Thiết kế tàu thủy ( Trần Công Nghị - Nxb ĐH quố gia ) - Chương 8 potx

- Vận tốc tàu cần thiết, - Khả năng chuyến đi biển, - Tính ổn định, tính chịu sóng gió, tính chống chìm, - Vật liệu làm vỏ tàu, - Thiết bị sinh hoạt, - Thiết bị trên tàu thiết bị boong:

Chương 8

THIẾT KẾ TÀU

8.1 CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ

Theo truyền thống của các nhà đóng tàu, thiết kế trải qua các giai đoạn:

1- Xây dựng yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế

Công việc mở đầu này, thường do người chủ phương tiện đặt ra, người thiết kế phải thực hiện đúng và đủ Trong nhiệm vụ thiết kế cần thiết phải đề cập đến công dụng, loại hình, khu vực hoạt động của tàu Những tính năng kỹ thuật chủ yếu của tàu tương lai được trình bày rõ trong yêu cầu thiết kế Trong điều kiện Việt nam những vấn đề được đề cập trong nhiệm vụ thư có thể như sau:

- Hạn chế về kích thước chính,

- Trọng tải, dung tích chở dùng cho tàu vận tải, sức kéo dùng cho tàu kéo, khả năng khai thác dùng cho tàu cá, các tính năng sử dụng đặc trưng cho loại tàu cụ thể,

- Máy chính: kiểu máy, hạn chế về công suất, vòng quay

- Vận tốc tàu cần thiết,

- Khả năng chuyến đi biển,

- Tính ổn định, tính chịu sóng gió, tính chống chìm,

- Vật liệu làm vỏ tàu,

- Thiết bị sinh hoạt,

- Thiết bị trên tàu (thiết bị boong): thiết bị lái, neo, buộc, phương tiện cứu sinh, phương tiện an toàn, cần cẩu,

- Thiết bị buồng máy,

- Hệ thống ống,

- Hệ thống thông tin,

- Hệ thống điện, VTĐ

- Các thiết bị chuyên ngành và thiết bị đặc biệt

2- Thiết kế sơ bộ

Trong giai đoạn này, thực hiện các công việc gắn liền với xác định đặc tính tàu tương lai Những nhóm việc chính phải bao gồm lập phương án và đưa ra những thông số chứng minh phương án có tính khả thi và có hiệu quả kinh tế Tài

liệu nước ngoài đề cập vấn đề này dưới hai khái niệm “Concept Design” và

“Preliminary Design”, trùng với nội dung chúng ta xem xét dưới đây:

a) Xác định lượng chiếm nước của tàu thoả mãn phương trình cân bằng D = γ.V,

trong đó lực nổi tính theo định luật Archimedes đúng bằng trọng lượng toàn tàu b) Xác định sơ bộ kích thước chính và các hệ số đầy thân tàu Kích thước chính thân tàu được hiểu trước tiên là chiều dài, chiều rộng, chiều cao, chiều chìm trung bình của tàu Từ kích thước chính có thể nhận thấy chiều cao mạn khô cũng đã được đề cập trong giai đoạn này

c) Trên cơ sở kích thước chính, các hệ số đầy, bắt đầu triển khai việc xác định hình dáng hay là dạng vỏ tàu, lập bản vẽ đường hình tàu

d) Với tàu tự chạy, bắt đầu tính sức cản vỏ tàu, công suất máy cần thiết để tàu có thể hoạt động đạt yêu cầu đề ra

e) Xác định lần nữa lượng chiếm nước và tính ổn định tàu, trên cơ sở đường hình vừa tạo ra

f) Kiểm tra tính nổi của tàu trên cơ sở đường hình mới tạo

g) Phân khoang chống chìm tàu và kiểm tra ổn định sự cố

h) Chuẩn bị bố trí chung, có tính sơ bộ

i) Tính trọng lượng, trọng tâm tàu trên cơ sở bố trí chung và các bản vẽ kết cấu ban đầu

