BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÈ NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN Giảng viên hướng dẫn : Trần Hưng Trà Sinh viên thực : Nguyễn Trần Minh Quang Nguyễn Linh Vững Mã số sinh viên : 56131783 56136126 Khánh Hòa - 2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÈ NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN Giảng viên hướng dẫn : Trần Hưng Trà Sinh viên thực : Nguyễn Trần Minh Quang Nguyễn Linh Vững Mã số sinh viên : 56131783 56136126 Khánh Hòa - 2018 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Hưng Trà người trực tiếp hướng dẫn, tận tình bảo, hướng dẫn, cung cấp tài liệu, kinh nghiệm, học quý giá tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đề tài này.Do thời gian có hạn, kiến thức cịn nhiều hạn chế, chắn đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy bạn Một lần em xin kính chúc q Thầy, Cơ người ln mạnh khỏe, hạnh phúc ngày thành công sống Em xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực i LỜI MỞ ĐẦU ❖ Lý lựa chọn đề chọn: Hiện nay, với nhu cầu sản phẩm thuỷ sản giới ngày cao nguồn lợi thuỷ sản ngày cạn kiệt, khai thác xa bờ ngày khó khăn…, nghề ni trồng thuỷ sản trở thành giải pháp tốt cho phát triển lâu dài bền vững toàn ngành thuỷ sản Nhưng thực tế thiên tai mối nguy hiểm thường trực ngư dân nuôi trồng thuỷ sản biển, bão 12 năm vừa qua Khánh Hoà làm hư hỏng 40.000 lồng bè bị hư hại hoàn toàn, gây hưởng thiệt hại lớn kinh tế Ngư dân thường chế tạo bè nuôi theo kinh nghiệm truyền nhau, đánh giá khả chịu tác động từ môi trường, trước có nhiều nghiên cứu nghiên cứu chế tạo bè ni thuỷ sản, theo phương pháp tính tốn thiết kế thủ cơng nên độ xác khơng cao Do vậy, việc ứng dụng phần mềm chuyên dụng để tính tốn thiết kế bè ni thuỷ sản vấn đề cấp thiết Đây lí chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bè ni trồng thuỷ sản” Trong xây dựng mơ hình tương đương (Solidworks), mơ chuyển động sóng (Hydrodynamic Diffraction –Ansys) tính tốn cho kết cấu (Stactic structural) ❖ Mục tiêu đề tài: Nghiên cứu tính tốn thiết kế bè ni phần mềm Ansys Trong đó: ✓ Mơ chuyển động lồng bè sóng (Aqwa – Ansys) ✓ Tính tốn bền cho kết cấu (Static – Ansys) ❖ Đối tượng phạm vi nghiên cứu: • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu lồng bè ni thuỷ sản Đầm Nha Phu • Phạm vi nghiên cứu: Mô đánh giá khả chịu lực ô bè nuôi ii ❖ Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Đặc điểm kết cấu hệ thống bè Chương 3: Phân tích đánh giá bền Chương 4: Kết luận kiến nghị Mặc dù nỗ lực, cố gắng trình thực chuyên đề với trình độ, kiến thức, kinh nghiệm thực tế cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi sai sót định Do đó, em mong muốn nhận góp ý, bảo quý Thầy, Cơ ý kiến đóng góp bạn bè để chuyên đề hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC Đề mục Trang Lời cảm ơn i Lời mở đầu ii Bố cục đồ án ii Mục lục iv PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Nhu cầu phát triển ngành nuôi cá biển 1.2 Tình hình phát triển ngành ni cá biển 1.2.1 Trên giới 1.2.2 Tại Việt Nam 1.2.3 Tại Khánh Hoà 1.3 Sự phát triển nghành nuôi thuỷ sản lồng bè 1.4 Điều kiện tự nhiên nuôi thuỷ sản CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG BÈ NUÔI THUỶ SẢN HIỆN NAY 2.1 Phân tích hạn chế bè ni trồng thuỷ sản 10 2.2 Tìm hiểu số bè nuôi thuỷ sản 11 2.1.1 Kiểu lồng hở 11 2.1.2 Kiểu lồng kín 11 2.1.3 Kiểu lồng đơn giản 13 iv 2.1.4 Kiểu bè nuôi kết hợp nhà 13 2.1.5 Kiểu bè Nauy 14 2.1.6 Kiểu lồng bướm (USA) 16 2.1.7 Kiểu bè đại Pháp 16 1.2.8 Kiểu bè hình vng Nhật 17 2.2 Đặc điểm hệ thống bè ni Khánh Hồ (Đầm Nha Phu) 18 2.2.1 Đặc điểm vị trí địa lí 18 2.2.2 Cấu tạo bè 18 2.2.3 Đánh giá chung 22 2.3 Xây dựng phương án cải tiến kết cấu 22 2.4 Tính tốn đặc điểm kết cấu bè 24 2.4.1 Kết cấu bè 24 2.4.2 Kích thước 24 2.4.3 Lưới lồng 25 2.4.4 Khối lượng bè nuôi 25 2.4.5 Khối lượng lưới lồng 27 2.4.6 Tải trọng giằng căng lưới 27 2.4.7 Đặc điểm hệ thống neo bè 28 2.4.8 Tính tốn độ phao 29 2.4.9 Lực tác dụng lên bè 30 2.4.9.1 Lực thuỷ tĩnh 30 v 2.4.9.2 Lực thuỷ động 32 2.4.9.3 Lực cản dịng chảy vng góc lên lưới 33 2.4.9.4 Tính tốn lực kéo lưới lên để vệ sinh 36 2.4.9.5 Tính chọn neo 36 2.4.10 Tính tốn chọn cáp 38 2.4.10.1 Vật liệu 38 2.4.10.2 Tính tốn cáp 39 2.4.10.3 Sơ lược sóng 41 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN KẾT CẤU 3.1 Xây dựng mơ hình tính 45 3.1.1 Mơ hình hố hình học kết cấu bè 45 3.1.2 Vật liệu làm bè 49 3.1.3 Điều kiện liên kết bè 49 3.2 Xác định áp lực sóng tác dụng lên bè phần mềm ANSYS - CFD 51 3.3 Phân tích đánh giá độ bền kết cấu bè phần mềm ANSYS STRUCTUAL 61 3.3.1 Áp lực sóng (Pressure) tác dụng lên bè 61 3.3.2 Kết tính tốn ứng suất kết cấu 64 3.3.2.1.Trường hợp áp lực nước tác dụng lên khung bè 64 3.3.2.2 Trường hợp trung tâm khung bè nằm đỉnh sóng 72 3.3.2.3 Trường hợp đầu bè sóng 76 vi 3.3.3 Tính tốn đánh giá khả chịu tải hệ thống neo 79 3.3.2.1 Vật liệu 79 3.3.2.2 Đánh giá khả chịu lực dây neo 80 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận 81 4.2 Kiến nghị 82 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Kiểu lồng hở 11 Hình 2.2 Kiểu lồng kín 12 Hình 2.3 Kiểu lồng kín thực tế 12 Hình 2.4 Kiểu lồng bè đơn giản 13 Hình 2.5 Kiểu bè ni kết hợp nhà 14 Hình 2.6 Kiểu bè Nauy 15 Hình 2.7 Kiểu bè Nauy thực tế 15 Hình 2.8 Lồng kiểu bướm 16 Hình 2.9 Lồng kiểu bè Pháp 16 Hình 2.10 Kiểu bè hình vng Nhật 17 Hình 2.11 Kiểu bè hình vng Nhật thực tế 17 Hình 2.12 Sơ đồ cấu tạo bè 18 Hình 2.13 Bè ni thực địa 19 Hình 2.14 Phao 20 vii Hình 2.15 Vị trí mối