ly thuyet thiet ke tau

LYÙ THUYEÁT THIEÁT KEÁ TAØU TAÌ LIỆU HỌC TẬP À 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1: TRỌNG LƯNG TÀU 1. Trọng lượng vỏ tàu 7 2. Trọng lượng thiết bò tàu và hệ thống tàu 11 3. Trọng lượng thiết bò năng lượng 14 4. Trọng lượng hệ thống điện, hệ thống liên lạc bên trong 14 5. Trọng lượng dự trữ lượng chiếm nước 17 6. Trọng lượng thuyền viên ,lương thực, thực phẩm 17 7. Trọng lượng hàng lỏng thay đổi, trọng lượng nước dằn 18 8. Trọng lượng nhiên liệu, dầu mỡ, nước cấp 18 CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG TRÌNH TRỌNG LƯNG 26 1. Phương trình trọng lượng tàu 26 2. Hệ số sử dụng lượng chiếm nước tàu 33 3. Phương trình và hệ số Normand 37 CHƯƠNG 3 : KÍCH THƯỚC CHÍNH CỦA TÀU 41 1. Xác đònh kích thước chính trên cơ sở D và C B 41 2. Trọng lượng tàu là hàm của kích thước chính và C B 44 3. Phương trình trọng lượng dạng vi phân của kích thước chính và C B 45 CHƯƠNG 4 : PHƯƠNG TRÌNH DUNG TÍCH TÀU 49 1. Dung tích tàu 49 2. Phương trình dung tích. Xác đònh tỷ lệ H/T 51 3. Phương trình dung tích tàu hàng 52 4. Xác đònh dung tích và bố trí két dằn 55 5. Xác đònh dung tích theo luật tính dung tích 56 CHƯƠNG 5 : QUAN HỆ GIỮA CÁC KÍCH THƯỚC HÌNH DÁNG 60 1. Chiều dài tàu 60 2. Chiều rộng tàu 62 3. Chiều cao mạn 63 4. Mớn nước 64 5. Tỷ lệ các kích thước chính 65 CHƯƠNG 6 : PHƯƠNG TRÌNH ỔN ĐỊNH TÀU 67 1. Đảm bảo ổn đònh tàu trong giai đoạn thiết kế 67 2. Quan hệ giữa chu kỳ lắc, chiều cao tâm ổn đònh và kích thước chính 72 3. Ảnh hưởng kích thước hình học thân tàu đến đồ thò ổn đònh 73 4. Ảnh hưởng xê dòch hàng rời 75 4 5. Đảm bảo ổn đònh tại góc nghiêng lớn 75 6. Đánh giá tính êm của lắc 76 CHƯƠNG 7 : MẠN KHÔ TÀU 80 1. Mạn khô tiêu chuẩn 81 2. Độ cong dọc boong tiêu chuẩn 82 3. Điều chỉnh mạn khô tiêu chuẩn 82 4. Chiều cao tối thiểu của mũi tàu 83 5. Chia khoang và chống chìm 86 CHƯƠNG 8 : SỨC CẢN VỎ TÀU. CÔNG SUẤT MÁY CẦN THIẾT 98 1. Sức cản vỏ tàu 98 2. Các phương pháp kinh nghiệm tính sức cản vỏ tàu 100 3. Công suất cần thiết 101 4. Thiết bò đẩy tàu 102 5. Tốc độ tới hạn. Tốc độ kinh tế của tàu 106 6. Dự trữ công suất. Hệ số sử dụng tốc độ 107 7. Đường hình tàu 108 CHƯƠNG 9 : THIẾT KẾ BẢN VẼ LÝ THUYẾT 129 1. Vẽ đường phân bố diện tích sườn 129 2. Thiết kế đường hình tàu theo tàu mẫu 134 3. Đường hình tàu từ cơ sở giải tích 135 4. Phương pháp nội suy 140 CHƯƠNG 10 : THIẾT KẾ TÀU 143 1. Các giai đoạn thiết kế 143 2. Các phương pháp thiết kế tàu 145 3. Thiết kế tối ưu tàu 151 Tài liệu tham khảo 165 5 Mở đầu Ký hiệu chính và đơn vò dùng trong thiết kế tàu Trong giáo trình này sử dụng các ký hiệu chính, các đơn vò đo quen thuộc mang tính truyền thống trong ngành đóng tàu. Kích thước chính và hệ số béo của tàu: L chiều dài tàu nói chung – length of ship L oa chiều dài toàn bộ - length over all L pp chiều dài giữa hai trụ - length between perpendiculars L wl chiều dài đường nước - waterplane length B chiều rộng - breadth D hoặc H chiều cao tàu - depth d hoặc T mớn nước tàu - draught, draft CB, C B hệ số đầy thể tích - block coefficient CM, C M hệ số đầy mặt cắt giữa tàu - midship coefficient CP, C P hệ số đầy lăng trụ - longitudinal prismatic cefficient CW, C W hệ số đầy đường nước - waterplane coefficient D, Δ lượng chiếm nước - displacement weight V, ∇ thể tích