I. Tổng Quan Nghiên Cứu Tàu Composite tại Đại học GTVT
Hiện nay, phần lớn tàu thuyền cỡ nhỏ ở Việt Nam được đóng bằng gỗ. Nguồn gỗ phục vụ đóng mới và sửa chữa tàu cá ngày càng khan hiếm do khai thác bừa bãi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái. Việc tìm nguồn nguyên liệu mới thay thế gỗ trong lĩnh vực đóng tàu nói chung và tàu cá nói riêng là rất cần thiết. Vật liệu composite ngày càng được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo tàu thuyền du lịch, tàu đánh cá, tàu vận tải cỡ nhỏ ven sông biển. Tuy nhiên, nhược điểm cần 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. Đề tài này tập trung đo đạc và phân tích rung động trên một tàu cụ thể làm bằng vật liệu composite, là bước rất quan trọng để đưa ra thực trạng rung động khi vận hành thực tế để đưa ra các giải pháp điều chỉnh tiếp theo.
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu composite trong đóng tàu
Vật liệu composite ngày càng chứng minh được ưu thế vượt trội so với vật liệu truyền thống trong ngành đóng tàu. Ưu điểm của vật liệu composite bao gồm trọng lượng nhẹ, độ bền riêng cao, khả năng chịu môi trường ẩm, mặn tốt, chịu hà tốt, độ bóng bề mặt cao và dễ tạo dáng. Điều này mở ra hướng đi mới cho ngành công nghệ đóng tàu tại Việt Nam, đặc biệt khi nguồn gỗ tự nhiên ngày càng khan hiếm. Nghiên cứu và ứng dụng vật liệu composite là xu hướng tất yếu để phát triển ngành đóng tàu bền vững.
1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu rung động tàu composite
Việc nghiên cứu rung động của tàu composite là vô cùng quan trọng để khắc phục nhược điểm về độ rung và ồn. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu tin cậy để thiết kế và chế tạo tàu composite có khả năng giảm rung ồn hiệu quả. Điều này không chỉ nâng cao chất lượng tàu mà còn cải thiện điều kiện làm việc cho thủy thủ và hành khách, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về an toàn và môi trường.
II. Thách Thức Rung Động Tàu Composite Cách Giải Quyết
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 kỳ có cường 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, thường đặt các nhà thiết kế trước các vấn đề rất nan giải. Mặc dù các kết quả nghiên cứu về rung động thường cũng được hướng dẫn áp dụng trong quá trình thiết kế và chế tạo tàu, nhưng nhiều nguyên nhân tiềm ẩn vẫn có thể gây ra các vấn đề rung động trên tàu một cách nghiêm trọng.
2.1. Phân tích các nguồn gây rung động trên tàu thủy
Các nguồn gây rung động trên tàu thủy rất đa dạng, bao gồm rung động từ động cơ chính, hệ thống đẩy, chân vịt, sóng biển và các thiết bị phụ trợ khác. Mỗi nguồn rung động có tần số và biên độ khác nhau, tác động lên các bộ phận khác nhau của tàu. Việc xác định chính xác các nguồn rung động và đặc tính của chúng là bước quan trọng để đưa ra các giải pháp giảm rung hiệu quả. Phân tích ứng suất tàu cũng cần được thực hiện để đánh giá tác động của rung động lên kết cấu tàu.
2.2. Ảnh hưởng của rung động đến tuổi thọ kết cấu tàu composite
Rung động có thể gây ra mỏi kết cấu và làm giảm tuổi thọ của tàu composite. Các điểm tập trung ứng suất, mối nối và các khu vực chịu tải trọng lớn là những vị trí dễ bị hư hỏng do rung động. Việc nghiên cứu độ bền vật liệu composite và khả năng chịu rung động của chúng là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của tàu. Các phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) có thể được sử dụng để mô phỏng và dự đoán ứng xử của kết cấu tàu dưới tác động của rung động.
III. Phương Pháp Đo Đạc và Phân Tích Rung Động Tàu Thủy
Để khắc phục được nhược 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 bước rất quan trọng để đưa ra thực trạng rung động khi vận hành thực tế để đưa ra các giải pháp điều chỉnh tiếp theo.