3- Thiết kế kỹ thuật

Trong phần thiết kế kỹ thuật, chỉ sử dụng kết quả của một trong rất nhiều phương án từ thiết kế sơ bộ, và kết quả ấy đã được thừa nhận Trên cơ sở đường hình tàu đã có, bố trí chung đã ổn định cho đến thời điểm đang kể, thiết bị máy móc đã được chọn, các bộ phận thiết kế tiến hành các công việc hợp tác, thiết kế chi tiết hơn, bố trí chi tiết và cụ thể hơn, mối liên hệ giữa các bộ phận trên tàu trở thành hiện thực hơn Trong giai đoạn này các sơ đồ lắp ráp được hoàn thiện, các thiết kế kết cấu được triển khai đến chi tiết Từ các bản vẽ chi tiết đã có thể tiến hành tính toán giá thành sản phẩm một cách chi tiết

Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật, các viện thiết kế có thể tiến hành phân việc theo nhóm Các nhóm công tác có thể theo dạng sau:

- Bộ phận chuyên về vỏ tàu:

+ Khai triển tôn vỏ, chia tôn,

+ Tính các tính năng tàu,

+ Bố trí toàn tàu,

+ Triển khai thiết kế kết cấu các chi tiết trên vỏ tàu,

+ Bố trí các hệ thống ống toàn tàu,

+ Tính toán lại trọng lượng vật tư, thiết bị và trọng tâm của chúng

- Bộ phận cơ khí - động lực tàu:

+ Tính toán cân bằng năng lượng trên tàu,

+ Bố trí buồng máy,

+ Bố trí các hệ thống ống liên quan máy chính, máy phụ,

+ Bố trí hệ thống điều khiển máy chính, máy phụ, tự động hoá buồng máy

- Bộ phận điện - điện tử:

+ Cân bằng năng lượng điện trên tàu,

+ Bố trí hệ thống điện trên tàu,

+ Bố trí hệ thống nhận điện từ bờ,

+ Thiết bị an toàn điện,

+ Bố trí hệ thống máy móc thiết bị điện tử đảm bảo an toàn hàng hải, thông tin, liên lạc

Nếu coi quá trình thiết kế là sự hoàn thiện dần các phép tính nhằm thỏa mãn yêu cầu đề ra, quá trình này có thể minh họa dưới dạng sự tiến hóa theo đường xoắn ốc Mọi phép tính, phép thử được tiến hành riêng nhau, theo những qui luật vật lý nhất định Kết quả của phép tính này làm tiền đề cho phép tính tiếp theo, sau đó kết quả của phép tính tiếp theo này làm tiền đề cho phép tính sau nó Sau mỗi vòng tiến hóa, kết quả của cùng một phép tính sẽ đổi thay so với giá trị ban đầu, và kết quả lần thứ hai (sau đó là thứ ba, thứ tư ) lại làm chức năng dữ liệu đầu vào cho phép tính kế tiếp Chu trình trên lặp lại nhiều lần, theo đường xoắn ốc, cho đến khi kết quả cuối cùng thỏa mãn các điều kiện đặt ra, với sai sót trong phạm vi cho phép

Trên hình xoắn ốc minh họa cách làm này

Hình 8.1 Hình xoắn ốc minh họa quá trình thiết kế

8.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TÀU

Ngày nay có thể chia các phương pháp thiết kế thành những nhóm sau

8.2.1 Thiết kế tổng hợp

Phương pháp dựa trên cơ sở thống kê: Trong phương pháp này, tiến hành xác định các kích thước chính của tàu, tỉ lệ kích thước, các hệ số, các đặc trưng hình học khác trên cơ sở các công thức kinh nghiệm rút ra từ thực tế Các yêu cầu và mọi đòi hỏi về ổn định, an toàn của tàu được thử sau mỗi lần tính

Phương pháp phương trình vi phân cho phép thay đổi một số đặc trưng trong khi chọn các thông số của tàu thiết kế Trong một phạm vi nhất định, phương pháp phương trình vi phân tương đồng với cách làm của phép biến phân trong thiết kế

Phương pháp thiết kế không dựa hoàn toàn vào tàu mẫu cũng được coi là một phương pháp tổng hợp Trong cách làm này, người ta dựa vào nguyên tắc đi dần đến mục tiêu bằng cách phép tính gần đúng dần Một trong những mô hình toán dùng để tính có thể như sau:

