Nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý cho hệ thống cánh ngầm tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20m
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.53 MB, 72 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN MINH NHẬT
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU HỢP LÝ CHO HỆ
THỐNG CÁNH NGẦM TÀU KHÁCH VỎ COMPOSITE CHIỀU
DÀI DƯỚI 20 M
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHÁNH HÒA - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN MINH NHẬT
NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU HỢP LÝ CHO HỆ
THỐNG CÁNH NGẦM TÀU KHÁCH VỎ COMPOSITE CHIỀU
DÀI DƯỚI 20 M
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành:
Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số:
60520116
Quyết định giao đề tài:
1487/QĐ-ĐHNT ngày 30/12/2014
Quyết định thành lập HĐ:
Ngày bảo vệ:
Người hướng dẫn khoa học:
TS. QUÁCH HOÀI NAM
Chủ tịch hội đồng:
PGS.TS TRẦN GIA THÁI
Khoa sau đại học:
KHÁNH HÒA - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này hoàn toàn do tôi thực hiện. Các đoạn trích dẫn và
số liệu sử dụng đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu
biết của tôi. Các số liệu, bảng biểu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn
Nguyễn Minh Nhật
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu lựa chọn kết cấu hợp lý cho hệ
thống cánh ngầm tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20 m”, tôi đã nhận được rất
nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của tập thể Ban lãnh đạo, các cán bộ, chuyên viên của
của Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy và Tập thể Ban Giám hiệu, Khoa Sau Đại học,
Khoa Kỹ thuật giao thông, giảng viên, cán bộ các phòng, ban chức năng Trường Đại
học Nha Trang. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Quách Hoài Nam – thầy giáo trực
tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp của tôi và gia đình đã động
viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
luận văn này.
Tác giả luận văn
Nguyễn Minh Nhật
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Trang
Lời cam đoan
iii
Lời cảm ơn
iv
Mục lục
v
Danh mục kí hiệu
viii
Danh mục chữ viết tắt
x
Danh mục bảng
xi
Danh mục hình
xii
Trích yếu luận văn
xiv
MỞ ĐẦU
1
Chương 1 – TỔNG QUAN
3
1.1. Lịch sử phát triển tàu cánh ngầm
3
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
8
1.3. Tàu cánh ngầm đang hoạt động tại Việt Nam
10
1.3.1.Tàu hoạt động tuyến Hải Phòng - Cát Bà
10
1.3.2. Tuyến Thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu
12
1.4. Tổng quan phần mềm Ansys
14
1.4.1. Giới thiệu chung
14
1.4.2. Ansys Fluent
15
1.4.3. Ansys Static Structural
17
1.4.4. Chia lưới trong Ansys
19
1.5. Các thuyết bền kiểm tra vật liệu Composite
24
1.5.1. Thuyết bền Tsai-Wu
24
1.5.2. Thuyết bền Biến dạng lớn nhất
25
1.6. Cơ sở lý thuyết cánh ngầm
25
1.7. Mục tiêu của đề tài, nội dung và phương pháp nghiên cứu