phần chìm - displacement volume Các ký hiệu dùng chung BM, B M khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm nghiêng M trong mặt cắt ngang - metacentre above centre of buoyancy BM L , L BM khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm nghiêng M trong mặt cắt dọc longitudinal metacentre above centre of buoyancy g gia tốc trọng trường - acceleration due to gravity H, h chiều cao nói chung - height, depth L W , λ chiều dài sóng - wave length m khối lượng - mass p áp suất - pressure P công suất - power T chu kỳ - period W, w trọng lượng - weight Fb mạn khô tàu - freeboard G trọng tâm tàu - centre of gravity GM, GM chiều cao tâm nghiêng (ngang) - metacentric height GM L , L GM chiều cao tâm nghiêng dọc - longitudinal metacentric height GZ, GZ tay đòn ổn đònh - stability lever I L momen quán tính dọc của đường nước - longitudinal moment of inertia of waterplane I T momen quán tính ngang của đường nước - tranverse moment of inertia of waterplane K sống chính - keel 6 KB, KB chiều cao tâm nổi trên đáy - center of gravity above moulded base M tâm nghiêng - metacentre SW mặt ướt vỏ tàu - wetted surface α ≡ C W hệ số đầy thể tích β ≡ C M hệ số đầy mặt giữa tàu δ ≡ C B hệ số đầy thể tích ϕ ≡ C P hệ số đầy lăng trụ Δ ≡ D lượng chiếm nước của tàu - displacement weight ∇ ≡ V thể tích phần chìm - displacement volume Đơn vò đo trong hệ thống SI Tên gọi Đơn vò Ký hiệu Chiều dài Metre m Khối lượng Kilogram kg Thời gian Giây s Lực Newton N = kg.m/s 2 Công Joule J = N.m Công suất Watt W = J/s Những đại lượng xuất hiện thường xuyên trong giáo trình, mang ý nghóa truyền thống của ngành nghề như sau: Trọng lượng ký hiệu chung W, w và P trong tài liệu. Đơn vò đo kG (trọng lượng) hoặc tấn trọng lượng trong hệ thống metric, viết tắt T hoặc MT. Lượng chiếm nước của tàu D hoặc Δ , tính theo công thức: D = γ.V hoặc Δ = γ.∇ với γ - trọng lượng riêng của nước bao tàu, tính cho nước sông γ = 1,0 T/m 3 , còn cho nước biển γ = 1,025 T/m3. Đơn vò đo dùng cho D (Δ) là đơn vò trọng lượng, kG (trọng lượng) hoặc tấn trọng lượng, viết tắt T hoặc MT. Vận tốc ký hiệu v, đo bằng m/s trong hệ SI, hải lý/ giờ (HL/h) khi tính vận tốc tàu đi biển. Công suất máy chính lắp trên tàu ký hiệu BHP hoặc P B (viết tắt từ Brake Horsepower), công suất dẫn đến đầu trục chân vòt DHP hoặc P D (Delivered Horsepower), tính bằng mã lực trong hệ thống metric hoặc hp trong hệ thống Imperial UK. Mã lực HP – horsepower trong hệ thống đo metric tính bằng 75 kG.m/s, trong hệ thống đo của UK và USA tương đương 76 kG.m/s. Trong nhiều trường hợp mã lực trong hệ metric được ký hiệu PS hoặc CV, tính bằng 75 kG.m/s. Trong giáo trình có sử dụng các đơn vò đo truyền thống thuộc hệ thống đo Imperial của UK và USA. Hoán đổi các đơn vò giữa hệ thống đo hoàng cung và hệ thống metric theo cách sau: Chiều dài: 1 foot = 0,3048m; 1 inch = 0,0254m; 1 NM (hải lý) = 1,85318km. Vận tốc: 1 knot (nghóa đen : nút, viết tắt kn) = 1 hải lý/h = 0,515 m/s Trọng lượng: 1 pound = 0,445 kG; 1 long ton (ký hiệu LT) = 1,016 MT. Công suất: 1 hp = 745,7 W 7 Chương 1 TRỌNG LƯNG TÀU 1.1 TRỌNG LƯNG VỎ TÀU Trọng lượng vỏ tàu trong các bài toán thiết kế được hiểu là tổng trọng lượng các thành phần cấu thành thân tàu. Các nhóm trọng lượng chính tham gia vào đây gồm: a) Kết cấu bản thân