Tổng quan nghiên cứu

Dao động tàu thủy, đặc biệt là tàu đệm khí, là một vấn đề kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền kết cấu và sự an toàn, tiện nghi cho hành khách và thủy thủ đoàn trong quá trình vận hành. Theo ước tính, dao động tàu có thể phát sinh từ nhiều nguồn như máy chính, chong chóng đẩy, quạt nâng, hệ thống thông gió, máy phát điện và các tải trọng môi trường như sóng, gió, dòng chảy. Việc kiểm soát dao động tàu đệm khí trở nên cấp thiết nhằm hạn chế rung động và tiếng ồn, đồng thời đảm bảo tuổi thọ kết cấu và hiệu suất vận hành.

Nghiên cứu này tập trung phân tích dao động hệ động lực đẩy của tàu đệm khí cỡ nhỏ dưới 12 chỗ, với mục tiêu xây dựng mô hình phân tích dao động khung đỡ động cơ – chong chóng đẩy, xác định tần số riêng, dạng dao động và đáp ứng cưỡng bức dưới tác động lực mất cân bằng động. Phạm vi nghiên cứu bao gồm giai đoạn thiết kế đến chạy thử, sử dụng công cụ tính toán số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và thực nghiệm đo lường dao động thực tế tại phòng thí nghiệm.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp phương pháp phân tích và kiểm soát dao động hiệu quả, giúp nhà thiết kế và nhà máy đóng tàu giảm thiểu chi phí sửa chữa sau khi đóng mới, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế như ISO 6954 và ISO 10816-3 về vận tốc dao động. Nghiên cứu góp phần nâng cao chất lượng và độ tin cậy của tàu đệm khí trong vận hành thực tế, đồng thời mở rộng hiểu biết về động lực học kết cấu trong lĩnh vực kỹ thuật cơ khí động lực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM):
    Được sử dụng để mô hình hóa kết cấu khung đỡ động cơ đẩy dưới dạng phần tử dầm chịu uốn thuần túy. Phương pháp này cho phép phân tích tần số riêng và dạng dao động của kết cấu, đồng thời giải bài toán đáp ứng cưỡng bức dưới tác động lực mất cân bằng động. Các hàm dạng Hermite bậc ba được áp dụng để nội suy chuyển vị và góc xoay mặt cắt ngang, đảm bảo tính liên tục của mô hình.

  2. Nguyên lý biến phân chuyển vị (Nguyên lý Hamilton):
    Là cơ sở để xây dựng phương trình chuyển động động lực học của hệ kết cấu. Phương trình này được rời rạc hóa thành hệ phương trình ma trận dạng
    $$ M \ddot{q} + C \dot{q} + K q = p(t) $$,
    trong đó $M$, $C$, $K$ lần lượt là ma trận khối lượng, giảm chấn và độ cứng, $q$ là vectơ chuyển vị, và $p(t)$ là vectơ tải trọng.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Tần số riêng và dạng dao động (mode shapes) của kết cấu.
  • Đáp ứng cưỡng bức dưới tác động lực mất cân bằng động.
  • Giảm chấn Rayleigh với hệ số cản tuyến tính kết hợp giữa ma trận khối lượng và độ cứng.
  • Tiêu chuẩn đánh giá dao động theo ISO 6954 và ISO 10816-3.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Dữ liệu thực nghiệm đo dao động trên hệ thống khung đỡ động cơ – chong chóng đẩy của tàu đệm khí BAKVEE-12 tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tàu thủy, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM.
  • Dữ liệu mô phỏng số từ chương trình tính toán viết trên nền Matlab sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

Phương pháp phân tích:

  • Giải bài toán trị riêng để xác định tần số riêng và dạng dao động bằng phương pháp QR trong Matlab.
  • Giải bài toán đáp ứng cưỡng bức sử dụng phương pháp tích phân trực tiếp Time Newmark, cho phép mô phỏng đáp ứng dao động dưới lực mất cân bằng động với các bước thời gian chính xác.
  • So sánh và kiểm chứng kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm đo lường dao động sử dụng hệ thống cảm biến gia tốc PCB 333B40, thiết bị đo DT9837A, phần mềm thu thập dữ liệu QuickDAQ 3.46 và phần mềm phân tích Matlab.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 08 năm 2020, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, lập trình tính toán, thực nghiệm đo lường và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định tần số riêng và dạng dao động của khung đỡ động cơ:
    Kết quả tính toán cho thấy tần số riêng đầu tiên của khung đỡ là khoảng 7.52 Hz, với tám dạng dao động đầu tiên được xác định rõ ràng. Việc xác định chính xác tần số riêng giúp tránh hiện tượng cộng hưởng với tần số kích thích từ động cơ và chong chóng đẩy.

  2. Đáp ứng dao động cưỡng bức dưới lực mất cân bằng động:
    Mô phỏng đáp ứng dao động tại các tốc độ quay RPM 2000, 2200 và 2400 cho thấy biên độ chuyển vị dao động tăng theo tốc độ, với lực mất cân bằng động tối đa 5000 g.mm. Đáp ứng dao động tại các bậc tự do khác nhau được phân tích chi tiết, cho thấy vị trí bậc tự do 14 có biên độ dao động lớn nhất.

  3. Kết quả thực nghiệm đo dao động:
    Thực nghiệm với động cơ B&S 14.5 HP và chong chóng đẩy đường kính 1000 mm ghi nhận vận tốc dao động tối đa tại các tốc độ quay khác nhau, ví dụ vận tốc dao động vi đạt khoảng 7.1 mm/s rms ở RPM 2050 khi có gắn cụm chong chóng. Kết quả này được đánh giá theo tiêu chuẩn ISO 6954 và ISO 10816-3, cho thấy dao động nằm trong giới hạn cho phép.

  4. So sánh mô hình tính toán và thực nghiệm:
    Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đối phù hợp, xác nhận tính chính xác của mô hình phần tử hữu hạn và phương pháp Time Newmark trong phân tích dao động hệ động lực đẩy tàu đệm khí.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây dao động là lực mất cân bằng động từ chong chóng đẩy, truyền qua khung đỡ động cơ đến thân tàu. Việc thiết kế khung đỡ với hệ thống giảm chấn cao su tại chân giúp giảm biên độ dao động, đồng thời tránh được hiện tượng cộng hưởng nhờ lựa chọn tần số riêng phù hợp. So với các nghiên cứu trước đây về dao động tàu thủy truyền thống, nghiên cứu này mở rộng ứng dụng cho tàu đệm khí với đặc thù hệ động lực đẩy bằng chong chóng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số riêng và dạng dao động, biểu đồ đáp ứng chuyển vị theo thời gian tại các bậc tự do, cũng như bảng so sánh vận tốc dao động thực nghiệm và mô phỏng tại các tốc độ quay khác nhau. Việc đánh giá theo tiêu chuẩn ISO giúp định lượng mức độ an toàn và tiện nghi cho tàu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc thiết kế và kiểm soát dao động tàu đệm khí, góp phần nâng cao độ bền kết cấu và cải thiện trải nghiệm người sử dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu thiết kế khung đỡ động cơ:
    Hành động: Điều chỉnh kích thước và vật liệu khung đỡ để nâng cao tần số riêng, tránh vùng cộng hưởng.
    Mục tiêu: Giảm biên độ dao động dưới 5 mm/s rms.
    Thời gian: 6 tháng.
    Chủ thể: Nhà thiết kế và kỹ sư cơ khí.

  2. Cải tiến hệ thống giảm chấn cao su:
    Hành động: Lựa chọn vật liệu cao su có hệ số giảm chấn phù hợp, bố trí chân đế giảm chấn tối ưu.
    Mục tiêu: Tăng hiệu quả hấp thụ dao động ít nhất 20%.
    Thời gian: 4 tháng.
    Chủ thể: Phòng thí nghiệm và nhà cung cấp vật liệu.