27
1.7.1. Mục tiêu của đề tài
27
1.7.2. Phương pháp nghiên cứu
27
1.7.3. Nội dung nghiên cứu
27
Chương 2 - XÁC ĐỊNH LỰC NÂNG VÀ LỰC CẢN TÁC ĐỘNG LÊN
HỆ THỐNG CÁNH BẰNG PHẦN MỀM ANSYS FLUENT
28
2.1. Giới thiệu tàu cánh ngầm vỏ composite CN-01
28
2.1.1. Các thông số cơ bản của tàu CN-01 phục vụ tính toán
28
2.1.2. Bố trí chung toàn tàu CN-01
28
2.1.3. Kích thước và kết cấu hệ thống cánh tàu CN-01
29
2.1.4. Vật liệu chế tạo hệ thống cánh tàu CN-01
30
2.2. Mô tả bài toán tính lực thủy động
31
2.3. Xây dựng miền tính toán
31
2.4. Chia lưới
32
2.4.1. Kỹ thuật chia lưới
33
2.4.2. Kiểm tra chất lượng lưới
33
2.5. Cài đặt thông số cho bài toán
35
2.5.1 Chế độ dòng chảy
35
2.5.2 Mô hình tính
36
2.5.3 Thiết lập vật liệu
37
2.5.4 Thiết lập các điều kiện biên
37
2.6. Giải bài toán
39
2.6.1. Hộp thoại Solution Methods
39
2.6.2. Hộp thoại Solution Initialization
40
2.6.3. Hộp thoại Run Calculation
40
2.7. Xuất kết quả tính
41
2.7.1. Xuất lực nâng và lực cản
41
2.7.2. Xuất biểu đồ đường viền áp suất
42
Chương 3 - XÁC ĐỊNH KẾT CẤU HỆ THỐNG CÁNH PHÙ HỢP
BẰNG PHẦN MỀM ANSYS STATIC STRUCTURAL
44
3.1. Chia lưới
44
3.2. Thiết lập điều kiện biên
44
3.3. Đặt tải tác dụng lên hệ thống cánh
45
3.4. Kiểm tra chất lượng lưới
46
3.4.1. Theo tiêu chuẩn trực giao
46
3.4.2. Theo tiêu chuẩn độ lệch
46
3.4.3. Theo tiêu chuẩn tỉ lệ co giãn
46
3.5. Xuất kết quả tính ứng suất và biến dạng cánh
47
3.6. Kiểm tra bền kết cấu cánh
49
3.6.1. Kiểm tra bền theo thuyết bền Tsai-Wu
49
3.6.2. Kiểm tra theo thuyết bền biến dạng lớn nhất
50
3.6.3. Kết luận
51
3.7. Kiểm tra bền kết cấu thanh giằng
51
3.7.1. Kiểm tra bền theo thuyết bền Tsai-Wu
51
3.7.2. Kiểm tra theo thuyết bền biến dạng lớn nhất
52
3.7.3. Kiểm tra ổn định theo chiều dày thanh giằng
53
3.7.4. Kết luận
54
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ
55
4.1. Kết luận
55
4.2. Khuyến nghị
55
TÀI LIỆU THAM KHẢO
57
DANH MỤC KÍ HIỆU
[ε]T1
Biến dạng giới hạn kéo phương dọc sợi
[ε]T2
Biến dạng giới hạn kéo phương ngang sợi
[ε]C1
Biến dạng giới hạn nén phương dọc sợi
[ε]C2
Biến dạng giới hạn nén phương ngang sợi
[γ]12
Biến dạng giới hạn khi cắt
ε1
Biến dạng lớn nhất phương dọc cánh
ε2
Biến dạng lớn nhất phương ngang cánh
εg
Biến dạng tại vị trí giữa cánh
εt
Biến dạng tổng lớn nhất
εtLM
Biến dạng tổng lớn nhất tại lực tới hạn
γ12
D
Biến dạng trượt lớn nhất
d
Chiều chìm trung bình
Lmax
Chiều dài lớn nhất
Ltk
Chiều dài thiết kế
Bmax
Chiều rộng lớn nhất
Btk
Chiều rộng thiết kế
N
Công suất máy
V12
Hệ số poison mặt 12
V13
Hệ số poison mặt 13
V23
Hệ số poison mặt 23
LM
Hệ số nhân lực tới hạn
H1
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H11
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H2
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H22
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H6
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H12
