THIẾT KẾ, ĐÓNG MỚI XUỒNG QUÂN SỰ BẰNG VẬT LIỆU PPC
Trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo tàu quân sự, đặc biệt là xuồng cao tốc, bài toán giảm trọng lượng nhằm tăng tốc độ, tiết kiệm nhiên liệu là mục tiêu quan trọng. Đối với các loại xuồng cao tốc, trọng lượng thân vỏ chiếm tỷ lệ lớn nhất so với các thành phần còn lại, do đó, việc sử dụng các vật liệu có trọng lượng riêng nhẹ là giải pháp hiệu quả trong việc giảm trọng lượng xuồng. Một trong các vật liệu tiêu biểu có thể áp dụng đó là vật liệu PPC.
Ưu điểm nổi trội của vật liệu PPC là trọng lượng riêng thấp, khoảng 0,91 tấn/m3 (nhẹ hơn nước), có khả năng chịu được va đập mạnh, tuổi thọ cao, không bị han gỉ; quá trình sản xuất sạch, không gây hại cho môi trường. Vật liệu PPC cũng có một số nhược điểm như nhiệt độ nóng chảy thấp, dễ bị giòn hóa ở nhiệt độ dưới -350C; tính uốn, tính tạo hình và độ bền không tốt bằng hợp kim nhôm hay composite. Đối với sản phẩm là xuồng quân sự hoạt động trong môi trường sông, biển Việt Nam thì các hạn chế về dải nhiệt độ ít bị ảnh hưởng; tuyến hình xuồng cao tốc thường có dạng bẻ góc, ít mặt cong đa chiều phức tạp nên về tính uốn, tính tạo hình cũng không ảnh hưởng. Do vậy, việc sử dụng vật liệu PPC để đóng mới các xuồng quân sự cao tốc, kích thước nhỏ là phù hợp.
Gần đây, Bộ Quốc phòng đã ban hành tiêu chuẩn quy phạm phân cấp và đóng phương tiện thủy quân sự chế tạo bằng vật liệu PPC; cho phép triển khai đóng mới loạt xuồng tuần tra cao tốc MS-50S bằng vật liệu PPC có tốc độ lên đến 35 hải lý/giờ, trang bị cho lực lượng Cảnh sát biển và Bộ đội Biên phòng. Các xuồng MS-50S khi đưa vào sử dụng hoạt động hiệu quả, chi phí bảo dưỡng thấp, phù hợp với hoạt động khu vực cửa sông, ven biển.
Vừa qua, Viện Thiết kế tàu quân sự được giao thực hiện nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo xuồng cứu hộ bằng vật liệu Polystone Polypropylene Copolime (PPC)”. Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ Viện đã rút ra những kinh nghiệm trong việc thiết kế, chế tạo nhằm nâng cao chất lượng xuồng quân sự bằng vật liệu PPC, cụ thể như sau:
Về thiết kế: Đây là yếu tố quyết định đến tính năng kỹ thuật của xuồng, do đó, cần áp dụng tự động hóa từ giai đoạn thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật đến thiết kế thi công. Các giai đoạn thiết kế thực hiện trên phần mềm chuyên dụng; phương án thiết kế được mô hình hóa 3D tổng thể, từ đó phân tích và lựa chọn phương án tối ưu. Việc áp dụng công nghệ mô phỏng kết hợp sử dụng phương pháp số cho phép tối ưu hóa tuyến hình, phân tích trường áp suất, trường vận tốc, xác định sức cản và lựa chọn công suất máy; phân tích độ bền kết cấu tổng thể hoặc cục bộ; kiểm tra va chạm trong thiết kế bố trí thiết bị… Tất cả các phân tích này đều được hiển thị dưới dạng hình ảnh trực quan, người thiết kế căn cứ vào kết quả nhận được để điều chỉnh phương án thiết kế tối ưu nhất. Sản phẩm cuối của quá trình thiết kế là các bản vẽ sẽ được hạ liệu, chuyển thành file cắt cho máy cắt tự động CNC và đánh dấu các chi tiết để thi công.
Về chế tạo: Ngoài những yếu tố trực tiếp tác động đến chất lượng sản phẩm, như: trình độ công nghệ của nhà máy, kinh nghiệm, năng lực của công nhân… thì việc giám sát thi công có vai trò rất quan trọng. Thực tế triển khai dự án đóng mới loạt xuồng tuần tra cao tốc MS-50S, việc duy trì giám sát thường xuyên, đúng quy trình cho ra sản phẩm chất lượng, sản phẩm sau hoàn thiện hơn sản phẩm trước, đáp ứng yêu cầu của chủ đầu tư và đơn vị sử dụng.
