(Đề tài NCKH) Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng công nghệ CAD/CAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN CƠ KHÍ

THUYẾT MINH
ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
Đề tài: Nghiên cứu tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng công
nghệ CAD/CAM.

Chủ nhiệm đề tài : Ths. Vũ Thị Thu Trang
Cộng tác: Ths. Mai Tuyết Lê

Hải Phòng, tháng 05/2016


ĐẶT VẤN ĐỀ ...........................................................................................................3
CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................5
1.1. CẤU TẠO CHUNG .....................................................................................5
1.2. CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG........5
 Đường kính ...................................................................................................5
 Bước ..............................................................................................................6
 Củ chong chóng ............................................................................................6
 Cánh chong chóng .......................................................................................7
 Số cánh chong chóng ...................................................................................8
1.3. CÁC LOẠI CHONG CHÓNG ...................................................................9
 Chong chóng bước cố định ..........................................................................9
 Chong chóng có bước thay đổi ..................................................................11
 Chong chóng dạng ống ..............................................................................12
 Chong chóng Rudder .................................................................................13
1.4. TỔNG QUAN CHUNG VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ
CHONG CHÓNG TÀU THỦY .........................................................................14

..............................................................................................................................15
CHƯƠNG II MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHONG CHÓNG ...............19
CHƯƠNG III HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH TRONG KỸ THUẬT ..................22
3.1. Computational Fluid Dynamics .................................................................22
3.2. Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn ................................................25
CHƯƠNG IV CHẾ TẠO CHONG CHÓNG ......................................................30
4.1. Quy trình truyền thống...............................................................................30
4.2. Tạo mẫu nhanh ..........................................................................................31
4.3. Tương lai và phát triển ...............................................................................36


ĐẶT VẤN ĐỀ
Chân vịt tàu thủy là mottj bộ phận vô cùng quan trọng trong hệ thống động
lực tàu thủy. Nhiệm vụ của chân vịt là biến đổi dòng năng lượng thành lực
đẩy giúp vận hành chuyển động của tàu thủy.
Sự thống nhất giữa chong chóng tàu thủy và các thiết bị khác trong toàn bộ
hệ trục vô cùng cần thiết để đảm bảo hành trình chuyển động của con tàu.
Việc thiết kế và chế tạo được một chong chóng tại Việt Nam còn nhiều hạn
chế. Công nghệ lắp ráp chủ yếu dựa trên kinh nghiệm của các thợ lành nghề
và các kỹ sư lâu năm. Do đó việc sử dụng công nghệ tin học trong thiết kế
và chế tạo chân vịt là vô cùng cần thiết cũng như là hiệu quả cho nền công
nghiệp Việt Nam nói chung và nền công nghiệp đóng tàu nói riêng.
Việc tự động hóa quá trình thiết kế mô phỏng chóng chóng tàu thủy bằng
công nghệ CAD/CAM là phù hợp với yêu cầu đề ra.
Thực tế nhận thấy, việc tính toán và thiết kế chân vịt tàu nói chung ở nước
ta hiện nay thường chỉ được thực hiện theo những mẫu chân vịt có sẵn hoặc
sử dụng những chân vịt lắp sẵn theo máy và chế tạo chân vịt theo cách thủ
công bằng công nghệ đúc đơn chiếc trong khuôn gỗ hay khuôn cát và tiến
hành gia
công trên máy công cụ thông thường. Việc chế tạo chân vịt theo công nghệ

này có các nhược điểm chính như sau:
 Độ chính xác và độ nhám bề mặt chân vịt thường không đạt yêu cầu,
do đó phải qua giai đoạn gia công tinh và đánh bóng nên mất nhiều
thời gian, công sức, phụ thuộc tay nghề công nhân và trong nhiều
trường hợp chân vịt có thể không phù hợp chân vịt có thể không phù
hợp với tàu.
 Để chế tạo ra mỗi chân vịt, trước tiên phải cần chế tạo một chân vịt
mẫu và một khuôn đúc nên giá thành còn cao.


 Hạn chế việc chế tạo các mẫu chân vịt có đường kính lớn và có yêu
cầu độ chính xác cao như chân vịt của các tàu cao tốc, tàu cánh ngầm
v..v…
 Sau khi chế tạo, không thể sửa chữa được khi chân vịt không phù hợp
với tàu thiết kế .


1.1.

CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CẤU TẠO CHUNG

Chân vịt có cấu tạo gồm 2 bộ phận chính: củ chân vịt và cánh chân vịt
Cấu tạo củ chân vịt:
Củ chân vịt là một khối côn trụ thường được đúc liền với cánh, ở giữa củ chân vịt
có lỗ hình côn (hoặc ren) và xẻ rãnh then dùng để lắp vào bề mặt côn của trục chân
vịt bằng then.

Hình 1 Cấu tạo chung của chong chóng
1.2.

CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG

Đường kính, bước cánh, củ, cánh và số cánh là các thông số cơ bản của một chong
chóng khi hoạt động.
 Đường kính


Đường kính là một tham số hình học rất quan trọng trong việc xác định lượng điện
năng mà một cánh quạt có thể tiêu thụ để cung cấp , do đó việc xác định lực đẩy có
sẵn cho động cơ đẩy là vô cùng cần thiết . Thông thường đường kính tỉ lệ với hiệu
quả của cánh quạt , nhưng trong khoảng tốc độ cao đường kính lớn hơn tương
đương tốc độ cao . Đối với tàu điển hình là một sự gia tăng nhỏ có đường kính
chuyển thành một sự gia tăng đáng kể trong lực đẩy và mô-men xoắn tải trên trục
động cơ, do đó đường kính lớn hơn sẽ quay chậm hơn, giới hạn bởi cấu trúc và giá
trị động cơ.

Hình 2 Đường kính chong chóng lý thuyết và thực tế
 Bước
Bước là hành trình lý thuyết trong một vòng quay của chong chóng . Ví dụ, chong
chóng di chuyển 10 inch trong một vòng quay, vì thế bước danh nghĩa của chân vịt
là 10 inch. Nó được gọi là bước danh nghĩa vì mặt bước thực tế của chong chóng
sẽ ít hơn so với bước danh nghĩa . Sự khác biệt giữa bước danh nghĩa và thực tế
được gọi là trượt. Bước hiệu quả chuyển đổi mô-men xoắn của trục chong chóng
tạo lực đẩy, theo định luật thứ hai của Newton.
 Củ chong chóng
Củ là đĩa trung tâm vững chắc liên kết giữa trục chong chóng và chong chóng. Lý
tưởng nhất là các củ có đường kính càng nhỏ càng tốt để có được lực đẩy tối đa ,

tuy nhiên có một sự đánh đổi giữa kích cỡ và sức mạnh. Quá nhỏ củ sẽ không đủ
mạnh.

Hình 3 Củ chong chóng
 Cánh chong chóng


Cánh chong chóng dạng vây xoắn hoặc lá nhô ra từ củ chong chóng. Hình dạng
của cánh và tốc độ quyết định mô-men xoắn một cánh quạt được có thể cung cấp .
Chân cánh là nơi cánh gắn liền với các trung tâm, và đầu cánh chong chóng là rìa
ngoài cùng của một điểm xa từ trục cánh quạt. Phía áp suất cao của cánh được gọi
là mặt mút . Đây là mặt mà phải đối mặt phía sau (phía sau) và đẩy tàu chuyển
động về phía trước. Sự quay của cánh là về phía áp suất thấp hoặc mặt hút của
cánh chong chóng . Đây là mặt mà phải đối mặt thượng nguồn hoặc hướng về phía
trước của tàu.

Hình 4 Cánh chong chóng
 Số cánh chong chóng
Số cánh chong chóng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của một chong chóng. Tốc
độ, mã lực và tải các yêu cầu cơ bản của tàu lớn dẫn đến cần chong chóng với
nhiều cánh. Trong việc nghiên cứu thiết kế, số cánh chủ yếu được xác định bởi sự


cần thiết và phải tránh các tần số cộng hưởng có cho kết cấu của tàu và máy móc.
Cũng thấy rằng cả hiệu quả chân vịt và đường kính cánh quạt sẽ quyết định đến
việc tăng hoặc giảm số lượng cánh chân vịt. Với việc tăng số cánh diện tích bề mặt
tăng lên làm giảm trượt tốc độ chuyển động. Bốn và năm cánh chong chóng cũng
ảnh hưởng đến việc giảm độ rung và tiếng ồn do một sự cân bằng tốt hơn và gây ra
ít hao phí trên các hệ thống truyền dẫn. Thêm cánh chong chóng tuy nhiên thường
giảm tốc độ một vài hải lý, nhưng đây là một sự đánh đổi trong quá trình lựa chọn