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
H66
W
Hệ số thuyết bền Tsai-Wu
E1
Mô đun đàn hồi phương dọc sợi
E2
Mô đun đàn hồi phương ngang sợi
Chiều cao mạn
Lượng chiếm nước
E3
Mô đun đàn hồi phương vuông góc tấm
G12
Mô đun đàn hồi trượt mặt 12
G13
Mô đun đàn hồi trượt mặt 13
G23
n
Mô đun đàn hồi trượt mặt 23
σ1
Ứng suất pháp lớn nhất phương dọc cánh
σ2
Ứng suất pháp lớn nhất phương ngang cánh
τ12
Ứng suất trượt lớn nhất
Số lượng khách
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
MOD : Mất ổn định
CAD
: Thiết kế dưới sự hỗ trợ từ máy tính
CFD
: Tính toán động lực học lưu chất
OD
: Ổn định
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng trực giao lưới
22
Bảng 1.2: Tiêu chuẩn đánh giá độ lệch lưới
23
Bảng 2.1: Cơ tính vật liệu dùng chế tạo hệ thống cánh
31
Bảng 2.2: Biến dạng giới hạn vật liệu cánh
31
Bảng 3.1: Ứng suất xuất hiện trong cánh theo chiều dày
49
Bảng 3.2: Kết quả kiểm tra bền cánh theo thuyết bền Tsai-Wu
49
Bảng 3.3: Biến dạng cánh theo chiều dày cánh
50
Bảng 3.4: Ứng suất trong thanh giằng theo chiều dày
51
Bảng 3.5: Kết quả kiểm tra bền thanh giằng theo thuyết bền Tsai-Wu
52
Bảng 3.6: Biến dạng thanh giằng chiều dày thanh giằng
52
Bảng 3.7: Hệ số nhân lực tới hạn và biến dạng tại lực tới hạn của thanh giằng
54
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Nguyên lý tàu cánh ngầm
3
Hình 1.2: Tàu cánh ngầm Forlanini năm 1906 trên hồ Maggiore
4
Hình 1.3: Tàu cánh ngầm HD-4 của Bell
5
Hình 1.4: Tàu cánh ngầm Supramar PT-10 của Freccia d’Orro
5
Hình 1.5: Tàu cánh ngầm Raketa
6
Hình 1.6: Tàu cánh ngầm AGEH-1
7
Hình 1.7: Tàu cánh ngầm FSH-38
7
Hình 1.8: Phân bố lực trên cánh
9
Hình 1.9: Tàu Hoàng Yến Victory
10
Hình 1.10: Tàu Cat Ba Island
11
Hình 1.11: Hệ thống cánh sau tàu Cat Ba Island
11
Hình 1.12: Hệ thống cánh trước tàu Cat Ba Island
12
Hình 1.13: Mẫu tàu Meteor
12
Hình 1.14: Mẫu tàu Voskhod
13
Hình 1.15: Tàu Mekong Hydrofoil
13
Hình 1.16: Hệ thống cánh sau tàu Mekong Hydrofoil
14
Hình 1.17: Hệ thống cánh trước tàu Mekong Hydrofoil
14
Hình 1.18: Các dạng phần tử 2D
19
Hình 1.19: Các dạng phần tử 3D
20
Hình 1.20: Các véc tơ trực giao phần tử
21
Hình 1.21: Các véc tơ trực giao mặt phần tử
21
Hình 1.22: Minh họa độ lệch khối
22
Hình 1.23: Minh họa độ lệch góc
23
Hình 1.24: Minh họa tỉ lệ co giãn mô hình 2D
24
Hình 1.25: Minh họa tỉ lệ co giãn mô hình 3D
24
Hình 1.26: Dòng chảy quanh cánh
26
Hình 1.27: Biên dạng cánh
27
Hình 2.1: Bố trí chung toàn tàu CN-01
29
Hình 2.2: Kích thước hệ thống cánh tàu CN-01
30
Hình 2.3: Mặt cắt ngang cánh tàu CN-01
30
Hình 2.4: Miền tính toán lực nâng
32
Hình 2.5: Lưới chia theo góc nhìn 2D
33
Hình 2.6: Lưới chia theo góc nhìn 3D
33
Hình 2.7: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn trực giao
34
Hình 2.8: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn độ lệch
35
Hình 2.9: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn tỷ lệ co giãn
35