Bước 1 Xác định lượng chiếm nước theo một trong các cách thông dụng

Xác định các kích thước chính của tàu và các hệ số đầy

Bước 2 Xác định sức cản vỏ tàu, xác định công suất máy chính, thiết kế máy

đẩy tàu, xác định vận tốc tàu,

Xác định khối lượng thân tàu,

Điều chỉnh lượng chiếm nước của tàu

Bước 3 Xác định chính xác lượng chiếm nước, công suất máy chính, chọn các

máy phụ, thiết bị tàu

Bước 4 Kiểm tra tính ổn định, chiều cao mạn khô, dung tích hầm hàng, kiểm

tra tính chống chìm, khả năng đi biển và nếu có đòi hỏi, kiểm tra độ bền chung toàn tàu

Bước 5 Hiệu chỉnh toàn bộ thông số đã tính, xác định thông số ở dạng cuối

cùng

Cách làm khác có thể là:

Bước 1 Xác định lượng chiếm nước

Bước 2 Xác định sức cản vỏ tàu, xác định công suất máy chính, thiết kế máy

đẩy tàu, xác định vận tốc tàu,

Xác định khối lượng thân tàu,

Điều chỉnh lượng chiếm nước của tàu

Tính chiều dài L, hệ số đầy thể tích

Bước 3 Tính H/T

Bước 4 Tính B/T theo tiêu chuẩn ổn định

Bước 5 Tính các đại lượng khác trên cơ sở D,L, C B (δ), H/T, B/T

Dưới đây giới thiệu tiếp phương án thiết kế tàu vận tải biển do Watson đề

nghị:

1 Xác định sức chở của tàu P = D – Ws

2 Xác định lượng chiếm nước D = C B × L × B × T

Trong đó CB xác định từ các phương pháp thông dụng được trình bày tiếp

3 C B = f (L, v), v- vận tốc tàu

4 B = f (L)

5 H = f (L)

6 T = f (L)

Các kích thước chính từ 4 đến 6 phụ thuộc vào các hạn chế sau

4a L/B, phụ thuộc vào công suất máy,

5a L/H, đảm bảo độ bền tàu,

6a L/T

7 B/H hoặc là H = f(B), đảm bảo ổn định tàu,

8 T/B hoặc là T = f(B), ảnh hưởng đến chọn công suất máy tàu,

9 T/H, hoặc là T = f(H), đảm bảo chiều cao mạn khô

Ví dụ giải theo các phương pháp kinh điển

Các phương pháp tính kinh điển được áp dụng xử lý bài toán thiết kế thường

gặp Cần thiết kế tàu vận tải hàng khô, sức chở 13000dwt, khai thác với vận tốc

18 HL/h Tàu được trang bị máy diesel làm máy chính

Sơ bộ xác định lượng chiếm nước

Từ lý thuyết thiết kế tàu, cách xác định D nhanh nhất là sử dụng hệ số hiệu năng sức chở, tính bằng tỷ lệ giữa sức chở và lượng chiếm nước ηDW

DW

DWT

D =

ηDữ liệu cho ηDW chọn bằng công tác thống kê Với tàu vận tải thường gặp hệ số này khoảng 0,7

13000 18600

0 7,

Chiều dài thiết kế của tàu vận tải tùy thuộc vào lượng chiếm nước và vận tốc

khai thác Một trong những công thức có độ tin cậy cao là công thức của

Posdiunine, dùng cho tàu vận tải thế hệ những năm sáu mươi, bảy mươi

=+

Hệ số c trong trường hợp cụ thể bằng 7,16 Chiều dài thiết kế tính từ công thức sẽ là L = 153,5m (504’)

Vận tốc tương đối* theo định nghĩa của Froude 18

504

s

v v L

Tỷ lệ B/T được chọn nhằm đảm bảo các yêu cầu về ổn định tàu, B/T = 2,3

Tỷ lệ H/T nhằm đảm bảo đòi hỏi về chiều cao mạn khô tàu, H/T = 1,42

Trên cơ sở các kích thước chính tiến hành xác định trọng lượng và trọng tâm tàu theo các công thức kinh nghiệm

Trọng lượng tàu

D = W HF + W M + W DW + W R

với: W HF - trọng lượng thân tàu và trang thiết bị tàu, W M - trọng lượng buồng máy