chong chóng.
1.3. CÁC LOẠI CHONG CHÓNG
 Chong chóng bước cố định
Các chong chóng bước cố định là các chong chóng truyền thống nó là nền tảng của
các loại chân vịt cơ bẩn trong những năm qua được sản xuất dưới dạng đơn chiếc
hoặc hang loạt . Các cánh của một chong chóng có bước cố định có một vị trí cố
định. Theo quy luật tất yếu hướng quay của chong chóng sẽ thay đổi nếu con tàu
chuyển động về phía sau. Điều này được thực hiện với một đảo chiều động cơ ly
hợp hoặc đảo ngược. Các chong chóng cố định có tính kinh tế trong tàu đến
1250KW. Đường kính của chong chóng cố định dao động giữa 36 cm và 12 mét.
Có hai lợi thế của chong chóng cố định so với chong chóng bước thay đổi. Một là
chong chóng bước cố định ít bị hư hỏng. Và lợi thế khác là các chong chóng không
xoay khi cập bến, vì vậy nó không gây ra ít nguy hiểm cho tàu neo đậu và có ít
nguy cơ của dây vướng vào các chong chóng.
Các vật liệu sản xuất khác nhau đáng kể theo một loạt các thiết kế và kích cỡ. Đối
với các cánh quạt lớn, đường kính hơn 300 mm, các vật liệu kim loại màu chiếm
ưu thế: tỉ lệ đồng cao cùng với mangan và niken-nhôm. Tuy nhiên, thép không gỉ
cũng đã đạt được yêu cầu sử dụng. Gang, là một trong những vật liệu phổ biến để
sản xuất chong chóng trước đây, bây giờ đã gần như biến mất khỏi thị trường.
Ngoài ra, cho cánh quạt nhỏ sử dụng thường được làm bằng các vật liệu như các
polyme, nhôm, nylon và gần đây hơn composite carbon fiber.


Hình 5 Chong chóng bước không đổi


 Chong chóng có bước thay đổi
Không giống như chong chóng có bước cố định loại chong chóng thay đổi chỉ hoạt
động với biến là tốc độ quay , bước chong chóng thay đổi được cung cấp thêm một
mức độ tự do trong khả năng của mình để thay đổi độ cánh. Các cánh của loại

chong chóng có thể đảo chiều, do đó thay đổi bước chong chóng . Cơ chế điều
chỉnh bước chong chóng nằm trong củ của chân vịt . Nó được kích hoạt từ phòng
động cơ, điều khiển từ xa từ cây cầu bằng xi lanh thủy lực . Các tính năng nổi bật
nhất của chân vịt có bước thay đổi là nó chỉ quay theo một hướng. Sức mạnh và
lực đẩy đi cần thiết có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi vị trí của cánh. Có rất
nhiều lợi thế của một chân vịt có bước thay đổi , tuy nhiên, có nhiều phức tạp hơn
so với chong chóng cố định.

Hình 6 Chong chong có bước thay đổi


 Chong chóng dạng ống
Chong chóng dạng ôngs như tên của nó, thường bao gồm hai thành phần chính:
một ống hình khuyên có một aerofoil cắt ngang để thích ứng với biến đổi dòng
chảy. Phần thứ hai, chong chóng, và một trường hợp đặc biệt của một chong chóng
ống trong đó là các thiết kế của lưỡi đã được chỉnh sửa để phù hợp với tương tác
dòng chảy gây ra bởi sự hiện diện của ống bao ngoài. Chong chóng bên trong ống,
đôi khi được gọi là vòi phun Kort theo như tên của nhà sáng chế ban đầu Công ty
động lực tàu thủy Kort và sử dụng lâu dài với kiểu cánh quạt, đã ứng dụng trong
nhiều năm mà lực đẩy cao ở tốc độ thấp là cần thiết; thường trong các tàu kéo và
kéo lưới. Trong trường hợp như vậy, các ống nói chung góp khoảng 50 phần trăm
của tổng số lực đẩy của lực đẩy ở tốc độ tàu không: gọi là tình trạng kéo cột dây
thuyền. Tuy nhiên, đóng góp tương đối của ống rơi với một số tốc độ tàu ngày
càng tăng.

