MỤC LỤC
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 3
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu 3
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 5
1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 5
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5
1.2. Mục đích, nội dung, phương pháp nghiên cứu 5
1.2.1. Mục đích 5
1.2.2. Nội dung nghiên cứu 6
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu 6
1.2.3.1 Nghiên cứu lý thuyết 6
1.2.3.2 Nghiên cứu thực nghiệm 6
1.2.4. Giới hạn nội dung nghiên cứu 6
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7
2.1 Giới thiệu chung về tàu lặn 7
2.1.1 Khái niệm 7
2.1.2 Lịch sử phát triển tàu lặn 7
2.1.3 Phân loại tàu lặn 14
2.2 Quy định tính toán tàu lặn theo quy phạm 15
2.3 Các phương pháp lặn, nổi 16
2.3.1 Cơ bản về công nghệ lặn 16
2.3.2 Static diving 17
2.3.3 Dynamic diving 22
2.3.4 Cánh khí (thủy) động đuôi 23
2.4 Mô hình công nghệ lặn tàu ngầm 25
2.4.1 Công nghệ lặn động lực 25
2.4.2 Công nghệ lặn tĩnh 26
2.5 Hybrid Ballast Systems (Hệ thống tổ hợp két dằn) 36
2.6 Xây dựng thiết kế, lựa chọn kết cấu két lặn 38
2.6.1 Phương pháp lặn áp dụng Lặn tĩnh lực kết hợp với lặn động lực 38
3.5.1.5. Tính tọa độ trọng tâm nổi Z
C
, X
C
(mm) 70
3.5.1.6. Bán kính ổn định ngang r
0
(mm) 70
3.5.1.7. Bán kính ổn định dọc R
0
(mm) 71
3.5.1.8. TÍNH VÀ VẼ ĐỒ THỊ BONJEAN. 75
3.5.2 Tính toán ổn định tàu 84
3.5.2.1 Xõy dng ng Pantokaren 84
3.5.2.2 Tớnh trng tõm tu 139
3.5.2.3 Bng tớnh tay ũn n nh tnh ng 141
3.6 Thit k h ng lc 143
3.6.1 Xỏc nh sc cn 143
3.6.2 Chọn các yếu tố hình học và tính sơ bộ chõn vt 146
3.6.2.1. Chọn các yếu tố hình học chính của chõn vt. 146
3.6.2.2.Tính hệ số hút t và hệ số dòng theo W
t
. 146
3.6.2.3.Tính lực đẩy của chõnvt T. 147
3.6.2.4.Tính tốc độ tịnh tiến của chõn vt 147
3.6.2.5.Tính công suất sơ bộ và vòng quay sơ bộ của chõn vt. 147
3.6.2.6.Tính đờng kính sơ bộ của chân vịt. 148
3.6.2.7. Chọn số cánh chân vịt 148
3.6.2.8. Chọn tỉ số đĩa của chân vịt 148
3.6.3 Tính toán chân vịt. 149
3.10.2.1 Trát lớp CSM đầu tiên 169
3.10.2.2 Trát lớp thứ cấp 169
3.10.2.3 Phun gelcoat 171
3.10.2.4 Tách khuôn 171
3.11 Phương án làm kín nước 171
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 173
4.1 Kết quả thử nghiệm mô hình 173
4.2. Kết luận 173
4.3. Đề xuất ý kiến 174
4.4. Định hướng phát triển của đề tài 174
TÀI LIỆU THAM KHẢO 175 1
LI NểI U
Ngành đóng tàu của nớc ta đang trên đà phát triển cùng với sự phát
triển của nền kinh tế nớc nhà và trở thành một ngành công nghiệp mũi nhọn
của nền kinh tế Việt Nam. Nớc ta vừa đợc chính thức gia nhập tổ chức kinh
tế Thế giới WTO, đó là một lợi thế lớn và là điều kiện tốt để ngành đóng tàu
Việt Nam hội nhập và phát triển. Đợc sự quan tâm của Đảng và Nhà nớc,
ngành đóng tàu Việt Nạm đã đạt đợc những thành tựu đáng khích lệ. Chúng
ta đã đóng đợc những tàu trên vạn tấn đồng thời kí kết đóng nhiều tàu có
trọng tải lớn hơn và thu hút đợc nhiều khách hàng quốc tế hợp tác với ngành
đóng tàu nớc ta.