ghép đà 20 Hình 2.16 Neo 21 Hình 2.17 Cấu tạo bè 22 Hình 2.18 Tạ giằng lưới 28 Hình 2.19 Sơ đồ neo hải quân 36 Hình 2.20 Lực căng cáp 40 Hình 3.1 Phao 2D 3D 45 Hình 3.2 Thanh Đà 2D 45 Hình 3.3 Thanh Đà 3D 46 Hình 3.4 Khung bè dạng 2D 46 Hình 3.5 Khung bè dạng 3D 47 Hình 3.6 Mơ hình nhà 2D 47 Hình 3.7 Mơ hình nhà 3D 48 Hình 3.8 Mơ hình tổng quan khung bè 2D 48 Hình 3.9 Mơ hình khung bè 3D 49 Hình 3.10 Liên kết đà 50 Hình 3.11 Liên kết phao đà 50 Hình 3.12 Liên kết bè neo 51 Hình 3.13 Sơ đồ trình nghiên cứu 52 Hình 3.14 Xây dựng mơ hình bè 53 Hình 3.15 Khởi động Ansys Workbench 54 viii HÌnh 3.42 Đồ thị ứng suất kết cấu cấp bão ứng suất cho phép Kết luận dựa vào kết đồ thị: - Trường hợp bão cấp 5: 𝜎 < [𝜎] Kết cấu đủ bền - Trường hợp 7,10,12 : 𝜎 > [𝜎] Kết cấu khơng đủ bền Hình 3.43 Đồ thị hệ số an toàn cho kết cấu bè 71 Hệ số an tồn = [𝜎] 𝜎 =𝑛 Trong đó: [𝜎]ư: Ứ𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑐ℎ𝑜 𝑝ℎé𝑝 𝜎: Ứ𝑛𝑔 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑘ế𝑡 𝑐ấ𝑢 Đối với: 𝑛 ≥ 1: 𝐾ế𝑡 𝑐ấ𝑢 đủ 𝑏ề𝑛 𝑛 < 1: 𝐾ế𝑡 𝑐ấ𝑢 𝑘ℎô𝑛𝑔 đủ 𝑏ề𝑛 3.3.2.2 Trường hợp trung tâm khung bè nằm đỉnh sóng: Trường hợp trường hợp nguy hiểm ✓ Xét trường hợp bão cấp 5: Xây dựng mơ hình tính Solidworks: - Liên kết liên kết ngàm cứng - Các phao xem liên kết gối khung bè Hình 3.44 Mơ hình bè Q trình nghiên cứu: 72 Từ mơ hình xây dựng, ta xác định ứng suất thơng qua biến dạng mơ hình theo chuyển vị sóng ❖ Thiết lập điều kiện biên: Thiết lập Roller/Slider: xem gối cố định trung tâm bè, ràng buộc bậc tự tịnh tiến Vị trí thiết lập điều kiện biên Hình 3.45 Thiết lập điều kiện biên ❖ Khai báo chuyển vị theo bề mặt sóng: Đối với sóng cấp 5: • Chiều cao sóng 2m • Bước sóng 8,4m Khi trung tâm bè nằm đỉnh sóng, cho ta đầu bè chuyển vị theo bề mặt sóng dịch chuyển so với vị ban đầu 1m 73 Hình 3.46 Khai báo chuyển vị theo bề mặt sóng ❖ Kết ứng suất: Hình 3.47 Ứng suất xác định từ chuyển vị theo bề mặt sóng cấp ❖ Đánh giá độ bền bè: Trong đó: Ứng suất kết cấu: 𝜎 = 1,76 107 (𝑃𝑎) Ứng suất cho phép: [𝜎] = 1,9 107 (𝑃𝑎) 74 Ta so sánh với ứng suất cho phép vật liệu gỗ: 𝜎 < [𝜎]  Kết luận kết cấu đủ bền trường hợp bão cấp ✓ Xét trường hợp bão cấp 7: Tương tự, sử dụng mô hình xây dựng bước thực trường hợp bão cấp 5: Đối với sóng cấp 7: - Chiều cao sóng 3,5 m - Bước sóng 76,3 m Khi trung tâm bè nằm đỉnh sóng, cho ta đầu bè chuyển vị theo bề mặt sóng dịch chuyển so với vị ban đầu 2,5m ❖ Kết ứng suất: Hình 3.48 Ứng suất xác định từ chuyển vị theo bề mặt sóng cấp ❖ Đánh giá độ bền bè: Trong đó: Ứng suất kết cấu: 𝜎 = 3,6 107 (𝑃𝑎) Ứng suất cho phép: [𝜎] = 1,9 107 (𝑃𝑎) 75 Ta so sánh với ứng suất cho phép vật liệu gỗ: 𝜎 > [𝜎]  Kết luận kết cấu không đủ bền trường hợp bão cấp 3.3.2.3 Trường hợp đầu bè sóng đầu bè cịn lại chuyển vị theo bề