Xác định các tham số dao động của tàu dưới tác động của sóng

Bài viết Xác định các tham số dao động của tàu dưới tác động của sóng giới thiệu phương pháp xây dựng mô hình toán dao động của tàu thuỷ và mô hình tải trọng của sóng biển, phục vụ cho việc tính toán lý thuyết dao động của tàu trên cơ sở ứng dụng hệ thống mô phỏng hàng hải MSS (Marine Systems Simulator).

Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Xác định tham số dao động tàu tác động sóng Vũ Tài Tú1*, Nguyễn Quang Hùng2, Chu Anh Mỳ3 Viện Vũ khí,Tổng cục Cơng nghiệp Quốc Phịng; Đại học Công nghệ Đông Á; Học Viện Kỹ thuật Quân * Email: vutaitu@gmail.com Nhận bài: 14/4/2022; Hoàn thiện: 25/5/2022; Chấp nhận đăng: 10/6/2022; Xuất bản: 28/6/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.80.2022.168-177 TÓM TẮT Bài báo giới thiệu phương pháp xây dựng mơ hình tốn dao động tàu thuỷ mơ hình tải trọng sóng biển, phục vụ cho việc tính tốn lý thuyết dao động tàu sở ứng dụng hệ thống mô hàng hải MSS (Marine Systems Simulator) Đồng thời, phần thứ hai, báo đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống thực nghiệm đo dao động tàu sóng sử dụng cảm biến vi điện tử quán tính IMU (Inertion Measurement Unit) để thực phép đo dao động Kết đo đạc phù hợp với kết tính tốn lý thuyết (về biên độ, tần số pha dao động) Từ khẳng định rằng, phương pháp đo sử dụng nghiên cứu tin cậy Từ khoá: Dao động tàu; Chòng chành; Dao dộng tịnh tiến; Dao động ngang; Dao động thẳng đứng; Dao động dọc trục ĐẶT VẤN ĐỀ Do ảnh hưởng sóng, vị trí tàu biển bị dao động, tàu neo đậu cảng chúng hoạt động biển Điều ảnh hưởng đến chất lượng, hiệu hoạt động thiết bị bố trí tàu anten vệ tinh, rada, hàng hoá thiết bị khác,… [1] Để vũ khí khí tài tàu hải quân ổn định hoạt động hiệu lắp đặt tàu, chúng cần hiệu chỉnh dựa việc đo đạc dao động tàu thông qua thử nghiệm điều kiện khai thác khác (khi tàu chạy cấp sóng, tốc độ phương truyền sóng khác nhau, ) Tuy nhiên, thực tế, tiến hành đo đạc dao động tàu tất trường hợp khai thác có tàu số lượng đo đạc lớn chi phí cho lần đo đạc tốn Bởi vậy, người ta thường xây dựng mơ hình vật lý, mơ hình tốn mơ tả q trình chuyển động, dao động để khảo sát tính tốn, điều khiển hệ tàu theo mong muốn, sở số giả thiết vật lý học [2-5] Hình Các dao động tàu Theo cách tiếp cận đó, người ta thường coi tàu vật rắn tuyệt đối tự dao động với đầy đủ bậc tự chuyển động mặt nước (hình 1), bao gồm: chòng chành tịnh tiến dọc (Surge) dao động tịnh tiến tàu dọc theo trục dọc Ox; chòng chành tịnh tiến ngang (Sway) – dao động tịnh tiến tàu dọc theo trục ngang Oy; chòng chành thẳng đứng (Heave) – dao động tịnh tiến tàu dọc theo trục thẳng đứng Oz; chòng chành mạn (Roll) – dao động 168 V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, “Xác định tham số dao động … tác động sóng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ tàu quay quanh trục dọc Ox; chịng chành sống (Pitch)– dao động tàu quay quanh trục ngang Oy; chòng chành đảo lái – dao động tàu quay quanh trục thẳng đứng (Yaw) [6, 7] Mỗi loại chịng chành quan