Mc dự n nay cụng vic thit k, ch to tu ngm, tu ln vn l bi
toỏn khú cho ngnh úng tu Vit Nam do cha u t ỳng mc. Tuy nhiờn
vi nn tng ó tớch ly c trong khong thi gian va qua thỡ chắc chắn
trong một tơng lai không xa ngành đóng tàu Việt Nam sẽ chiếm một vị trí
1.1. Tổng quan về đề tài nghiên cứu
Hiện nay trên thế giới ngành đóng tàu đã phát triển ở một trình độ rất cao về
công nghệ và đang phát triển nhiều loại phương tiện thủy mới rất hiện đại nhằm
phục vụ cho vận tải cũng như mục đích an ninh quốc phòng. Ở các nước có thế
mạnh về đóng tàu từ lâu như các nước Bắc Âu hay Nga, Mỹ, Đức, Hà Lan hiện nay
chủ yếu đóng các loại tàu có độ phức tạp cao, yêu cầu công nghệ và trang bị hiện
đại như tàu khách, tàu ngầm, chiến hạm…Trong khi đó,với mục đích xây dựng
ngành đóng tàu thành một ngành công nghiệp thế mạnh của Việt Nam, những năm
gần đây Vinashin đang rất tích cực đầu tư. Tuy nhiên những sản phẩm của chúng ta
hầu hết là những con tàu vận tải, tàu dầu. Để nâng tầm của ngành đóng tàu thì việc
sản xuất những sản phẩm có chất lượng, độ khó và lợi nhuận cao hơn là việc làm tất
yếu, thực hiện càng sớm càng tốt. Hiện tại Vinashin cũng đã có xu hướng phấn đấu
trong tương lai Việt nam có thể tiến tới tự chế tạo các loại tàu phục vụ dân sự nhằm
mục đích du lịch, thám hiểm, nghiên cứu đại dương, thủy hải sản…dần dần từng
bước chế tạo được những con tàu ngầm để phục vụ cho an ninh quốc phòng. Do vậy
việc mở rộng tìm hiểu, thiết kế và đóng những loại tàu mới ngay từ bây giờ là việc
làm cần thiết là tất yếu khánh quan.
Với một sinh viên đóng tàu sắp ra trường thì việc lựa chọn những đề tài,
những vấn đề gần gũi với chuyên ngành liên quan và công việc cụ thể trong tương
lai là điều cần thiết. Tuy nhiên, những đề tài có tính mới ít được đề cập luôn là
những đề tài rất thú vị, kích thích được lòng ham học hỏi tìm tòi của tuổi trẻ. Hơn
nữa, đây là một đề tài có tính tổng hợp cao, khi làm đòi hỏi phải huy động nhiều
kiền thức chuyên môn về tàu, giúp củng cố lại kiến thức chuyên môn cho người
thực hiện. Đề tài có liên quan đến nhiều vấn đề từ lí thuyết tàu, sức bền cho đến
công nghệ đóng sửa, điện tử Khi thực hiện đề tài còn phải đối mặt với nhiều tình
huống thực tế phức tạp, luôn phải sáng tạo để tìm ra phương án hợp lí, phải cấp
4
nhận rủi ro cao… Vì những lí do nêu trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề
tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm mô hình tàu lặn vỏ composite”.
5
í ngha thc tin ca ti:
- M ra hng nghiờn cu mi cho cỏc bn sinh viờn am mờ v tu, to tin
c bn cho cỏc nghiờn cu phỏt trin ti sõu rng hn na. Tin ti ng dng
trong thc t i sng.
- Đề tài thiết kế có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá năng lực, t duy
thiết kế của bản thân. Rốn luyn kh nng lm nhúm mt cỏch khoa hc gii
quyt cỏc bi toỏn thc t t ra. Qua việc thiết kế đề tài mi thnh viờn trong nhúm
đã rút ra đợc những kinh nghiệm quan trọng trong việc thiết kế tàu, biết đợc
những u, nhợc điểm của bản thân, có dịp tìm hiểu thêm những kiến thức thực tế
để thuận lợi cho quá trình công tác sau này.
