Hydrofoil – loď „plující na křídlech“

Smíchovská střední průmyslová škola
Preslova 25, 150 21 Praha 5
Hydrofoil – loď „plující na křídlech“
Maturitní projekt
Jiří Velík
4. B
Garant: Ing. Olga Kaiferová
Konzultant: Ing. Karel Fuksa a Ing. Michal Schmirler
Zadání: Návrh a stavba modelu lodi plující na křídlech - hydrofoil. Součástí projektu je
řešení problematiky dynamického vztlaku, stability a řiditelnosti modelu s využitím moderní
elektroniky. Navrhněte modely komponent a sestavy lodi plující na křídlech. Z modelů
součástí generujte technickou dokumentaci – výrobní výkresy nebo programy pro výrobu na
CNC strojích. Vygenerujte výkres sestavy lodi včetně pozic a kusovníku. Navrhněte vhodné
fotorealistické ztvárnění modelu lodi – povrch, osvětlení, scénu. Navrhněte montážní soubor
lodi - *. Ipn. Navrhněte videa. Animace osvětlení, kamery, parametrů aj. Vypracujte
technickou zprávu. Popis a funkce lodi. Teorie geometrie křídla. Realizace modelu.
Účel projektu: Studenti se v rámci projektu naučí pracovat se softwary používanými
v běžném automobilovém, leteckém nebo strojírenském průmyslu. Znalost CAD/CAM
softwaru umožňuje orientovat se v oboru, který má stále větší význam. Projekt umožní
důkladně poznat tyto systémy a získat zkušenosti:
- při tvorbě digitálních modelů
- ve zpracování NC kódů
- v konstrukční činnosti
- v projektové činnosti
Využití těchto systémů je velmi potřebné pro celkový rozvoj všech vědních oborů.
Studenti mohou konzultovat své návrhy s odborníky ČVUT a rozšiřovat si tak své znalosti a
dovednosti. Projekt poslouží k prezentaci školy.
Výstup (výstupy) projektu: Rozdělení funkcí a zodpovědnost členů týmu za jednotlivé
úkoly. Návrh modelů komponent lodi. Návrh modelu sestavy lodi. Výkresy komponent lodi.
Výkres sestavy. Návrh programu pro CNC obrábění vybraných komponent: simulace dráhy
nástroje a NC kód. Montážní soubor letadla – video. Fotorealistické ztvárnění lodi – min. 2x
render. Animace pohybu lodi – min. 2x video. Prezentační panely. Technická zpráva
- analýza problému
- variantní návrhy lodi
- volba polotovaru, materiálu komponent
- čistá hmotnost komponent a sestavy formule
- návrh povrchové úpravy
- popis parametrů render-obrázků
- popis parametrů videa
- závěrečné zhodnocení projektu
- výstupy zkoušek v aerodynamickém tunelu
- výstup hospodaření
Prezentace projektu v programu PWP/www
Model lodi
Obsah:
Proveďte analýzu problému a navrhněte postupy pro splnění zadání, sestavte
harmonogram prací a hodnotící list s bodovanými úkoly, proveďte vlastní řešení projektu dle
schváleného harmonogramu, proveďte závěrečné zhodnocení projektu, odevzdejte
závěrečnou zprávu ve formě dokumentu v programu Word, odevzdejte prezentaci projektu
v programu PowerPoint, proveďte veřejnou prezentaci svého projektu
Žákovský projekt bude mít teoretickou a praktickou část. V teoretické části odevzdáte
vytištěnou závěrečnou zprávu a případné další výstupy, plynoucí z vašeho projektu.
Závěrečná zpráva, podklady pro prezentaci a případné další výstupy budou rovněž na
připojeném nosiči CD. Součástí projektu je závěrečná veřejná prezentace projektu před
třídou a dalšími návštěvníky prezentace.
V praktické části budete svůj projekt obhajovat před maturitní komisí.
Hodnotící list
Čestné prohlášení
Já, Jiří Velík, student SSPŠ, narozen 10. 12. 1991, bytem ve Vybíralově ulici 974, Praha
9, Černý Most 2, 198 00
čestně prohlašuji, že v dokumentu, jehož je toto prohlášení nedílnou součástí, jsem
uvedl přesné, pravdivé a úplné údaje. Vše jsem tvořil sám za pomoci garanta a konzultanta.