sát cách riêng biệt tương tác đồng thời với Nội dung báo gồm hai phần: phần thứ xây dựng mơ hình tốn dao động tàu thuỷ mơ hình tải trọng sóng, phục vụ cho việc tính tốn lý thuyết dao động tàu sở ứng dụng hệ thống mô hàng hải MSS (Marine Systems Simulator); phần thứ hai giải pháp xây dựng hệ thống thực nghiệm đo dao động tàu sóng, kết thực nghiệm so sánh với kết tính tốn lý thuyết phần mềm Matlab XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN MƠ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA TÀU 2.1 Mơ hình học hệ tàu biển Với cơng trình biển di động nói chung tàu biển nói riêng, chuyển động biển chúng dao động với đầy đủ 06 bậc tự gồm ba chuyển động quay ba chuyển động tính tiến Do vậy, muốn định vị tàu biển ta cần sử dụng hệ tọa độ độc lập để xác định vị trí hướng chúng Ba tọa độ đạo hàm theo thời gian chúng sử dụng để biểu diễn vị trí chuyển động tịnh tiến tàu theo trục Ox, Oy Oz Ba tọa độ lại đạo hàm theo thời gian chúng sử dụng để mô tả hướng chuyển động quay tàu Bảng biểu diễn ký hiệu tham số dao động, lực mô men tác dụng lên tàu tác động sóng biển Bảng Các ký hiệu sử dụng tính tốn dao động tàu sóng Lực Vận tốc dài Vị trí góc STT Tên dao động tàu mơ-men vận tốc góc Euler u x Tịnh tiến theo trục x (surge) X y v Tịnh tiến theo trục y (sway) Y w Tịnh tiến theo trục z (heave) Z z p  Quay quanh trục x (roll) K q  Quay quanh trục y (pitch) M  N Quay quanh trục z (yaw) r Để xác định dao động tàu sóng, MSS sử dụng hệ quy chiếu với ba hệ tọa độ khác gồm: Hệ tọa độ cố định gắn bờ OXnYnZn (n-frame); hệ tọa độ liên kết gắn cố định tàu Gxb yb zb chuyển động với tàu (b-frame); hệ tọa độ di động theo tàu Oxh yh zh cố định so với trạng thái cân tàu (h-frame) hệ OXnYnZn di chuyển theo tàu mơ tả hình Hình Mơ hình học hệ tàu biển Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 169 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Đối với hệ quy chiếu n-frame, vị trí tàu, vận tốc dài, vận tốc góc tàu biểu diễn theo vector sau: Vị trí tàu: pn =  n e d  T (1) Ở đây, n, e, d tương ứng toạ độ bắc, toạ độ đông toạ độ xuống theo hướng OZn hệ quy chiếu OX nYn Z n gắn với Trái Đất Góc Euler: Θ =     T (2) Vị trí góc Euler tàu vị trí góc hệ toạ độ Gxbybzb so với hệ toạ độ OXnYnZn biểu diễn dạng vector sau: η = (pn )T , ΘT  =  n, e, d , , ,  T T (3) Đối với hệ quy chiếu b-frame, vận tốc dài, vận tốc góc, lực tác dụng lên tàu biểu diễn dạng vector sau: - Vận tốc dài: vb0 = u, v,w T (4) - Vận tốc góc: ωon =  p, q,r  T (5) - Lực tác dụng lên tàu: fob =  X Y Z T (6) - Mô men tác dụng lên tàu: mbo =  K M N T (7) - Vận tốc dài, vận tốc góc tàu tương ứng với vị trí G biểu diễn dạng vector sau: T ν =  vbo , ω0n  = u, v,w, p,q,r  T (8) Lực mô men tác dụng lên tàu xét hệ quy chiếu h-frame, biểu diễn dạng vector sau: T (9) τ RB = fob , mbo  =  X,Y,Z,K,M,N  2.2 Phương trình vi phân chuyển động tàu Trong mục này, chuyển động dao động hệ tàu, tác động sóng biến mơ hình hóa với phương trình vi phân chuyển động viết dạng ma trận đại số Động lực học phi tuyến mô tả chuyển động tàu