Hình 2.10: Chế độ dòng chảy
36
Hình 2.11: Mô hình K-epsilon (2eqn)
37
Hình 2.12: Thiết lập vật liệu
38
Hình 2.13: Thiết lập điều kiện biên
38
Hình 2.14: Hộp thoại Solution Methods
39
Hình 2.15: Hộp thoại Solution Initialization
40
Hình 2.16: Hộp thoại Run Calculation
41
Hình 2.17: Kết quả tính lực nâng
42
Hình 2.18: Kết quả tính lực cản
42
Hình 2.19: Biểu đồ hội tụ Residual
42
Hình 2.20: Biểu đồ đường viền áp suất đối với mặt cắt ngang cánh
43
Hình 2.21: Biểu đồ đường viền áp suất đối với toàn bộ hệ thống cánh
43
Hình 3.1: Lưới chia cánh theo góc nhìn 3D
44
Hình 3.2: Điều kiện biên ngàm tại 03 vị trên đỉnh thanh giằng
45
Hình 3.3: Lực thủy động tác dụng lên cánh
45
Hình 3.4: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn trực giao
46
Hình 3.5: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn độ lệch
47
Hình 3.6: Chất lượng lưới theo tiêu chuẩn tỷ lệ co giãn
47
Hình 3.7: Biểu đồ màu hiển thị biến dạng cánh
48
Hình 3.8: Biểu đồ màu hiển thị biến dạng thanh giằng
48
Hình 3.9: Biểu đồ màu hiển thị ứng suất phát sinh trên cánh
48
Hình 3.10: Biểu đồ màu hiển thị ứng suất phát sinh trên thanh giằng
49
Hình 3.11: Biểu đồ màu hiển thị sự mất ổn định của thanh giằng
53
TRÍCH YẾU LUẬN VĂN
1. Giới thiệu chủ đề nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu
Chủ đề nghiên cứu: Đề tài dựa vào kết quả tính các lực thủy động tác dụng lên
hệ thống cánh ngầm để tính toán độ bền và cứng vững của hệ thống cánh ngầm vật
liệu composite bằng phần mềm Ansys.
Mục tiêu nghiên cứu: Xác định được kết cấu hợp lý cho hệ thống cánh ngầm
tàu khách vỏ composite chiều dài dưới 20m, đảm bảo đủ độ bền và cứng vững.
2. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu: Tài liệu về tàu cánh ngầm; Phần mềm Ansys; Vật liệu
composite; Phần tử hữu hạn; Động lực học chất lưu.
Mô phỏng: Dùng phần mềm Ansys để mô phỏng đưa ra các kết quả tính.
3. Kết quả nghiên cứu
Kết cấu cánh ngầm: Cánh có chiều dày từ 6 mm đến 22 mm thỏa mãn theo các
thuyết bền composite. Tuy nhiên, với chiều dày nhỏ, cánh có biến dạng khá lớn, có thể
làm giảm lực nâng của cánh. Do đó, cánh có chiều dày 16 mm với biến dạng 12,90
mm tại mút cánh và biến dạng nhỏ 1,95 mm tại giữa cánh, được chọn để chế tạo cánh.
Kết cấu thanh giằng: Thanh giằng có chiều dày từ 8 mm đến 17 mm thỏa mãn
theo các thuyết bền composite, nhưng thanh giằng sẽ bị mất ổn định ở chiều dày 8
mm, do đó thanh giằng có chiều dày 15 mm, với hệ số nhân lực tới hạn bằng 4,30 sẽ
được chọn, để đảm bảo thanh giằng làm việc trong điều kiện có sóng gió và tải trọng
động.
4. Kết luận và khuyến nghị
Kết luận: Đề tài đã khảo sát các mẫu tàu cánh ngầm trong nước và đưa ra mô
hình tàu cánh ngầm CN-01; Sau đó sử dụng phần mềm Ansys tính được lực thủy động,
ứng suất và biến dạng của hệ thống cánh; Cuối cùng kiểm tra hệ thống cánh theo các
thuyết bền vật liệu composite, và lựa chọn được kết cấu hệ thống cánh phù hợp cho tàu
CN-01.