W DW - sức chở (hàng hóa), W R - trọng lượng dự trữ

γ⋅L⋅ B⋅ T⋅ CB = W HF + W M + W DW + W R

Tiếp tục thay thế các biểu thức tính trọng lượng vế phải bằng các công thức kinh nghiệm có thể viết:

γ⋅L⋅ B⋅ T⋅ CB = L⋅ B⋅ H⋅ p HF + BHP⋅ p M + (W DW + W R) Từ đó:

γ⋅CB⋅(L/B)⋅B⋅B⋅(T/B)⋅B = (L/B)⋅B⋅B⋅(T/B)⋅(H/T)⋅B⋅pHF + BHP⋅pM + (WDW + WR)

Thay thế ký hiệu L/B = l; B/T = b; H/T = h vào phương trình trên đây, có thể viết:

γ ⋅C B ⋅ l ⋅ (l/B) ⋅ B 3 = l ⋅ (l/B) ⋅ h ⋅ B 3 ⋅ p HF + BHP⋅ p M + (W DW + W R )

Công suất máy chính trong giai đoạn thiết kế sơ bộ có thể thay bằng công

thức liên quan đến D và V s

γ ⋅C B ⋅ l ⋅ (l/b) ⋅ B3 = l ⋅ (l/b)⋅ h ⋅ B3⋅ p HF + D V2 3 3/ s

c ⋅p M + (W DW + W R) Thay biểu thức của D bằng biểu thức từ vế phải, sẽ nhận được

(γ ⋅ C B ⋅ (l/b) –(l/b) ⋅ h ⋅ p HF )⋅ B3 – ( γC B.( / ))1 b 2 3 3/ V s

c ⋅ p M ⋅ B2 – (W DW + W R) = 0 Từ phương trình cuối sẽ tìm được nghiệm B

Kích thước chính còn lại xác định theo công thức:

L = (L/B)⋅ B

T = (T/B)⋅ B

H = (H/T)⋅ T Khi đã có L, B, T, C B , tiến hành tính lại D của tàu

Sử dụng công thức

(γ ⋅ C B ⋅ (l/b) –(l/b) ⋅ h ⋅ p HF )⋅ B3 – (γ ⋅C B⋅ /(1b))2 3/ V s3

c ⋅p M ⋅ B2 – (W DW + W R) = 0 trong đó W R chiếm khoảng 2% sức chở, tính bằng 260t, tiếp tục tính phương trình

Sức cản tàu tính cho trường hợp cụ thể: L/ ∇1/3 = 147 71 3

gL

× ; C B = 0,66; C M = 0,981; C P = 0,673

Từ đồ thị sức cản tàu vận tải, theo phương pháp Harwald – Guldhammer có

thể đọc được hệ số sức cản dư C R = 1,234⋅ 10-3 Sau hiệu chỉnh theo B/T thực tế hệ số lực cản mang giá trị C R = 1,21⋅ 10-3

Sức cản ma sát C F = 1,49× 10-3

Sau hiệu chỉnh cho các phần lồi C F = 1,54× 10-3

Hệ số sức cản C T = (1,21 + 1,54)× 10-3 = 2,75× 10-3

Sức cản vỏ tàu R T = 1/2ρ v2⋅WS = 57000 kG

Công suất kéo cần tính theo công thức:

Với dự trữ công suất chừng 12 ÷ 15%, cần chọn máy 12500 PS

Trọng lượng buồng máy tính theo công thức:

W M = BHP⋅ p M = 12500× 077 = 962 t

Theo cách tính này, trọng lượng tàu sẽ là:

D = 5260 + 962 + 13260 = 19482 t

So với lượng chiếm nước tính toán, trọng lượng dự trữ bị giảm 82 t, điều đó có

thể chấp nhận được khi thiết kế

8.2.2 Thiết kế theo phương pháp biến phân

Theo cách đặt vấn đề của giáo sư Nogid, có thể sử dụng phương pháp biến phân xử lý các bài toán cơ bản của thiết kế tàu

Bài toán xác định giá trị thích hợp nhất của C B (hay là δ) và L/B khi các giá

trị của vận tốc tàu Vs, sức chở đã được xác định gần đúng, đưa về dạng:

P; V econ ; Q; k; q; = f(C B , L/B, ) theo cách diễn đạt của giáo sư Nogid

Bài toán xác định kích thước tàu thích hợp nhất khi vận tốc tàu đã đặt ra không được phép hạ thấp, còn trọng tải đã được xác định gần sát