1.2. TèNH HèNH NGHIấN CU TRONG V NGOI NC
1.2.1. Tỡnh hỡnh nghiờn cu trong nc
Theo tỡm hiu ca nhúm nghiờn cu, Vit nam hin nay thỡ lnh vc ny
vn cũn khỏ mi m. Qua kho sỏt thc t chỳng em thy rng ó cú trng i
Hc Bỏch Khoa H Ni cú nhúm sinh viờn ang nghiờn cu v ti ny nhng
vn tn ti nhiu vn k thut cn gii quyt nh: kt cu, kớn nc, iu khin.
Nhúm em ó ra tham kho v ó rỳt c nhiu kinh nghim. Trong ti tt
nghip ny nhúm c gng gii quyt hon thin cỏc vn k thut nờu trờn.
1.2.2. Tỡnh hỡnh nghiờn cu ngoi nc
cỏc nc cú th mnh v úng tu t lõu nh cỏc nc Bc u hay Nga,
M, c, H Lan hin nay ch yu úng cỏc loi tu cú phc tp cao thỡ lnh
vc tu ln, tu ngm ó c nghiờn cu t lõu h coi õy l lnh vc truyn
thng. cỏc nc ny thng cú cỏc cõu lc b chi mụ hỡnh trong ú cú tu ngm
c lm v bng thộp hoc hp kim nhụm do tựy theo th hiu, thúi quen s dng
v trỡnh k thut ca ni sn xut. Tuy nhiờn vi vt liu composite cũn khỏ mi.
1.2. Mc ớch, ni dung, phng phỏp nghiờn cu
1.2.1. Mc ớch
Mc ớch chớnh ca ti l ch to thnh cụng mụ hỡnh tu ln v
CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Giới thiệu chung về tàu lặn
2.1.1 Khái niệm
Tàu lặn là tàu tự hành có các phương tiện để lặn xuống và nổi lên nhờ các
phương tiện điều khiển tính nổi của chính nó không cần việc cung cấp năng lượng
từ các tàu khác
2.1.2 Lịch sử phát triển tàu lặn
Trong phạm vi nghiên cứu về tàu lặn, riêng phần lịch sử phát triển này chúng
em chỉ đề cập lịch sử về nghiên cứu chế tạo tàu lặn của thế giới trong suốt bốn thế
kỉ từ 1624. Tìm hiểu lịch sử phát triển tàu ngầm sẽ giúp chúng ta hiểu về lịch sử hải
quân, xây dựng mô hình tàu, lịch sử của công nghệ, các vấn đề thiết kế tàu ngầm và
vũ khí dưới nước.
Hình1: Mô tả nguyên tắc lặn nổi của William Burn
Mặc dầu vào năm 1578 một người Anh William Burn xuất bản một cuốn
sách, trong đó lần đầu tiên nêu ra những lý thuyết cơ bản về lặn “Бэрн сразу
изобрел все”. Trong cuốn sách ông có viết “Chúng ta có thể xây dựng một con tàu
có thể di chuyển dưới đáy biển và nó sẽ trở lại trạng thái nổi theo ý muốn”. Ông đã
khẳng định, bất kì vật nào có trọng lượng nước thì sẽ chìm và dễ dàng bật lên và nỗi
8
lên trên bề mặt nước theo tỉ lệ trọng lượng của nó. Để làm được điều này, họ cần một
lớp màn có khả năng chịu đàn hồi tốt và dùng vít để thay đổi trọng lượng nước.
Công việc thử nghiệm như sau: Ban đầu xây dựng mô hình xà lan hay thuyền
nhỏ có trọng lượng tương đối lớn, có độ dày boong thích hợp và yêu cầu là không thẩm
thấu nước. Tiếp đến khoang nhiều lỗ nhỏ trên mạn tàu và đặt tấm lá chắn 2 bên mạn
tàu. Tiến hành đo độ sâu cần lặn để xác định độ cao của ống thông hơi, ống thông hơi
được gắn đủ cao để không cho nước vào và cung cấp không khí cho người bên trong
các phi hành đoàn. Cách vào và thóat khỏi kiôt phải được thực thông qua germeti
(nắp bật) đóng mở khẩn cấp là thích hợp cho việc di tản khẩn cấp của phi hành đoàn
trong trường hợp nguy hiểm.
