Ly thuyet thiet ke tau ChgV HA THUY

Trong hệ tọa độ đã chọn nó đợc chia thành bathành phần: - thành phần dọc: sức cản của nớc đối với chuyển độngtịnh tiến của tàu - thành phần ngang: do việc tàu bị nghiêng ngang gâyra - th

Chơng V: Hạ Thủy tàu

và là một trong các giai đoạn của quá trình đóng mới và đại tu tàu

dới tác dụng của trọng lực, hạ thủy bằng ụ nổi (đốc), hạ thủy nhờmáy móc (cần cẩu, xe triền)

và hạ thủy ngang (side launching) ở hạ thủy dọc, tàu chuyển độngsong song với mặt phẳng đối xứng; còn ở hạ thủy ngang, tàuchuyển động song song với mặt phẳng sờn giữa

Thiết bị hạ thủy: đợc chia làm hai phần:

1 Phần cố định: gồm triền, đờng trợt cố định với triền, thiết bịhãm, tời

2 Phần chuyển động: gồm nhiều máng trợt cùng chuyển động với tàucho đến khi xuống nớc tàu nổi lên hoàn toàn mới tách khỏi tàu

Hệ trục Oxyz cùng chuyển động với tàu đợc sử dụng để tính toán hạthủy

1 Đặc tr ng của phần cố định:

 Góc nghiêng triền : Là góc giữa mặt triền và phơng nằm ngang

Nếu triền có độ cong:

 Mép triền: Là điểm kết thúc của triền

2 Đặc tr ng của phần chuyển động

 Chiều dài phần trớc khung trợt L1: Là khoảng cách từ mép trớc khungtrợt đến đờng đi qua trọng tâm tàu và song song với trục z.

 Chiều dài phần sau khung trợt L2: là khoảng cách từ mép sau khungtrợt đến đờng thẳng trên

 Chiều rộng tổng cộng của khung trợt b

 Góc đặt tàu a: Là góc nghiêng giữa sống chính và phơng nằmngang

 Khoảng cách c từ sống chính đến mặt triền đo theo phơng quatrọng tâm tàu và song song với Oz

 Chiều dài khung trợt L = L1 + L2, L =(50 ữ 100)%Lpp

Hình 5.1 Các đặc trng của thiết bị hạ thủy trong hạ thủy dọc.

1 Mép sau khung trợt 4.Triền

2 Khung trợt 5 Mép triền

3 Mép trớc khung trợt 6 Đờng trợt.

Bài 5.2 Lực tác dụng lên tàu trong quá trình hạ thủy

Xét trong quá trình hạ thủy dọc:

Các lực tác dụng lên tàu trong hạ thủy dọc bao gồm:

 Trọng lợng hạ thủy: gồm trọng lợng tàu D và trọng lợng của phầnthiết bị hạ thủy chuyển động cùng với tàu p (D0 = D + p) Phântích lực này thành hai thành phần là lực tiếp tuyến (lực gây rachuyển động của tàu trên đờng trợt D0) và lực pháp tuyến với đ-ờng trợt (áp lực lên triền Dc)

 Phản lực của nền bao gồm thành phần lực pháp tuyến N (bằngtrọng lực của tàu tác dụng xuống nền) và thành phần lực tiếptuyến (lực ma sát) F = fN (f là hệ số ma sát)

 áp lực nớc tác dụng lên một phần tàu và thiết bị hạ thủy khi bắt

đầu xuống nớc Trong hệ tọa độ đã chọn nó đợc chia thành bathành phần:

- thành phần dọc: sức cản của nớc đối với chuyển độngtịnh tiến của tàu

- thành phần ngang: do việc tàu bị nghiêng ngang gâyra

- thành phần thẳng đứng: lực nổi

 Sức cản của không khí

 Lực hãm do các thiết bị chuyên dùng để giữ tàu

Qua việc phân loại lực tác dụng lên tàu trong quá trình hạ thủy dọcthấy rằng để thể hiện chính xác chỉ có thể bằng phơng pháp độnghọc Hiện nay, việc nghiên cứu động học trong hạ thủy dọc gặp nhiềukhó khăn còn phơng pháp tĩnh học là bài toán tơng đối đơn giản và

đủ để áp dụng rộng rãi trong thực tế

Bài 5.3 Phân chia giai đoạn trong quá trình hạ thủy dọc.