Hình 7 Chong chóng dạng ống


 Chong chóng Rudder
Các đặc điểm chính của chong chóng bánh lái là khả năng xoay của họ giống

như một bánh lái , không bị cản trở , đầy đủ 360 độ. Chong chóng bánh lái
còn được gọi là ' đẩy azimuthing ' hoặc ' Z - ổ đĩa . Để đạt được sự tự do này
quay, một góc bên phải hộp dưới nước - gear được thúc đẩy bởi một trục
điện dọc . Trục điện dọc này là trung tâm trong các cổ phiếu bánh lái . Lợi
thế quan trọng nhất của một chong chóng bánh lái là khả năng để cung cấp
cho sự đẩy tối ưu trong mỗi vị trí bánh lái .
Hình 8 Chong chóng Rudder

1.Trục nối với máy chính

2.Hộp số ngang nối với trục
thẳng
3.Trục thẳng
4.Hộp số dọc nối với trục ngang
5.Kim
6.Chân vịt bước cố định


1.4. TỔNG QUAN CHUNG VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA THIẾT KẾ
CHONG CHÓNG TÀU THỦY
Trong những năm gần đây, sự phát triển của cuộc sống hiện đại đã tạo ra các thay
đổi trong ngành công nghiệp đóng tàu như cải tiến hệ thống động cơ đẩy, hệ thống
bôi trơn v.v.. Đặc biệt, những cải tiến mới có nhiều thuận lợi trong việc thiết kế các
bộ phận của tàu thủy như chong chóng, động cơ chính và việc ứng dụng công nghệ
cho phép tạo ra sản phẩm hiệu quả và chi phí thấp. Những công nghệ này không
chỉ làm giảm thời gian sản xuất mà còn tăng độ chính xác cũng như tuổi thọ cho
sản phẩm.
Chong chóng truyền lực đẩy bằng cách thay đổi các chiều quay của trục chân vịt
vào chong chóng để làm cho di chuyển tàu. Trong quá khứ, việc thiết kế phần này
đòi hỏi rất nhiều các thông số như đường kính, độ dày cánh v.v. Quá trình này mất

nhiều thời gian để hoàn thành một bản vẽ và sửa chữa hoàn thành trong trường hợp
nó đã có những sai lầm. Ngày nay, các chương trình trên máy tính đóng vai trò
chính trong hầu hết các quá trình này, các kỹ sư có thể tiết kiệm thời gian để tạo ra
và điều chỉnh một chân vịt để phù hợp với các yêu cầu của khách hàng của họ mà
không cần vẽ một cái mới như thời gian trước đó. Hơn nữa sự xuất hiện của các
mẫu mô phỏng cho phép khách hàng để xem và chạm vào sản phẩm của mình
trong một kích thước nhỏ với ít tiền trong giới hạn dung sai cho phép theo tiêu
chuẩn. Vì vậy, các mô phỏng của chong chóng thường được sử dụng trước khi sản
xuất nó. Nếu phần mềm có khả năng làm việc tất cả các công việc bao gồm phân
tích, thiết kế, mô phỏng, nó sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các kỹ sư và nhà quản lý.
Quá trình này được làm rõ hơn trong biểu đồ sau:


Sản xuất
chong
chóng

Băt đầu với các
thông số của
tàu

Đúng

Thông số
được thông
qua

Sai
Xác định đường
kính chân vịt tàu

thủy

Kiểm tra

Tính toán kích thước
chong chóng tàu thủy

Xuất file STL
và mẫu thử
mô phỏng
Đúng

Xuất kích thước hình
học chân vịt sang file
CAD

Sức bền đã
được chấp
nhận

Sai
Hoàn thiện thiết kế
củ chân vịt và chọn
vật liệu chân vịt.

Sai

Sử dụng FEA để
kiểm tra sức bền.