N; Q; k; q; = f(P, C B , L/B)

Bài toán mang tính tổng quát hơn được ghi làm hai dạng

D; N; k; q; = f(C B , L/B, ) với V econ = const D; V econ , k; q; = f(C B , L/B, với N = const

Cách giải theo phương pháp này thông thường theo trình tự sau

D = f(C B , L,B,T,H) + P Thay vào phương trình trên một dẫy giá trị của một biến số, ví dụ C B = var, với giả thiết các biến khác, ví dụ B/T = const; H/T = const; và dưới dạng khai

triển người giải bài toán cần thực hiện công việc theo sơ đồ

Từ đó có thể nhận được các quan hệ:

D; N = f(C B , L/B) với V econ = const D; V econ = f(C B , L/B) với N = const; n = const

Để so sánh tính kinh tế của các phương án, tiến hành vẽ các đồ thị dạng

q; k = f(C B , L/B)

Đồng thời với các chỉ tiêu kinh tế cần tiến hành thiết lập đồ thị cho các chỉ

tiêu kỹ thuật, liên quan đến mỗi phương án, ví dụ

N; h/B; = f(C B , L/B)

Công việc theo hướng này đòi công sức hết sức lớn, và đòi hỏi sự so sánh cân

nhắc cẩn thận khi xét chọn phương án Theo giáo sư Nogid, trong cách làm này,

nếu sử dụng phương pháp (theo từ giáo sư dùng) coi lượng chiếm nước không đổi,

công việc làm có thể được giảm bớt*

D = Do = const, trong đó Do - lượng chiếm nước khởi đầu của thiết kế

Thực hiện các phép tính xác định trọng lượng, dung tích, ổn định cho các

phương án theo sơ đồ tính thích hợp, ví dụ sơ đồ sau:

- Bước tiếp theo tiến hành tính sức cản tàu cho tất cả phương án, theo mẫu

tương tự Sau khi có sức cản, động tác tiếp theo là xác định công suất máy chính

Cách làm không khác các động tác khi xác định kích thước chính

- Xác định công suất máy

V econ

R, từ bảng tính sức cản

w, hệ số dòng theo

t, hệ số lực hút

8.3 THIẾT KẾ TỐI ƯU TÀU THỦY

8.3.1 Mô hình toán thiết kế tàu

Khác với phương pháp biến phân, trong đó người thiết kế phải so sánh, đối

chiếu hàng loạt phương án thiết kế dùng cho 1 sản phẩm, cụ thể hơn là cho 1 con

tàu đang được đặt lên bàn cân, kết quả của phép so sánh đó là chọn ra một và chỉ

một phương án “tốt nhất” Trong thiết kế dựa vào lý thuyết tối ưu người thiết kế

không phải so sánh, đối chiếu các phương án và thực tế người thiết kế không thể

làm được việc đó, mà công cụ lao động được người thiết kế sử dụng “tự” xác định

kết quả “tối ưu” bằng con đường ngắn nhất tùy thuộc cách điều khiển của người

thiết kế Trong cách làm theo lý thuyết tối ưu chúng ta không phải để mắt đến

hàng ngàn, hàng triệu thậm chí hàng tỷ “phương án” sẵn sàng bày ra trước mắt

người xem, người thiết kế chỉ cần hướng dẫn công cụ lao động thử tìm vài phương

án trong số hàng triệu, hàng tỷ sản phẩm để có căn cứ làm việc và sau đó đi

thẳng đến sản phẩm cần chọn

Bài toán thiết kế tàu không khác bài toán qui hoạch tuyến tính hoặc qui

hoạch phi tuyến Giả sử khi cần thiết kế một con tàu dân dụng nhằm mục đích

mang lại lợi nhuận nhiều nhất chúng ta phải tính đến lợi ích kinh tế Lợi ích

kinh tế ở đây thường có thể hiểu là tàu sẽ mang lại lợi nhuận nhiều nhất trong

trong phạm vi có thể, hoặc chi phí cho sản xuất và sử dụng tàu ít nhất trong điều

kiện cho phép, hoặc hiểu theo cách thời gian hoàn vốn của công trình đầu tư ngắn

nhất Người thiết kế phải giải bài toán tối ưu sau: f(x) → min (*)