xác định theo phương trình sau [8]: M RB ν + CRB ( ν ) ν + M A ν r + C A ( ν ) ν r + D( ν ) ν r + μ + g (η) = τ + τ w (10) T Trong đó: M RB ma trận qn tính tàu; C RB ( ν ) ma trận hướng tâm tàu; M A ma trận quán tính khối lượng nước kèm; C A ( ν ) ma trận hướng tâm bổ sung khối lượng nước kèm; D( ν) ma trận dao động tắt dần; μ ảnh hưởng bổ sung độ nhớt chất lỏng; g ( η) vec-tơ lực mô men nổi, τ vec-tơ điều khiển đầu vào;  w vec-tơ nhiễu mơi trường (gió, sóng dịng chảy) 170 V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, “Xác định tham số dao động … tác động sóng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Dao động phần Động lực học, phương trình dao động tàu biểu diễn dạng vector sau: M RB ν + C RB ( ν ) ν = τ RB (11) Trong đó: ν = u, v, w, p, q, r  T vec-tơ vận tốc, gắn hệ quy chiếu b-frame; τ RB =  X ,Y , Z , K , M , N  vec-tơ ngoại lực mô men tác động vào tàu T Ma trận quán tính tàu M RB xác định theo công thức:  mI 33 −mS(rgb )  M RB =   b I o   mS(rg ) Ma trận hướng tâm C RB ( ν ) tính tốn từ M RB sau:  033 −S ( M11 ν1 + M12 ν )  C( ν ) =    −S ( M11 ν1 + M12 ν ) −S ( M 21 ν1 + M 22 ν )  (12) (13) với ν1 = u, v, w , ν =  p, q, r  T T 2.3 Mơ hình tải trọng sóng Tải trọng sóng bậc tác dụng lên tàu ứng với hệ quy chiếu h-frame * *1 *2 *3 *4 *5 *6  tính tốn từ hàm chuyển lực T i ( j ,  j ) bậc tự  W1 =  W1 , W1 , W1 , W1 , W1 , W1  thứ i (i=1 6) Tổng hợp lực tổng sóng thành phần: N (  w*i1 =  j T ji cos  j t +  j + arg(T ji ) j =1 ) (14) Tải trọng dạt sóng xác định cơng thức: N N  wi =  j k T jki cos ( (k −  j )t + k −  j ) (15) j =1 k =1 ( ) i2 T jj + Tkki Trong hệ quy chiếu b-frame, lực dạt sóng xác định theo cơng thức: Trong đó,  j góc pha T jki = Tkji = τ w2 = HT (rwb )  1w2 , , w6  T (16) Các mô hình tốn động lực học, động học tàu mơ hình tải trọng sóng nói đưa vào hệ MSS để tính dao động tàu sóng xem kết lý thuyết để đối sánh với kết thực nghiệm mục 3 THỰC NGHIỆM ĐO DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG Trên sở sử dụng cảm biến đo lường quán tính IMU để đo dao động tàu, phương pháp đo hệ thống đo dao động tàu sóng phương pháp xác định dao động cho hệ thống vũ khí đặt tàu tiến hành sau: 3.1 Phương pháp đo tính tốn dao động Như đề cập, dao động tàu qui trọng tâm G, đó, nguyên tắc, phải đặt thiết bị đo trọng tâm G tàu, song điều khơng thể Chính cần phải tìm giải pháp để đặt IMU đo điểm tàu mà qui kết đo điểm trọng tâm G Phép biến đổi tọa độ giúp thực trình chuyển đổi theo nguyên tắc sau Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 171 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Gọi hệ tọa độ đo Dxd yd zd , lần đo thứ i hệ có góc le so với hệ toạ độ liên kết Gxb yb zb ix , iy , iz tâm D cách tâm G đoạn GD có hiệu toạ độ điểm (xi, yi, zi), nói cách khác (xi, yi, zi) toạ độ D hệ liên kết Gxb yb zb Giả sử lần đo thứ i đo véc tơ tọa độ ηdi =  ni , ei , di ,i ,i , i  kết đo tính qui đổi tâm G T theo cơng thức: ηi = Ti  ηdi ηi = Ti  ηdi (17) Trong đó, Ti ma trận chuyển đổi tích ma trận nhất, ma trận tịnh tiến M theo