thân tàu, gồm vỏ tàu, các vách, boong, các sàn, kết cấu gia cứng vv b) Thượng tầng và các lầu, c) Các kết cấu bằng vật liệu phụ, tham gia vào thành phần thân tàu, như gỗ, xi măng, vật liệu tổng hợp tham gia vào vỏ tàu bằng thép. Từ thực tế có thể nhận thấy rằng, trọng lượng bản thân thân tàu tỷ lệ với kích thước chính thân tàu LxBxH. Trong số các kích thước chính đang đề cập, H được tính đến boong liên tục, cao nhất. Nhờ phép thống kê chúng ta có thể xác lập trọng lượng tính cho mỗi đơn vò m 3 , từ trọng lượng này. Nếu ký hiệu W V – trọng lượng vỏ tàu, trọng lượng cho mỗi đơn vò từ mô đun LxBxH, gọi là chỉ số trọng lượng vỏ, được tính theo cách sau: )/(, 3 mt LxBxH W p V V = (1.1) Trong thực tế tính toán chúng ta còn sử dụng cách tính khác cách vừa nêu. Theo cách sau, cần thiết xác lập chiều cao tàu H 1 , gọi là chiều cao tương đương, trên cơ sở chiều cao H của tàu và chiều cao thượng tầng tàu. )(, 1 m LxB VV HH tt + += (1.2) trong đó V tt - dung tích thượng tầng, tính bằng m 3 . Chỉ số trọng lượng vỏ tàu giờ có thể xác lập theo cách sau: )/(, 3 1 1 mt LxBxH W p V V = (1.3) Một số giá trò tiêu biểu cho các kiểu tàu thông dụng được tổng kết tại bảng. Kiểu tàu p V1 (kG/m 3 ) Tàu hàng cỡ nhỏ 105 – 95 Tàu hàng cỡ lớn 95 - 100 Tàu chở hàng rời 115 – 100 Tàu dầu 110 – 95 Theo cách đặt vấn đề của một số chuyên gia đóng tàu, với tàu vỏ thép cần tìm cách tính toán trọng lượng (theo nghóa đúng là khối lượng vật liệu làm bằng thép) vỏ thép cho tàu đang thiết kế. Thông thường trên tàu nhóm này trọng lïng vỏ thép chiếm không dưới 60% trọng lượng tàu không. Với tàu vận tải cỡ lớn, trọng lượng vỏ thép W V chiếm khoảng 20% lượng chiếm nước D của tàu, còn với tàu cỡ nhỏ tỷ lệ này lớn hơn nhiều. Hình 1.1 giới thiệu chỉ số trọng lượng vỏ thép tàu vận tải kiểu cũ dạng shelterdeck, tính theo công thức: LBH W p sh sh × = 1000 8 trong đó W sh - trọng lượng tinh thép làm vỏ tàu, tính bằng tấn. Hình 1.1 Trọng lượng vỏ thép tàu kiểu cũ, tính đến boong cao nhất Căn cứ dữ liệu thu nhận từ các tàu vận tải hàng khô, hàng rời, hàng lỏng dài dưới 180m, đóng trước những năm sáu mươi có thể lập đồ thò trình bày quan hệ giữa p V và chiều dài tàu. Sử dụng cách làm ngoại suy vào trường hợp này, đồ thò p v = f(L), trong đó p V = W V /V U , có dạng như tại hình 1.2. Thể tích V U được hiểu là dung tích tàu, phần dưới boong. Chỉ số trọng lượng p V các tàu thông dụng có thể tổng kết như sau: Tàu vận tải thông dụng: 0,103[1 + 17(L-110) 2 ] Tàu khách: 0,113 ÷ 0,121. Tàu hàng rời: 0,108 ÷ 0,117. Tàu chở dầu: 0,021 + L/1000 ± K. với K < 5%. Tàu hàng lạnh: 0,106 ÷ 0,116. Tàu hàng thông dụng có các giá trò “chuẩn” sau: L/H = 12; L/B = 6,5; T/H = 0.85; C M = 0.98; C B = 0,65. Trọng lượng vỏ tàu có thể qui ước chia làm hai thành phần: trọng lượng thân tàu, tính đến boong như đã nêu W V1 và trọng lượng thượng tầng gồm các kết cấu trên boong W V2 . Chỉ số trọng lượng trong trường hợp này được chia làm hai, tính theo qui ước giữa các nhà đóng tàu. LBH W p V H 1 = và S V S V W p 2 = trong đó LBH – mô đun kích thước chính, tính bằng m 3 và V S dung tích thượng tầng, m 3 . 