Dựa theo nguyên tắc kết thúc mỗi giai đoạn (có kể đến sự thay đổi

về lực hoặc sự chuyển động của tàu) ta có thể phân chia hạ thủy dọcthành 4 giai đoạn sau:

 Giai đoạn 1: Tính từ khi tàu bắt đầu chuyển động đến khi méptrớc khung trợt chạm vào nớc Trong giai đoạn này tàu chuyển độngtịnh tiến song song với mặt triền

- Trọng lực

- Phản lực của nền

- áp lực nớc

ở giai đoạn này có thể xảy ra hiện tợng đổ khi trọng tâm tàu ra

đến mép triền (hình 5.2) Đó là hiện tợng tàu quay quanh trụcnằm ngang đi qua mép triền Khi tàu tiếp tục xuống nớc thì xảy

ra hiện tợng nổi (hình 5.3) Đó là hiện tợng tàu quay quanh trục

ngang đi qua mép sau khung trợt (điểm A)

Hình 5.2 Hiện tợng đổ khi hạ thủy dọc

Hình 5.3 Hiện tợng nổi khi hạ thủy dọc

 Giai đoạn 3: Bắt đầu từ cuối giai đoạn 2 đến khi tàu tách khỏitriền Tàu vừa trợt theo triền vừa quay quanh mép sau khung trợt.Lực tác dụng lên tàu gồm:

5.3.1 Giai đoạn 1

Trong giai đoạn này cần xác định điều kiện tự chuyển động ban

đầu của tàu và tìm tốc độ cuối giai đoạn

Trọng lợng hạ thủy đợc phân ra 2 thành phần:

tiến của tàu

Do đó, xuất hiện lực ma sát ngợc với chiều chuyển động của tàu là

Điều kiện ban đầu để tàu tự chuyển động trên triền là:

Suy ra:  >fs

(5.2)

Vậy điều kiện tự chuyển động của tàu là góc nghiêng của tàu(rad)phải lớn hơn hệ số ma sát tĩnh (fs= 0,03 ữ 0,07) Sau đó tàu bắt đầuchuyển động, hệ số ma sát nhỏ đi dẫn đến tốc độ chuyển động củatàu tăng, tàu tịnh tiến xuống dới với gia tốc dơng

Trong giai đoạn này hệ số ma sát động fđ < (1,5 ữ 2) fs

đờng trợt (hình 5.4)

- Khi mép trớc khung trợt xuống nớc, nếu l <  thì:

Hình 5.4 Thể tích để tính tổn thất lực nổi.

Từ 3.2 và 3.4 suy ra khi l = 0 thì tổn thất lực nổi bằng 0 Mô mencủa lực tổn thất này với gốc tọa độ có dạng sau:

(5.8)

(5.9)

(5.10)

Trong đó: a là trọng tâm tàu đến mép triền (a dơng khi tàu ra khỏimép triền)

Khi viết các công thức (5.5) - (5.10) ta giả thiết khung trợt liên tục dọctheo chiều dài tàu, nếu khung trợt gián đoạn thì phải tính thêm hệ số c,trị số của nó phụ thuộc vào bản vẽ công nghệ của khung trợt

Biểu thức (5.7) và (5.8) – (5.10) sử dụng để tính toán hạ thủy dọc khitàu là nhỏ so với kích thớc triền.