Při práci jsem použil pouze legální SW. Jsem si vědom toho, že pokud by mnou uvedené
informace byly nepravdivé, budu čelit všem z toho vyplývajícím následkům.
V Praze dne
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
Anotace
Hydrofoil
Cíl našeho projektu bylo vymyslet, navrhnout, zkonstruovat a vyrobit loď, která pluje
na vodě za pomoci vztlakové síly. Loď má na bocích dvě křídla, která jsou hydrodynamicky
tvarována na průřez vodou. Na těchto křídlech jsou pod hladinou zavěšena vztlaková křídla,
ke kterým je připevněn plovák a podle hladiny se natáčejí, tím způsobí, že se loď zvedne nad
hladinu, na zádi lodi je poslední třetí křídlo které slouží jako kormidlo a zároveň je na něm
připevněn i motor který bude loď pohánět. V praxi to vypadá tak, že loď se při dosažení
určité rychlosti vznese na křídla a to má za následek obrovské zvýšení rychlosti díky
minimálnímu tření s vodní hladinou. Další nezbytnou výhodou bude, že loď může projet
zatáčkou, aniž by musela přibrzdit. Náš projekt je hodně atypický, musíme vše vymyslet, v
neposlední řadě vyrobit a velmi důležité je i použití správných materiálů pro dosažení
požadovaných účinků. Součást projektu je i příprava ústní prezentace doplněná o prezentaci
konstrukční dokumentace, která dokumentuje kompletní návrh, konstrukci a výrobu modelu.
Hydrofoil
The task of our project was to draft, fabricate and produce a boat that is floating on
the water because of the lifting force acting upon it. There are two wings placed on the sides
of the boat that are aerodynamically shaped in order to cut through the water. There are
extra two lifting wings attached to those wings on the sides. Those lifting wings are placed
under the water and a floater is fixed to them. They swing round the water level and this
causes he boat to lift up from the water. On the back of the boat there is last – third wing
which is used as a rudder and there is an engine fixed to it. This engine is used to drive the
boat. So in the end the situation is following: after the boat reaches a certain speed it starts
floating on the wings and this results in acceleration due to the fact that the friction with the
water has been reduced to minimum. Apart from the acceleration, another big advantage of
the boat is that it can drive through the bends without slowing down. Our project is very
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
atypical, we have to think through every step and construct everything. It is also very
important that we have chosen the best materials in order to reach the required results. One
component of the project is also the preparation of an oral presentation enriched by the
presentation of design documents. Those documents contaion the entire proposal of the
project, its construction and the production. .
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
Obsah
Anotace ...........................................................................................................................7
Hydrofoil ..................................................................................................................... 7
Hydrofoil ..................................................................................................................... 7
1
2
Úvod .......................................................................................................................11
Analýza ...................................................................................................................12
2.1 Popis úkolu. ..................................................................................................... 12
2.1.1 Co mám vlastně řešit?............................................................................... 12
2.1.2 Komu je mé řešení určeno. ....................................................................... 12
2.2 Popis stávajícího stavu. ................................................................................... 12
2.2.1 Popis současného stavu mnou řešeného problému, co již existuje. ........ 12
2.2.2 Zdroje, z nichž čerpám výchozí informace, případně moje vlastní
zkušenosti s danou problematikou. ................................................................................. 12
2.3 Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu. ............................... 13
2.3.1 Popis výběru prostředků na tvorbu projektu, plakátu i závěrečné zprávy,
použitý software. .............................................................................................................. 13
2.3.2 Popis dalších potřebných prostředků. ...................................................... 13
2.4 Popis výběru varianty řešení a výstupů. ......................................................... 13
2.4.1 Návrh možných variant a jejich stručný popis. ......................................... 13
2.4.2 Zdůvodnění volby a stručný popis předpokládaných výstupů. ................ 13
2.5 Stanovení dílčích úkolů. .................................................................................. 14
2.5.1 Chronologický přehled úkolů. ................................................................... 14
2.5.2 Stručný popis dílčích úkolů. ...................................................................... 14
3 Vlastní řešení ..........................................................................................................15
3.1 Zpracování analýzy .......................................................................................... 15
4
3.2
Vytvoření hodnotícího listu ............................................................................ 15
3.3
Vlastní práce ................................................................................................... 15
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
Závěr
Vytvoření modelu lodi............................................................................... 15
Tvorba NC kódu a výroba .......................................................................... 16
Ruční broušení, nástřik tmelem ve spreji ................................................. 16
Nanesení barev ......................................................................................... 16
....................................................................................................................17
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
5
6
Seznam použitých zdrojů .......................................................................................19
Seznam obrázků .....................................................................................................20
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 11
1 Úvod
Důvodem proč jsem si vybral tento ojedinělý projekt bylo, že mě okamžitě oslovil.
