phần thuyết minh tính toán tính ổn định của tàu

Mục đích: - Bài tập này giúp cho sinh viên biết tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp.. Yêu cầu: Trong bài tập lớn

HƯỚNG DẪN BÀI TẬP LỚN SỐ 3:

TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA TÀU.

Tính ổn định là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng, hay khả năng chống lại mômen ngoại lực

Tính toán tính ổn định rất quan trọng trong quá trình thiết kế, nó giúp con tàu có khả năng chống đỡ lại các ảnh hưởng phức tạp của môi trường hoạt động, đảm bảo tính mạng và tài sản cho người sử dụng

2.3.1 Mục đích và yêu cầu của bài tập:

2.3.1.1 Mục đích:

- Bài tập này giúp cho sinh viên biết tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

- Nó sẽ là tiền đề để tính toán, kiểm tra tính ổn định 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 đòn ổn định theo phương pháp Vlaxôp và phương pháp Krưlôp- Darnhi trong việc tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định cho tàu đã làm trong bài tập 1, 2 và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

2.3.2 Lựa chọn phương án:

-Trong phần tính toán tính ổn định sẽ tính toán xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

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

+ Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp + Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp Krưlôp-Darnhi

2.3.3 Cơ sở lý thuyết:

2.3.3.1 Khái niệm:

Tính ổn định là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng, hay khả năng chống lại mômen ngoại lực

- Ổn định ngang: Là ổn định trong mặt phẳng ngang, đặc trưng bởi góc nghiêng θ

- Ổn định dọc: Là ổn định trong mặt phẳng dọc, đặc trưng bởi góc nghiêng 

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

- Ổn định động: Mômen nghiêng là mômen động, tàu nghiêng đột ngột, có gia tốc

- Ổn định ban đầu: Ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng nhỏ θ≤ 100 – 120

- Ổn định góc nghiêng lớn: Ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng lớn θ >100

– 120

2.3.3.2 Các phương pháp tính cánh tay đòn ổn định

1) Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp Giáo sư Vlaxôp đưa ra bài toán xây dựng phương pháp tính tay đòn ổn định tĩnh

)

(

l về bài toán xấp xỉ, trong đó cánh tay đòn hình dáng lhd có dạng quen thuộc:



c

được xấp xỉ bằng một đa thức lượng dạng lẻ:







a

Trong đó ai là các hệ số của đa thức phụ thuộc đặc điểm hình học của vỏ tàu,  là góc nghiêng

Để xác định các hệ số ai giáo sư Vlaxôp đã sử dụng các điều kiện biên của lhd

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

Tại  =00 phải thoả mãn:







a

o

d

a a

a a

d d

dl























6 sin 4

sin 2

sin sin

Tại  =900 phải thoả mãn:

0 90 4

3 2

90 90 4

3 2

1sin sin2 sin4 sin6 (

c

d

a a

a a

d d

dl

























90

0

hd d y

Giải hệ phương trình ta được giá trị ai Sau một vài biến đổi cùng với sự tham gia của giáo sư Blagơvesenxky, Vlaxôp đưa ra một biểu thức xấp xỉ của tay đòn hình dạng:

) ( )

( )

( ) (

)

f y

Trong đó các hàm f i( )chỉ phụ thuộc góc nghiêng của tàu ( 0    90 )đã được

tính sẵng cho dưới dạng bảng Toạ độ tâm nổi ( yc90, zc90, zc0) và bán kính tâm ổn định (r0,

r90) ở các vị trí biên có thể tính bằng cách đo trực tiếp giá trị trên đường hình (đối với bài toán thuận ) với khối lượng tính ít hơn hẳn, hoặc bằng các công thức gần đúng (đối với bài toán nghịch )

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

Phương pháp của giáo sư Vlaxôp đang được áp dụng rộng rãi trong việc tính toán, kiểm tra tính ổn định của tàu vì vượt trội so với các phương pháp khác về sự đơn giản của cách thức tiến hành và khối lượng công việc

2) Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp Krưlôp –Darnhi.

Phương pháp Krưlôp –Darnhi là phương pháp giải tích kết hợp đồ hoạ, đây là phương pháp tính dựa trên các dữ liệu thu được từ các bản vẽ liên quan

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



r khi V=const và sau đó tính toạ độ tâm nổi Z Bvà Y Btrong hệ trục của tàu nghiêng cùng với tàu

N M

B' B WO

O

z

y











 







d B

B B

Y dY

dZ

Hình 2.10: Tính tay đòn ổn định theo phương phápKrưlôp –Darnhi

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

Đối với gia số góc nghiêng nhỏ, bất kì, đường cong tâm nổi có thể xem như cung

có tâm tại M và bán kính bằng r , chúng ta có độ dịch chuyển tâm nổi:











Gia số toạ độ tâm nổi khi nghiêng thêm góc d có thể biểu diễn bằng các công thức:













Từ đó: dY B r cos.d







Sau khi tích phân hai vế của các phương trình trên trong giới hạn từ0  , chúng

ta có toạ độ tâm nổi như hàm của lần lượt các giá trị bán kính tâm nghiêng r

và góc nghiêng :









0



0







Để có toạ độ Y B và Z B , phải tính r ở mỗi góc nghiêng khi thể tích ngâm nước không đổi, vậy đòi hỏi vẽ những đường nước nghiêng cắt phần ngâm nước với những thể tích bằng nhau (đường nước nghiêng tương đương )

Phương pháp tính tay đòn ổn định của Viện sỹ Krưlôp đạt độ 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 đầu vào phải đo trực tiếp từ bảng toạ độ đường hình với tỉ lệ lớn, do đó sai số trong khi đo là không thể tránh khỏi

2.3.3.3 Tiêu chuẩn ổn định:

Tiêu chuẩn ổn định là những chỉ tiêu hoặc những định mức nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho con tàu về phương diện ổn định Tất cả các loại tàu phải đảm bảo yêu cầu

cơ bản về ổn định 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 được 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 điều kiện để tìm kiếm và áp dụng những sáng kiến mới Tuy nhiên, việc xây dựng cũng như tính ổn định cho tàu theo tiêu chuẩn này là rất phức tạp và khó thực hiện, đặc biệt nó đòi hỏi phải có nghiên cứu thực nghiệm

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

2) Tiêu chuẩn thống kê:

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

- Thống kê những vụ đắm tàu do thiếu ổn định

- Xác định những yếu tố thiếu ổn định là nguyên nhân gây ra tai nạn đắm tàu

-Xác định giới hạn của những yếu tố đó và đưa 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 định 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 định thống kê đối 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 điều kiện như sau:

lđ40- lđ 30 ≥ 0,03 (m) Trong đó :

ho - chiều cao tâm ổn định ban đầu của tàu

l30 - cánh tay đòn ổn định tĩnh của tàu ở góc nghiêng 30o

m - góc nghiêng ứng với cánh tay đòn ổn định lớn nhất

lđ 30, lđ40 - cánh tay đòn ổn định động ở góc nghiêng 30o ,40o

3.3.1 Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp.

3.3.1.1 Bài tập thực hành:

Tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo

sư Vlaxôp và kiểm tra tính ổn định của tàu đã làm trong bài tập lớn số 1 và 2 theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

3.3.1.2 Hướng dẫn thực hiện:

Theo nhà khoa học Nga Vlaxốp đề nghị, giá trị cánh tay đòn ổn định hình dáng lhd

được tính gần đúng theo công thức :

lhd=yc90 f1()+ (zc90 -zco) f2()+ rof3() + r90f4() và: lhp=lhd – ltl = yc90 f1() + (zc90 - zco) f2() + rof3() + r90f4() – (ZG – Zc0)sinθ trong đó : zco , yc90 , zc90 , ro , r90 - các yếu tố hình học quy đổi, có thể xác định theo

các công thức như sau :

• zco là cao độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng  = 00 và được xác định theo công thức sau:

zco= T











































T B

H L

B L







• yc90 tung độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng  = 900 và được xác định theo công thức sau:

T

H

k c

1 2

2 2 ) 2 )(

1

(

25 , 0







































































L

B L T

H k

) 2 )(

1 (

25 , 0

1 2

2 c 2

• zc90 là cao độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng  = 900 và được xác định theo công thức sau:

zc90= kc H







































 

B

H L

B L

kc

• ro , r90 – bán kính ổn định ngang của tàu ứng với góc nghiêng  = 00 và  = 900

xác định theo các công thức như sau:

ro=kr T

B 12

2 2











































T

H H

B L

B 12

2

3

90 c

co 90

y

z z











kr- hệ số phụ thuộc hình dạng mặt đường nước, tính theo công thức gần đúng sau :

kr=1,06±0,05 - đối với mặt đường nước dạng chữ S

kr=1,03±0,05 - đối với mặt đường nước dạng lồi

kc- hệ số tính đến ảnh hưởng của thể tích boong kín nước, xác định theo công thức do Viện sỹ Pozduynhin đề nghị như sau :

kc=1+

H

B

V

V

=1,05 – 1,15

VB - thể tích dưới boong kín nước tính từ chiều cao H

VH - thể tích tàu tính từ đáy đến chiều cao H

 Zg cao độ trọng tâm tàu, việc tính cao độ trọng tâm tàu tương đối phức tạp theo công thức:

i n

i i

P





1

1 Trong đ ó :

P - là khối lượng toàn tàu

zi, pi- là cao độ và trọng lượng của tải trọng thành phần thứ i trên tàu

Ta cũng có thể chọn Zg theo tỷ số

H

Z g

của tàu mẫu

f1(), f2(), f3(), f4() là các hàm số chỉ phụ thuộc vào góc nghiêng ngang của tàu

 có giá trị cho theo bảng sau

Bảng3.11: Giá trị các hàm f1(), f2(), f3(), f4() phụ thuộc góc nghiêng tàu  Góc nghiêng sin(θ) Giá trị các hàm fi(θ)