Các trờng hợp khác có thể tính tổn thất lực nổi cực đại theo biểuthức (5.6) và (5.9) áp dụng các công thức này cần xác định theo điềukiện:

 < S < L1 + L2 (S là quãng đờng mà tàu đi đợc trong giai đoạn 2)Tổn thất lực nổi bắt đầu có khi S = 0 và hết khi S =  + L1 +L2

Việc tính toán theo (5.5) - (5.7) khá phức tạp vì vậy sự thay đổi tổnthất lực nổi trong giai đoạn này phụ thuộc vào quãng đờng của tàu cóthể lấy gần đúng theo dạng đồ thị hình 5.5

(5.11)

phẳng tọa độ yOz

m là momen tĩnh của thể tích phần thiết bị hạ thủy cùng chuyển

động với tàu đối với mặt phẳng yOz

(5.12)

Hoành độ điểm đặt của trọng lợng hạ thủy xDc = xG

áp lực của tàu lên triền trong giai đoạn 2 là:

N = Dc - W

(5.13)Coi điểm đặt của nó có hoành độ:

(5.14)Biết trị số lực tác dụng lên tàu trong giai đoạn 2 và điểm đặt củalực có thể chuyển sang xét các hiện tợng đặc trng trong giai đoạn

a Hiện t ợng đổ

Đó là hiện tợng đợc xác định bằng sự so sánh momen của lực nổi vàmomen của trọng lực đối với mép triền Điều kiện để hiện tợng đổkhông xảy ra là:

(5.15)M'W và M'D là momen của lực nổi và momen của trọng lực đối với méptriền

M'W = -W(xw - xG - a)

(5.16) M'D = -Dca

Từ (5.14) suy ra rằng hợp lực sẽ nằm về phần sau khung trợt Nhng dotàu chuyển động đi xuống theo mặt triền vị trí hợp lực sẽ thay đổimột cách phức tạp so với mép triền

Khoảng cách từ hợp lực N đến mép triền là:

r = - (a + xG - xN)

(5.19)Khi r > 0 hiện tợng đổ không thể xảy ra, r < 0 hợp lực ra khỏi méptriền

Trị số nhỏ nhất của môđun r đợc gọi là khoảng cách giới hạn của hợplực đến mép triền, còn vị trí tơng ứng của tàu đợc gọi là vị trí giớihạn.

Điều kiện để không xảy ra hiện tợng đổ đợc xác định bằng trị số

d-ơng của khoảng cách giới hạn trên

Hiện tợng đổ xảy ra khi tàu quay quanh mép triền, phản lực của nềnlúc đó tập trung tại mép triền và có trị số rất lớn có thể phá huỷ vỏ baotàu Mặt khác tàu vừa quay vừa trợt xuống sẽ tỳ lên mép triền có thể pháhuỷ mép triền, đờng trợt, khung trợt Vì vậy hiện tợng trợt rất nguyhiểm, cần phải tránh trong quá trình hạ thủy dọc

Để tránh hiện tợng đổ cần tăng phần ngâm nớc của triền, sử dụngthiết bị để tăng lực nổi bổ sung cho tàu, dịch chuyển trọng tâm tàu

về phía mũi và giảm khoảng cách giữa tàu và triền

b Hiện t ợng nổi

Hiện tợng nổi là sự quay tàu quanh mép sau khung trợt Thời điểmbắt đầu xảy ra hiện tợng nổi là khi tất cả các lực tác dụng lên tàu đốivới mép sau khung trợt hợp lại bằng không

Để xác định trị số gần đúng của áp lực cạnh ta cân bằng momen hồiphục khi tàu chúi và phản lực nền:

(5.26)Với : Hc, xfc, yc tơng ứng là chiều cao tâm chúi, hoành độ tâm diệntích đờng nớc và góc chúi của tàu trong trạng thái hạ thủy

Trị số chính xác của áp lực cạnh xác định theo đờng cong hạ thủy

d Độ ngập sâu lớn nhất của mép tr ớc khung tr ợt (T lmax )