Skutečnost, že budeme vyrábět skutečný RC model z balzy na dálkové ovládání mne velice
zaujala a spolupráce s fakultou tekutin na ČVUT mi připadala více nežli zajímavá. Tento
projekt dělám se svým spolužákem ze SSPŠ Michalem Šeredou a Ing. Michal Schmirler k nám
přidal dalšího spolupracovníka a to Jana Rozsypala z gymnázia Zatlanka. Model jsme museli
celý vymyslet, navrhnout a zkonstruovat, přičemž musel splňovat určité parametry. Na rozdíl
od jiných projektů, tento byl těžší v tom, že jsme neměli žádné předlohy k práci, pouze
obrázky na internetu, ale žádné bližší informace jsme neměli. Informace jsme čerpali pouze
od Ing. Schmirlera, ale přesnou představu o tvarech, materiálu, ale i spojeních určitých částí
jsme si museli vymyslet. Dále tu byly problémy typu, jak ohnout dural, jaký motor použijeme,
ale i například z banální záležitosti kudy povedou kabely, se vylíhl velice složitý problém, se
který jsme museli řešit. Na ČVUT byl sice již postaven model hydrofoilu, ale byla to
plachetnice a měla jiné parametry, rozmístění nosníků i materiál byl odlišný. Museli celý
model vymyslet a zrealizovat, proto je náš projekt čistý a nefalšovaný unikát.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 12
2 Analýza
2.1 Popis úkolu.
2.1.1 Co mám vlastně řešit?
Návrh a stavba modelu lodi plující na křídlech - hydrofoil. Součástí projektu je řešení
problematiky dynamického vztlaku, stability a řiditelnosti modelu s využitím moderní
elektroniky.
Součástí projektu je: Technická dokumentace, booklet, www o projektu, plakát a
samotná realizace projektu.
Všechny výdaje na materiál a prostředky jsou hrazeny ČVUT.
2.1.2 Komu je mé řešení určeno.
Vytvoření plně funkčního modelu je závěrem našeho maturitního projektu a model
hydrofoilu bude vystaven v prostorách SSPŠ.
2.2 Popis stávajícího stavu.
2.2.1 Popis současného stavu mnou řešeného problému, co již existuje.
V této době se dostáváme do kompletování předních křídel s nosníky, zároveň
budeme barvit loď a musíme vymyslet a vymodelovat kryt motoru (upravili jsme uchycení
motoru). Dále musíme vymyslet a vymodelovat plovák, který bude zachycen za přední křídlo
a bude redukovat velikost vychýlení předních křídel.
2.2.2 Zdroje, z nichž čerpám výchozí informace, případně moje vlastní zkušenosti
s danou problematikou.
Výchozí informace jsem čerpal z obrázků na google.com, to mi dalo jistou cestu, jak
budu vytvářet trup a celkový vzhled lodi. Dále jsem komunikoval s naším konzultantem
z ČVUT a ten schvaloval, či zamítal moje návrhy.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 13
2.3 Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu.
2.3.1 Popis výběru prostředků na tvorbu projektu, plakátu i závěrečné zprávy,
použitý software.
K modelování lodi jsem použil: Autocad Inventor Profesional 2009, na tvorbu plakátu
technické zprávy Adobe Photoshop CS3 a na tvorbu závěrečné zprávy Microsoft Word 2007.
