nghiên cứu xây dựng hệ thống các bài tập lớn cho môn học lý thuyết tàu

Mục ñích của ñề tài là nghiên cứu nội dung môn học, tìm hiểu công tác thiết kế ở các nhà máy, xác ñịnh nhu cầu ñối với người kĩ sư thiết kế tàu, từ ñó xây dựng hệ thống các bài tập lớn c

KHOA KỸ THUẬT TÀU THỦY

LỜI NÓI ðẦU

Môn học Lý thuyết tàu là môn học ñược giảng dạy ở ñầu giai ñoạn chuyên môn, không chỉ cung cấp cho sinh viên những kiến thức chuyên ngành mà môn học còn là sơ sở cho những môn học chuyên môn khác trong chuyên ngành

Khoa Kỹ thuật tàu thuỷ trường ðại học Nha Trang ñã ñưa vào chương trình

ñào tạo cho sinh viên ngành ñóng tàu môn học Lý thuyết tàu Môn học này là một

trong những môn học chuyên môn quan trọng

Việc xây dựng hệ thống bài tập lớn cho môn học Lý thuyết tàu ñã ñược nhiều thầy trong bộ môn ñóng tàu, trường ñại học Nha Trang bỏ công sức nghiên cứu

ðược sự hướng dẫn của thầy TS Trần Gia Thái, tôi ñã nhận thực hiện ñề tài

“Nghiên cứu xây dựng hệ thống các bài tập lớn cho môn học Lý thuyết tàu” Với

những nội dung chính sau:

2 -Mục ñích, yêu cầu và lựa chọn phương án

Mục ñích của ñề tài là nghiên cứu nội dung môn học, tìm hiểu công tác thiết

kế ở các nhà máy, xác ñịnh nhu cầu ñối với người kĩ sư thiết kế tàu, từ ñó xây dựng

hệ thống các bài tập lớn cho môn học Lý thuyết tàu

Do thời gian và kiến thức còn hạn chế nên ñề tài không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của quý thầy và các bạn ñể ñề tài ñược hoàn thiện hơn

Nha Trang, ngày 08 tháng 11 năm 2008

Sinh viên thực hiện

Môn học Lý thuyết tàu là môn học ñược giảng dạy ở ñầu giai ñoạn chuyên môn, mục ñích của môn học như sau:

- Tính toán các tính năng hàng hải của tàu thuỷ bao gồm: tính nổi, tính ổn

• ðọc hiểu bản vẽ ñường hình, phân biệt ñường hình các loại tàu

hợp giữa ba hình chiếu

ðể cho việc giảng dạy, học tập có hiệu quả thì yêu cầu ñặt ra là phải xây dựng bài tập thực hành nhằm giúp sinh viên cụ thể hoá những khái niệm trong lý thuyết, từ ñó nắm vững kiến thức môn học

1.2 THỰC TRẠNG HIỆN NAY:

1.2.1 Những yêu cầu cơ bản của một kĩ sư thiết kế tàu:

Người kĩ sư thiết kế tàu phải có ñược những yêu cầu cơ bản sau:

- Kiến thức chuyên môn: người kĩ sư thiết kế tàu phải nắm vững kiến thức chuyên môn, ñể có thể phân tích, thiết kế ñường hình, từ ñó giải quyết các bài toán

Lý thuyết tàu như tính toán tính nổi, tính ổn ñịnh, tính chống chìm, tính hạ thuỷ, tính tốc ñộ, tính sức bền thân tàu…

- Ngoại ngữ: việc ñọc hiểu các tài liệu tiếng Anh chuyên ngành rất cần thiết, quan trọng ñối với người kĩ sư thiết kế tàu

- Áp dụng tin học trong thiết kế tàu: trong ngành tàu thuyền thì kĩ thuật vi tính ñã ñược áp dụng khá sớm, hiện nay các kĩ sư thiết kế tàu thường dùng công cụ này ñể giải quyết các bài toán Lý thuyết tàu ñể ñược kết quả nhanh chóng, chính xác

- Các kĩ năng khác: người kĩ sư thiết kế tàu cần có những kĩ năng rất cần thiết cho công việc như khả năng học hỏi, tiếp thu kinh nghiệm, khả năng giao tiếp với các ñối tác và với khách hàng…

1.2.2 Hệ thống các bài tập lớn của môn học Lý thuyết tàu hiện nay:

- Hiện nay, sinh viên thực hiện các bài tập lớn sau:

- Số lượng mẫu tàu: hiện nay các mẫu tàu còn ít, ña số sinh viên ñược giao cho các bản vẽ tàu gổ ñể thực hiện các bài tập

- Trong bài tập xây dựng bản vẽ ñường hình thì sinh viên ñược cung cấp bản

vẽ ñường hình của một mẫu tàu, từ ñó ñồ lại bản vẽ và tiến hành hiệu chỉnh cho bản

vẽ ñường hình ñược cong trơn

1.2.3 Thực trạng của sinh viên sau khi học môn học Lý thuyết tàu:

ðể ñánh giá thực trạng của sinh viên sau khi học môn học Lý thuyết tàu tôi

ñã lập phiếu ñiều tra về tình hình học tập của sinh viên ( nội dung phiếu ở phần phụ

lục 1)

Bảng1.1: Kết quả ñiều tra tình hình học tập của sinh viên Thứ

Bổ trợ nhiều kiến thức

Chỉ bổ trợ một số kiến thức

Nằm từ 50-75 %

công việc sau này

- Môn học Lý thuyết tàu rất cần thiết và quan trọng cho chuyên ngành ñóng tàu, nó bổ trợ rất nhiều kiến thức cho các môn học chuyên môn trong chuyên ngành

- ða số sinh viên ngành ñóng tàu rất quan tâm ñến việc chuẩn bị kiến thức chuyên ngành cho công việc sau này

