zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Nông - Lâm - Ngư

» Lâm nghiệp

Lập phương trình chuyển động của xuồng chữa cháy rừng khi quay vòng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Lập phương trình chuyển động của xuồng chữa cháy rừng khi quay vòng y giới thiệu phương pháp lập mô hình động lực học của xuồng khi quay vòng và đề xuất phương pháp giải hệ phương trình vi phân để xác định chế độ làm việc hợp lý và an toàn cho xuồng trong quá trình di chuyển vào kênh rạch.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lập phương trình chuyển động của xuồng chữa cháy rừng khi quay vòng

Công nghiệp rừng LẬP PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA XUỒNG CHỮA CHÁY RỪNG KHI QUAY VÒNG Nguyễn Thị Lục ThS. Trường Đại học Lâm nghiệp TÓM TẮT Xuồng chữa cháy rừng (CCR) đang khảo nghiệm tại khu vực đồng bằng sông Cửu Long, khi di chuyển trên các kênh rạch, thường thì phải quay vòng với góc ngoặt nhỏ nên hay gặp hiện tượng xuồng không vào đúng quỹ đạo mong muốn hoặc có góc nghiêng ngang quá lớn, làm nước tràn vào và xuồng bị lệch. Bài báo này giới thiệu phương pháp lập mô hình động lực học của xuồng khi quay vòng và đề xuất phương pháp giải hệ phương trình vi phân (PTVP) để xác định chế độ làm việc hợp lý và an toàn cho xuồng trong quá trình di chuyển vào kênh rạch. Các phương trình lập ra được viết dưới dạng ma trận, trong đó có các phần tử là những thông số về kết cấu của xuồng và các đại lượng động học, việc khảo sát các đặc trưng động học của xuồng khi quay vòng hoàn toàn có thể thực hiện theo phương pháp số nhờ các phần mềm có sẵn trong kỹ thuật cơ khí như: Matlab, MatlabSmulink. Từ khóa: Bánh lái, chân vịt, ma trận, phương trình Lagrange, tọa độ suy rộng, xuồng CCR. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Để thực hiện nội dung này thì việc xây dựng Xuồng CCR là loại canô nhỏ, nhưng có vận mô hình động lực học của xuồng khi quay tốc chuyển động cao. Khi di chuyển vào các vòng là cần thiết và quan trọng nhất. Việc lập kênh rạch nó thường hay bị va vào bờ hoặc góc PTVP của xuồng có thể theo phương pháp của nghiêng ngang lớn, làm nước tràn vào và cơ học kỹ thuật, cơ học giải tích, trong bài báo xuồng bị lật. Qua khảo nghiệm tại khu vực này áp dụng lý thuyết động lực học của hệ đồng bằng Sông Cửu Long (hình 1) cho thấy nhiều vật vì nó được biểu diễn qua các phương cần phải xác định chế độ làm việc hợp lý và pháp tính ma trận rất thuận tiện sử dụng các tìm giải pháp cải tiến kết cấu để xuồng làm phần mềm tính toán trong kỹ thuật cơ khí như việc được an toàn. Matlab, MatlabSmulink. Hình 1. Xuồng CCR chuyển động quay vòng II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề xuất phương pháp giải hệ PTVP để xác 2.1. Đối tượng nghiên cứu định chế độ quay vòng hợp lý. Xuồng CCR đang thực nghiệm tại vườn quốc 2.2. Phương pháp nghiên cứu gia Tràm chim Tam Nông - Đồng Tháp. - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thiết 2.2. Nội dung lập phương trình vi phân theo mô hình cơ học hệ nhiều vật và toán học. Lập phương trình vi phân chuyển động của xuồng chữa cháy rừng ngập nước theo lý III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN thuyết cơ học hệ nhiều vật. 3.1. Mô hình chuyển động quay vòng của xuồng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 71