2.3.2 Popis dalších potřebných prostředků.
Pro vyrobení modelu jsme použili CNC frézu a spoustu dalšího vybavení, které je
k dispozici ČVUT. K tvorbě DVD obalu a potisku DVD jsem použil Nero CoverDesigner 10.
2.4 Popis výběru varianty řešení a výstupů.
2.4.1 Návrh možných variant a jejich stručný popis.
Se svým kolegou jsme vytvořili v programu Autocad Inventor Profesional 2009 dva
návrhy celé lodi. Vybrán byl ten můj a celý trup jsem ještě upravoval do rozměrů
stanovených v zadání. Můj první návrh ve stylu baroka (přední nosníky by byly prohnuty do
oblouků a trup lodi by byl válcovitého tvaru) jsme zavrhli, protože by byl nad naše možnosti.
2.4.2 Zdůvodnění volby a stručný popis předpokládaných výstupů.
Z vymodelovaných návrhů jsme vybrali jeden a ten byl dále upravován, aby vyhovoval
našim normám. Tento model byl vyříznut na CNC fréze. Nosníky a křídla byly vyrobeny
z duralového plechu, který jsme rozřezali na potřebné kousky a dále zpracovávali. Do modelu
bude vmontována elektronika a nasazen plastový kryt. Finální fází bude zkušební plavba na
vodní ploše.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 14
2.5 Stanovení dílčích úkolů.
2.5.1 Chronologický přehled úkolů.
Tento projekt mám se svým spolužákem Michalem Šeredou a studentem Janem
Rozsypalem z gymnázia Zatlanka, který k nám byl přidělen Ing. Schmirlerem. Z toho také
vyplývá rozdělení práce. Můj úkol byl vytvořit model lodi v programu Autodesk Inventor
2009, vytvořit plakát, polep DVD + DVD obal a práce na výrobě.
2.5.2 Stručný popis dílčích úkolů.
Nejprve jsme vytvořili model lodi, který jsme si museli nechat schválit konzultanty,
dále vytvořit CNC kódy pro výrobu na frézce na ČVUT a následně upravovali jeho povrch
(broušení, začištění, lakování). Dále vytvořit duralové nosníky, křídla (také z duralu),
smontovat nosníky s křídly, přilepit hotová křídla k modelu, rozvést kabely, zvolit správné
součástky (serva, motory atd.), model zakrytovat a model vyzkoušet na vodní ploše.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 15
3 Vlastní řešení
3.1 Zpracování analýzy
Ještě před začátkem práce na projektu se bylo nutné zamyslet nad tím, co od
projektu vůbec očekávám, rozvržení práce a jakých cílů chci dosáhnout. Bylo zapotřebí
uvědomit si, jaký software využiji k modelování a z čeho bude hydrofiol vyroben.
3.2 Vytvoření hodnotícího listu
Vytvoření hodnotícího listu jsem konzultoval hlavně se svým spolupracovníkem a také
s Ing. Olgou Kaiferovou. Nejvíce záleželo na rozdělení práce a to také ovlivnilo vytvoření
hodnotícího listu.
3.3 Vlastní práce
Moje práce spočívala ve vytvoření modelu lodi v programu Autodesk Inventor 2009,
vytvořit plakát, vymyslet a navrhnout polep DVD a booklet a kompletovat model na ČVUT.
3.3.1 Vytvoření modelu lodi
Model lodi jsem tvořil v programu Autodesk Inventor 2009, který má naše škola
k dispozici a vycházel jsem z obrázků hydrofoilů, které jsem našel přes vyhledávač
google.com, ale žádný z těchto obrázků mě moc nepomohl. Protože se jedná o velice
ojedinělý projekt, musel jsem vymyslet celý model lodi. Spolu s konzultantem Ing. Michalem
Schmirlerem jsme hlavně projednávali tvar nosníků, tvar křídel a také počet nosníků. Do
vytváření modelu lodi se z časového presu zapojil i můj kolega Michal Šereda. Záhy se
ukázalo, že pracoval s novější verzí Autodesk Inventoru a to s verzí 2010, která není
kompatibilní s verzí 2009. Tento problém jsme vyřešili ukládáním do souborů .sat. Model
jsme zkompletovali a nechali ho schválit konzultanty.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 16
3.3.2 Tvorba NC kódu a výroba
Tvorba NC kódu probíhala v programu AlphaCAM v7, který je k dispozici na naší škole.