Hàm f(x) gọi là hàm mục tiêu Trong thiết kế tàu có thể là hàm chi phí sản

xuất, sử dụng hoặc thời gian hoàn vốn

Các thông số trong hàm mục tiêu bị hạn chế trong phạm vi nhất định, ví dụ

chiều dài, chiều rộng, chiều cao tàu không thể là số 0 hoặc số âm, tỉ lệ giữa chiều

chìm và chiều cao không thể là số âm và không thể lớn hơn 1 Tàu được thiết kế

phải đảm bảo ổn định, an toàn, phải đảm bảo độ bền khi nổi trên nước cũng như

khi hoạt động Điều kiện của bài toán trên đây được viết thành:

a i ≤ x i ≤ b i

Để giải bài toán (*) cùng các hạn chế (**) có thể sử dụng các phương pháp qui

hoạch tuyến tính hoặc qui hoạch phi tuyến, hay còn gọi là các phương pháp tính

tối ưu thích hợp

8.3.2 Tối ưu hóa

1 Phương pháp có sử dụng gradient

Giả sử vector x của (*) có thể chuyển vị từ x đến x+h ⋅ d , trong đó d - hướng

chuyển dịch, h - bước chuyển Thay đổi hàm f(x) được tính sau chuyển vị của x

Trường hợp θ = 180° hướng của dx trùng với -∇f(x)

Với bước nhỏ dọc đường đẳng mức, f(x1 + dx1, x2 + dx2, , x n + dx n ) = f(x1,x2, ,x n)

biểu thức df có dạng:

0( )

j j j

trong đó λi - giá trị của λ - hằng số Lagrange

2 Phương pháp tìm trực tiếp (không qua giai đoạn tính gradient)

Ý tưởng phương pháp hết sức đơn giản, cố gắng bằng mọi cách thử nghiệm

tìm điểm x k , tại đó thỏa mãn điều kiện || x k+1 - x k || < ε Bước tiến hành đầu

tiên của phương pháp là chọn vector d1, d2, , d n , cùng điểm xuất phát x1, và hãy

đặt y1 = x1, k = j = 1, và bắt tay vào tính lặp

Giai đoạn tính lặp ** :

1- Giả sử λj là hằng số Lagrange thỏa mãn lời giải tối ưu f(y j + λd j) Tìm tiếp

giá trị y j+1 = y j + λj d j Nếu j < n hãy thay j thành j + 1 và quay lại bước đầu Nếu

j = n hãy tiến đến bước (2)

2- Đặt x k+1 = y n+1 Nếu || x k+1 – x k || < ε dừng các phép tính Trường hợp

ngược lại, hãy đặt y1 = x k+1 , j = 1, thay k thành k+1 và quay về bước (1)

Những phương pháp chính trong phần này gồm:

- Phương pháp Hooke-Jeeves,

- Phương pháp Neldel-Mead, hay còn gọi là phương pháp Simplex công bố

trong “A Simplex Method for Function Minimisation”, Comp Jour.,1965

- Phương pháp của Rosenbrock,

- Phương pháp của Box hay còn gọi phương pháp là Complex

Trong các thủ tục tính nêu trên, khi xử lý những bài toán trong miền hạn chế

chúng ta thường gặp khái niệm hằng số Lagrange và khái niệm lồi, lõm hàm đa

biến Trong tài liệu này sẽ không trình bày cách xác định λj cũng như điều kiện

Kuhn-Tucker Về hàm Lagrange và điều kiện của Kuhn-Tucker liên quan miền lồi

* Tài liệu phần này đề nghị tìm trong các bài sau:

R.Fletcher and M.J.D.Powell, “A Rapidly convergent descent method for minimization”, The Comp Journal,6,

1963

** Phương pháp tính dùng cho phần này đề nghị tìm trong các tài liệu sau:

R.Hoohe and T.A Jeeves, “Direct Search Solution of Numerical and Statistical Problems”, J Ass Comp.,8, 1961

M.J Box, D.Davies and W.H Swann, “Non-linear Optimisation Techniques”, 1969

H.H Rosenbrock, “An Automatic Method for Fiding the Greatest or Least Value of a Function”, Comp Jour., 3,

1960