Khuyến nghị: Các đơn vị sử dụng kết quả tính này hay các đề tài nghiên cứu
tiếp theo cần: Khảo sát thêm các mẫu tàu cánh ngầm mới hiện nay; Nghiên cứu sâu
hơn về CFD; Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của biến dạng hệ thống cánh đến lực
nâng; Nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của rung động và mỏi của hệ thống cánh.
5. Từ khóa: Cánh ngầm; Thanh giằng; Bền; Lực thủy động; Composite; Ansys.
MỞ ĐẦU
Tại Việt Nam, tàu cao tốc cánh ngầm hoạt động chính thức từ năm 1995, hiện
nay có các chuyến tàu hàng giờ giữa thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu, Hải Phòng Móng Cái, Phan Thiết - Đảo Phú Quý và Rạch Giá - Đảo Phú Quốc. Dù nhiều tuyến
đường Quốc lộ đã nâng cấp nhưng do lưu lượng xe cộ lưu thông khá đông, tai nạn xảy
ra nhiều nên hành khách dè dặt khi chọn phương tiện giao thông đường bộ. Lúc này
tàu cánh ngầm là một lựa chọn tối ưu, tuy chi phí đắt nhưng rút ngắn thời gian đi lại và
an toàn hơn.
Nhưng hiện nay, tàu cánh ngầm cũng đang bị hành khách quay lưng bởi vấn đề
thiếu an toàn, tai nạn thường xuyên xảy ra. Điển hình như tuyến giao thông đường
thủy quan trọng thành phố Hồ Chí Minh - Vũng Tàu, tuyến này có 3 công ty thực hiện
việc chuyên chở hành khách gồm: Vina Express, Greenlines và Petro Express. Có hơn
20 chiếc tàu của 3 hãng này hoạt động nhưng đa phần là tàu cũ nhập về từ Nga và các
nước Đông Âu. Có những tàu đã từng hoạt động chuyên chở 20 năm, sau đó các công
ty Việt Nam nhập về để tân trang lại phần thân vỏ, máy móc rồi đưa vào khai thác, sử
dụng.
Việc nhập khẩu tàu mới, hiện đại sẽ sẽ thay thế cho những con tàu cánh ngầm
đã quá cũ, không đảm bảo an toàn, đang hoạt động trên tuyến đường thủy nội địa,
nhưng giá vé sẽ không thể cạnh tranh với đường bộ. Do đó, việc chế tạo tàu cánh
ngầm trong nước sẽ giảm chi phí đầu tư ban đầu cho các công ty vận tải thủy, hạ giá
thành vận chuyển, thu hút nhiều hành khách, là hướng đi đúng đắn.
Từ thực trạng trên, Đề tài sẽ nghiên cứu tính toán, định hướng cho việc chế tạo
hệ thống cánh của tàu cánh ngầm vỏ composite, góp phần cho việc thiết kế chế tạo thử
nghiệm tàu cánh ngầm vỏ composite phục vụ du lịch và vận chuyển hành khách, giảm
tải cho giao thông đường bộ, giúp giải quyết nhu cầu cấp thiết của việc vận chuyển
hành khách bằng phương tiện thủy nội địa đang rất cao ở nước ta hiện nay.
Luận văn bao gồm các nội dung như sau:
- Chương 1: Lịch sử phát triển tàu cánh ngầm; Phân tích, đánh giá các công trình
nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài luận văn đã được công bố ở trong và ngoài
1
nước, chỉ ra những vấn đề còn tồn tại mà luận văn sẽ tập trung giải quyết; Giới thiệu
các mẫu tàu đã khảo sát; Xác định mục tiêu của đề tài, nội dung và phương pháp
nghiên cứu.
- Chương 2: Giới thiệu tàu cánh ngầm CN-01
- Chương 3: Tổng quan về phần mềm Ansys, bao gồm Ansys Fluent và Ansys Static
Structural. Tổng quan về chia lưới trong Ansys Meshing và các yêu cầu tiêu chuẩn của
lưới chia.
- Chương 4: Xác định các lực thủy động tác dụng lên hệ thống cánh ngầm.