- Khả năng ngoại ngữ của sinh viên còn kém

- Khả năng tin học: sinh viên chủ yếu chỉ sử dụng các phần mềm tin học cơ bản ñể ứng dụng trong chuyên ngành

- Cần thiết phải có bài tập từ những dữ liệu cho trước xây dựng bản vẽ ñường hình, bài tập này cung cấp những kiến thức cần thiết làm cơ sở cho phóng dạng tàu

ðể ñáp ứng ñược mục tiêu của học phần, ñồng thời ñáp ứng ñược nhu cầu

thực tế hiện nay tôi ñã ñề xuất hệ thống các bài tập lớn cho môn học, kèm theo ñó là hướng giải quyết tốt nhất cho từng bài tập phù hợp với thực tế hiện nay Cụ thể là

có 4 bài tập:

Nhằm có cơ sở cho việc xây dựng hệ thống các bài tập lớn cho môn học Lý thuyết tàu tôi ñã lập phiếu thăm dò ý kiến của các kĩ sư thiết kế tàu ñang làm việc tại các cơ quan thiết kế ( nội dung phiếu ở phần phụ lục 2)

Bảng 1.2: Kết quả thăm dò ý kiến của các kĩ sư thiết kế tàu

Chương 2:

MỤC ðÍCH, YÊU CẦU VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

2.1 BÀI TẬP LỚN SỐ 1: - XÂY DỰNG BẢN VẼ ðƯỜNG HÌNH

Bản vẽ ñường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu

Bản vẽ ñường hình là tài liệu thiết kế cơ bản Nó là công cụ mô tả, thông tin

và tính toán các tính năng hàng hải của tàu, ñể lập sơ ñồ bố trí chung v.v… Người

kĩ sư thiết kế phải biết phân tích, thiết kế ñường hình sao cho phù hợp với yêu cầu

- ðọc hiểu bản vẽ ñường hình, phân biệt ñường hình các loại tàu

- Từ những dữ liệu cho trước sinh viên xây dựng ñược bản vẽ ñường hình các loại tàu vỏ gổ, vỏ thép, vỏ composite

2.1.2 Lựa chọn phương án:

- Dựa vào trình tự vẽ ñường hình tàu, kết hợp với tìm hiểu thực tế chúng tôi

ñã phân tích và ñưa ra các dạng bài tập xây dựng ñường hình Lý thuyết tàu như sau:

1.Dạng1: Vẽ ñường hình tàu cho trước HCð, HCB (dạng này gồm 10 ñề)

2.Dạng2: Vẽ ñường hình tàu cho trước MCN, khoảng sườn và ñường bao trên HCð, HCB (dạng này gồm 10 ñề)

3.Dạng3: Vẽ ñường hình tàu cho trước bảng toạ ñộ, ô lưới và ñường bao trên HCð, HCB (dạng này gồm 10 ñề)

4.Dạng4: Vẽ ñường hình tàu bằng phương pháp vẽ ñồng dạng từ bản vẽ tàu mẫu (dạng này gồm 10 ñề)

- Trong các dạng bài trên thì dạng 1 và 3 là 2 dạng bài tập nhằm cung cấp những kiến thức cần thiết làm cơ sở cho phóng dạng tàu

2.1.3 Cơ sở lý thuyết:

2.1.3.1 Khái niệm:

-Bản vẽ ñường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu

- Bản vẽ ñường hình là tài liệu thiết kế cơ bản Nó là công cụ mô tả, thông tin

và tính toán các tính năng hàng hải của tàu, ñể lập sơ ñồ bố trí chung v.v…

- Hình dáng bề mặt vỏ tàu ñược mô tả trên bản vẽ bằng cách chiếu thẳng góc lên các mặt phẳng chiếu cơ bản

2.1.3.2 ðặc ñiểm:

-Bản vẽ ñường hình ñược thể hiện trên 3 hình chiếu:

+ Hình chiếu ñứng: thể hiện các mặt cắt dọc trên mạng lưới gồm các ñường nước và ñường sườn

+ Hình chiếu bằng: thể hiện các mặt ñường nước trên mạng lưới gồm các mặt cắt dọc và ñường sườn

+ Hình chiếu cạnh (còn gọi là mặt mắt ngang): thể hiện các khung sườn trên mạng lưới gồm các ñường nước và ñường cắt dọc

-Khi thực hiện bản vẽ ñường hình, người ta phối hợp vẽ hình chiếu ñứng và hình chiếu bằng, sau ñó vẽ hình chiếu cạnh và ngược lại

-Theo nguyên tắc chiếu, mỗi ñiểm trên bề mặt vỏ tàu sẽ ñược thể hiện trên cả

ba hình chiếu nên giữa ba hệ thống hình chiếu của bản vẽ ñường hình lý thuyết tàu phải tương ứng phù hợp lẫn nhau Các hình chiếu chỉ thể hiện hình dáng thật của tàu trên các mặt phẳng chiếu song song với chính nó, còn trên hai hình chiếu còn lại

sẽ chuyển thành các ñường thẳng, tạo thành lưới chữ nhật của bản vẽ

2.1.3.3 Công cụ vẽ ñường hình tàu:

Có thể vẽ ñường hình lý thuyết tàu bằng tay nhưng rất lâu và phức tạp mang lại hiệu quả không cao và không chính xác mất rất nhiều thời gian Ngày nay công cụ máy tính hổ trợ rất ñắc lực cho việc vẽ ñường hình tàu Nhờ phương pháp vẽ trên

máy mà làm nâng cao hiệu quả sử dụng lao ñộng, nâng cao năng suất lao ñộng, nâng cao ñộ tin cậy và ñộ chính xác

