Thiết kế tuyến hình tàu thủy

Thiết kế tuyến hình tàu thủy

PHẦN THIẾT KẾ TUYẾN HÌNH TÀU

Có hai phương pháp xây dựng tuyến hình tàu là xây dựng tuyến hình theo tàu mẫu và tự xây dựng Thông thường khi xây dựng tuyến hình tàu người ta thường dựa vào những tuyến hình đã có sẳn và sữa chữa cho hợp lý với những thông số của tàu đang thiết kế

1 Thiết kế tuyến hình tàu theo tàu mẫu

Trong quá trình thiết kế, người thiết kế thường chọn các tuyến hình tàu đã được kiểm nghiệm trong thực tế nhưng thường tàu mẫu rất ít khi phù hợp với tàu ta thiết kế do đó cần hiệu chỉnh Có các phương pháp hiệu chỉnh sau và tuỳ theo thông số cần hiệu chỉnh mà lựa chọn phương pháp hiệu chỉnh cho phù hợp

1.1 Các hệ số và vị trí tâm nổi hướng dọc giống nhau nhưng kích thước chủ yếu có khác nhau

Thay đổi chiều dài L: Chỉ cần thay đổi khoảng cách các sườn lý thuyết theo chiều dài thân tàu, chia chiều dài thân tàu mới thành các khoảng sườn lý thuyết bằng nhau Giữ nguyên mặt cắt ngang và dịch chuyển đến vị trí tương ứng mới ta sẽ được hình dáng của tàu mới

Thay đổi chiều rộng B: Đem nửa chiều rộng của các đường nước trên mặt cắt ngang nhân với hệ số k với k=B’/B ( B’,B là chiều rộng tàu mới và chiều rộng tàu mẫu)

Thay đổi chiều chìm T: Ta chỉ cần chia số đường nước của tàu mới như số đường nước của tàu mẫu sau đấy dịch chuyển tương ứng nửa chiều rộng của đường nước lên mặt cắt ngang mới

1.2 Thay đổi hệ số béo, các tỷ số kích thước khác không thay đổi

Trong trường hợp nầy ta cần thay đổi đường cong diện tích mặt cắt ngang để cho hệ số béo δ và hệ số lăng trụ ϕ phù hợp với yêu cầu Sau đó dịch chuyển mặt cắt ngang của tàu mẫu có cùng diện tích mặt cắt ngang lên các vị trí tương ứng ta sẽ được mặt cắt ngang của tàu mới

1.3 Thay đổi vị trí tâm nổi

Nếu vị trí tâm nổi hướng dọc của tàu mới không trùng với vị trí tâm nổi hướng dọc của tàu mẫu thì ta dịch chuyển đường cong diện tích mặt cắt ngang của tàu mẫu để hai tâm nổi trùng nhau Sau khi dịch chuyển ta được một đuờng cong diện tích mới

2 Phương pháp tự xây dựng tuyến hình

Tự xây dựng tuyến hình trên cơ sở tham khảo các tuyến hình mẫu, không thể thay đổi, hoán cải tuyến hình tàu mẫu thành tuyến hình của tàu ta thiết kế Trong quá trình tự thiết kế tuyến hình ta phải tham khảo đường hình dáng cũng như các hệ số của tàu mẫu và các seri tàu trong các tài liệu để được tuyến hình hợp lý nhất Phương pháp tự xây dựng tuyến hình được thực hiện theo các bước sau:

2.1 Xác định các hệ số cơ bản của tàu

2.1.1 Xác định hệ số béo sườn giữa

Hệ số béo sườn giữa được tính như sau:

Khi thiết kế thông thường người ta chọn hệ số diện tích mặt cắt ngang theotàu mẫu, nhưng trong trường hợp không có tàu mẫu ta chọn hệ số β theo các công thức hoặc theo các số liệu đã thống kê Nếu kết quả tính toán ở các bước sau không được hợp lý chúng ta phải điều chỉnh lại các hệ số để có được kết qủa hợp lý nhất