- Chương 5: Xác định được kết quả tính ứng suất, biến dạng tác dụng lên hệ thống
cánh bằng phần mềm Ansys Static Structural và kiểm tra bền hệ thống cánh theo
thuyết bền vật liệu composite.
- Chương 6: Kết luận và khuyến nghị.
2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Lịch sử phát triển tàu cánh ngầm (Liang Yun and Alan Bliault, 2012)
Cách tốt nhất để tăng tốc độ tàu là nâng nó lên khỏi mặt nước, khi đó sức cản
tàu do nước, sóng sẽ giảm xuống và khả năng đi biển của tàu sẽ tăng lên. Một chiếc
tàu với những cái cánh chìm trong nước gắn với thân tàu bằng các thanh giằng tương
tự như cánh máy bay, và nâng tàu lên khỏi mặt nước thể hiện trên hình 1.1. Vì mật độ
nước cao hơn không khí nên kích thước cánh ngầm nhỏ hơn nhiều so với cánh máy
bay.
Hình 1.1: Nguyên lý tàu cánh ngầm
Ý tưởng ban đầu để nâng thân tàu lên khỏi mặt nước xuất hiện vào thế kỷ mười
chín với các thử nghiệm của Thomas Moy. Ông đã kéo một chiếc tàu với ba cánh dọc
theo một con kênh gần London vào năm 1861 đến khi đủ lực nâng tàu lên khỏi mặt
nước. Năm 1894, anh em nhà Meacham thiết kế một chiếc tàu với hệ thống cánh chìm
hoàn toàn dưới mặt nước và một tay lái điều khiển các cánh hình cung, nhưng không
đi xa hơn được các thiết kế khác trong giai đoạn này.
3
Năm 1898, Enrico Forlanini bắt đầu nghiên cứu hệ thống cánh ngầm nhằm cải
tiến tàu cao tốc. Forlanini đã thành công với tàu cao tốc có hệ thống cánh ở trước và
sau tàu được đẩy bằng cánh quạt máy bay vào năm 1906 (Hình 1.2).
Hình 1.2: Tàu cánh ngầm Forlanini năm 1906 trên hồ Maggiore
Jonh Thornycroft người Anh cũng thử nghiệm tàu cánh ngầm. Năm 1909 ông
chế tạo chiếc tàu Miranda III dài 22 ft, động cơ 60 hp. Tốc độ tàu đạt 27 hải lý/giờ.
Alexander Graham Bell cũng bắt dầu thử nghiệm cánh ngầm cho thủy phi cơ,
và sau đó trở về Mỹ để thiết kế tàu cao tốc HD-4 (Hình 1.3), chạy với hai động cơ
Renault đạt tốc độ 86,4 km/h. Năm 1919, anh ta gắn hai động cơ máy bay 260 kw, tàu
đạt tốc độ 113,38 km/h.
Sau khi chiến tranh kết thúc, von Schertel và Sachsenburg tìm đến Supramar
A.G. để tiếp tục phát triển tàu cánh ngầm. Năm 1953, tàu cánh ngầm chở khách đầu
tiên, chiếc PT-10 (Hình 1.4) đã hoạt động trên hồ Maggiore. Cũng trong năm 1953,
chiếc tàu cao tốc PT-20 lớn hơn được chế tạo tại xưởng đóng tàu Lursen. Bắt đầu một
giai đoạn thiết kế thành công, gồm nhiều sản phẩm được chế tạo tại xưởng đóng tàu
Rodriguez tại Italy, Hitachi Zosen tại Japan, Westermoen tại Norway, và Vosper
Thornycroft tại Anh.
4
Hình 1.3: Tàu cánh ngầm HD-4 của Bell
Hình 1.4: Tàu cánh ngầm Supramar PT-10 của Freccia d’Orro
5
Tại Nga, chiếc tàu cao tốc thương mại đầu tiên 64 chỗ ngồi Raketa. (Hình 1.5),
dài 28 m, bắt đầu hoạt động từ Gorky tới Kagan năm 1957 đạt tốc độ 32 hải lý/giờ.