Sử dụng CFD để
ước tính lực đẩy
chân vịt
So sánh kết
quả ước tính
và thiết kế

Đúng

Hình 9 Sơ đồ khối quá trình sản xuất chong chóng


Lý thuyết về Momen là lý thuyết chính được sử dụng cho chong chóng trong thế
kỷ qua . Trong thời gian trước đó, các kỹ sư thiết kế lực tác dụng lên cánh chong
chóng và quyết định số cánh theo kinh nghiệm riêng của họ vì vậy nguy cơ bị hư
hỏng trong thiết kế là rất cao . Sau đó, một lý thuyết dầm đơn giản đã thay thế một
số lý thuyết cơ bản những đầu tiên tuy nhiên nó đã không thực hiện bất kỳ sự cải
thiện rõ ràng trong việc tăng độ chính xác của các thông số cánh. Trong cuộc sống
hiện đại , phương pháp phân tích phần tử hữu hạn được giới thiệu để phân tích các
phần cánh một cách chi tiết và cẩn thận để đảm bảo lực tác dụng .
Phương pháp
Kể từ khi các cánh chong chóng đầu tiên được tạo ra theo lý thuyết cánh máy bay
vào năm 1910 đến nay đã có nhiều cách thiết kế áp dụng cho các cánh chong
chóng. Trong đó, phương pháp lifting line method và panel one là một trong
những phổ biến nhất. Các phát minh vào năm 1952 bởi Lerbs, nó có một số bước
tương tự như lý thuyết cánh máy bay tuy nhiên Lerbs thêm lực đẩy và mô-men
xoắn trong tính toán cùng nhịp cánh. Do sự thay đổi mới, tính toán của nó là khá
gần với điều kiện tải thực sự của con tàu đó là lý do tại sao nó được phát triển và
sử dụng như là nền tảng cơ bản trong ngành đóng tàu. Bên cạnh sau này đã được
đưa ra vào năm 1976 quan tâm hơn đến các dòng chảy đó là một trong những điều

kiện làm việc đặc biệt của phần con tàu. Do sự khác biệt về mật độ giữa không khí
và nước như vậy đã có một số tác dụng về việc sửa đổi thiết kế cánh chong chóng.
Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại, các nhà sản xuất thích phương pháp này vì một
số lợi thế như: đầu tiên nó đòi hỏi ít chi tiết hơn, áp dụng cho các loại cánh chong
chóng thông thường cho người thiết kế và tính toán một cách dễ dàng cánh và củ.
Trong phương pháp này, sức bền chính thu được trong phân tích bền bằng cách sử
dụng các lý thuyết dầm đơn giản trong tính toán. Đây là loại bền bao gồm bền uốn
tạo ra bởi lực đẩy và mô-men xoắn. Hai phương trình liên quan đến những thuyết
bền này được liệt kê dưới đây.


𝑅 1 𝑑𝑇

𝑀𝑇 = ∫𝑟

0

𝑍 𝑑𝑟

(𝑟 − 𝑟0 )𝑑𝑟

𝑅 1 𝑑𝑄

𝑀𝑄 = ∫𝑟

0

𝑟𝑍 𝑑𝑟

(𝑟 − 𝑟0 )𝑑𝑟

1
2

Trong đó T lực đẩy, R bán kính chong chóng, Q mômen, Z số cánh chong chóng
Phần mềm thiết kế chong chóng
Trong sự phát triển của lý thuyết và phương pháp, các phần mềm thiết kế chong
chóng đã được tăng cường và các nhà thiết kế có xu hướng sử dụng một loạt các
mã máy tính trở nên phức tạp hơn. Trong những năm gần đây , các kỹ sư đã
thường xuyên sử dụng các mã với sự hỗ trợ của phần mềm CAD để hoàn thành chế
tạo chong chóng một cách trực tiếp . Lấy D' Epagnier như một ví dụ điển hình ,
công ty này kết hợp mã OpenPLV không chỉ cho việc phân tích và thiết kế các sản
phẩm mà còn để tạo ra môi trường mô hình 3D trong Rhino (một phần mềm CAD
)và tạo ra file .STL cho tạo mẫu nhanh . OpenPLV khác với người tiền nhiệm của
nó ở chỗ nó có thể kết nối trực tiếp với bất kỳ loại phần mềm CAD .
Máy tính hỗ trợ thiết kế
Như đã đề cập ở phần trước, sự kết hợp giữa các mã thiết kế và CAD để kết thúc
thiết kế là mục tiêu của các kỹ sư. Trước những năm 1980, sự hỗ trợ của CAD chỉ
có những con số 2D và đường cong tuy nhiên sau hai thập kỷ, đã có các tình huống
khác. Bây giờ, tất cả các bản vẽ 2D có thể dễ dàng chuyển đổi sang các hình thức
3D cho phép các kỹ sư có một cái nhìn tổng quan về sản phẩm của họ với các bề
mặt, không gian giữa các cánh v.v. Điều này bắt đầu cho xu hướng mới để giảm
thời gian và chi phí cho phần nghiên cứu. Có rất nhiều loại của CAD như
AutoCAD, CADRA, SolidWorks, vv và Solidworks đã thu hút các công ty đóng
tàu nhất kể từ khi nó lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1995. Phần mềm cung
cấp thiết kế và các công cụ để tạo ra và phát triển các sản phẩm lắp ráp tuy nhiên
nó được bổ sung một số ứng dụng đặc biệt cho các thiết kế cơ khí để lưu trữ các