Công nghiệp rừng Mô hình cơ học: Các dịch chuyển của O0X0Y0 - hệ trục cố định; O1X1Y1 - hệ trục xuồng CCR trong mặt phẳng nằm ngang được động, gắn với khối tâm thân xuồng O1; O1 , O2 biểu diễn trên sơ đồ như hình 2. , O3- tọa độ khối tâm thân xuồng, trục cánh Trong đó, khi xuồng chuyển động quay quạt và bánh lái; vòng thì bánh lái xoay đi một góc θ30 so với vị θ30 – góc xoay tương đối của trục bánh lái, trí ban đầu. Do áp lực của nước tác dụng góc giữa mặt bánh lái với O1X1; vuông góc với bề mặt bánh lái, nên sẽ tạo ra θ1– góc xoay của thân xuồng quanh trục mômen làm quay thân xuồng quanh các trục thẳng đứng O1Y1; O1Y1, O1X1 và dịch chuyển theo phương OZ1. Ψ1 - góc xoay của thân xuồng quanh trục Các chế độ chuyển động này cũng sẽ thay đổi dọc O1X1 ; tùy thuộc vào giá trị θ30 khác nhau. Trong L2, h2 , L3, h3 – khoảng cách theo phương trạng thái này xét hệ với 3 vật rắn chuyển động ngang và thẳng đứng từ O1 đến O2 và O3 : là thân xuồng (O1), cánh quạt (O2), và bánh lái (O3) trong đó bánh lái được cố định ở một vị trí với góc lệch θ30= const. Các ký hiệu trên hình 2 & 3 : X0 Y1 Y/ 1 Oo Z1 m1 Ψ1 O3 O2 O1 X1 m1 θ1 h3 Ψ1 Z/ 1 θ 30 F m3 θ1 x11 / X 1 F Z0 Z/ 1 Z1 Hình 2. Mô hình dịch chuyển của xuồng CCR trong mặt phẳng nằm ngang Y1 Y1 x11 X1 O1 θ 30 a3 x11 a2 h2 h3 O3 O2 FZ1 O3 FX1 F B L2 Z1 L3 X1 Hình 3. Sơ đồ xác định lực tác dụng lên xuồng CCR trong mặt phẳng thẳng đứng dọc 72 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015
Công nghiệp rừng  Gọi lực đặt vào tấm lái là F , có cường độ là vn  x11 sin30 , ( x11 - vận tốc theo phương F  kSnvn2 , dọc trục O1X/1).  Thu gọn lực F về tâm O1, ta sẽ đước các Trong đó: k- hệ số phụ thuộc loại chất lỏng thành phần lực FX, FZ và mô men MX, MY như (nước) tại nơi xuồng di chuyển; trên hình 3. Trong đó: Sn- diện tích bề mặt tấm bánh lái; vn- vận tốc trực diện của nước trên mặt tấm lái: FX1  F sin30  kSnvn2.sin30 MX1  FZ h3  h3.kSnvn2 cos30  2  2 FZ1  F cos30  kSnvn .cos30 MY1  FZ1L3  FX1Bcos30  kSnvn cos30 (L3  Bsin30 ) (1) F 0  2  Y1 MZ1  FX h3  h3.kSnvn sin30 Với B – chiều rộng của tấm chắn bánh lái F1C v1 aS O O1 O1 v1 X1 O/ 1 X1 O/ 1 MC θ1 θ1 θ1 v/1 aT v/1 F2C O* a) b) Z1 Z1 Hình 4. a) sơ đồ xác định các thông số động học b) sơ đồ xác định lực cản khi xuồng quay vòng Khi xuồng quay vòng do áp lực của nước mômen cản này có giá trị phụ thuộc chiều dài đoạn tiếp nước và vận tốc góc quay 1 lên mạn (thành) xuồng phân bố không đều (thường có dạng hình tam giác), như trên hình 4 b), nên gây ra mômen cản quay MbY. Lực và  Fb  FbS  FbT  kSS aS212  kST aT212  RbF12  2 2  RbF  (kS S aS  kST aT ) , (2)  3 2 3 2 3 3  2  2  M bY  FbS aS  FbT aT  kS S aS1  kST aT1  (kS S aS  kST aT ).1  RbMy1 2 2 3 3 Trong đó: đặt R bF  ( kS S a S  kS T aT ), R bMy  ( kS S a S  kS T a T ), (3) và gọi là hệ số cản quay của nước đối với xuồng. SS, ST , aS, aT – là diện tích phần thành sẽ được xác định thông qua nghiên cứu thực xuồng tiếp xúc với nước ở phía trước, phía sau nghiệm tại hiện trường . và khoảng cách từ tâm các tiết diện đó tới Lực cản bên Fb có 2 thành phần theo các trọng tâm thân xuồng. Các hệ số RCF và RCMY trục OX và OZ là: FbX  Fb sin1  RbF12.sin1 ,; FbZ  Fb cos1  RbF12.cos1 ; (4) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 73
