
mm/s
mm/s
2
mm/s
mm/s
2
mm/s
Các giá trị phía trên
có thể gây khó chịu
143
4
214
6
286
8
Các giá trị phía dưới
không thể gây khó
chịu
71.5
2
107
3
143
4
Ghi chú: vùng nằm giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất phản ánh các rung động thực tế thông
thường trên tàu và chấp nhận được.

Ghi chú: vùng A là trong cabin, vùng B là phòng ăn ở của thủy thủ, vùng C
là những nơi làm việc.
2.3.2. Rung động của kết cấu thân tàu
Các tiêu chuẩn tham khảo: [11], [12].
Nếu giới hạn tiếp xúc của thân thể với rung động không vƣợt quá trong


21
phòng ăn ở ở trên tàu thì các vấn đề rung động vẫn có thể gặp phải trong các
vùng khác mà các giá trị giới hạn không đƣợc áp dụng. Ví dụ nhƣ các kết cấu
thùng hoặc các thành phần cục bộ khác ở đuôi tàu và trong phòng máy.
Do đó trong trƣờng hợp cộng hƣởng hoặc gần cộng hƣởng có thể khuếch
đại các rung động liên quan tới các trụ đỡ. Nguy cơ xảy ra hƣ hỏng từ việc độ
bền mỏi không tƣơng xứng là rất cao. Do có nhiều nhân tố ảnh hƣởng tới độ bền
mỏi nhƣ: vật liệu, các chi tiết kết cấu (ứng suất tập trung), dạng rung động, kỹ
thuật hàn, phƣơng pháp chế tạo và môi trƣờng (chất xúc tác ăn mòn), nên khả
năng xảy ra rạn nứt là rất lớn, xem hình 2.1.

Hình 2.1. Biểu đồ đánh giá rung động kết cấu.
Biểu đồ trên đƣa ra 2 đƣờng cong giới hạn (đƣợc thiết lập từ rất nhiều lần
đo thực nghiệm) mà có thể dùng để đánh giá khả năng xảy ra rạn nứt các kết cấu
cục bộ do quá trình rung động (các giá trị biên độ ở trên là các giá trị đỉnh).
Trục hoành của biểu đồ trên là giá trị tần số rung động chia theo dải loga cơ
số 10, trục tung là 3 giá trị: chuyển vị, vận tốc và gia tốc. Đƣờng cong giới hạn
đƣợc chia ra đánh giá theo 2 mức tần số: mức tần số thấp (<5Hz) và mức tần số
cao (>5Hz). Với mức tần số thấp thì đánh giá theo các giá trị chuyển vị (tính


22

theo mm, đỉnh), với mức tần số cao thì đánh giá theo các giá trị vận tốc (tính
theo mm/s, đỉnh), còn giá trị gia tốc là tham khảo tƣơng ứng với các giá trị đánh
giá.
2.3.3. Rung động của máy móc thiết bị trên tàu
Các tiêu chuẩn tham khảo: [13], [14].
Để đánh giá chất lƣợng rung động của 1 máy đã biết và đƣa ra các hƣớng
dẫn về các hoạt động cho phép đối với máy đó, ngƣời ta đƣa ra các vùng đánh
giá đặc trƣng. Sự phân loại khác nhau và số lƣợng các vùng đƣợc phân đối với
các kiểu máy đặc biệt đƣợc đƣa ra trong phần bổ sung của ISO 10816.
- Vùng A: rung động của các máy mới đƣa vào sử dụng thƣờng nằm
trong vùng này.
- Vùng B: rung động các máy nằm trong vùng này thƣờng chấp nhận
đƣợc và không tính đến điều kiện hoạt động liên tục trong khoảng thời gian dài.
- Vùng C: rung động các máy nằm trong vùng này thƣờng không thỏa
mãn trong điều kiện làm việc liên tục trong khoảng thời gian dài. Nhìn chung
một máy có thể hoạt động theo một chu kỳ giới hạn trong điều kiện trên tới khi
có cơ hội thích hợp để kiểm tra sửa chữa.
- Vùng D: các giá trị rung động nằm trong vùng này thƣờng vừa đủ mức
độ nguy hiểm làm hƣ hỏng máy.