Z programu Autocad Inventor 2009, ve kterém byl vytvořen model lodi, se model importoval
do AlphaCAMu. Nejprve bylo zapotřebí nastavit počátek obrábění a nastavit velikost
polotovaru. Vybrali jsme rozměr frézy, jakou mají na ČVUT a nastavili dráhy řezů. Výsledný
kód byl virtuálně zkontrolován a dále zkontrolován konzultanty.
Výroba modelu probíhala na ČVUT Fakultě strojní, která nám poskytla k dispozici
frézu. Ještě než se mohlo začít obrábět, bylo zapotřebí upevnit materiál pomocí stahováků a
zatížit ho. Nemluvě o pečlivém vyměřování, každý špatně změřený údaj by měl za následek
špatné vyfrézování modelu a vznikl by tzv. zmetek. Obrábění modelu trvalo 8 hodin.
3.3.3 Ruční broušení, nástřik tmelem ve spreji
Poté přišlo na řadu ruční broušení smirkovým papírem. Tomuto kroku se nedalo
vyhnout kvůli hrubému povrchu po obrobení. Nejdříve jsme model obrušovali hrubším
smirkovým papírem, potom jemným až na řadu přišla nejjemnější houbička. Akt broušení je
velice důležitý, kdybychom model neobrousili, zůstal by hrubý a při následném stříkání
plničem a nanášením barev by vystoupily všechny nerovnosti.
Dále po obroušení se model musel nastříkat tmelem ve spreji, nebo plničem a to jako
základ pro dále nanášenou barvu. Tmelu jsme nanesli dvě vrstvy, každá vrstva schla cca 30
minut.
3.3.4 Nanesení barev
Dále přišlo na řadu nastříkání modelu barvami ve spreji. Barvy jsem zvolil odstíny
modré a to světle modrou a o dva odstíny sytější modrou pro přechod. Tyto barvy jsme
zvolili kvůli celkové sladěnosti s webem, bookletem i plakátem.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 17
4 Závěr
Projekt se nám podařilo dovést do zdárného konce, jak již napověděla zkušební
plavba. Řešení natáčení křídel pomocí plováků je funkční, to znamená, že se loď vznese na
hladinu a jede po plovácích. Velikost vyplutí můžeme korigovat pomocí zadních křídel, která
jsou nastavitelná. Ukázalo se však, že jsme udělali špatně trup, který měl být ve tvaru
písmena V, jako většina lodí lépe „prořezává“ vodní hladinu. K tomuto zjištění jsme však došli
až při zkušební plavbě a díky těmto nabytým vědomostem jsme se toho mnohé dozvěděli o
hydrodynamice.
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 18
5 Příloha Booklet a polep DVD
Booklet
Potisk DVD
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 19
6 Seznam použitých zdrojů
http://www.hydrofoil.com/craft.htm
http://www.hydrofoils.org/
http://www.slavetind.cz/stavba/koncepce/Koncepce1_4.aspx
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
STRANA | 20
7 Foto z výroby
Obrobení materiálu a vyfrézování děr
Obrobený duralový nosník
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
Nahřívání duralového plátu
Zadní nosník s křídly
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
Pření polohovatelná křídla, epoxid
STRANA | 21
Nastříkané součásti lodi plničem
Nanášení barvy ve spreji
Vytvoření barevného přechodu
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
Přilepení předních nosníků
STRANA | 22
Motor s držákem
Zalepení kabeláže zadního nosníku
Přišroubovaný a zbroušený držák na motor
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
SSPŠ 2010/2011
JIŘÍ VELÍK
Pilování prostoru pro kabely
Zalepení předních křídel
MATURITMÍ PROJEKT: HYDROFOIL
STRANA | 23
HW lodi
Zkušební plavka
SSPŠ 2010/2011