Công nghiệp rừng Tương tự khi xuồng quay quanh trục dọc dịch chuyển góc (Ψi ,θi ) - quay quanh các truc (nghiêng ngang) cũng sẽ có mô men cản MCX OX và OY, (i=1, 2). với hệ số cản nghiêng RCMX Trong đó theo hình 3 và 4 ta có các liên kết sau: M bX  RbMx 12 θ2 = θ1; x2 = x1 – L2.cosθ1 ; (6) (5) Ψ2 = Ψ1 ; z2 = z1 – h2.sinΨ1- L2.sinθ1 . 3.2. Lập mô hình toán học chuyển động quay vòng của xuồng CCR Vậy hệ có 4 bậc tự do, ta chọn các tọa độ suy rông đủ cho hệ này là : Gọi các khối lượng của thân xuồng và trục cánh quạt là m1 và m2, mômen quán tính khối q(x1, z1, Ψ 1, θ1, ) (7) lượng của chúng đối với các trục là IiX và IiY . Véctơ tọa độ khối tâm khâu 1 (gồm thân xuồng Trong mặt phẳng nằm ngang hệ có 8 thông số và các thiết bị gắn cứng trên đó), tọa độ khối tâm định vị là các dịch chuyển dài (xi, zi ) và các khâu 3 (gồm trục bánh lái và tấm phẳng):  x1  x2  x1  L2 . cos1  r1   0  ;    r2   0    0   (8)  z 1   z2   z1  h2 . sin1  L2 . sin1  Từ (8) ta tính được các ma trận Jacobi tịnh tiến 1 0 0 0 1 0 0 L2 .sin1     JT1  0 0 0 0 ; JT 2  0 0 0  0  (9) 0 1 0 0   0 1  h2 . cos1  L2 . cos1  Véctơ vận tốc góc các khâu 1 X   1   1   2 cos  20        1  1Y   1  ;  2  1   2 sin  20  . (10) 1Z   0  0      Ở đây  2 và α20 là vận tốc góc quay của trục cánh quạt và góc hợp giữa O1O2 với O1 X1 . Các ma trận Jacobi quay 0 0 1 0  0 0 1 0  1   3  Jr1   0 0 0 1 ; Jr3   0 0 0 1  q   q   0 0 0 0  0 0 0 0  (11) Các ma trận mômen quán tính khối lượng 0 0 I1X 0  0 0 I2X 0  I C1  0 0 0 I1Y  , I C 2  0  0 0 I 2Y  0 0 0 0   0 0 0 0  (12) Tính ma trận khối lượng: M  JTT1.m1.JT1  JTT2.m2.JT 2  JRT1.I1.JR1  J RT2.I2.J R2 . (13) 74 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015
Công nghiệp rừng Thay các biểu thức (8)÷ (11) vào (3) ta có: (m1  m2 ) 0 0 m2 L2 sin1     0 (m1  m2 )  m2h2 cos1  m2 L2 cos1  M 0  m2h2 cos1 m2 L22 cos21  I1X  I2 X m2h2 L2 cos1 cos1    m2L22  I1Y  I 2Y  (14) m2 L2 sin(1 )  m2 L2 cos1 m2h2 L2 cos1 cos1 1 T Động năng của hệ : T  q .M.q (15) 2  x1   z  Thay q   1  ; q T   x1 , z1 , 1 , 1   1        1  Thay M vào biểu thức (15) ta có:  ( m1  m2 ) x12  ( 2 m2 L2 sin 1 ) x11     1   ( m1  m2 ) z1  ( 2 m2 h2 cos 1 ) z11  ( 2 m2 L2 cos 1 ) z1 1 2  T   (16) 2  ( m2 L2 cos  1  I1 X  I 2 X ) 1  ( 2 m2 h2 L2 cos 1 cos 1 ) 11   2 2 2      ( m2 L22  I1Y  I 2Y )12 .  * Thế năng của hệ động quay vòng trên mặt nước là lực cản của Thế năng của lực trọng trường lấy với gốc nước đặt tại tâm miền tiếp xúc của nước với thân là vị trí cân bằng nằm ngang, ta có: xuồng và lực tại vị trí tâm bánh lái O3. Chúng được xác định theo các biểu thức (2)÷ (4).  (mg)  m1 g.y1  m2 g.y2 0 (17) Để xác định các thành phần của lực suy Lực suy rộng không có thế rộng không thế, ta tìm biểu thức công nguyên Các ngoại lực tác dụng khi xuồng chuyển tố trong di chuyển khả dĩ của hệ:  A  ( X C  FbX  F X ). x1  ( FZ  FbZ ). z1  ( M X  M bX ). 1  ( M Y  M bY ). 1 Các di chuyển khả dĩ : của chân vịt (Xq) và lực cản của nước theo x1 , z1 , y1 ,  1 , 1 độc lập, ta nhận được: phương chuyển động (XA), chúng có giá trị phụ thuộc tốc độ quay của trục cánh quạt (  2 ) Q*X 1  X C  FbX  FX  * và được xác định bằng thực nghiệm. QZ1  FZ  FbZ ; Thế các biểu thức trên vào phương trình  * (18) Q 1  M X  MbX ; Lagranger loại 2 ta được PTVP chuyển động  * của xuồng CCR trong mặt phẳng nằm ngang ở Q 1  MY  MbY . dạng ma trận như sau: Trong đó XC = Xq –XA - là tổng các lực đẩy M .q  D.(q )2  Q* (19) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 75