3.1. Quy trình đo đạc rung động thực nghiệm trên tàu composite
Quy trình đo đạc rung động thực nghiệm trên tàu composite bao gồm các bước chuẩn bị, lựa chọn thiết bị đo, xác định vị trí đo, tiến hành đo và thu thập dữ liệu. Thiết bị đo rung động cần được hiệu chuẩn trước khi sử dụng để đảm bảo độ chính xác. Vị trí đo cần được lựa chọn cẩn thận để thu thập được dữ liệu rung động đại diện cho toàn bộ tàu. Dữ liệu thu thập được sẽ được xử lý và phân tích để xác định tần số và biên độ rung động.
3.2. Ứng dụng phần mềm phân tích rung động trong nghiên cứu
Các phần mềm phân tích rung động chuyên dụng như DASYLab có thể được sử dụng để xử lý và phân tích dữ liệu rung động thu thập được. Phần mềm cho phép hiển thị dữ liệu dưới dạng đồ thị, phổ tần số và các dạng biểu diễn khác, giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng nhận biết và phân tích các đặc tính rung động của tàu. Ngoài ra, phần mềm còn có thể được sử dụng để mô phỏng và dự đoán ứng xử của kết cấu tàu dưới tác động của rung động.
3.3. Các tiêu chuẩn đánh giá rung động tàu thủy hiện hành
Việc đánh giá rung động tàu thủy cần tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 6954. Tiêu chuẩn này quy định các giá trị giới hạn rung động cho phép đối với các khu vực khác nhau trên tàu, đảm bảo sự thoải mái và an toàn cho hành khách và thủy thủ. Việc so sánh kết quả đo đạc với các tiêu chuẩn này giúp đánh giá mức độ rung động của tàu và đưa ra các giải pháp cải thiện phù hợp.
IV. Ứng Dụng Vật Liệu Composite Kết Quả Nghiên Cứu Tàu Cồn Cỏ 01
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 chương: Chương 1: Cơ sở phương pháp đo đạc thực nghiệm về rung động – trình bày về các khái niệm, nguyên lý cơ bản của hệ thống đo rung, đưa ra cơ sở phương pháp đo thực nghiệm. Chương 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. Chương 3: Đo đạc tại hiện trường – 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 đưa ra các kết luận.
4.1. Mô tả tàu Cồn Cỏ 01 và thiết bị đo rung động sử dụng
Tàu Cồn Cỏ 01 là một tàu cụ thể được sử dụng trong nghiên cứu này để đo đạc và phân tích rung động. Cần mô tả chi tiết về kích thước, hình dạng, vật liệu và các đặc tính kỹ thuật khác của tàu. Đồng thời, cần liệt kê và mô tả các thiết bị đo rung động được sử dụng, bao gồm đầu đo gia tốc, bộ khuếch đại, bộ lọc và hệ thống thu thập dữ liệu. Việc lựa chọn thiết bị đo phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả đo.
4.2. Phân tích kết quả đo rung động tại các vị trí khác nhau trên tàu
Kết quả đo rung động tại các vị trí khác nhau trên tàu Cồn Cỏ 01 cần được phân tích chi tiết để xác định các tần số và biên độ rung động chủ đạo. Các vị trí đo có thể bao gồm buồng lái, buồng khách, đuôi tàu và các khu vực khác. Việc so sánh kết quả đo tại các vị trí khác nhau giúp xác định các nguồn rung động và cách chúng lan truyền trên tàu. Stress analysis cũng cần được thực hiện để đánh giá tác động của rung động lên kết cấu tàu.
4.3. So sánh kết quả đo với tiêu chuẩn và đánh giá mức độ rung động
Kết quả đo rung động cần được so sánh với các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 6954 để đánh giá mức độ rung động của tàu Cồn Cỏ 01. Nếu mức độ rung động vượt quá giới hạn cho phép, cần đề xuất các giải pháp giảm rung phù hợp. Các giải pháp có thể bao gồm thay đổi thiết kế kết cấu, sử dụng vật liệu giảm chấn, cải thiện hệ thống treo và giảm tốc độ động cơ.