nhiệm vụ kỹ thuật. Đầu tiên là CosmosFlo trình đó là CFD áp dụng cho mô phỏng

dòng chảy và thứ hai là comos ứng dụng FEA phân tích ứng suất.
Chế tạo chong chóng
Sau khi xác nhận thiết kế bởi CAE , mẫu thử là cần thiết cho việc kiểm tra khả
năng của chong chóng trong điều kiện thực tế . Các công nghệ CAE mới cho phép
một số ứng dụng để thực hiện mô phỏng chong chóng, ước tính kết quả của thử
nghiệm. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tốc độ thiết kế để
có được một sản phẩm hoàn thành. Tuy nhiên , các mô phỏng là không thể tạo ra
tất cả các tình huống có thể xảy ra trong thực tế đời sống cho nên đó là lý do tại sao
các kỹ sư sử dụng các mẫu thử thực tế trong những bước cuối cùng . Các loại mẫu
thử có thể phản ánh chính xác hơn về các chức năng và hoạt động của chong chóng
vượt ra khỏi khả năng của các mô phỏng . Kết quả là , các chong chóng thường
được chế tạo sau khi mô phỏng để có được kết quả đáng tin hơn.


CHƯƠNG II MÁY TÍNH HỖ TRỢ THIẾT KẾ CHONG CHÓNG
Mặc dù lịch sử của chong chóng tàu thủy bắt ddaauff từ thời cổ đại với các thiết bị
như tuốc bin nước và cối xay gió, công nghệ thiết kế chong chóng hiện đại chỉ thực
sự xuất hiện cho đến đầu thế kỷ XX với sự phát triển của lý thuyết tiên tiến khí
động học. Tại thời điểm đó, quá trình thiết kế chủ yếu liên quan đến sử dụng
phương trình cơ bản dòng chảy, các mối quan hệ thực nghiệm và chuyên môn kỹ
thuật để có được những thiết kế tốt nhất bằng giấy và bút chì. Với sự ra đời của
máy tính và tăng nhanh sức mạnh tính toán sau này trong thế kỷ này, máy tính hỗ
trợ thiết kế đã trở thành một tiêu chuẩn cho thiết kế thực hành.
Sự phát triển của các phần mềm thiết kế chong chóng đặc biệt đã giải phóng các kỹ
sư từ các bản vẽ thiết kế rộng lớn và vô số các tập tin. Trong dự án này, thương
mại hóa phần mềm thiết kế cánh quạt PropExpert và PropCad (được phát triển bởi
HydroComp, Inc) sẽ được đưa ra làm ví dụ để minh họa CAD đã đơn giản hóa quá
trình thiết kế cánh quạt.
Quá trình thiết kế cánh quạt có thể được đơn giản hóa thành hai bước chính:
- Xác định kích thước thích hợp thủy động lực học và hình dạng.

- Tạo các bề mặt cánh và dữ liệu thiết kế chong chóng.
Bước 1.Xác định kích thước thích hợp thủy động lực học và hình dạng
Kỹ sư dụng một tập hợp các thông số cánh quạt để đại diện cho các bề mặt cánh
và các thông số này bao gồm cả các thông số đầy đủ và chi tiết. thông số đầy đủ
(như phần số cánh, đường kính) xác định kích thước tổng thể và hình dạng từ quan
điểm của các phần cánh 2D. Thông số chi tiết (như nghiêng, phân phối dày vv)
thường xác định những nơi mà các phần cánh 2D được đặt trong không gian, cũng
như xem xét đến các yếu tố rung động, sức bền và sản xuất.
PropExpert là một công cụ phần mềm để tính kích thước và phân tích các chong
chóng cho Workboat. Nó được thiết kế để cung cấp thông tin đáng tin cậy với số
lượng dữ liệu thân tàu là tối thiểu và chủ yếu sử dụng bởi các nhà cung cấp động


cơ, bánh răng và chong chóng. Hình cho thấy các cửa sổ PropExpert nhập vào các
thông tin tàu và hình là giao diện PropExpert cho chong chóng.