2.1.3.4 Trình tự vẽ ñường hình tàu:

- Sau khi thiết lập xong bản vẽ (tức là tạo khung bản vẽ, khung tên,tạo chữ,tạo lớp… ), ta tiến hành tạo mạng lưới, vẽ ñường cơ bản rồi phân chia sườn lý thuyết, mặt ñường nước và cắt dọc

Số sườn lý thuyết thường ñược bố trí cách ñều với số lượng 11 hoặc 21, phụ thuộc vào chiều dài tàu và sự phức tạp về hình dáng của tàu và ñược ñánh số theo thứ tự là 0, 1, 2 …, tính từ ñuôi ñến mũi ðối với tàu vỏ thép thường có chiều dài lớn, tổng số sườn lý thuyết thường vào khoảng 21 sườn, có thể nhiều hơn hoặc ít hơn nhưng phải là số lẻ ñể luôn có một sườn trùng với mặt cắt ngang giữa tàu ðối với tàu có chiều dài nhỏ như tàu vỏ gổ hay tàu composite, tổng số sườn lý thuyết vào khoảng từ 9 ñến 15 sườn Do vỏ tàu tại mút mũi và ñuôi thay ñổi nhiều nên ñể biểu diễn chính xác sườn khu vực này dùng thêm các mặt cắt giữa các mặt cắt chính

và ký hiệu thêm 1/2, ví dụ 1 1/2 (ñuôi) hoặc 91/2, 101/2 (mũi) Vị trí sườn giữa

ñược kí hiệu bằng dấu

Các mặt ñường nước thường cũng hay ñược bố trí cách ñều nhau với số lượng khoảng từ 4 -10, phụ thuộc vào chiều cao tàu và sự phức tạp về hình dáng của tàu và ñược ký hiệu là ðN0, ðN1, ðN2 …,hay ðNa, ðN2a,…(a:khoảng cách mặt

ñường nước) tính từ dưới ñáy lên Mặt ñường nước trên cùng thường không vượt

quá boong chính

Số lượng các mặt cắt dọc thường nằm trong khoảng từ 2 ñến 6, phụ thuộc vào chiều rộng tàu và sự phức tạp về hình dáng của tàu và thường ñược ký hiệu là CD0, CDI, CDII …, tính từ mặt cắt dọc giữa tàu ra hai bên mạn tàu

sóng và sườn giữa ở hình chiếu cạnh tương ứng theo các sườn, ñường nước và cắt dọc ñã phân chia Sau ñó vẽ các ñường biên dạng ở mũi và ñuôi tàu theo tàu mẫu hoặc theo kinh nghiệm

Có thể vẽ các ñường sườn trên bản vẽ chiếu cạnh, từ ñó khai triển các ñường cắt dọc trên bản vẽ chiếu ñứng và các ñường nước trên bãn vẽ chiếu bằng hay có thể thực hiện trên hình chiếu ñứng và hình chiếu bằng trước rồi suy ra hình chiếu cạnh

Do tính chất ñối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt cắt ngang, bên trái bố trí các mặt cắt ngang ñuôi và bên phải bố trí các mặt cắt ngang mũi Tương tự chỉ biểu diễn nửa mặt ñường nước

Tiến hành chỉnh sửa các ñường nét cho trơn ñều và kiểm tra ñộ chính xác của các giao ñiểm tương ứng trên ba hình chiếu

-Vẽ ñường kiểm tra:

ðể kiểm tra biên dạng của vỏ tàu có trơn ñều hay không ta có thể vẽ ñường

kiểm tra, thực hiện như sau: trên bản vẽ chiếu cạnh dựng ñường thẳng a và b bất kì cắt ñường DT và ðCB sao cho ñường thẳng a ñi qua nhiều sườn nhất và ñi qua

ñoạn cong của các sườn (thường ñi qua hông tàu)

Trên ñường thẳng a, b ño khoảng cách từ O (giao ñiểm của ñường kiểm tra

và ñường DT) ñến giao ñiểm với các sườn và lấy các khoảng cách ñó làm chiều cao tương ứng trên các sườn ở hình chiếu ñứng, nối các ñiểm này lại ta ñược ñường kiểm tra trên hình chiếu ñứng

ðể biên dạng của vỏ tàu trơn ñều thì ñường kiểm tra cũng phải trơn ñều Nếu ñường kiểm tra bị gãy khúc tại khoảng sườn nào ñó ta hiệu chỉnh lại cả ba hình chiếu

tai khu vực khoảng sườn ñó cho ñến khi có ñược ñường kiểm tra theo ý muốn

-Ghi các chú thích cần thiết vào bản vẽ như: số sườn, ðN, CD, be chắn sóng, boong chính, boong dâng,…

-Ghi các kích thước cần thiết như: khoảng cách sườn , ðN, CD, khoảng cách

từ be chắn sóng ñến boong, từ vách ñuôi ñến sườn 0, từ mũi ñến sườn cuối cùng,…

-ðo trên ñường hình ñã vẽ ñể xây dựng bảng toạ ñộ ñường hình và thường

ñặt ở góc trên bên trái của bản vẽ

-Bảng ghi các thông số chủ yếu của tàu thường ñặt ở góc trên bên phải bản

vẽ, nội dung của bảng này bao gồm:

+Hành khách(ñối với tàu khách) :người

+Quy phạm áp dụng,…

Không ñạt ðạt

Hình2.1:Sơ ñồ trình tự vẽ ñường hình tàu

Vẽ mặt cắt ngang

Vẽ ñường kiểm tra

Hoàn chỉnh

Bản vẽ ñường hình tàu

2.2 BÀI TẬP LỚN SỐ2: TÍNH TOÁN TÍNH NỔI

Tính toán tính nổi rất quan trọng trong thiết kế tàu Nó sẽ là tiền ñề ñể giải quyết các bài toán Lý thuyết tàu như tính ổn ñịnh, tính chống chìm, tính hạ thuỷ, tính sức bền thân tàu…