9 Hình 1.2 Quan hệ giữa chỉ số trọng lượng vỏ tàu và chiều dài tàu Chỉ số p H phụ thuộc vào LBH, hệ số béo thể tích của tàu C B và tỷ lệ L/H tàu. Tài liệu thống kê cho thấy chỉ số này nằm trong phạm vi khá rộng, từ 0,070 đến 0,110 t/m 3 . Đồ thò tại hình 1.3 giới thiệu quan hệ đang nêu của các tàu chở hàng khô, hai boong, kiểu cũ. Hình 1.4 trình bày đồ thò dạng tương tự, áp dụng cho tàu ba boong. Hình 1.3 Hình 1.4 10 Chỉ số trọng lượng dùng tính trọng lượng thượng tầng được giới thiệu tại hình 1.5, trong đó p SUP được xét như hàm của sức chở. Trong hình các ký hiệu mang ý nghóa sau. Hình 1.5 Công thức tính trọng lượng thép dùng làm thân tàu còn có thể như sau: Công thức Benford (1967) 321 9,0 2832 CCC LBH CW SH ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = trong đó C = 340; 939,03,8006,0;36,01; 2 675,0 8,1 321 + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −=+=+= H L C L L C C C S B L, B, H tính bằng m Công thức Kafali (1988) () ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ +++ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −+= L L l L l CNCW BSSH 21 25,04,017,0 3 2 1 trong đó [] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+−= 12025.01026,021,0 10 H L NLogC S , N = LBH (m 3 ); l 1 - chiều dài hữu hiệu thượng tầng tại boong chính, (m), l 1 - chiều dài hữu hiệu thượng tầng tại các boong trên, (m) Công thức kinh nghiệm theo tổng kết của DNV (1967) Tàu dầu: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −+Δ= D L B L W TLS 7,2806,0004,0009,1 αα trong đó () () () 100000/00235,0029,0; /100189,0 /004,0054,097,0 78,0 Δ+= + = TL HL BL αα Phạm vi sử dụng: mL B L H L 480150;75;1410 ÷=÷=÷= D - Lầu mũi Sr - Lầu giữa R - Lầu lái S - Tổng chiều dài tất cả các lầu 11 Tàu ch ở hàng rời (bulk carrier): ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ −= H L H LL B L B L LZW S 00163,0146,107,042,2 1800 200 1025,073,0035,0215,11274,4 62,0 trong đó 6 2 10 7,0 1,2 + = B C BFLZ , F – đọc từ bảng 1.1. Bảng 1.1 L F L < 240m 3,0408175 + 0,014826515L - 0,0000173469L 2 240m ≤ L ≤ 300m 1,32 + 0,0298333L – 0,00005L 2 L > 300m 5,77 Trọng lượng thép làm vỏ tính bằng long ton, lượng chiếm nước tàu tính trong hệ đo Anh- Mỹ, bằng long ton. Cần giải thích thêm các tàu được đưa vào danh sách thống kê thiết kế và chế tạo trước năm 1960 tại USA, giá trò tra từ đồ thò không hòan toàn trùng lặp với dữ liệu thống kê của châu Âu và các nước khác. Đơn vò đo trọng lượng như đã nêu là long ton. Chuyển đổi tấn theo hệ thống trên ra tấn hệ mét tiến hành theo công thức: long ton = 1,016 MT = 1016 kG. Hình 1.6 giành cho tàu chở hàng rời và tàu hàng khô. Hình 1.6 Trọng lượng vỏ thép tàu chở hàng rời và tàu chở hàng khô 1.2. TRỌNG LƯNG THIẾT BỊ TÀU VÀ HỆ THỐNG TÀU Trọng lượng nhóm thiết bò thay đổi trên các tàu, tùy thuộc công dụng tàu và kiểu tàu. Trọng lượng này còn tùy thuộc yêu cầu chủ tàu, thay đổi khác nhau trong một kiểu tàu. Nhóm trọng lượng này có thể coi tỷ lệ với mô đun LxBxH hoặc LxBxH 1 , giống như chúng ta đã thực hiện với nhóm vỏ. Trong tính toán nhiều khi người tính gộp cả hai nhóm trọng lượng này lại thành nhóm chung mang tên trọng lượng vỏ tàu đã trang bò. Chỉ số trọng lượng trang thiết bò tàu tính theo một trong hai dạng: . LY THUYEÁT THIEÁT KE TAØU TAÌ LIỆU HỌC TẬP À 3 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1:. của đường nước - tranverse moment of inertia of waterplane K sống chính - keel 6 KB, KB chiều cao tâm nổi trên đáy - center of gravity above moulded