Tàu cao tốc giá rẻ hơn phà, rút ngắn thời gian di chuyển và đem lại sự thoải mái cho
hành khách, vì vậy nó trở nên phổ biến, và một loạt tàu cánh ngầm đã được phát triển
bởi nhóm Sormovo. Mẫu Raketa có khoảng 400 tàu được đóng tại các nhà máy khác
nhau tại Liên bang Xô Viết.
Hình 1.5: Tàu cánh ngầm Raketa
Kết cấu các tàu cánh ngầm ở ngoài nước Nga đã được cải tiến qua nhiều năm.
Trong thực tế, có nhiều tàu hoạt động ở Nga và Châu âu khoảng 25 năm, sau đó thay
máy, chỉnh sửa lại, ví dụ như các đội tàu tại Budapest, Vienna.
Tại Mỹ, tàu cánh ngầm AGEH-1 (Hình 1.6) đã được bàn giao cho hải quân Mỹ
vào tháng mười năm 1961. Nó đạt tốc độ 50 hải lý/giờ, hỗ trợ bởi hai động cơ 1500
hp.
Từ năm 2004, Rodriquez tại Ý, đã phát triển tàu cao tốc cánh ngầm chở khách
với cánh ngập hoàn toàn dưới nước là FSH-38 (Hình 1.7). Hai tàu cao tốc đã được chế
tạo bởi Liên minh châu Âu và Bộ Giáo dục Đào tạo Ý. Chiếc thứ nhất có vị trí máy
6
chính, trục truyền động nghiêng về phía sau chân vịt. Chiếc thứ hai sử dung cụm lái
đẩy chữ Z.
Hiện nay, tàu cánh ngầm được sử dụng khá rộng rãi trên khắp thế giới, chủ yếu
phục vụ nhu cầu đi lại, tập trung nhiều nhất ở các nước: Nga, Australia, Singapore...
Các tàu cánh ngầm chủ yếu hoạt động ở khu vực ven biển và các tuyến đường sông.
Hình 1.6: Tàu cánh ngầm AGEH-1
Hình 1.7: Tàu cánh ngầm FSH-38
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
7
Từ lịch sử phát triển tàu cánh ngầm, cho thấy việc chế tạo và đưa vào sử dụng
tàu cánh ngầm đều trải qua quá trình thực nghiệm trên nhiều mô hình khác nhau. Vấn
đề thiết kế và chế tạo tàu cánh ngầm vẫn chưa được phổ biến, các công ty luôn giữ bí
mật thiết kế và công nghệ.
Về tài liệu tính toán tàu cánh ngầm và động lực học hệ thống cánh của tàu có
khá nhiều như tài liệu động lực học tàu cao tốc (Faltins Odd M. et al., 2005); Thiết kế
tàu cánh ngầm (Vellinga Ray, 2009); Nhưng tài liệu về tính toán độ bền hệ thống cánh
là rất ít, và chỉ tính toán sơ bộ. Có thể kể ra như tài liệu nghiên cứu thiết kế kết cấu tàu
cánh ngầm (Martin, 1965), và bài báo khoa học trình bày cách tính áp lực nước lên hệ
từng vị trí cụ thể trên bề mặt cánh (Sakir Bal, 1997).
Tại Việt Nam đã có các công trình nghiên cứu về tàu cánh ngầm như đề tài
Nghiên cứu thiết kế các loại tàu đặc biệt (Hồ Văn Bính, 1990) thuộc chương trình
Nâng cao năng lực sửa chữa và chế tạo các phương tiện, trang thiết bị của ngành giao
thông vận tải, đề tài chỉ nêu ra một số vấn đề chọn lọc về cơ học như diện tích cánh,
kiểu cánh, profil cánh và một số vấn đề về vật liệu, công nghệ chế tạo, đề tài chưa có
một tính toán cụ thể nào đối với hệ thống cánh. Gần đây vào năm 2014, tại Viện
nghiên cứu chế tạo tàu thủy – Trường đại học Nha Trang đã có cuộc Hội thảo khoa
học về thiết kế, chế tạo tàu cánh ngầm, Hội thảo đã giới thiệu phương pháp tính toán
thủy động lực cánh bằng phương pháp giải tích và kết quả tính, nhưng vấn đề sức bền
hệ thống cánh vẫn còn bỏ ngỏ.