Xác định hướng chuyển động dưới nước có thể là la bàn (đối với kim từ tính
ở độ sâu hay dưới nước hay trên không khí lấy được vị trí tương tự như mặt nước).
Hãy cung cấp thêm không khí bên trong tàu ngầm thích hợp thông qua các ống dài
với sự trợ giúp của máy bơm đặc biệt.
Mục đích chính của tàu ngầm lúc này là phục vụ cho chiến tranh dưới nước,
cho nên nhiệm vụ còn được đặt ra còn phải làm thế nào đành thủng tàu đáy tàu của
đối phương. Bắn (Pierce) dưới nước là một lợi thế súng ngắn barreled của tầm cỡ
lớn (như vậy để được gọi là "kolumbiad"), khả năng phá hủy lớn đến phương tiện
tàu đối phương. Ông đề nghị thiết kế một không gian đặt súng. Trước khi súng bắn,
kéo đàu đạn gần lô đặt súng này sau đó nâng van và một viên đạn được đưa tới.
Một khi đã xác định đúng hướng, cùng với súng đã được đóng, van được tự động
đưa đạn vào nòng súng và đóng lỗ đặt súng.
Hầu hết các ý tưởng và đề xuất Mersenne khá hợp lý và áp dụng vào thực tế
của (ngoại trừ súng dưới nước). Trong những phát minh sau này phần lớn đều theo
các đề xuất của Mersenne.
Vào năm 1773, đánh dấu sự ra đời của chiếc chuông lặn đầu tiên được nhà
phát minh bởi người Mỹ David Bushnell (David Bushnetl; 1740 –1826). Bushnell
được sinh ra tại một trang trại gần thị trấn Seibu-hand (Saybrook), Connecticut.
Ông đã có ba chị em gái và em trai. Nền kinh tế xa xút, gia đình sống trong cảnh
10
nghèo đói. David phải làm nghề cơ khí khi còn nhỏ và vì hoàn cảnh khó khăn không
cho phép anh ta được học hành.
Với quyết tâm theo học, ông đã bán hết đất đai để được ghi danh vào trường
Đại Học Yale College vào năm 1771, và sau 2 năm học tập nguyên cứu David
Bushnell đã cho ra đời chiếc chuông lặn đầu tiên.
Chuông lặn có kích thước (cao 2,28 m, tối đa đường kính 1,82 m). Chuông
thực hiện một bước tiến đáng kể về công nghệ chế tạo tàu ngầm.
12
Submarine đầu tiên trong quân sự là The Nautilus (1800).
Hình 3: Dự thảo của các tàu ngầm "Nautilus", 1797.
1- Anchor
2 - Windlass
3 - Body
4 - Cơ chế cho các
mỏ dây thừng
5 - Vách ngăn kín
nước
6 - Kính để quan
sát, với sự nở
7 - Khoan
8 - Một cơ chế cho việc hạ
thấp của cột buồm và gấp
các buồm
9 - Mina
10 – Sail
11 – Khoang dằn
12 – Chân vịt
13 – Bánh lái
14 – Bộ truyền tốc độ cho
chân vịt
15 - Volăng chỉ đạo
và các hoạt động kinh doanh vũ các nước thù địch hay hoạt động như cung cấp cho
các tàu khác submarines.
Submarines thường có thể định vị các cuộc tấn công của submarines khác ở
trên không gian. Anh phát triển một chuyên môn anti-submarine submarine trong
Chiến tranh Thế giới thứ I. Sau khi Chiến tranh Thế giới thứ II, với sự phát triển của
các ngư lôi homing, sonar (thiết bị phát hiện tàu ngầm của Mỹ), và hạt nhân
submarines cũng đã trở nên có khả năng ngắm bắn nhau một cách hiệu quả.