Trị số này cần xác định để kiểm tra xem tàu có bị đập va xuống

đáy sông không

Trị số Tlmax và SB xác định từ đờng cong hạ thủy

e Độ ngập n ớc của boong lái

Khi mép trớc khung trợt đạt độ ngập sâu lớn nhất, cần biết boong

đuôi có ngập nớc hay không và xác định độ đảm bảo kín nớc của tàu.Khi xảy ra hiện tợng nổi, mạn khô ở đuôi tàu bằng:

Trong đó: Hđ là chiều cao mạn khô đo ở đuôi tàu

Tđmax là độ ngập sâu lớn nhất ở đuôi tàu

Tđmax = TlmaxLđ(L1 - xG) - c - (Lđ - xG) (5.29)

Lđ: chiều dài lớn nhất của phần đuôi tính từ mặt phẳng sờn giữa

của thiết bị hạ thủy

5.3.3 Giai đoạn 3

Giai đoạn ba sẽ không có nếu góc đặt tàu bằng góc chúi của tàu  =

c Tàu càng đi xuống, lực nổi càng tăng, còn phản lực của nền tức áplực cạnh càng giảm dần ở giai đoạn ba bắt đầu có lực hãm nhờ thiết bịchuyên dùng

Khi tính toán giai đoạn ba của hạ thủy dọc cần kiểm tra độ ổn địnhngang của tàu Có thể tiến hành đơn giản nh sau: Giả định lúc nổi lêntàu tì lên triền tại một điểm A có toạ độ xA = L2 - xG

yA = 0

zA = - C2

Momen hồi phục trong trờng hợp đang xét có thể tính nh momen củatrọng lực và lực nổi đối với điểm A (hình 5.6) Giới hạn góc nghiêngngang  là nhỏ và coi đờng nớc WLo và WL1 là đờng nớc tơng đơng Tacó:

Hình 5.6 Xác định ổn định ngang của tàu trong giai đoạn ba hạ thủy

Vì  nhỏ nên GK = AB bằng

Thay chúng vào công thức tính Mh ta có:

(5.30)Với: h3 là chiều cao tâm nghiêng của tàu khi bắt đầu nổi lên

Nd là áp lực cạnh

yGo là tung độ trọng tâm tàu

tâm nghiêng

ban đầu của tàu trong giai đoạn này Nó có trị số nhỏ nhất khi bắt

đầu giai đoạn ba vào lúc hiện tợng nổi bắt đầu xảy ra và áp lực cạnh

có giá trị lớn nhất

Nếu tính chiều rộng khung trợt và coi nó không bị biến dạng thì để

đánh giá ổn định ngang của tàu, ta xét tàu quay quanh trục dọc điqua điểm A (hình 5.7) Momen hồi phục tính theo công thức:

(5.31)

Trong đó: b0 là chiều dài khung trợt,

b1 là khoảng cách từ giữa khung trợt dến trục đờng trợt

Hình 5.7 Xác định ổn định ngang của tàu trên khung trợt không bị biến

tung độ trọng tâm tàu không đợc ra xa cách trục đờng trợt mộtkhoảng lớn hơn

1/3 khoảng cách từ khung trợt đến tâm trục đờng trợt Chia hai vế của(5.33) cho chiều rộng B của tàu và biến đổi ta đợc:

Từ (5.32) và (5.34) suy ra rằng khi đánh giá ổn định ngang của tàu

có tính đến chiều rộng khung trợt, momen hồi phục nhỏ nhất vào cuốigiai đoạn ba khi áp lực cạnh là nhỏ nhất

ổn định ngang của tàu trong giai đoạn ba sẽ xấu đi nếu có sự biếndạng của khung trợt và đờng trợt

Khi hạ thủy khung trợt không đờng trợt sẽ dẫn đến bị lật tàu Momenhồi phục trong trờng hợp này (hình5.8) có dạng:

(5.35)

qo là góc nghiêng gây ra do khung trợt biến dạng

So sánh (5.30) và (5.35) thấy rằng khi kể đến khung trợt thì momenhồi phục luôn tăng

 Xác định ổn định ngang của tàu trên khung tr ợt biến dạng:

Từ (5.32) và (5.35) suy ra rằng khi có sự biến dạng của khung trợt thìmomen hồi phục có thể tăng lên hoặc giảm đi Momen hồi phục giảmdẫn đến nếu chiều cao tâm nghiêng của tàu tại thời điểm nổi h là âmthì ổn định ngang của tàu trong giai đoạn ba sẽ xấu đi, nguy hiểmnhất là lúc cuối giai đoạn ba khi áp lực cạnh mất đi

Khi gối ở mép sau khung trợt biến dạng có thể xác định bằng cách sửdụng khái niệm hệ số đàn hồi của gối tựa trên một đơn vị bề rộngkhung trợt

(5.36)Trong đó: E là mô đun đàn hồi dọc của vật liệu làm khung trợt

F là diện tích khung trợt, F = bol

Sn là chiều cao khung trợt

l là chiều dài phần tiếp xúc của khung trợt với đờng trợtQuan hệ giữa yếu tố lực dp và độ biến dạng do nó gây ra:

 là biến lợng chiều cao khung trợt

Trên hình 5.8 thấy rằng khi góc nghiêng o nhỏ độ biến dạng  = yo.Nếu kể đến độ nén của khung trợt, momen của lực đàn hồi với trục dọc

của đờng trợt đi qua điểm A bằng:

(5.38)

dF = ldy là yếu tố diện tích

là momen quán tính của diện tích tiếp xúc giữa khung trợtvới đờng trợt

đối với trục dọc của đờng trợt

M = DcyGo + Mn

Với Mn: momen nghiêng củangoại lực tác dụng lên tàu (gió,dòng chảy, lực hãm )

Tính đợc Mn và M rồi ta xác địnhgóc nghiêng o và độ dịchchuyển của mép ngoài khung trợt

 Sau đó sử dụng (5.35) tìmmomen hồi phục có kể đến sự biến dạng của khung trợt Momen hồi

phục của ổn đinh ngang của tàu trong giai

đoạn ba có thể đánh giá theo công thức(5.30) và (5.31) Khi b1 = 0 là hạ thủy theo ph-

ơng án một khung trợt

Khi hạ thủy có nhiều khung trợt thì:

(5.41)Trong đó: j là thứ tự khung trợt

Hình 5.8 Xác định ổn định

ngang của tàu trên khung trợt

biến dạng

inj - momen quán tính của diện tích tiếp xúc của khung trợt thứ j

với đờng trợt

bj - khoảng cách từ giữa khung trợt thứ j đến trục đờng trợt

boj - chiều rộng của khung trợt thứ j

Fj - diện tích tiếp xúc của khung trợt thứ j với đờng trợt

5.3.4 Giai đoạn 4

Giai đoạn này tàu tách khỏi triền và nổi tự do

Lực tác dụng lên tàu trong giai đoạn này gồmtrọng lực, áp lực nớc và lực hãm Giai đoạn nàykéo dài đến khi tàu dừng lại và kết thúc quátrình hạ thủy Khi tách khỏi triền chiều chìmtàu ở mép sau khung trợt ứng với vị trí cânbằng tĩnh là T2 = Tđ2 + C2

Trong đó: Tđ2 và C2: là chiều chìm tàu ứng

và độ cao sóng chính so với triền ở mép saukhung trợt

Độ ngập sâu lớn nhất ở mép sau khung trợt là do

sự nhảy tàu và tốc độ chuyển động của tàulúc tách khỏi triền gây ra Hiện tợng nhảy tàuxảy ra khi tàu tách khỏi triền, mất áp lực cạnh

và phần mũi tàu rơi xuống nớc Trị số bớc nhảyxác định bằng hiệu số T2 - To = Tn Sau đó tàuthực hiện chòng chành sống chính và chòngchành thẳng đứng Nếu To > T2 nghĩa là độngập sâu ở mép triền lớn hơn chiều chìm mũicủa tàu tại trạng thái hạ thủy ứng với mép saukhung trợt thì hiện tợng nhảy mũi tàu khôngxảy ra và ngợc lại