Hình 10 Các thông số của chong chóng
Bước 2.Tạo bề mặt cánh và dữ liệu thiết kế chong chóng
Dựa trên các phân tích với PropExpert, chúng ta sẽ biết các thông số hoàn chỉnh
của chong chóng và có thể tiến hành việc tạo ra các bề mặt cánh 2D và 3D và dữ
liệu thiết kế cánh quạt. Đặc biệt PropCad là cần thiết để có những thông số và thiết
kế không đổi cũng như là phát triển các tài liệu liên quan thiết kế bề mặt cánh và
chong chóng.
PropCad là nguồn hình thành tài liệu thiết kế chong chóng và bề mặt cánh. Nó tạo
ra các bản vẽ thiết kế chong chóng thông thường (xem hình) và các bảng số liệu.
Nó cũng phát triển một khái niệm đầy đủ về hình dáng 3D của các bề mặt cánh
thủy động lực (Hình cho thấy các thiết kế 3D) và có thể gói dữ liệu này để xuất
khẩu sang CAD thông thường, CAM và phần mềm mô phỏng. PropCad cung cấp

một môi trường tương tác để nhanh chóng xây dựng các tài liệu thiết kế và tính
chất hình học từ các thông số của người sử dụng. Rất nhiều các loại chong chóng
khác nhau (ví dụ, Gawn, B-series, Kaplan, AU, SK) có trong PropCad. Toàn bộ
hình chong chóng có thể được xây dựng bằng cách mô tả một vài giá trị mục tiêu
quan trọng. Nhập một tỷ lệ cánh chong chong ở một số vị trí, hệ số nghiêng v.v. và
PropCad xây dựng tất cả các thông số hình học của chong chóng - chiều dài, độ
dày, nghiêng và tất cả các tỷ số.

Hình 11 Dựng hình chngs chóng trong môi trường tĩnh


CHƯƠNG III HỖ TRỢ CỦA MÁY TÍNH TRONG KỸ THUẬT
Quá trình đẩy của chong chóng là một quá trình rất phức tạp bao gồm kiến thức về
động lực học chất lỏng, vật lý, luyện kim, cơ khí và kỹ thuật hàng hải. Rất nhiều
phép toán đã được thực hiện và tính toán sử dụng các lý thuyết khác nhau như lý
thuyết động lực, lý thuyết phần cánh và lý thuyết liên quan đến chất lỏng. Tuy
nhiên, khi công nghệ phát triển, phân tích chong chóng mới và hiệu quả hơn có thể
được thực hiện bằng cách sử dụng phân tích Computational Fluid Dynamics (CFD)
và Phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
SolidWorks đã trở thành phần mềm toàn diện của CAE (Engineering ComputerAided), để hỗ trợ trong công việc kỹ thuật. COSMOSFloworks là ứng dụng tính
toán Fluid Dynamics (CFD) trong SolidWorks và có thể được áp dụng để mô
phỏng chất lỏng chảy và phân tích nhiệt. Công nghệ CFD tách miền không gian
riêng biệt trong các thành phần nhỏ để tạo thành một lưới thể tích hoặc lưới, và sau
đó áp dụng một thuật toán phù hợp để giải quyết các phương trình của chuyển
động. Xét một chất lỏng liên tục trong một định dạng rời rạc là việc xem xét cơ bản
nhất trong CFD. COSMOSWorks là ứng dụng của phương pháp phân tích phần tử
hữu hạn (FEA) tích hợp trong SolidWorks có thể được sử dụng để phân tích ứng
suất. Sử dụng FEA là để phân tích một cấu trúc phức tạp thành những phần nhỏ và
mỗi yếu tố được dựa trên định luật vật lý để tính toán phương trình đại số và giải
quyết các vấn đề kỹ thuật.

3.1.

Computational Fluid Dynamics

Đối với CFD và phân tích FEA, nhà thiết kế cần để xuất dữ liệu hình học của
chong chóng thông qua các tài liệu 3D DXF phát triển trong PropCad để
SolidWorks sau đó hình thành một cấu trúc mô phỏng trong COSMOSFloworks.