14 Hình 4: Mô hình tàu ngầm hạt nhân Gunther Prien 's U-47
Submarines nguyên thủy sớm có thể được phát hiện dưới âm thanh của nó
thực hiện Vì nước có khả năng truyền âm thanh rất tốt và submarines có thể phát
hiện và theo dõi các tiếng động từ khoảng cách tương đối lớn. Submarines hiện đại
được xây dựng với khả năng ẩn nấu cao. Nhờ nâng cao trình độ thiết kế chân vịt,
tiêu trừ âm thanh - giảm nhiệt máy móc thiết bị và đặc biệt cho phép một
submarine có thể đứng yên lặng tại một vị trí xác định làm cho chúng đặc biệt khó
phát hiện. Với công nghệ chuyên ngành mới có khả năng tìm và tấn công
submarines hiện đại.
Mặc dù phần lớn trên thế giới submarines là những quân đội, có một số công
trình dân dụng submarines. Submarines có nhiều loại sử dụng, bao gồm du lịch,
thăm dò, dầu khí, kiểm tra đường ống và các cuộc điều tra, Submarines cho dân sử
dụng bao gồm hàng hải khoa học.Submarines cũng có thể được chuyên môn vào
một chức năng như: tìm kiếm và cứu hộ, hoặc sửa chữa undersea cáp. Submarines
cũng đang được sử dụng trong du lịch và học tập cho các nghiên cứu. Submarine du
lịch đầu tiên đã được đưa ra năm 1985 đến 1997 đã có 45 chiếc tàu ngầm hoạt động
trên khắp thế giới.
2.1.3 Phân loại tàu lặn
Các phương tiện ngầm dùng cho mục đích thăm dò và quan sát đáy biển
được phân loại như sau:
vượt quá trong khoảng cho phép.
½ chiều dài của thân chịu áp lực hoặc 10mm lấy giá trị nào nhỏ hơn
trong tất cả các giá trị.
Giá trị tuyệt đối e
2
không được vượt quá giá trị thiết kế sử dụng trong
tính toán độ bền vỏ chịu áp lực.
Trong đó:
- e
1
: Khoảng cách từ một điểm tại mặt trong của đường tròn trung bình trừ đi
bán kính của đường tròn trung bình (mm).
- e
2
: Trị tuyệt đối cực đại của độ chênh giữa giá trị e
1
tại một điểm nhất định
và tại một điểm nằm trên một cung tròn ở mặt trong của vỏ chịu áp lực có chiều dài
16
bằng ½ chiều dài cung vòm đối với vỏ áp lực hình trụ và bằng chiều rộng bản mép
đối với vỏ áp lực hình cầu (mm).
- e
3
: Độ lệch của bán kính trung bình và bán kính đường tròn thiết kế.
Đường tròn trung bình là đường tròn có lý tưởng có diện tích trong bằng diện
tích trong của đường tròn của vỏ chịu áp lực và giá trị độ lệch trung bình giữa bán
kính đường tròn trung bình và bán kính của vỏ áp lực là nhỏ nhất.
Đường tròn thiết kế là đường tròn có đường kính bằng đường kính thiết kế.
½ chiều dài vòm là chiều dài một cung tròn được xác định theo công thức
.3
v
tRl
17
tốc độ (chuyển động) của tàu cùng với các cánh lặn để đẩy tàu xuống dưới mặt
nước. Điều này giống hệt như khi máy bay cất cánh và bay. Những tàu ngầm static
diving lặn xuống được bởi sự tự thay đổi tính nổi của tàu nhờ bơm nước vào các két
dằn. Tính nổi theo đó thay đổi từ dương sang âm và tàu bắt đầu chìm xuống. Loại
tàu này không cần chuyển động để lặn, chính vì thế phương pháp này được gọi là
static diving.
Trong quân sự hiện đại tàu ngầm khi lặn sử dụng một phương pháp là sự kết
hợp của dynamic diving và static diving. Tàu chìm xuống nhờ sự bơm đầy các két
dằn chính. Sau đó, tính nổi được điều chỉnh thật chính xác bởi các két sắp xếp khoa
học. Khi đã ở dưới nước, độ sâu của tàu được điều khiển nhờ vào hệ thống cánh
thủy lực (hydroplanes).