  3. Triển khai hệ thống đo lường dao động tự động:
    Hành động: Lắp đặt cảm biến gia tốc và phần mềm phân tích tự động trên tàu để giám sát dao động liên tục.
    Mục tiêu: Phát hiện sớm dao động vượt ngưỡng, giảm thiểu rủi ro vận hành.
    Thời gian: 1 năm.
    Chủ thể: Chủ tàu và nhà cung cấp thiết bị.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức về kiểm soát dao động:
    Hành động: Tổ chức khóa đào tạo cho kỹ sư và nhân viên vận hành về phân tích và kiểm soát dao động tàu.
    Mục tiêu: Nâng cao năng lực xử lý sự cố dao động.
    Thời gian: 3 tháng.
    Chủ thể: Trường đại học và các tổ chức đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà thiết kế tàu thủy và tàu đệm khí:
    Lợi ích: Áp dụng mô hình phân tích dao động để thiết kế kết cấu khung đỡ và hệ thống giảm chấn hiệu quả, giảm thiểu chi phí sửa chữa sau đóng mới.

  2. Nhà máy đóng tàu:
    Lợi ích: Sử dụng kết quả nghiên cứu để kiểm soát chất lượng dao động trong quá trình đóng mới và chạy thử tàu, đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế.

  3. Chủ tàu và đơn vị vận hành:
    Lợi ích: Hiểu rõ nguyên nhân và cách kiểm soát dao động, từ đó nâng cao an toàn và tiện nghi cho hành khách, giảm thiểu hư hỏng thiết bị.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên kỹ thuật cơ khí động lực:
    Lợi ích: Tham khảo phương pháp phân tích dao động kết cấu bằng phần tử hữu hạn và thực nghiệm đo lường, phục vụ cho các nghiên cứu chuyên sâu và ứng dụng thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dao động tàu đệm khí ảnh hưởng như thế nào đến kết cấu và con người?
    Dao động quá mức gây mỏi kết cấu, giảm tuổi thọ vật liệu, đồng thời tạo rung động và tiếng ồn ảnh hưởng đến sự tiện nghi và an toàn của hành khách và thủy thủ đoàn.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này mô hình hóa khung đỡ động cơ bằng phần tử dầm chịu uốn, cho phép tính toán tần số riêng, dạng dao động và đáp ứng cưỡng bức dưới lực mất cân bằng động.

  3. Tiêu chuẩn nào được sử dụng để đánh giá mức độ dao động?
    Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn ISO 6954 và ISO 10816-3, quy định giới hạn vận tốc dao động cho phép nhằm đảm bảo an toàn và tiện nghi vận hành.

  4. Làm thế nào để kiểm chứng kết quả mô phỏng với thực tế?
    Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm đo dao động sử dụng cảm biến gia tốc và thiết bị đo chuyên dụng, đảm bảo tính chính xác và tin cậy của mô hình.

  5. Giải pháp nào hiệu quả để giảm dao động tàu đệm khí?
    Thiết kế khung đỡ tránh cộng hưởng, sử dụng hệ thống giảm chấn cao su hiệu quả, giám sát dao động liên tục và đào tạo nhân sự là các giải pháp quan trọng để kiểm soát dao động.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình phân tích dao động hệ động lực đẩy tàu đệm khí dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp Time Newmark.
  • Xác định được tần số riêng đầu tiên khoảng 7.52 Hz và các dạng dao động tương ứng của khung đỡ động cơ.
  • Đáp ứng dao động cưỡng bức dưới lực mất cân bằng động được mô phỏng và kiểm chứng bằng thực nghiệm, kết quả phù hợp với tiêu chuẩn ISO.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và kiểm soát dao động hiệu quả, góp phần nâng cao độ bền kết cấu và tiện nghi vận hành tàu đệm khí.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu thiết kế khung đỡ, cải tiến giảm chấn, triển khai hệ thống giám sát dao động tự động và đào tạo nhân sự chuyên môn.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao chất lượng và an toàn cho tàu đệm khí của bạn!