Các ñồ thị xây dựng ñược khi tính toán tính nổi rất cần thiết cho người thiết

kế tàu, cũng như người chủ tàu khi khai thác

2.2.1 Mục ñích và yêu cầu của bài tập:

2.2.1.1 Mục ñích:

- Bài tập này giúp cho sinh viên nắm ñược cách thức tính toán, xây dựng ñồ thị ñường cong các yếu tố tính nổi, ñồ thị Bonggien, ñồ thị Phiaxốp và biết cách sử dụng các ñồ thị này

- Chuẩn bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết ñể có thể giải quyết các bài toán Lý thuyết tàu như tính ổn ñịnh, tính chống chìm, tính hạ thuỷ, tính sức bền thân tàu …

-Trong phần tính toán tính nổi sẽ tính toán, xây dựng các ñồ thị:

1.Xây dựng ñồ thị ñường cong các yếu tố tính nổi

2.Xây dựng ñồ thị Bonggien

3.Xây dựng ñồ thị Phiaxốp

-Trong phần bài tập này có hướng dẫn áp dụng hai phương pháp tích phân gần ñúng là hình thang và Simpson trong việc tính toán các yếu tố tính nổi của tàu

2.2.3 Cơ sở lý thuyết:

2.2.3.1 Khái niệm:

Tính nổi là khả năng tàu nổi cân bằng ở vị trí xác ñịnh ứng với chế ñộ tải trọng ñang xét

Khi nổi trên mặt nước tàu chịu tác dụng của hai ngoại lực chính là:

- Trọng lượng tàu P (Trọng lượng vỏ tàu, máy móc, thiết bị trên tàu…)

2.2.3.2 Các phương pháp tính tích phân gần ñúng:

1) Phương pháp hình thang:

ðể tính diện tích mặt phẳng ñược giới hạn bởi ñường cong y = f(x) trong

bằng các ñường song song cách ñều

Hình 2.2: Tính diện tích theo phương pháp hình thang Chấp nhận sai số nhất ñịnh ta thay ñường cong y = f(x) bằng các ñường gẫy

y=f(x) y

2 3

O

∆ +

n i

n n

n n

y y y

L

y y y y

y L

y y

L y

y L y

y L

1

0

0 1

0

1 2

1 1

0

2

) 2

.(

) 2

2

2

(

bằng nhau, mỗi phân ñoạn có chiều dài 2d=2L/n Trong mỗi phân ñoạn có ñường cong y = f(x) ñược thay bằng ñường parabol bậc hai, ñi qua 3 ñiểm, dạng ñường

Hình 2.3: Tính diện tích theo phương pháp Simpson Công thức tính diện tích phần dưới ñường cong, gạch chéo theo Simpson:

)668

(3)

2

0 2

0

c bd ad

d dx c bx ax ydx S

d x

x

++

=++

Mặt khác các giá trị y tương ứng với x0, x1, x2 có thể tính qua a, b, c theo quan hệ:

d ydx

d

++

=

= ∫

2 2

2 2

2

( 3

1 2 3

2 1

n

y y

y y y

y d

S= + + + + + − + )

Trong công thức trên thì d=L/n

3) Quy tắc << 5-8 >>:

Theo quy tắc << 5-8 >> dùng 3 ñường thẳng góc ñể tính diện tích giữa hai

ñường thẳng góc kế cận bao hàm dưới ñoạn ñường cong y = f(x)

y = f ( x ) e

d y

g

a

x x

h- khoảng cách ñều nhau giữa các tung ñộ y

Có thể kết hợp giữa quy tắc << 5-8 >> và quy tắc thứ nhất của Simpson ñể tính

y = f ( x )

Diện tích bao hàm dưới ñường cong y = f(x), trong khoảng (a, b), trên hình 2.5ñược tính theo phương pháp kết hợp giữa hai quy tắc như sau:

4

5 ( 3 ) 4

( 3 8

5

h y

y y

h y y y

h ydx F

b

a

x x

L L

ñược tính như sau:

)

( 1 2

2

2

n L

L

y y

y n

L ydx

F = ∫ ≅ + + +

−

Trong công thức trên, khoảng cách giữa các tung ñộ không bằng nhau, vị trí của các tung ñộ thay ñổi tuỳ theo số ñường thẳng góc dùng trong tính toán n và ñối

góc xác ñịnh theo phương pháp Trebưsép

Bảng 2.1: Vị trí các ñường thẳng góc xác ñịnh theo phương pháp Trebưsép

Số ñường thẳng góc

Vị trí các ñường thẳng góc ( khoảng cách tính tới

ñiểm giữa của ñường ñáy, tính theo nữa chiều dài

diện tích )

Bậc của phương trình

0 ; 0,3745 ; 0,8325 0,2666 ; 0,4225 ; 0,8662

0 ; 0,3239 ; 0,5297 ; 0,8839 0,1026 ; 0,4062 ; 0,5938 ; 0,8974

0 ; 0,1679 ; 0,5288 ; 0,6010 ; 0,9116 0,0838 ; 0,3227 ; 0,500 ; 0,6873 ; 0,9162

2.2.3.3 Áp dụng các phương pháp gần ñúng trong việc tính toán các yếu tố tính nổi:

ðộ chính xác tính toán diện tích bao hàm dưới ñường cong, khi sử dụng

phương pháp hình thang, hoàn toàn do số ñường thẳng góc phân chia diện tích tính toán quyết ñịnh Số ñường thẳng góc ñó càng nhiều, ñộ chính xác càng cao