Sau đây chúng ta sẽ đi sâu hơn vào chi tiết của các phương pháp lặn trên.
Đầu tiên sẽ là lặn tĩnh lực, vì đây là một phương pháp quan trọng hơn áp dụng bởi
phần lớn các mẫu tàu ngầm trên thực tế.
2.3.2 Static diving:
Tính nổi của một tàu ngầm có thể thay đổi bằng cách bơm nước vào các két
dằn (MBT-main ballast tanks). Vị trí đặt các két dằn chính có thể theo 3 cách khác
nhau: (a) bên trong lớp vỏ chịu áp, (b) bên ngoài lớp vỏ chịu áp như lắp thêm các
két, và (c) ở giữa vỏ ngoài và lớp vỏ chịu áp. Hình 1 biểu diễn 3 hình dạng có thể
có. Điều hạn chế của phương pháp két dằn bên trong vỏ chịu áp là điều hiển nhiên:
Nó chiếm nhiều không gian có thể để sử dụng lắp đặt các thiết bị khác, vũ khí hay
chỗ cho thủy thủ đoàn. Cách sắp xếp các két dằn kiểu này được sử dụng trong
những con tàu của chiến tranh thế giới thứ nhất (WW I – World war I) và khác so
với những tàu ngầm gần đây. Một đại diện tiêu biểu cho những con tàu sử dụng két
Hình 3: Nước ngập vào các két dằn (bên trái đường tâm là của Anh/Mỹ, bên phải
đường tâm là của Nga).
Để ngoi lên mặt biển, nước trong két dằn chính bị đẩy ra bởi khí nén, các van
phía trên két dằn bị khóa lại. Khi tàu ở độ sâu dưới mực nước biển, để nước bị đẩy
ra phải sử dụng khí nén có áp suất lớn hơn áp suất của nước. Khi tàu dần ngoi lên
mặt biển, nước két dằn phun ra kéo theo không khí có áp suất thấp xuống. Sau khi
đã ngoi lên trên mặt biển, các Kingston trong tầu ngầm Nga đóng kín sau đó mở các
cửa van thông gió chính ra trong thời gian ngắn để cân bằng áp suất không khí trong
két dằn chính bằng áp suất khí quyển. Trong tầu Ngầm Mỹ/Anh, cửa thông gió
chính vẫn được giữ khép kín để không khí trong két dằn chính giữ áp suất dưới
thấp. Áp suất bên trong két vẫn cân bằng với hệ thống không khí áp suất thấp.
20 Hình 4: Sự bơm nước ra của két dằn chính.
Hình 5: thể hiện vị trí các két dằn chính trong tầu ngầm động cơ diezen hiện
đại.Các két dằn được sắp xếp phân bố ở 1 phần đoạn đầu và đuôi của con tàu, và
một két dằn nhỏ bao xung quanh lớp vỏ chịu áp ở đoạn giữa thân tàu. Còn lại phần
lớn khoang giữa lớp vỏ ngoài và lớp chịu áp trở thành các két chứa nhiên liệu. Điều
quan trọng chú ý rằng két dằn chính chỉ được dùng để thay đổi tính nổi của tàu một
cách rất chính xác (tàu trên mặt nước) cho đến gần chính xác (tàu vẫn chỉ là trên
mặt nước, cái được gọi là decks awash-sẵn sàng thả nổi). Bố trí tối ưu cho việc lặn
nổi của tàu ngầm là tính nổi trung tính: tàu không nổi hẳn mà cũng không chìm hẳn.
Trạng thái đó được tạo ra nhờ vị trí các két dằn điều chỉnh cân bằng (MTT - main
trim tanks) bố trí giữa tàu. Két dằn chính được điền đầy nước, trong khi đó các két
thực hiện việc này, tàu ngầm được trang bị hai két dằn điều khiển đặt ở phần đầu và
đuôi tàu. Két dằn điều khiển cân bằng từ mũi đến lái (đuôi tàu đến đầu tàu) đều
được kết nối với nhau bởi một đường ống để nước có thể được bơm từ bên này sang
Copyright: Tài liệu đại học ©