Hệ số β được lấy như sau:

- Tàu chạy nhanh Fr ≥ 0.28: β = 1.62δ ± 0.15

- Tàu chạy chậm Fr < 0.28 β = 1.014δ1/12 ± 0.004

2.1.2 Xác định hệ số béo dọc ϕ

Sau khi đã xác định được hệ số béo thể tích và hệ số béo sườn giữa ta tính được hệ số béo

dọc ϕ = δ/β Tuy nhiên trong nhiều trường hợp ta phải xác định hệ số béo dọc trước khi xác định hệ số béo sườn giữa, trong trường hợp nầy ta xác định ϕ theo các công thức thống kê

Đối với các tàu chạy chậm ϕ = 0.903δ + 0.082

Đối với các tàu chạy nhanh ϕ = 0.62 ± 0.07

2.1.3 Xác định hệ số diện tích mặt đường nước

Hệ số diện tích mặt đường nước (α) ảnh hưởng đến tính ổn định, tính hàng hải và tốc độ của tàu

do đó khi xác định hệ số diện tích mặt đường nước cần phải tham khảo từ các tàu mẫu Trong trường hợp không có tàu mẫu ta có thể tính α từ các công thức thống kê sau:

- Công thức Nogid: Khi ϕ = 0.55 ÷ 0.8 ta có thể sử dụng công thức:α = 0.86ϕ + 0.18

- Công thức Linhlad: α = 0.98σ1/2 ± 0.06

2.2 Xây dựng đường cong diện tích mặt cắt ngang:

Căn cứ vào đường cong diện tích mặt cắt ngang của tàu mẫu hoặc có thể sử dụng các tài liệu tàu mẫu tiêu chuẩn của Taylor, Hogg hay bể thử mô hình của Wageningen để thay đổi hình dáng cho phù hợp

Đường cong diện tích tìm được phải phù hợp về lượng chiếm nước và vị trí tâm nổi hướng dọc Từ đường cong diện tích nầy ta tìm được diện tích mặt cắt ngang tại từng sườn của tàu mới

Phương pháp vẽ đường cong diện tích mặt cắt ngang như sau:

1 Vẽ hình thang cơ sở có diện tích bằng lượng chiếm nước của tàu

XF

S = D a

a

Sn Fn

Diện tích sườn trước khi dịch chuyển trọng tâm Diện tích sườn sau khi dịch chuyển trọng tâm

Hình1: Hình thang cơ sở

- Diện tích mặt cắt ngang giữa tàu là

FΘ=B.T.β Trong đó:

B: Chiều rộng tàu T: Mớn nước tàu β: Hệ số diện tích mặt cắt ngang

- Đáy nhỏ của hình thang cơ sở có giá trị bằng:

L F

D

a = −Θ

2 Trong đó D, L là lượng chiếm nước và chiều dài tàu

Hình 2: Đường cong diện tích mặt cắt ngang

- Từ đường cong diện tích mặt cắt ngang ta có thể xác định diện tích mặt cắt ngang tại sườn bất kỳ

2.3 Hình dáng đường bao mặt cạnh

2.3.1 Hình dáng mũi tàu

Tuỳ từng loại tàu và với các tính năng hàng hải cụ thể cũng như vùng hoạt động của tàu mà ta lựa chọn hình dáng mũi tàu cho hợp lý

Có nhiều loại mũi tàu, mỗi loại thích hợp cho từng loại tàu và từng vùng hoạt động cụ thể như:

+ Mặt cắt ngang mũi tàu theo đường nước có dạng hình chữ V: Phù hợp cho các tàu lớn, chiến hạm, tàu sân bay… hoạt động trên những vùng biển có sóng lớn

+ Mặt cắt ngang mũi tàu có dạng chữ U: Thích hợp cho các loại tàu có tốc độ cao + Mũi tàu dạng quả lê: Dùng cho tàu hàng có trọng tải lớn