Hình 2.7: Chia sườn theo phương pháp hình thang -Tính diện tích mặt ñường nước S:

L L

n i

n i

y y y

y y L

y y y L dx

y S

++

+++

1 0

2 /

2

0

2

22

2

2.2

n

L

L=

m i

n di

mi L

L

L L Soy f

y y y

y y m y y i L dx y

dx y x

S

M X

0

0 0

0 2

/

2 /

2 /

2 /

2

)(

2/)(

n di

mi L

2 /

32

3 0 3 3 3 1 3

2 3 1 3 0 2

2

y y y y y

y y

L dx

y

L

L x

-Mômen quán tính của diện tích mặt ñường nước ñối với trục y:

n di

mi L

L

y x y dx L i y y m y y I

0

0

2 2

2 2

2

2

) (

2 ) (

2

-Mômen quán tính của diện tích mặt ñường nước ñối với trọng tâm của mặt

2 ] 2

1 2

1 2

2

1 1 4 2 4 2 4 2

1 1 2

1 2

2

1 [ 3

2 2

10 9

9 8

8 7

6 5 4 3 2 1

1 2 / 1 0 2

2

2 / 1 2

/ 1

2 / 1

dn

L L

F f L y

y y y

y y

y y y y y y

y y y

L ydx

S

∆

= +

+ +

+ +

+ + + + + +

+ + +

2 ) (

2

1 5 ) (

2 2

1 4 ) (

1 4

) (

2 2

1 3 ) (

2

3 3 ) (

4 2 ) (

2 1 4 0 [ 3

2 2

2 0

10 2

/ 1 9 1

9

1 8 2

8 3

7 4

6 5

2 2

2

2 / 1

2 / 1 2 / 1

F

L L oy

M f L y

y y

y y

y

y y y

y y

y y

y y

L xydx M

∆

=

− +

− +

− +

− +

− +

− +

− +

) ( )

( 3 2

) ( ) ( 3

dn F dn

F oy

f

F f

M f L F

f L

M f L S

1 9

8 8

-Mômen quán tính của diện tích mặt ñường nước ñối với trục (y):

) ( ) ( 3

2 )]

( 2

1 5 ) (

2 ) 5 , 4 ( ) (

1 4 ) (

) 5 , 3 ( ) (

2

3 3 ) (

4 2 ) (

2 1 4 0 [ 3

2 2

3 0

10 2 2 / 1 9 2 1

9 2 1

2 / 1

2 2

8 2 3 7 2 4 6 2 5 3 2

2 2

2 / 1 2

/

L

L y

I f L y

y y

y y

y y

y

y y y

y y

y y

L ydx

x I

∆

= + +

+ +

+ +

+

+ + +

+ +

+ +

2 ) 2

1 2

1 2

2

1 1 4

2 4 2 4 2

1 1 2

1 2

2

1 ( 9

2 3

2

3 10 3

9 3 9 3

8 3 8 3

7

3 6 3 5 3 4 3 3 3 2 3

1 3 1 3

2 / 1 3 0 2

2 3

2 / 1 2

/ 1

2 / 1

x

L

L x

I Lf y

y y y

y y

y y y y y y

y y

y L dx

y I

∆

= +

+ + +

+

+ + + + + +

+ + +

0,5288h

0,6010h

0,6010h 0,5288h 0,1679h

- Diện tích mặt ñường nước:

h

F

92)(

92

− +

− +

Ky L L

y y x y y x y y x y y x L L xydx M

2

9 2

2

9 2

i dn

y f

y

Ky L

y L

Ky L L

F

M

2

9.2

.2

.9.2

- Mômen quán tính của diện tích mặt ñường nước ñối với trục x:

' 4 3 ' 3 3 ' 2 3 ' 1 3 0 3 1 3 2 3 3 3 4

3

.9

.3

2

9

.3

23

h h

y K L

L

y y x y y x y y x y y x L L xdx I

+ +

+ +

' 4 4 2 4 ' 3 3 2 3 ' 2 2 2 2 , 1 1 2 1 3

2

9 2

) (

) (

) (

) (

2

9 2 2

k i

y y y T

0

0

2

- Mômen tĩnh của diện tích mặt cắt ngang ñối với trục Oy:

)]

( 2 [

) (

2

0 0

2

y y

k iy T

yzdz

k i k T

=

,với k - số ñường nước

k i

k k

T

T oy

y y y

y y

k iy T ydz

zdz y M

0

0 0

ω

ω

22

2

1(3

4

0

F Tf y

y y

y y y y T

T

∆

=+

++++++

∆

∫

với k- số ñường nước

- Mômen tĩnh của diện tích mặt cắt ngang ñối với trục Oy:

) ( ) ( 3

4 2

1

2 ).

1 (

2 3 2 2 1 2

1 0 [ ) (

3

4 2

2

1 3

2 1 0

0

2

F k

k T

Oy

M f T y

k

y k

y y

y y

T yzdz

+ +

∆

=

với k - số ñường nước

Zω=

)()(34

)()(3

M f T T ydz

zdz y

T

T oy

m I

T

S S S T z d S V

0

0

S - diện tích mặt ñường nước

+Dùng diện tích mặt cắt ngang làm toạ ñộ và lấy tích phân theo hướng dọc

n 2

L

2

L dx

Tính hoành ñộ tâm nổi Xc:

0 0 0

n k

i

fn n f k

i fi i

S S Si

X S X S X S V

k i

k i

T

T Vxoy

S S S

S S

k iS T Sdz

zdz S

V M

0

0 0

+Dùng diện tích mặt cắt ngang làm toạ ñộ và lấy tích phân theo hướng dọc

2 ) (

0 0

0

n n

i i

d m di

n i mi

n i

L Xc

ωωω

ωωω

n i

n n i

i L

L

L L

z z

0 0

ωωω

ωω

b) Phương pháp Simpson:

-Tính thể tích chiếm nước V:

+Dùng diện tích mặt ñường nước làm toạ ñộ và tích phân theo hướng thẳng ñứng

) 4

2

2 4 ( 3

0

m m m

T

S S S

S S S

T Sdz V

m

+ +

+ + + +

1 2

2

2

1 1 4 2 4 2 4 2

1 1 2 2

2

1 ( 3 2

10 2

1 9

2 1

8 7

6 5 4 3 2 2

1 1 2 1 0 2

2

S S

S S

S S

S S S S S S

S S S

L Sdx V

L

L

+ +

+

+ +

+ + + + + +

+ + +

+Dùng diện tích mặt ñường nước làm toạ ñộ và tích phân theo hướng thẳng ñứng

Hoành ñộ tâm nổi:

) 4

2 4 (

) 4

2 4

(

.

1 2

1 0

) 1 ( 1 2

2 1 1 0 0

0

0

m m

fm m m

f m f

f f

T

T f c

S S S

S S

x S x

S x

S x

S x

S dz S

dz x S X

m

m

+ +

+ + +

+ +

+ +

24(

)4

)

1(

4.32.24.1.0(

1 2

1 0

1 3

2 1

0

0

0

m m

m m

T T

c

S S S

S S

mS S

m S

S S

S T

dz S

zdz S Z

m

m

++

++

+

−+++

++

Trong ñó:S - diện tích mặt ñường nước;

ngang giữa tàu

+Dùng diện tích mặt cắt ngang làm toạ ñộ và lấy tích phân theo hướng dọc

Hoành ñộ tâm nổi:

) 4

2 4 (

)]

.(

4 1

) (

2 2

) (

2 8 ) (

4 9 ) (

10 [

.

.

20 19 2

1 0

9 11

8 12 2

18 1

19 0

S S

S S

S S S

S S

S S

S L

dx

dx x

X L

L

L

L c

+ +

+ + +

−

+

− +

+

− +

− +

Cao ñộ tâm nổi:

) 4

2 4 (

) 4

2 4

(

.

20 19 2

1 0

20 20 19 2

2 1 1 0 0 2

2

2

2

S S S

S S

z S S z

S z S z S dx S

zdx S

Z L

L

L

L c

+ +

+ +

+ + + +

Trong ñó:S - diện tích các mặt cắt ngang;

z - chiều cao từ trọng tâm mặt cắt ngang tới ñường chuẩn ñáy

2.2.3.4 ðường cong các yếu tố tính nổi (ñồ thị thuỷ lực) -ðồ thị biểu diễn các yếu tố tính nổi theo mớn nước tàu Nội dung của ñường cong các yếu tố tính nổi bao gồm:

1) Thể tích chiếm nước V

2) Lượng chiếm nước D

3) Diện tích mặt ñường nước S

7) Bán kính tâm ổn ñịnh ngang r

8) Bán kính tâm ổn ñịnh dọc R

11) Hệ số thể tích chiếm nước δ

- ðồ thị ñường cong các yếu tố tính nổi chỉ dùng trong trường hợp tàu không

2.2.3.5 ðồ thị Bonggien:

-ðồ thị Bonggien gồm hai nhóm ñường cong:

+ ðường cong diện tích mặt cắt ngang, biểu diễn diện tích của mặt cắt ngang

ở các mớn nước khác nhau

+ ðường cong mômen diện tích mặt cắt ngang, biểu diễn mômen của diện tích mặt cắt ngang ở các mớn nước khác nhau ñối với ñường chuẩn ñáy

-Dùng ñường Bonggien có thể tính ñược thể tích chiếm nước V, vị trí tâm

-ðường Bonggien thường ñược dùng nhiều khi tính chống chìm, tính hạ thuỷ, tính sức bền thân tàu…

2.2.3.6 ðồ thị Phiaxốp:

-ðồ thị Phiaxốp là ñồ thị V, Xc = f(Tm , Tñ) biểu diễn mối quan hệ giữa các yếu tố tính nổi với mớn nước mũi và mớn nước ñuôi tàu ðường cong Phiaxốp cho

2.3 BÀI TẬP LỚN SỐ 3: TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ðỊNH CỦA TÀU

Tính ổn ñịnh là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban ñầu khi mômen

ngoại lực thôi tác dụng, hay khả năng chống lại mômen ngoại lực

Tính toán tính ổn ñịnh rất quan trọng trong quá trình thiết kế, nó giúp con tàu

có khả năng chống ñỡ lại các ảnh hưởng phức tạp của môi trường hoạt ñộng, ñảm bảo tính mạng và tài sản cho người sử dụng

2.3.1 Mục ñích và yêu cầu của bài tập:

2.3.1.1 Mục ñích:

- Bài tập này giúp cho sinh viên biết tính toán, xây dựng ñồ thị cánh tay ñòn

ổn ñịnh và kiểm tra tính ổn ñịnh của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

- Nó sẽ là tiền ñề ñể tính toán, kiểm tra tính ổn ñịnh của tàu trong thực tế

2.3.1.2 Yêu cầu:

Trong bài tập lớn số 3 này sinh viên áp dụng phương pháp tính cánh tay ñòn

ổn ñịnh theo phương pháp Vlaxôp và phương pháp Krưlôp- Darnhi trong việc tính

toán, xây dựng ñồ thị cánh tay ñòn ổn ñịnh cho tàu ñã làm trong bài tập 1, 2 và kiểm tra tính ổn ñịnh của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

2.3.2 Lựa chọn phương án:

-Trong phần tính toán tính ổn ñịnh sẽ tính toán xây dựng ñồ thị cánh tay ñòn

ổn ñịnh và kiểm tra tính ổn ñịnh của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