Hình 2.2. Phân vùng giá trị rung cho phép (ISO 10816).
Trong hầu hết các trƣờng hợp thì vân tốc rung động là đủ đặc trƣng cho
mức độ nguy hiểm của rung động trong dải tốc độ làm việc của máy. Tuy nhiên
Vùng A
Vùng B
Vùng C
Vùng D
Vận tốc, RMS
Tần số, f

f
l
f
u
f
x
f
y


23
trong một số trƣờng hợp chỉ dùng một giá trị vận tốc mà không quan tâm tới tần
số có thể dẫn tới trƣờng hợp chuyển vị lớn vƣợt mức cho phép mà vận tốc vẫn ở
mức cho phép, đó là các trƣờng hợp máy làm việc ở tần số thấp, khi đó các rung
động ở tần số quay thƣờng nổi trội. Tƣơng tự với trƣờng hợp máy làm việc ở tần
số cao, khi đó vận tốc vẫn ở mức cho phép nhƣng gia tốc lại vƣợt mức cho phép.
Do đó tiêu chuẩn cho phép dựa vào vận tốc sẽ có dạng nhƣ hình trên, trong đó
khi tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (f
l
÷ f
x
) thì đánh giá rung động
theo chuyển vị, tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (f
x
÷ f
y
) thì đánh
giá rung động theo vận tốc, tần số làm việc của máy nằm trong khoảng từ (f
y
÷

f
u
) thì đánh giá rung động theo gia tốc.

Hình 2.3. Biểu đồ rung cho phép đối với máy chuyên dùng cho tàu thuyền.
Nhìn chung đƣờng cong giới hạn A có thể dùng đánh giá các mức rung
động liêu quan tới các thành phần của máy. Các tiêu chuẩn đánh giá theo các
đƣờng cong A’, B, B’ và C chủ yếu dùng cho các động cơ kiểu piston với các
phụ kiện liên quan. Ngoài ra đƣờng cong giới hạn B cũng đƣợc dùng để đánh
giá thiết bị và các thành phần lắp đặt trong các hộp số hoặc bánh lái. Những
trƣờng hợp khó đánh giá các bộ phận của máy thì nên dùng các tiêu chuẩn đánh
giá trong vùng A.
2.4. Nguồn gây rung và các khả năng rung động của tàu
[6] Rung động của tàu thủy có thể gây ra hƣ hỏng mỏi của kết cấu tàu hoặc


24
các bộ phận máy chính, giảm hiệu suất của thiết bị quan trọng trên tàu, tăng giá
thành bảo dƣỡng, tăng sự khó chịu cho hành khách và thủy thủ. Nhìn chung
rung động thân tàu gây khó chịu cho thủy thủ trƣớc khi gây hƣ hỏng kết cấu tàu.
Tuy nhiên hỏng hóc của các bộ phận máy chính và thiết bị quan trọng có thể
không gây khó chịu trên tàu.
2.4.1. Rung động khung thân tàu
Bộ khung thân tàu gồm có bộ vỏ, sàn chính và các phần tử bên trong tạo
nên độ bền cần thiết của tàu đáp ứng đƣợc môi trƣờng biển mong muốn.
Các đáp ứng của khung thân tàu giống nhƣ dầm tự do 2 đầu chịu các tải
trọng động. Lực kích động chủ yếu là các lực chân vịt, rung động của khung thể
hiện hầu hết các nguồn rung động khó chịu hay xuất hiện trên tàu. Chân vịt và
hình dạng đuôi tàu tạo nên các đặc trƣng rung động trên tàu. Sau khi chế tạo vẫn
cần phải sửa đổi để hiệu chỉnh các rung động quá mức từ phần không hợp lý của

chân vịt hoặc đuôi. Hơn nữa rung động của khung thân tàu sẽ kích động các cụm
kết cấu chính, các phần tử kết cấu cục bộ và thiết bị trên tàu. Máy đẩy chính và
máy phụ có thể cũng gây ra rung động tổng thể thân tàu và các thành phần kết
cấu cục bộ.
a. Nguồn kích động khung thân tàu
Các lực động tác dụng vào thân tàu theo hƣớng của trục đẩy hoặc trực tiếp
qua cánh chân vịt bởi các lực đẩy, các lực này sinh ra rung động chính trên thân
tàu. Với các động cơ diesel tốc độ thấp thì cần chú ý sự mất cân bằng của máy là
các lực đốt. Nguồn rung động phụ gồm các máy phụ và các kích động thủy động
lực. Khi xác định nguồn rung cần phải xác định tần số của các kích động để tìm
mối xác định xem chúng có liên quan tới tần số quay của trục hay không. Hình
2.4 chỉ ra các nguồn kích động chính.

Hình 2.4. Các nguồn kích động chính khung thân tàu.