V. Giải Pháp Giảm Rung Ồn Hiệu Quả Cho Tàu Composite
Hiểu biết về lực kích động và đáp ứng của các phần tử riêng biệt và mối tương quan giữa chúng sẽ giúp cho việc nhận biết hầu hết các vấn đề rung động gặp phải.4 sẽ phân tích chi tiết từng mục cụ thể ở trên.
5.1. Sử dụng vật liệu giảm chấn và cách âm trong thiết kế tàu
Việc sử dụng vật liệu giảm chấn và cách âm là một trong những giải pháp hiệu quả để giảm rung ồn cho tàu composite. Vật liệu giảm chấn có khả năng hấp thụ năng lượng rung động, làm giảm biên độ rung. Vật liệu cách âm có khả năng ngăn chặn sự lan truyền của âm thanh, làm giảm độ ồn. Việc lựa chọn và bố trí vật liệu giảm chấn và cách âm phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả giảm rung ồn tối ưu.
5.2. Cải thiện thiết kế kết cấu để giảm cộng hưởng và khuếch đại rung
Thiết kế kết cấu tàu có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu rung động của tàu. Việc cải thiện thiết kế kết cấu để giảm cộng hưởng và khuếch đại rung là một giải pháp quan trọng. Các biện pháp có thể bao gồm tăng độ cứng của kết cấu, thay đổi hình dạng kết cấu và sử dụng các liên kết giảm chấn. Structural analysis cần được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các biện pháp cải thiện thiết kế.
5.3. Tối ưu hóa hệ thống treo và giảm rung cho động cơ và thiết bị
Hệ thống treo và giảm rung cho động cơ và thiết bị có vai trò quan trọng trong việc giảm rung ồn cho tàu. Hệ thống treo có khả năng cách ly rung động từ động cơ và thiết bị khỏi kết cấu tàu. Việc lựa chọn và điều chỉnh hệ thống treo phù hợp là rất quan trọng để đạt được hiệu quả giảm rung tối ưu. Các biện pháp giảm rung cho động cơ và thiết bị có thể bao gồm cân bằng động, sử dụng bộ giảm chấn và giảm tốc độ hoạt động.
VI. Triển Vọng Nghiên Cứu và Ứng Dụng Tàu Composite Tại Việt Nam
Vật liệu composite được 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 composite dựa trên cốt sợi thủy tinh, và nền là nhựa tổng hợp. Thành phần cơ bản của vật liệu composite được dùng trong đóng tàu gồm: Nhựa nền, Cốt sợi thủy tinh, Cấu trúc lớp.
6.1. Phát triển vật liệu composite mới cho ngành đóng tàu
Nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu composite mới với đặc tính cơ học và khả năng giảm rung ồn tốt hơn là một hướng đi quan trọng. Các vật liệu composite mới có thể bao gồm vật liệu nano composite, vật liệu composite sinh học và vật liệu composite tái chế. Việc sử dụng các vật liệu này không chỉ cải thiện hiệu suất của tàu mà còn giảm tác động đến môi trường.
6.2. Ứng dụng công nghệ tiên tiến trong thiết kế và chế tạo tàu composite
Việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến như Computational fluid dynamics (CFD), Finite element analysis (FEA) và in 3D trong thiết kế và chế tạo tàu composite có thể giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí. CFD có thể được sử dụng để mô phỏng và dự đoán hành vi của tàu trong môi trường nước. FEA có thể được sử dụng để phân tích ứng suất và độ bền của kết cấu tàu. In 3D có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp của tàu một cách nhanh chóng và chính xác.
6.3. Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành đóng tàu composite
Để phát triển ngành đóng tàu composite bền vững, cần có đội ngũ kỹ sư và công nhân lành nghề có kiến thức và kỹ năng chuyên môn cao. Việc đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao cho ngành đóng tàu composite là rất quan trọng. Các chương trình đào tạo cần tập trung vào các lĩnh vực như thiết kế kết cấu, vật liệu composite, công nghệ chế tạo và kiểm tra chất lượng.