-Trong phần bài tập này hướng dẫn áp dụng hai phương pháp tính ổn ñịnh thường dùng hiện nay, ñó là:

+ Tính toán cánh tay ñòn ổn ñịnh tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp

+ Tính toán cánh tay ñòn ổn ñịnh tàu theo phương pháp Krưlôp-Darnhi

- Ổn ñịnh tĩnh: Mômen nghiêng là mômen tĩnh, tàu nghiêng từ từ không có gia tốc

- Ổn ñịnh ñộng: Mômen nghiêng là mômen ñộng, tàu nghiêng ñột ngột, có gia tốc

- Ổn ñịnh góc nghiêng lớn: Ổn ñịnh xét trong trường hợp góc nghiêng lớn θ

>100 – 120

2.3.3.2 Các phương pháp tính cánh tay ñòn ổn ñịnh

1) Tính toán cánh tay ñòn ổn ñịnh tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp

Giáo sư Vlaxôp ñưa ra bài toán xây dựng phương pháp tính tay ñòn ổn ñịnh

ðể xác ñịnh các hệ số ai giáo sư Vlaxôp ñã sử dụng các ñiều kiện biên của lhd

ñể xây dựng một hệ phương trình, các phương trình này phải thoả mãn:

θθ

r d

a a

a a

d d

dl

= +

+ +

=

θ

θθ

θ

θθ

6 sin 4

sin 2

sin sin

0 90 4

3 2

l = θ + θ + θ + θ = −

90 90 4

3 2

(

c hd

y r d

a a

a a

d d

dl

−

= +

+ +

=

θ

θθ

θ

θθ

tham gia của giáo sư Blagơvesenxky, Vlaxôp ñưa ra một biểu thức xấp xỉ của tay

ñòn hình dạng:

) ( )

( )

( ) (

ñược tính sẵng cho dưới dạng bảng Toạ ñộ tâm nổi ( yc90, zc90, zc0) và bán kính tâm

ổn ñịnh (r0, r90) ở các vị trí biên có thể tính bằng cách ño trực tiếp giá trị trên ñường hình (ñối với bài toán thuận ) với khối lượng tính ít hơn hẳn, hoặc bằng các công thức gần ñúng (ñối với bài toán nghịch )

Bảng 2.2: Giá trị các hàm f1(θ), f2(θ), f3(θ), f4(θ) phụ thuộc góc nghiêng tàu θ

ñơn giản của cách thức tiến hành và khối lượng công việc

2) Tính toán cánh tay ñòn ổn ñịnh tàu theo phương pháp Krưlôp –Darnhi

Phương pháp Krưlôp –Darnhi là phương pháp giải tích kết hợp ñồ hoạ, ñây

là phương pháp tính dựa trên các dữ liệu thu ñược từ các bản vẽ liên quan

Nguyên tắc phép tính dựa vào sự xác ñịnh bán kính tâm nghiêng của tàu

nghiêng cùng với tàu

B'BWO

θ θ

θ

dB

BB

dZ

Quan hệ giữa toạ ñộ tâm nổi và bán kính tâm nghiêng, chúng ta xác ñịnh dựa vào hình vẽ 2.10

ðối với gia số góc nghiêng nhỏ, bất kì, ñường cong tâm nổi có thể xem như

θ θ θ

θ θ

θ , cos

B B

dY B =

θ

θ θ

θ B B, sin

dZ B =

Từ ñó: dY Bθ =rθ cosθ.dθ

θθ

θ

θ r d

dZ B = sin

θθ

θ θ

ðể có toạ ñộ Y Bθvà Z Bθ, phải tính rθ ở mỗi góc nghiêng khi thể tích ngâm nước không ñổi, vậy ñòi hỏi vẽ những ñường nước nghiêng cắt phần ngâm nước với những thể tích bằng nhau (ñường nước nghiêng tương ñương )

Phương pháp tính tay ñòn ổn ñịnh của Viện sỹ Krưlôp ñạt ñộ chính xác rất cao nên có thể coi là hoàn hảo về mặt lý thuyết và phương pháp Tuy nhiên phương pháp của Viện sỹ Krưlôp vẫn còn một số tồn tại: khối lượng công việc tính toán rất lớn, toàn bộ số liệu ñầu vào phải ño trực tiếp từ bảng toạ ñộ ñường hình với tỉ lệ lớn, do ñó sai số trong khi ño là không thể tránh khỏi

2.3.3.3 Tiêu chuẩn ổn ñịnh:

Tiêu chuẩn ổn ñịnh là những chỉ tiêu hoặc những ñịnh mức nhằm ñảm bảo

an toàn tối ña cho con tàu về phương diện ổn ñịnh Tất cả các loại tàu phải ñảm bảo yêu cầu cơ bản về ổn ñịnh chung, ngoài ra còn phải thoả mãn các yêu cầu khác ứng với riêng từng loại tàu

1) Tiêu chuẩn vật lý:

Tiêu chuẩn này ñược xây dựng trên cơ sở giải bài toán cân bằng của tàu dưới tác dụng của tất cả mômen ngoại lực Tiêu chuẩn vật lý có tính khoa học cao, sang tạo nó tạo ñiều kiện ñể tìm kiếm và áp dụng những sáng kiến mới Tuy nhiên, việc xây dựng cũng như tính ổn ñịnh cho tàu theo tiêu chuẩn này là rất phức tạp và khó thực hiện, ñặc biệt nó ñòi hỏi phải có nghiên cứu thực nghiệm

Vì những lý do trên nên tiêu chuẩn vật lý chỉ ñược áp dụng ở một số nước như Nga, Nhật, Mỹ, Trung Quốc

2) Tiêu chuẩn thống kê:

Hệ tiêu chuẩn thống kê ñược xây dựng trên cơ sở:

- Thống kê những vụ ñắm tàu do thiếu ổn ñịnh

- Xác ñịnh những yếu tố thiếu ổn ñịnh là nguyên nhân gây ra tai nạn ñắm tàu

-Xác ñịnh giới hạn của những yếu tố ñó và ñưa ra thành tiêu chuẩn

Với cách xây dựng như vậy nên hệ tiêu chuẩn thống kê rất phù hợp với thực

tế nhưng cứng nhắc, hạn chế sự sáng tạo ra mẫu tàu mới

Các tiêu chuẩn ổn ñịnh thống kê hiện nay thường thiết lập theo công trình nghiên cứu của nhà khoa học Hà Lan Rakhole

Ví dụ hệ tiêu chuẩn ổn ñịnh thống kê ñối với các loại tàu là hệ tiêu chuẩn do IMO thiết lập dựa trên cơ sở công trình nghiên cứu của nhà khoa học Hà Lan Rakhole, gồm một hệ sáu ñiều kiện như sau:

lñ 30, lñ40 - cánh tay ñòn ổn ñịnh ñộng ở góc nghiêng 30o ,40o

2.4 BÀI TẬP LỚN SỐ 4: TÍNH TOÁN SỨC CẢN TÀU

- Tốc ñộ là một trong những yêu cầu quan trọng thường ñược ñặt ra khi thiết

kế tàu Sức cản có vai trò, ý nghĩa quan trọng và ảnh hưởng rất lớn ñến tốc ñộ cũng như các tính năng khác của tàu khi chuyển ñộng

2.4.1 Mục ñích và yêu cầu của bài tập:

2.4.1.1 Mục ñích:

Bài tập này giúp cho sinh viên bước ñầu làm quen với việc tính toán sức cản của tàu Nó sẽ là tiền ñề ñể giải quyết các bài toán sức cản trong thực tế nhằm nâng cao tốc ñộ của tàu

Ở giai ñoạn thiết kế sơ bộ không có ñiều kiện thử mô hình và không cần ñộ

chính xác cao, nên về mặt phương pháp có thể tính tốc ñộ tàu hoặc công suất máy bằng cách tính sức cản vỏ tàu theo các công thức tính gần ñúng

2.4.3 Cơ sở lý thuyết:

2.4.3.1 Các thành phần sức cản:

ph kk

R

R= + +

ra

Trong quá trình chuyển ñộng tàu chủ yếu chịu tác ñộng của sức cản nước

2) Phương pháp thử kéo tàu thật

Xác ñịnh sức cản bằng thử nghiệm kéo tàu thật trong thực tế Phương pháp này tốn kém nên thường dùng ñể kiểm tra và ñánh giá ñộ chính xác phương pháp khác

-Phương pháp thử mô hình: xác ñịnh sức cản bằng cách : +Chế tạo mô hình thu nhỏ của tàu thật

+Thử nghiệm kéo trong bể thử ñể xác ñịnh sức cản của mô hình

Cho kết quả chính xác và hiện ñang ñược dùng phổ biến tại nhiều nước trên thế giới, nhưng do việc xây dựng bể thử rất tốn kém nên hiện chỉ mới có ở một số nước tiên tiến

3) Phương pháp tính theo các công thức gần ñúng

Xây dựng trên cơ sở tổng kết số liệu thực nghiệm dưới dạng công thức gần

ñúng (hoặc các ñồ thị thực nghiệm) khi thử hệ thống seri mô hình tàu trong bể thử

Phương pháp này dễ sử dụng và ñạt ñộ chính xác cần thiết nếu chọn ñược công thức phù hợp tàu thiết kế Dùng khi thiết kế sơ bộ, không có ñiều kiện thử mô hình và không cần ñộ chính xác cao

Về mặt phương pháp, ở giai ñoạn thiết kế sơ bộ có thể tính tốc ñộ tàu hoặc công suất máy bằng cách tính sức cản vỏ tàu theo các công thức tính gần ñúng và xây dựng ñường cong sức cản R = f(V), thể hiện mối quan hệ giữa sức cản vỏ R và tốc ñộ tàu V

Hình 2.10: ðường cong sức cản vỏ tàu R = f(V)

Có thể chia các công thức gần ñúng thành 3 nhóm :

sức cản áp suất (hay sức cản dư) ñể tính theo công thức (hay ñồ thị) gần ñúng -Nhóm 3 : Tính theo tàu mẫu

V

R

O

R = f(V)

Tuy nhiên, do các công thức tính sức cản gần ñúng ñược xây dựng dựa trên

cơ sở xử lý các số liệu thống kê từ thử nghiệm hàng loạt các mô hình tàu trong bể thử nghiệm Khi ñó, sai số của kết quả tính sức cản vỏ tàu sẽ phụ thuộc chủ yếu vào

sự sai khác giữa ñường hình của tàu ñang tính với ñường hình tàu ñược dùng ñể làm

mô hình thử nghiệm nên thực tế sẽ có nhiều công thức tính sức cản tàu gần ñúng với ñộ chính xác khác nhau Vì thế, một trong những vấn ñề quan trọng ñặt ra ở ñây cần phải quan tâm giải quyết là bài toán phân tích và lựa chọn công thức xác ñịnh sức cản phù hợp với loại tàu ñang tính

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG CÁC BÀI TẬP LỚN CHO MÔN

HỌC LÝ THUYẾT TÀU

ðể giúp sinh viên dễ dàng hơn trong việc ñọc bản vẽ, nên việc xây dựng một

số ñường hình dưới dạng 3D là cần thiết Sau ñây là một số ñường hình các loại tàu

vỏ gỗ, vỏ thép, vỏ composite dưới dạng 3D

Sóng chính

Hình 3.3: Tàu hàng