Be gió mũi B.G

M.B.C

Hình 3: Hình dáng mũi tàu

2.3.2 Hình dáng đuôi tàu

Đuôi tàu cũng có nhiều dạng như đuôi bầu dục, đuôi tuần dương hạm… Đối với mỗi loại tàu ta chọn hình dáng đuôi cho thích hợp để nâng cao được tính năng hàng hải, đảm bảo nước chảy tốt vào chân vịt, lắp máy dễ dàng, thi công vỏ được thuận tiện và phù hợp với điều kiện sử dụng của tàu

B.G

Be gió lái

Hình 4: Hình dáng đuôi tàu

2.3.3 Đường cong mép boong (hình 5)

- Đường cong ngang boong là một đường parabon, gốc nằm ở giữa tàu

- Độ cong mép boong mũi, mép boong lái và độ cong ngang boong theo qui định trong qui phạm đóng và phân cấp tàu sông

- Đối với tàu hoạt động trên tuyến đường sông, không có sóng lớn va đập và do yêu cầu khi thao tác trên boong cũng như tầm nhìn khi lái do đó độ cong dọc tương đối thấp so với tàu biển Độ cong boong dọc phía mũi được lấy bằng 0.015 chiều dài tàu, độ cong boong dọc phía lái được lấy bằng 0.004 chiều dài tàu Độ cong boong ngang được lấy bằng 0.01 chiều rộng tàu Cụ thể như sau:

- Độ cong boong dọc phía mũi : 0.015xL

- Độ cong boong dọc phía lái : 0.004xL

- Độ cong boong ngang : 0.01xB

2.4 Đường nước thiết kế

- Phương pháp thiết kế đường nước đầy tải tương tự như phương pháp xác định đường

cong diện tích mặt cắt ngang Diện tích hình thang cơ sở bằng diện tích mặt đường nước với diện tích mặt đường nước được tính như sau:

FĐN = BTα Trong đó:

B: Chiều rộng đường nước T: Mớn nước tàu

α: Hệ số béo đường nước

- Hình dáng đường nước thiết kế phụ thuộc vào hệ số Froude của tàu

Fr = 0.13÷0.16 Đường nước lồi

Hình 5: Đường cong mép boong và đường nước thiết kế

2.5 Vẽ tuyến hình tàu

Sau khi đã xác định diện tích mặt cắt ngang cũng như hình dạng mũi tàu, đuôi tàu và các đường cong ngang boong ta tiến hành vẽ tuyến hình tàu Trình tự vẽ tuyến hình theo các bước sau:

2.5.1 Vẽ lưới trên các hình chiếu của tuyến hình:

Theo chiều dài ta chia ra 10 khoảng sườn (gọi là sườn lý thuyết), khoảng cách sườn lý thuyết là ∆L=L/ 10 (L là chiều dài tàu)

Số đường nước tuỳ thuộc vào mớn nước của tàu Thông thường dưới đường nước chở đầy

ta chia khoảng 5-7 đường nước

Số mặt cắt dọc phụ thuộc vào chiều rộng thân tàu, người ta thường vẽ 2-3 mặt cắt dọc

2.5.2 Vẽ đường bao mặt boong và đường nước thiết kế (hình 5)

Hình dạng mũi tàu, đuôi tàu, đường cong mặt boong … đã xác định ở trên Ta tiến hành vẽ lên hình chiếu cạnh và hình chiếu bằng của tuyến hình, trong quá trình đó ta hiệu chỉnh lại các đường trên để chúng được trơn đều

Vẽ đường nước chở đầy lên các hình chiếu

2.5.3 Vẽ mặt cắt ngang giữa tàu

Trên mặt cắt ngang ta vẽ mặt cắt ngang tại vị trí sườn giữa theo hệ số và diện tích mà ta xác định trước

Phương pháp vẽ như sau:

Hình 6: Vẽ mặt cắt ngang

- Kẻ đường thẳng song song và cách đường dọc tâm một khoảng là c=F/2T

Trong đó F là diện tích mặt cắt ngang sườn giữa T là mớn nước tàu

- Vẽ đường cong sườn sao cho hai diện tích W1=W2

- Bán kính hông được tính như sau:

2 42 , 0

) 1 (

- Các mặt cắt tại các sườn khác vẽ tương tự như trên

Khi vẽ mặt cắt ngang phải đảm bảo lượng chiếm nước của tàu

Sau khi đã vẽ xong một số mặt cắt ngang trên đường hình dáng mặt cắt ngang ta lấy các nửa chiều rộng để vẽ các đường nước khác Từ đường nước mới vẽ phát triển thêm các mặt cắt ngang mới Sau khi các đường đường nước và mặt cắt ngang đã khớp nhau trơn tru ta tiến hành vẽ các đường cắt dọc, hiệu chỉnh lại các mặt cắt ngang và đường nước Cuối cùng dùng các đường chéo để kiểm tra lại độ trơn tru của đường hình dáng Khi đã có tuyến hình sơ bộ trơn tru ta tiến hành đo đạt, tính toán kiểm tra lại các thông số ban đầu của tuyến hình tàu là lượng chiếm nước V, các hệ số α, δ, β, ϕ cũng như tâm nổi XC của tàu Nếu có sai số ±1% thì chúng ta phải điều chỉnh tuyến hình lại cho phù hợp

1.4.1 Thiết kế đường hình tàu theo seri 60

Trong chừng hai thập niên, bốn mươi và năm mươi tại Mỹ người ta tiến hành thí nghiệm mô hình tàu vận tải một chân vịt Seri này được công bố trong tập san SNAME vào cuối những năm 1950, mang tên gọi seri 60 Toàn bộ seri gồm 45 mô hình Các tham số chính thay đổi trong phạm vi: CB = 0,6 ÷ 0,8

L/B = 6 ÷ 8; B/T = 2,5 ÷ 3,5; LCB = 2,5 ÷ 3,5 L

Seri 60 được dùng cho tàu dài cỡ từ 135m trở lên, đường sườn mũi thay đổi từ U trung bình (CB = 0,6) đến thiên về U với CB = 0,8

Hình 1.17: Đường hình tiêu biểu seri 60

Thiết kế đường hình theo mẫu tàu seri 60 của Todd thực hiện theo các bước sau đây

1- Xác định bán kính cung hông tàu r

2- Xác định chiều dài ống trụ giữa tàu L M

4- Xác định chiều dài ống lái L A = L - L M - L F , (H.1.19)

5- Xác định tỷ lệ = P F

P A

C a C

, ,

Bảng 1.6

C B

LCB,% 0,600 0,625 0,650 0,675 0,700 0,725 0,750 0,775

-2,5 0,830 0,835 0,838 0,838 0,835 0,827 0,817 0,808 -1,5 0,896 0,892 0,887 0,885 0,883 0,878 0,872 0,865 -0,5 0,967 0,954 0,942 0,931 0,923 0,917 0,012 0,907 +0,5 1,038 1,019 1,000 0,983 0,972 0,968 0,965 0,962 1,5 1,115 1,091 1,068 1,044 1,025 1,020 1,020 1,020 2,5 1,215 1,174 1,134 1,101 1,083 1,062 1,083 1,085 3,5 1,367 1,300 1,235 1,179 1,142 1,144 1,147 1,152

6- Chiều rộng lớn nhất nửa đường nước

Hình 1.20

1.4.2 Đường hình tàu ven biển, một chân vịt

Trong tạp chí TIESS từ 1952/1954 đã công bố kết quả thử mô hình tàu ven biển, thực hiện tại National Physical Laboratory, Anh1 Đường hình tiêu biểu seri Dawson được trình bày tại hình 1.21