mặt sóng: ✓ Xét trường hợp bão cấp 5: ❖ Thiết lập điều kiện biên: Thiết lập Roller/Slider: xem gối cố định đầu bè, ràng buộc bậc tự tịnh tiến Vị trí xét điều kiện biên Hình 3.49 Thiết lập điều kiện biên ❖ Tải trọng tác dụng lên khung bè: Tải trọng tác tác dụng bao gồm: - Tải trọng lưới - Tải trọng khung bè Xét ô bè: - Tải trọng lưới 20-22 kg 76 - Tải trọng tạ giằng vị trí 12 kg, ta có tạ giằng góc nên ta có tổng tải trọng giằng lưới ô è 48 kg  Tải trọng tác dụng lên ô 70 kg= 700 N  Với tải trọng ta chia đặt lực lên vị trí khung bè Hình 3.50 Lực tác dụng lên khung bè ❖ Khai báo chuyển vị theo bề mặt sóng: Khi đầu bè nằm đỉnh sóng, cho ta đầu bè cịn lại chuyển vị theo bề mặt sóng dịch chuyển so với vị ban đầu 1m Hình 3.51 Khai báo chuyển vị theo bề mặt sóng 77 ❖ Kết ứng suất: Hình 3.52 Kết ứng suất ❖ Đánh giá độ bền bè: Trong đó: Ứng suất kết cấu: 𝜎 = 8,2 106 (𝑃𝑎) Ứng suất cho phép: [𝜎] = 1,9 107 (𝑃𝑎) Ta so sánh với ứng suất cho phép vật liệu gỗ: 𝜎 < [𝜎]  Kết luận kết cấu đủ bền trường hợp bão cấp xét điều kiện ✓ Xét điều kiện bão cấp 7: Khi đầu bè nằm đỉnh sóng, với đầu bè lại chuyển vị theo bề mặt sóng dịch chuyển so với vị ban đầu 2,5m 78 ❖ Kết ứng suất: Hình 3.53 Kết ứng suất ❖ Đánh giá khả bền: Trong đó: Ứng suất kết cấu: 𝜎 = 1,59 106 (𝑃𝑎) Ứng suất cho phép: [𝜎] = 1,9 107 (𝑃𝑎) Ta so sánh với ứng suất cho phép vật liệu gỗ: 𝜎 < [𝜎]  Kết luận kết cấu đủ bền trường hợp bão cấp xét điều kiện 3.3.3 Tính tốn đánh giá khả chịu tải hệ thống neo: 3.3.3.1 Vật liệu: Vật liệu Nylong: chế tạo từ sợi Polypropylene có độ bền cao Có tính chất: - Lực kéo đứt lớn - Độ bền cao (cao 10% loại cáp thơng thường) 79 Hình 3.54 Thơng số vật liệu dây neo 3.3.3.2 Đánh giá khả chịu lực dây neo: ❖ Xác định lực tác dụng lên dây: Hình 3.55 Xác định lực tác dụng lên dây Xét trường hợp: Σ𝐹𝑦 = 𝑃1 + 𝑅1 − 𝐹1 𝐶𝑜𝑠𝛼 = 0; 80 𝐹1 = 𝑅1 −𝑃1 𝐶𝑜𝑠𝛼 ; Trong đó: 𝐹1 : Lực tác dụng lên dây (N) 𝑅1 : Áp lực sóng tác dụng (N/𝑚2 ) 𝑃1 : Khối lượng tác dụng trí phao (N), 𝑃1 = 500𝑁 𝛼: góc nghiên dây neo so với phương thẳng đứng, 𝛼 = 450 Ứng theo cấp bão xác định áp lực sóng (𝑅1 ) tác dụng lên bè khác nhau: Bảng 3.3 Tính tốn lực tác dụng lên dây Bão cấp Áp lực sóng tác dụng Bão cấp Bão cấp Bão cấp 10 12 2407 3332.9 8938 38409 2696,9 4006.3 11933.1 53611.4 (N/𝑚2 ) Lực tác dụng lên dây (N) ❖ Xác định ứng suất dây: 𝜎= 𝐹 𝐴 Trong đó: 𝜎: Ứng suất tác dụng lên dây (N/𝑚𝑚2 ) F: Lực tác dụng lên dây (N) A: Tiết diện dây (𝑚𝑚2 ), dây có đường kính 2-3 cm Ta chọn d = 20 mm 81 𝜋 𝑑 𝐴= = 314,15 (𝑚𝑚2 ); Bảng 3.4 Tính tốn ứng suất dây theo cấp bão Ứng suất Bão cấp Bão cấp Bão cấp 10 Bão cấp 12 8,58 12,75 37,98 170,66 (N/𝑚𝑚2 ) ❖ Dự báo khả làm việc dây neo: Hình 3.56 Đồ thị ứng suất ngoại lực ứng suất cho phép Kết luận dựa vào kết đồ thị: - Trường hợp bão cấp 5, 