COSMOSFloworks không cho phép thiết lập các thông số vận tốc không đổi, do
đó nó không thể mô phỏng các chuyển động của chong chóng. Thay vào đó, vận
tốc chất lỏng được điều khiển để mô phỏng các chuyển động chong chóng. Ví dụ,
nếu các chong chóng thử nghiệm di chuyển ở 2 m/s, COSMOSFloworks có thể
thiết lập các chong chóng cố định với các chất lỏng di chuyển 2 m/s ngược lại. Độ
phân giải cao phân tích các miền mô phỏng thành các nguyên tố nhỏ và có thể
cung cấp kết quả chính xác, nhưng nó cũng đòi hỏi số lượng lớn các nỗ lực tính
toán. Xác định dòng chảy chính xác, ứng suất và biến dạng trong các lĩnh vực như
đuôi của cánh sẽ được thừa hưởng từ khả năng điều chỉnh kích thước lưới tại từng
vị trí. Các thiết lập mô phỏng và giả định được cung cấp trong danh sách sau đây:
 Phân tích là bên ngoài cho mô phỏng chong chóng. (Dòng chảy chất lỏng
bên ngoài của chong chóng)
 Nước được sử dụng như là miền chất lỏng.
 Các chỉ được quan tâm đến các tính năng vật lý như trọng lực và xoay
 Nhiệt độ của nước
 Áp suất không khí
 Áp suất tiềm năng
 Mô phỏng xâm thực
Nhà thiết kế có thể thiết lập kích thước miền mô phỏng giống như một thực tế .
Khi các chong chóng đang chuyển động quay trong mô phỏng, thì nước đang
chuyển động xung quanh các chong chóng . Nếu kích thước của miền mô phỏng là

quá nhỏ , chương trình mô phỏng sẽ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng dòng chảy ở các
cạnh của miền mô phỏng . Những tác động này sẽ gây ra lỗi tính toán để dự báo
lực đẩy chong chóng. kích thước miền lớn hơn sẽ tốt hơn cho tính toán chính xác
mô phỏng, nhưng cũng sẽ làm tăng số lượng tính toán mô phỏng . Các hướng dẫn
cho kích thước miền mô phỏng là để giảm hiệu ứng dòng chảy càng thấp càng tốt .


Hình hiển thị kết quả áp lực của một mô phỏng cánh quạt với một kích thước miền
của x30m x6m x6m ( rộng x sâu x chiều dài) .

Hình 12 Mô phỏng xác định áp lực trên cánh chong chóng
Trong hình, hầu hết các hiệu ứng áp lực xảy ra trong lĩnh vực mô phỏng . Điều đó
có nghĩa là kích thước của miền mô phỏng là thích hợp cho cánh quạt này . Nếu
miền mô phỏng tương tự cũng được giảm xuống x20m x4m 4m ( rộng x sâu x
chiều dài) , kết quả được thể hiện trong hình. Trong miền mô phỏng giảm này, có
hiệu lực áp lực nhiều hơn nữa trên các cạnh miền. Điều đó có nghĩa này kích thước
miền là không đủ lớn cho mô phỏng chong chóng này.


Hình 13 Mô phỏng áp lực chong chóng trường hợp 2
3.2.

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn

COSMOSWorks sử dụng các phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng các
điều kiện làm việc của các chong chóng và dự đoán chuyển động của chúng. Trong
COSMOSFloworks, chong chóng được coi như một phần rắn mà không biến dạng.
Tuy nhiên, các chong chóng sẽ được chịu bền khi nó quay. Phân tích FEA được sử
dụng để kiểm tra xem cánh quạt là đủ mạnh khi nó được quay. COSMOSFloworks
có thể cung cấp áp lực chất lỏng kết quả do việc tác động lên trên các cánh quạt.

Chênh lệch áp suất này là nguồn gốc của lực uốn, mà kết quả trong sức bền có thể
gây ra một cánh quạt bị phá hủy. COSMOSWorks có thể được sử dụng để phân
tích sức mạnh cánh quạt bằng FEA. COSMOSWorks sử dụng áp lực chất lỏng như
một tham số đầu vào để tính toán sự bền trong các cánh quạt và xác định các yếu tố
về an toàn (FOS). Giá trị của FOS được tính bằng ứng suất giới hạn trên mỗi giá trị
ứng suất. Giá trị FOS chấp nhận được đối với một chong chóng là không ít hơn
1,5. Thay vì 1.5, một số nhà thiết kế sử dụng 2 để thực hiện một chong chóng chịu
lực tốt hơn. Phân tích FEA có thể giúp các kỹ sư để lựa chọn một loại vật liệu tốt