Kết quả nghiên cứu về sức cản, động lực đẩy tàu cho loạt tàu Dawson thực hiện cho ba dãy mô hình tàu, tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng tàu cố định như sau:

Kết quả thử nghiệm cho phép những nhà nghiên cứu phát triển mô hình trên cho loạt tàu

mẫu với giới hạn thay đổi của các thông số khá rộng Cụ thể hơn, đường hình mẫu được xác lập cho tàu với hệ số CB thay đổi mỗi lần 0,01: 0,650 0,660 0,670 , 0,740 0,750 Tâm nổi

thay đổi trong các phương án theo bước nhảy 0,5%

Dọc chiều dài mô hình người ta chia tàu làm 10 sườn lý thuyết Qui đổi từ sườn ghi trên mô

hình về dạng sườn lý thuyết thực hiện theo bảng 1.8:

Sườn mô hình Sườn lý thuyết Sườn mô hình Sườn lý thuyết

Seri tàu mang tên Dawson thích hợp cho tàu ven biển cỡ 2.000 – 3.000 dwt

Một số mô hình được chép lại tại các bảng 1.9

Bảng 1.9

0 795 ,

δ = ; MODEL 571

1/6T 2/6T 3/6T 4/6T 5/6T T 0,00 0,00 0,00 0,00 6,15 23,85 6,13 6,02 6,65 11,28 26,13 44,10 16,64 20,24 22,84 30,48 45,55 61,19 40,55 47,94 55,58 64,79 75,08 83,93 61,27 71,04 78,82 85,56 90,95 94,98 78,03 86,57 91,89 95,39 97,73 99,11 89,72 95,28 97,87 99,07 98,80 10,000 96,26 98,85 99,80 99,95 100,00 100,00 99,12 99,91 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 100,00 99,20 99,85 99,90 99,91 99,92 99,94 95,16 97,92 98,48 98,64 98,87 99,09 83,79 89,39 91,20 92,11 92,93 99,09 60,65 68,89 72,70 75,01 76,80 78,61 24,09 32,63 37,74 41,30 43,86 46,25 4,21 11,33 15,57 18,65 21,18 25,53 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Bể thử SSPA tại Goteborg đã công bố kết quả thử loạt tàu vận tải Loạt tàu này được

chuẩn hóa, có thể dùng trong thiết kế Theo trình bày của Freimanis và Lindgren2 kết quả

thử mô hình tàu hệ số đầy thay đổi từ CB = 0,60 đến 0,75 cho phép xây dựng loạt đường

hình tàu vận tải sức chở từ (5 ÷ 10)×103 tấn đạt những yêu cầu cao về sức cản, tính hàng

hải Một trong những mô hình tàu được thử nghiệm có dạng như trình bày tại hình 1.22

Đường hình tàu được trình bày tại hình 1.23

2 E Freimanis and H Lindgren, “Systematic Test with Ship Models with CB = 0,675”, Part I, II, III, 1957, 1958

E Freimanis and H Lindgren, “Systematic Test with Ship Models with CB = 0,60 – 0,75”, 1959

mũi tàu hình bóng đèn tròn của Đại học Michigan USA, 1965

Hình 1.13. Mũi tàu dạng bóng đèn tròn B1, Đại học Michigan

tàu sông

Tàu dầu

Hình 2.23: Đường hình phía lái tàu dầu hiện đại

a) Đường hình U, b) Đường hình V và c) Đường hình dạng điếu xì gà

1- Đường sườn; 2- Lát gỗ; 3- Đường khung; 4- Dưỡng; 5- Mô hình; 6- Máy cưa

Hình 2.2: Một góc nhà phóng mẫu cổ điển

Hình 2.21: Mô hình tàu dầu sức chở 39.000dwt

ĐƯỜNG CONG DIỆN TÍCH SƯỜN CANO CÔNG TÁC

thiết kế thuyền buổm