GIẢI PHÁP THIẾT KẾ XUỒNG CỨU HỘ
Xuồng cứu hộ do Viện Thiết kế tàu quân sự thiết kế, Công ty Cổ phần Công nghệ Jameboats chế tạo, có những đặc thù về yêu cầu tính năng kỹ thuật, như: có tốc độ và tính ổn định cao, có khả năng “không chìm” ngay cả khi xuồng bị thủng hoặc bị lật, chịu va đập tốt, có thể trượt trên san hô hay va vào các bờ đá mà không bị hư hại, có vị trí nằm cho người bị nạn… Từ các yêu cầu kỹ thuật đó, Viện đã lựa chọn vật liệu PPC để thiết kế và áp dụng các giải pháp thiết kế tối ưu xuồng.
Trong thiết kế tàu, thiết kế tuyến hình là yếu tố quan trọng nhất quyết định đến tính năng, tốc độ của sản phẩm, do đó, các thông số về hình dáng cần được kiểm soát chặt chẽ, phân tích kỹ lưỡng, chính xác và nhanh chóng. Quá trình thực hiện, nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm Maxsuft để mô hình hóa 3D tuyến hình và tính toán các yếu tố cân bằng, ổn định, phân khoang chống chìm... Đối với thiết kế bố trí chung, các phương án bố trí xuồng được dựng 3D trên phần mềm Rhinoceros để kiểm tra va chạm trong bố trí trang thiết bị, đồng thời tối ưu hóa không gian và công năng sử dụng... Ở bước thiết kế kết cấu, quy cách kết cấu được xác định theo yêu cầu quy phạm, toàn bộ kết cấu được mô hình hóa 3D, kiểm bền, từng chi tiết được đánh dấu tên; các thông số về khối lượng, trọng tâm đều được cung cấp một cách tự động để thực hiện các vòng lặp tính toán.
Thực tế quá trình thiết kế tối ưu xuồng cứu hộ cho thấy, việc áp dụng tự động hóa trong thiết kế mang lại năng suất và hiệu quả lớn hơn nhiều so với phương pháp truyền thống. Mỗi chi tiết trên xuồng đều được quản lý, việc chuyển cơ sở dữ liệu từ thiết kế đến các máy cắt tự động nhanh chóng, dễ dàng và chính xác. Nhờ vậy, chất lượng thiết kế đảm bảo, thời gian hoàn thành sản phẩm được rút ngắn.
Ngoài áp dụng tự động hóa trong thiết kế, Viện cũng đã ứng dụng công nghệ mô phỏng kết hợp sử dụng phương pháp số để tính toán sức cản. Điểm khác biệt lớn của xuồng cứu hộ so với các sản phẩm thiết kế trước đây là việc ứng dụng phương pháp CFD để tối ưu hóa tuyến hình xuồng. Về bản chất phương pháp CFD là phương pháp ứng dụng công nghệ mô phỏng kết hợp với phương pháp số bằng các phần mềm chuyên dụng để giải hệ phương trình Navier - Stock trong quá trình tương tác giữa chất lỏng, khí và vật rắn. Từ việc mô tả dòng chảy bao quanh thân xuồng, phân tích lực tương tác của chất lỏng và chất khí tác dụng lên thân xuồng cho phép mô phỏng trường sóng, trường áp suất xung quanh thân xuồng, xác định được hợp lực tác dụng lên xuồng theo phương chuyển động, từ đó xác định được sức cản của xuồng.
Có thể khẳng định, việc ứng dụng vật liệu PPC để chế tạo xuồng cứu hộ và các loại xuồng cao tốc có kích thước nhỏ là giải pháp đúng đắn, làm tăng hiệu quả đầu tư, sản phẩm thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí hoạt động và bảo dưỡng, góp phần tăng khả năng đảm bảo, tính đa dạng về vật liệu cho ngành đóng tàu quân sự.
Việc áp dụng tự động hóa trong thiết kế đóng mới tàu quân sự giúp tăng năng suất, rút ngắn thời gian thiết kế, giảm thiểu được những sai sót trong quá trình thực hiện. Quá trình làm chủ các phần mềm chuyên dụng được trang bị như Maxsurf, Rhinoceros, Fine Marine… trong thiết kế, tối ưu hóa xuồng cứu hộ là tiền đề cho việc tự động hóa thiết kế các sản phẩm sau này của Viện Thiết kế tàu quân sự nói riêng và của ngành đóng tàu quân sự nói chung.
TS. NGUYỄN ĐOÀN CƯỜNG& ThS. BÙI VIỆT NAM& ThS. KHƯƠNG VĂN GIÁP
Phòng Thiết kế phương án, Viện Thiết kế tàu quân sự