Công nghiệp rừng Trong đó: (m1  m2 ) 0 0 m2 L2 sin1   0 (m1  m2 )  m2h2 cos1  m2 L2 cos1  M  ;  0  m2h2 cos1 m2 L2 cos 1  I1X  I 2 X m2 h2 L2 cos1 cos1  2 2   m2 L2 sin(1 )  m2 L2 cos1 m2 h2 L2 cos1 cos1 m2 L22  I1Y  I 2Y   x1   x12   x1   z     z  z 2 q    ; ( q ) 2   1 2  q    và q T  x1 , z1 , 1 , 1 ;   1 1  1    1     1    1  12  1  0 0 0 (m2 L2 cos1  RbF sin1 )  0 0 (m2 h2 cos1 ) (m2 L2 sin1  RbF cos1 )  D ; 0 0 RbMx (m2 h2 L2 sin1 cos1 )    0 0  (m2 h2 L2 cos1 sin1 ) RbMx   X q  X A  kSn x112 sin3 30   2 2  * kSn x11 sin 30 cos30  Q   . 2 2 h .kS  3 n 11 x sin  30 cos 30  ( L  B cos ).kS x 2 sin2  cos   3 30 n 11 30 30  IV. KẾT LUẬN PTVP (19) theo phương pháp số nhờ các phần Mô hình chuyển động quay vòng của xuồng mềm thông dụng như Mathematical, Maple, CCR là hệ có 3 vật rắn di chuyển trong mặt hoặc Matlab-Simulink. phẳng nằm ngang được biểu diễn trên hình 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO với các sơ đồ lực tác dụng và quan hệ động học 1. Nguyễn Văn Đạo, 2002. Cơ học giải tích. NXB như hình 3 và hình 4. Đại học Quốc Gia, Hà Nội. PTVP chuyển động quay vòng của xuồng 2. Nguyễn Văn Khang, 2007. Động lực học hệ nhiều (19) là hệ PTVP phi tuyến, không thuần nhất vật. NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. có các hệ số phụ thuộc vào các thông số kết 3. Dương Văn Tài, 2010. Báo cáo tổng hợp kết quả đề tài KC07.13\06-10. Chuyên mục tính toán thiết kế cấu và các đại lượng động lực học của hệ . xuồng chữa cháy rừng. Thư viện Bộ Khoa học Công Để có cơ sở cải tiến kết cấu cho xuồng hoặc nghệ, Hà Nội. xác định chế độ quay vòng hợp lý có thể khảo 4. Lê Thanh Tùng, Lương Ngọc Lợi, 2009. Lý thuyết sát chuyển động của xuồng từ kết quả giải hệ tàu thủy. NXB Bách khoa, Hà Nội. 76 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015
Công nghiệp rừng DETERMINING THE EQUATION OF MOTION FOR THE FIREFIGHTING CANOE WHEN TURNING AROUND IN THE HORIZONTAL PLANE Nguyen Thi Luc SUMMARY CCR Canoes are being tested in the delta area of Cuu Long. When the canoe turns left or right in the horizontal plane with a large arc, it probably goes out the defined direction or horizontal angle is greater than the limit value. This makes water flow into canoe. This paper presents how to create dynamic models of canoe turnaround and to propose a differential equation solution. The research results allow up to determine a mode rotation within a reasonable structure of the boat under safe conditions. Differential equations are created under the matrix forms, whose elements are parameters of canoe construction and dynamic quantitives. Dynamic charaters of canoe turnaround are investigated by numercial method of such mechanical engineering softwares as: Matlab, MatlabSmulink. Keywords: CCR Canoe, coordinates, differential equations, line displacement, Matrix, steering wheel, propelling screw. Người phản biện : PGS.TS. Nguyễn Nhật Chiêu Ngày nhận bài : 20/3/2015 Ngày phản biện : 20/4/2015 Ngày quyết định đăng : 09/6/2015 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ LÂM NGHIỆP SỐ 2-2015 77

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.