toạ độ Đề-các ma trận quay theo góc le, tính theo cơng thức (18) ( ) ( ) ( ) Ti = Rz iz  Ry iy  Rx ix  M ( xi , yi , zi ) (18) với ( )  cos iz  − sin iz =    ( ) 1  cos ix = 0 − sin  x i  0 Rz iz Rx ix 0  0 ; 0   sin iz cos iz 0 sin  x i cos ix ( ) Ry  iy 0  0 ; 0   cos iy  =  sin  y i   1 0 M ( xi , yi , zi ) =  0  0 sin iy 0 cos iy 0 0 0 0  0 ; 0   xi  yi  zi   1 Để tăng tính khách quan độ xác phép đo, ta thực k phép đo k vị trí khác tàu Khi đó, từ 1 ,  , ,  k tính  tâm G (gồm  trung bình phương sai phép đo) Nếu mỗ vị trí đo ta thực n phép đo có k.n phép đo theo lý thuyết xác suất thống kê, tăng thêm độ xác kết đo Hình sơ đồ biểu kiến hệ toạ độ đo hệ toạ độ vũ khí tàu Hình Tọa độ đo toạ độ vũ khí đặt tàu Sau có số liệu dao động tàu η, với phép biến đổi ma trận nhất, ta tính dao động hệ thống vũ khí đặt tàu Giả sử vũ khí điểm V với hệ toạ độ liên kết Vxyz có góc le so với hệ toạ độ Gxb yb zb vx , vy , vz (xv, yv, zv) toạ độ V Gxb yb zb tương tự (17) (18), ta có ma trận TV tính dao động ηv vũ khí theo công thức:  = TV V  V = TV−1  172 (19) V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, “Xác định tham số dao động … tác động sóng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 3.2 Cấu trúc hệ thống đo dao động cảm biến vi điện tử quán tính (IMU) xây dựng qui trình đo Thiết bị đo sử dụng thực nghiệm đo dao động tàu sóng IMU bậc tự do, tích hợp gia tốc kế quay hồi chuyển đo vận tốc góc trục Đó cảm biến đo dao động IB6 hãng Texense - Pháp, chuyên sử dụng để đo dao động hệ chuyển động dựa cảm biến gia tốc trục vận tốc góc trục Từ giá trị tham số đo IMU tiến hành phân tích, tính tốn tham số dao động tàu gồm: lắc ngang (Roll), chịng chành sống (Pitch), chịng chành đảo lái (Yaw), chuyến động tính tiến theo trục 0x, 0y 0z (Surge, Sway, Heave) Thành phần hệ đo dao động bao gồm: Cảm biến IMU kết nối với máy tính, phần mềm thực đo, tính tốn phân tích Ngồi ra, cịn sử dụng thiết bị phân tích thu thập liệu DEWE3020 (của hãng DEWETRON - Áo) để xử lý tín hiệu đo Với hệ thống thiết bị trên, quy trình đo tiến hành theo bước: 1- Chuẩn bị trang thiết bị vị trí lắp đặt tàu; 2- Khởi động thiết bị kết nối với phần mềm; 3- Hiệu chỉnh cân thiết bị đo; 4- Thực đo dao động tàu; 5- Phân tích liệu thu miền thời gian, miền tần số; 6- Báo cáo giá trị phân tích 3.3 Thực nghiệm đo dao động tàu sóng biển thực Mẫu tàu tác giả lựa chọn phục vụ cho thực nghiệm tàu tuần tra ST-250 thiết kế hoạt động vùng biển Việt Nam tương đương vùng hoạt động cấp hạn chế II theo Quy phạm “Phân cấp đóng tàu cao tốc” Đăng kiểm Việt Nam năm 1998 Các thông số kỹ thuật tàu trình bày bảng Quá trình thực nghiệm đo đạc dao động tàu tác động sóng biển thực thực điều kiện sau: - Khu vực diễn thử nghiệm: Cách bờ 18 hải lý, khu vực biển Bạch Long Vĩ - Điều kiện môi trường: Trong điều kiện sóng cấp theo bảng cấp gió sóng Việt Nam (tốc độ gió; chiều cao sóng trung bình), tốc độ dịng chảy thực tế - Phương truyền sóng so với phương chuyển động tàu: Tàu chạy ngược sóng (sóng tới) - Tàu chạy chiều chìm T = 4,85 m, với độ chúi không, chạy tốc độ V = 10 knots Bảng Các thông số kỹ thuật tàu tuần tra ST-250 (theo tài liệu khai thác tàu) Các thơng số hình học Ký hiệu Đơn vị Kích thước tàu Chiều dài lớn Lmax [m] 27,60 Chiều dài thiết kế Ltk [m] 25,33 Chiều rộng lớn Bmax [m] 6,50 Chiều rộng thiết kế Btk [m] 5,80 Δmax [t] 84,7 Lượng chiếm nước trung bình Δtb [t] 78,00 Cơng suất máy Ps [BHP] 02x1500 Tốc độ tàu lớn lượng chiếm nước trung bình V [knots] 25,00 Lượng chiếm nước đầy tải Khả biển tàu: chịu cấp sóng cấp gió thang Beaufort Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 173 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực 3.4 Kết thực nghiệm tính tốn Trên hình hình ảnh kết đo đạc dao động tàu sóng tàu tuần tra ST-250 Hình Hình ảnh kết đo đạc dao động tàu sóng tàu tuần tra ST-250 Kết đo đạc thực nghiệm dao động tàu so với kết mơ tính tốn ứng với điều kiện thử nghiệm trình bày hình ÷ hình 13 Hình Kết đo đạc mô dao động lắc ngang tàu sóng chéo  w = 45o Hình Kết đo đạc mô dao động lắc dọc tàu sóng chéo  w = 45o Hình Kết đo đạc mơ dao động thẳng đứng tàu sóng chéo  w = 45o 174 V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, “Xác định tham số dao động … tác động sóng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Kết đo đạc mơ dao động lắc ngang tàu sóng chéo  w = 90o Hình Kết đo đạc mô dao động lắc dọc tàu sóng chéo  w = 90o Hình 10 Kết đo đạc mô dao động thẳng đứng tàu sóng chéo  w = 90o Hình 11 Kết đo đạc mơ dao động lắc ngang tàu sóng chéo  w = 135o Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 175 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Hình 12 Kết đo đạc mô dao động lắc dọc tàu sóng chéo  w = 135o Hình 13 Kết đo đạc mô dao động thẳng đứng tàu sóng chéo  w = 135o Từ kết thu ta đưa số nhận xét sau: - Biên độ dao động lắc ngang (roll motion) tàu đạt giá trị tàu chạy sóng chéo  w = 90o Đây trường hợp đặc biệt nguy hiểm dẫn đến lật tàu thực tế khai thác người ta không chạy tàu theo phương sóng cặp mạn; - Dao động thẳng đứng (heave motion) tàu lớn tàu chạy sóng theo nhỏ chạy sóng cặp mạn; - Dao động chịng chành sống (pitch motion) tàu đạt giá trị lớn tàu chạy sóng chéo  w = 45o  w = 135o đạt giá trị cực tiểu chạy sóng cặp mạn Các kết tính tốn đo thu hoàn toàn phù hợp với quy luật thực tế dao động tàu sóng phương truyền sóng khác Tuy nhiên, kết tính tốn kết đo có khác biên độ, pha tính tốn khơng thể bổ sung yếu tố ảnh hưởng gió, dịng hải lưu Tuy nhiên, chênh lệch kết đo tính tốn nằm giới hạn cho phép Cụ thể, pha dao động trường hợp có sai lệch khoảng 0,5 giây Từ phân tích ta kết luận rằng, phương pháp đo dao động tàu thực tế biển mà tác giả đề xuất tin cậy sử dụng để đo dao động tàu Kết đo dao động sử dụng việc tính tốn, bố trí khí tài lắp đặt tàu đảm bảo điều kiện làm việc tốt KẾT LUẬN Bài báo xây dựng quy trình đo, tiến hành đo so sánh kết đo đạc với kết tính tốn dao động tàu sóng phương pháp lý thuyết Kết đo đạc kết tính tốn lý thuyết sát (về biên độ, tần số pha dao động), từ đó, khẳng định phương pháp đo mà tác giả xây dựng tin cậy 176 