Tổng hợp kết quả tính tay đòn ổn định hình dáng theo góc nghiêng  ở bảng

Bảng 3.12: Bảng tính giá trị cánh tay đòn ổn định tàu Góc nghiêng 

(độ)

yc90 f1() (zc90- zco)

f2() rof3() r90f4() (2) + (3) + (4) + (5)lhd =

0

10

…

80

Tính cánh tay đòn ổn định động

Áp dụng công thức:

lđ= d l hp d





0

=y Csin   (Z C Z CO) cos   (Z GO Z CO)(cos   1 )

lđ =(li - (li+ln)/2) =(/2) l

Bảng 3.13: Giá trị cánh tay đòn tĩnh và cánh tay đòn ổn định động

Góc nghiêng

θ(độ)

lhd

(m)

ltl = (ZG-Zc0)sinθ lhp=lhd-ltl ∑[4] lđ=

2



θ.[5]

0

10

…

80

90

Từ kết quả cột (4) và cột (6), vẽ đồ thị ổn định cho tàu và xác định giá trị các yếu tố đặc trưng cho đồ thị ổn định để kiểm tra ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp

3.3.1.3 Ví dụ minh hoạ:

1) Ví dụ 1: Tính toán, kiểm tra tính ổn định của tàu hàng 20.000 tấn, kí hiệu

H170A/105-02

Đối với tàu đang tính ta có:

-Chiều dài đường nước thiết kế: L=160,477(m)

-Chiều rộng đường nước thiết kế: B=25(m)

-Chiều chìm trung bình: T=7,6(m)

-Chi ều cao mạn tàu: H=12(m)

α =0,916; δ =0,843; β =0,995

- Các yếu tố hình học quy đổi, có thể xác định theo các công thức như sau:

 zco = T















































H

T B

H L

B L

zco= 7 , 6 3 , 958 ( )

843 0 916 0

916 0

m







T

H

k c

1 2

2 2 ) 2 )(

1 (

25 , 0









































































L

B L T

H k

) 2 )(

1

(

25

,

0

1 2

2 c 2

yc90 =

) ( 242 , 5 25 6

, 7

12 1

, 1 ) 843 0 916 , 0 2 ( )

916

,

0

1

(

916 , 0 25

,

916 , 0 2 916

, 0 843 , 0 2 2

m



























 zc90 = kc H







































 

B

H L

B L

kc

zc90= 1 , 05 12 6 , 822 ( )

843 , 0 916 , 0

916 ,

m









 ro = kr T

B 12

2 2











































T

H H

B L

B 12

2

6 , 7

25 843 , 0 12

916 , 0 05

,



3

90 c

co 90

y

z z











r90 = 7 , 162 1 , 168 ( )

242 , 5

958 , 3 822 ,

m















 Zg cao độ trọng âm tàu, ta có thể chọn Zg theo tỷ số

H

Z g

của tàu mẫu

Đối với tàu hàng

H

Z g

thường nằm trong khoảng 0,60-0,65 [3, tr.113]

Zg  0 , 62 H  0 , 62  12  7 , 44 (m)

Tổng hợp kết quả tính tay đòn ổn định hình dáng theo góc nghiêng  ở bảng 3.14

Bảng 3.14: Bảng tính giá trị cánh tay đòn ổn định tàu Gócnghiêng

θ(độ)

yc90 f1() (zc90- zco) f2() rof3() r90f4() lhd = (2) + (3) + (4) +

(5)

Tính cánh tay đòn ổn định động

Áp dụng công thức:

lđ= d l hp d





0

=y Csin   (Z C Z CO) cos   (Z GO Z CO)(cos   1 )

lđ =(li - (li+ln)/2) =(/2) l

lđ =(l0 + l10 + l20 + … +l90 –(l0 + l90 )/2 )

Bảng 3.15:Giá trị cánh tay đòn tĩnh và cánh tay đòn ổn định động.

Góc nghiêng

θ(độ)

lhd

(m) ltl =(ZG-Zc0)sinθ lhp=lhd-ltl ∑[4] lđ=

2



θ.[5]

13.619

17.141

19.541

20.510

19.993

Từ kết quả cột 4 và 6 tiến hành vẽ đồ thị ổn định:

3, 1

1rad=57 3

0.5

o

' o

20

3.5 2.5 1.5

4

Lhp [m]

Ld [m]

2 3

Hình 3.8: Đồ thị ổn định Tàu có các thông số ổn định:

h= 3,7(m)

l30=1,8075(m)

m=420

lđ30=0.4935 (m)

lđ40=0.8334 (m)

lđ40- lđ30=0,3399 (m) Vậy theo hệ tiêu chuẩn IMO tàu đủ ổn định trong điều kiện hoạt động của mình