Smíchovská střední průmyslová škola Preslova 25, Praha 5. Hydrofoil loď plující na křídlech. Maturitní projekt. Jiří Velík 4.

Transkript

1 Smíchovská střední průmyslová škola Preslova 25, 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

2 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.

3 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

4 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.

5 Hodnotící list

6 Čestné prohlášení Já, Jiří Velík, student SSPŠ, narozen , bytem ve Vybíralově ulici 974, Praha 9, Černý Most 2, 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

7 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

8 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..

9 JIŘÍ VELÍK Obsah Anotace... 7 Hydrofoil... 7 Hydrofoil Úvod Analýza Popis úkolu Co mám vlastně řešit? Komu je mé řešení určeno Popis stávajícího stavu Popis současného stavu mnou řešeného problému, co již existuje Zdroje, z nichž čerpám výchozí informace, případně moje vlastní zkušenosti s danou problematikou Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu Popis výběru prostředků na tvorbu projektu, plakátu i závěrečné zprávy, použitý software Popis dalších potřebných prostředků Popis výběru varianty řešení a výstupů Návrh možných variant a jejich stručný popis Zdůvodnění volby a stručný popis předpokládaných výstupů Stanovení dílčích úkolů Chronologický přehled úkolů Stručný popis dílčích úkolů Vlastní řešení Zpracování analýzy Vytvoření hodnotícího listu Vlastní práce Vytvoření modelu lodi Tvorba NC kódu a výroba Ruční broušení, nástřik tmelem ve spreji Nanesení barev Závěr... 17

10 JIŘÍ VELÍK 5 Seznam použitých zdrojů Seznam obrázků... 20

11 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.

12 JIŘÍ VELÍK STRANA 12 2 Analýza 2.1 Popis úkolu 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 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 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 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.

13 JIŘÍ VELÍK STRANA Popis výběru prostředků vhodných pro řešení projektu 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 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 Popis výběru varianty řešení a výstupů 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 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.

14 JIŘÍ VELÍK STRANA Stanovení dílčích úkolů 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 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.

15 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 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 Tento problém jsme vyřešili ukládáním do souborů.sat. Model jsme zkompletovali a nechali ho schválit konzultanty.

16 JIŘÍ VELÍK STRANA 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 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 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.

17 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.

18 JIŘÍ VELÍK STRANA 18 5 Příloha Booklet a polep DVD Booklet Potisk DVD

19 JIŘÍ VELÍK STRANA 19 6 Seznam použitých zdrojů

20 JIŘÍ VELÍK STRANA 20 7 Foto z výroby Obrobení materiálu a vyfrézování děr Nahřívání duralového plátu Obrobený duralový nosník Zadní nosník s křídly

21 JIŘÍ VELÍK STRANA 21 Pření polohovatelná křídla, epoxid Nastříkané součásti lodi plničem Nanášení barvy ve spreji Vytvoření barevného přechodu

22 JIŘÍ VELÍK STRANA 22 Přilepení předních nosníků Motor s držákem Zalepení kabeláže zadního nosníku Přišroubovaný a zbroušený držák na motor

23 JIŘÍ VELÍK STRANA 23 Pilování prostoru pro kabely HW lodi Zalepení předních křídel Zkušební plavka