V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, “Xác định tham số dao động … tác động sóng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Araki, M., et al., "Estimating maneuvering coefficients using system identification methods with experimental, system-based, and CFD free-running trial data" Ocean Engineering 51: pp 63-84, (2012) [2] Sadat-Hosseini, H., et al., "CFD, system-based and EFD study of ship dynamic instability events: Surf-riding, periodic motion, and broaching" Ocean Engineering 38(1): pp 88-110, (2011) [3] Araki, M., et al "Broaching prediction using an improved system-based approach" in Proceedings of 28th Symposium on Naval Hydrodynamics (2010) [4] Stern, F., et al., "Experience from SIMMAN 2008—the first workshop on verification and validation of ship maneuvering simulation methods" Journal of Ship Research 55(02): pp 135-147, (2011) [5] Shi, C., et al., "2 Identification of ship maneuvering model using extended Kalman filters", in Marine Navigation and Safety of Sea Transportation CRC Press pp 355-360, (2009) [6] Newman, J.N., "The theory of ship motions, in Advances in applied mechanics" Elsevier pp 221283, (1979) [7] Fonseca, N and C Guedes Soares, "Comparison of numerical and experimental results of nonlinear wave-induced vertical ship motions and loads" Journal of Marine Science and Technology 6(4): pp 193-204, (2002) [8] Fossen, T.I., "Marine Control Systems: Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles" Marine Cybernetics, (2002) ABSTRACT Determination of vibration parameters of the ship under the action of waves This paper presents a method to determine the mathematical model of ship's vibration and load model of ocean waves, serving the theoretical calculation of ship's vibration by using an application of the Marine Simulation System - MSS Simultaneously, in the second part, the article proposes a solution to carry out an experimental system for measuring the ship's vibrations on waves and using an inertial mechatronic sensor (IMU) to perform the measurement The measurement results are consistent with the theoretical calculation results (about amplitude, frequency, and phase of oscillation), from which it can be confirmed that the measurement method used in the study is reliable Keywords: Vibration of ship; Yaw; Pitch; Heave; Roll; Surge; Wave; Sway Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 177 ... động quay tàu Bảng biểu diễn ký hiệu tham số dao động, lực mô men tác dụng lên tàu tác động sóng biển Bảng Các ký hiệu sử dụng tính tốn dao động tàu sóng Lực Vận tốc dài Vị trí góc STT Tên dao. .. trường (gió, sóng dòng chảy) 170 V T Tú, N Q Hùng, C A Mỳ, ? ?Xác định tham số dao động … tác động sóng. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Dao động phần Động lực học, phương trình dao động tàu biểu diễn... chuyển động tàu Trong mục này, chuyển động dao động hệ tàu, tác động sóng biến mơ hình hóa với phương trình vi phân chuyển động viết dạng ma trận đại số Động lực học phi tuyến mô tả chuyển động tàu