Giả sử xG xf, độ dịch chuyển thẳng đứngcủa mép sau khung trợt so với vị trí cân bằngtĩnh là:

Với G là biên độ chòng chành thẳng đứng

 : góc chúi khi chòng chành sống chính

chòng chành sống chính Đó là những dao động tự do tắt dần của tàuquanh vị trí cân bằng tĩnh trong trạng thái hạ thủy Giả thiết hai trạngthái này không phụ thuộc vào nhau ta có:

Hình 5.9 Quỹ đạo

(5.42)(5.43)trong đó:  và  là hệ số lực cản dao động của tàu cùng thiết bị hạthủy trong nớc.

A, B, C, D là hằng số tích phân xác định bởi điều kiện ban

đầu

nnlà tần số dao động sống chính và dao động tự dotắt dần

Điều kiện ban đầu khi t = 0, tàu tách khỏi mép triền là:

Trong đó: và So là áp lực cạnh và diện tích đờng nớc tác dụng tại

thời điểm tàu tách khỏi triền

Go và vGo là độ dịch chuyển và tốc độ thẳng đứng của

tàu trớc khi nhảy

o và  là góc chúi và tốc độ của nó trớc khi nhảy

vco là tốc độ tàu tại thời điểm tách khỏi triền

Với cách tính điều kiện ban đầu (5.44) ta có hằng số tích phânbằng:

Khi đó biên độ chòng chành thẳng đứng của mép sau khung trợt đốivới vị trí cân bằng (hình 5.9) viết nh sau:

(5.47): là hệ số lực cản không thứ nguyên ( < 1)

độ ngập sâu lớn nhất của mép sau khung trợt tính theo nửa chu kỳ dao

động tự do của tàu sẽ bằng:

(5.48)

Độ ngập sâu lớn nhất của mép sau khung trợt:

T2max = T2 - 2max khi  = 0,1 có dạng T2max = T2 + 0,7 Tn

Nếu không có hiện tợng nhảy (Tn = 0, vco ≠ 0) thì:

(5.49)

Từ (5.49) thấy rằng khi không có hiện tợng nhảy, bớc nhảy bằng không

Vị trí đạt độ ngập sâu lớn nhất tính từ mép triền có thể xác địnhnếu biết tốc độ hạ thủy trong giai đoạn 4

lmax = v4tmax

(5.50)

Trong đó: v4 là tốc độ trung bình của tàu hạ thủy từ lúc tách khỏi

triền đến lúc mép sau khung trợt có độ ngập sâu lớn nhất

sâu lớn nhất (trị số tmax lấy gần đúng bằng nửa chu kỳ dao

động sống chính (thẳng đứng) của tàu

ở giai đoạn này cần kiểm tra ổn định của tàu tại trạng thái hạ thủy

để tính thiết bị hãm có thể đặt ở những điểm khác nhau dọc chiềudài, chiều cao, chiều rộng tàu Để đánh giá ổn định ngang cần tínhchiều cao tâm nghiêng ban đầu h4 với lợng hiệu chỉnh cần thiết

h4 = r4 + rc - zG -h

Các đại lợng này có "chỉ số 4" tơng ứng với giai đoạn 4 có thể xác

chiều chìm tàu tơng ứng Tc

Bài 5.4 Đờng cong hạ thủy

 ý nghĩa cơ bản của việc tính toán hạ thủy là xác định đợcnhững thời điểm đặc trng của quá trình hạ thủy, cũng nh các loại lựckhác nhau tác dụng lên tàu Kết quả tính toán cho phép đánh giá hạ thủy

có an toàn và thành công hay không