Ngoài ra theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quy phạm phân cấp và đóng
phương tiện thủy nội địa, kí hiệu QCVN 72: 2013/BGTVT (Bộ Giao thông Vận tải,
2013) có phần hướng dẫn tính độ bền cơ cấu cánh .
Độ bền cơ cấu cánh phải được kiểm tra dưới tác động tải trọng do lực thẳng
đứng có trị số xác định như sau:
Đối với cánh mũi:
Pf = kFtf
Đối với cánh lái:
Pa = 0,75kFta
8
trong đó:
k - hệ số ứng với chiều cao tính toán sóng h (khi tàu hoạt động trên cánh) lấy
bằng:
2,2 khi h = 1,5 m;
2,0 khi h = 1,3 m;
1,8 khi h ≤ 0,8 m;
Với chiều cao sóng trung gian trị số k được xác định theo phép nội suy bậc nhất;
Ftf, Fta - lực nâng ở cánh phía mũi và lái;
Độ bền cơ cấu cánh phải được kiểm tra khi chịu tác động đồng thời của lực
nâng Ftf, Fta và tải trọng ngang do lực tập trung ngang, kN, có điểm đặt ở vị trí nối giữa
thanh chống và cánh có trị số được xác định theo công thức:
Pc = 20,59.10-3∆v2/l0
trong đó: l0 - khoảng cách giữa các điểm đặt lực nâng ở cánh phía mũi và lái, m;
Lực tổng hợp Pс được phân bố giữa các cánh tỷ lệ thuận với hình chiếu vùng
diện tích ngập nước của chúng trên mặt phẳng dọc tâm.
Các lực Ftf, Fta, Pf và Pa phân bố đều theo dây cung của cánh và có hướng vuông
góc với mặt phẳng phía dưới của chúng, (Hình 1.8).
Hình 1.8: Phân bố lực trên cánh
Từ đó có thể thấy Quy chuẩn đã hướng dẫn cách xác định lực nâng và lực cản
tác động lên cánh nhưng các lực này chỉ là lực tập trung chứ không phải là áp lực phân
9
bố trên bề mặt cánh. Và Quy chuẩn cũng chưa hướng dẫn cụ thể cách tính bền hệ
thống cánh.
1.3. Tàu cánh ngầm đang hoạt động tại Việt Nam
1.3.1.Tàu hoạt động tuyến Hải Phòng - Cát Bà
Tàu được khảo sát tại Công ty cổ phần vận tải và du lịch Hải Phòng, thành phố
Hải Phòng. Đội tàu cánh ngầm của công ty có bốn chiếc gồm: Hoàng Yến Victory, Mê
kông - Hoàng Yến, Tân Hải - Hoàng Yến, và Cat Ba Island.
Hình 1.9: Tàu Hoàng Yến Victory
Trong đó tàu Hoàng Yến Victory được thiết kế và đóng tại Nhật Bản đạt tiêu
chuẩn kỹ thuật tiên tiến của thế giới và được Đăng kiểm Nhật Bản giám sát và cấp
giấy chứng nhận phục vụ nhu cầu đi lại của du khách trong nước và quốc tế, ba chiếc
còn lại mua của Nga là loại tàu đã qua sử dụng (Hình 1.9 và 1.10).
Cánh sau được chế tạo từ hộp kim nhôm, biên dạng cánh phẳng lồi, vuốt nhọn
hai đầu, vị trí dày nhất bằng 44 mm, cánh chia thành 02 đoạn. Hai thanh giằng hai bên
được bắt vào vỏ tàu bằng các bu lông thép.
10