7: 𝜎 < [𝜎], Dây đủ bền - Trường hợp 10,12 : 𝜎 > [𝜎] Dây không đủ bền 82 Chương IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận: Hệ thống bè cịn nhiều nhược điểm: kết cấu thơ sơ, độ bền khơng cao, khả chịu sóng gió từ điều kiện môi trường kém,… Sử dụng công cụ phần mềm cho phép rút ngắn thời gian tăng độ xác tính tốn thiết kế bè, đặc biệt hệ thống bè làm việc điều kiện phức tạp sóng gió Mơ hình tính từ đề tài áp dụng tính tốn cho nhiều kết cấu bè khác thực tế Kết đề tài cho phép dự báo khả chịu sóng gió bè Kết góp phần quan trọng hỗ trợ ngư dân giảm thiệt hại kinh tế 4.2 Kiến nghị: Kết đề tài cần kiểm nghiệm thực nghiệm để đảm bảo độ tin cậy kết tính Nghiên cứu ứng dụng vật liệu HDPE, FCC,… với kết cấu đại tham khảo từ nước phát triển áp dụng vào thiết kế chế tạo bè nuôi trồng nước ta 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO PGS-TS Hoàng Thị Chỉnh Phát triển thuỷ sản Việt Nam “Những luận thực tiễn” – NXB Nông Nghiệp PGS-TS Nguyễn Kim Độ; KS Thái Bá Hồ; KS Ngô Trọng Lư Kỹ thuật nuôi cá lồng biển – NXB Nông nghiệp Nguyễn Văn Động Cơ sở lí thuyết thiết kế ngư cụ - NXB –TP HCM Trần Gia Thái Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính tốn động lực học lưu chất (CFD) mô để thay số thực nghiệm nghành kỹ thuật giao thông Anasys Aqwa hydrodynamic Diffraction: Aqwa-Intro_14.5_WS02.1_AqwaWB_HD Thang sức gió Beaufort vi.wikipedia.org/wiki/Thang_sức_gió_Beaufort Products ansys Structures: ansys.com/products/structures/ansys-aqwa Tạp chí thuỷ sản – số – 2004 Tình hình phát triển nghành ni cá biển Education ANSYS 12: fernandobatista.net/education/project/Ansys12 10.www.ansys.com/Products/Other /ANSYS+AQWA 84 11.Introduce AQWA – ANSYS: Aqwa-Intro_14.5_WS02.1_AqwaWB_HD 12.Marine Enegry engineering: innosea.co.uk/products/ 13.ANSYS-Load Mapping : cadfamily.com/a/CAE_FEA_CFD/ICEM-CFD/ANSYS-Load-Mapping_10645 14.ANSYS Aqwa Hydrodynamic Time Response: cadfamily.com/a/CAE_FEA_CFD/ICEM-CFD/ANSYS-Aqwa-HydrodynamicTime-Response_10636 15.Overview of Wave to Wire Models: sdwed.civil.aau.dk/digitalAssets/97/97535_d4.10 16.Wind wave: en.wikipedia.org/wiki/Wind_wave 85 ... thường chế tạo bè nuôi theo kinh nghiệm truyền nhau, đánh giá khả chịu tác động từ môi trường, trước có nhiều nghiên cứu nghiên cứu chế tạo bè ni thuỷ sản, theo phương pháp tính tốn thiết kế thủ... ứng dụng phần mềm chuyên dụng để tính tốn thiết kế bè ni thuỷ sản vấn đề cấp thiết Đây lí chọn đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo bè ni trồng thuỷ sản? ?? Trong xây dựng mơ hình tương đương (Solidworks),...TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CƠ KHÍ BỘ MƠN CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO BÈ NUÔI TRỒNG THUỶ SẢN Giảng viên hướng dẫn : Trần Hưng Trà Sinh viên thực :