MỤC LỤC I. GIỚI THIỆU CHUNG1 II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT1 1. Thông số thủy tĩnh và đồ thị Hydrostatic1 1.1 Đại lượng hình học vỏ tàu1 1.2 Các hệ số béo2 1.3 Công thức simpson3 2. Đồ thị Bonjean4 3.Đồ thị Pantokaren4 4. Trọng lượng và trọng tâm từng trạng thái4 5. Thông số ổn định5 III. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TÀU5 1. Bản vẽ tuyến hình5 2. Hydrostatic7 3. Bonjean9 4. Pantokaren12 5. Các trạng thái tải trọng và bố trí chung14 6. Tính ổn định cho từng trạng thái tải trọng17 6.1. Momen nghiêng do gió17 6.2. Momen cho phép tới hạn19 6.3. So sánh điều kiện ổn định23 IV. KẾT LUẬN23 TÀI LIỆU THAM KHẢO24
Trường đại học Bách KhoaTPHCM KHOA GIAO THÔNG oOo BÀI TẬP LỚN LÝ THUYẾT TÀU THỦY Giảng viên hướng dẫn: Trần Văn Tạo Người thực hiện: Lý Thành Tiến MSSV: 2112432 NHÓM : 15 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU CHUNG .1 II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1 Thông số thủy tĩnh đồ thị Hydrostatic 1.1 Đại lượng hình học vỏ tàu 1.2 Các hệ số béo 1.3 Công thức simpson Đồ thị Bonjean 3.Đồ thị Pantokaren .4 Trọng lượng trọng tâm trạng thái Thông số ổn định .5 III TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TÀU Bản vẽ tuyến hình Hydrostatic Bonjean Pantokaren .12 Các trạng thái tải trọng bố trí chung 14 Tính ổn định cho trạng thái tải trọng 17 6.1 Momen nghiêng gió 17 6.2 Momen cho phép tới hạn 19 6.3 So sánh điều kiện ổn định 23 IV KẾT LUẬN 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 I GIỚI THIỆU CHUNG Hiện nay, tàu thủy đóng vai trị vơ quan trọng kinh tế giới Là phương tiện chủ yếu việc vận chuyển hàng hóa, xăng dầu, nội địa quốc tế Cũng mức độ quan trọng phổ biển tàu thủy, nên tính an tồn ổn định tàu thủy phải tính tốn thật kỹ lưỡng thơng qua số liệu tính tốn thủy tĩnh, trọng lượng, ổn định tàu nghiêng trạng thái khác Và sau đây, khảo sát tính ổn định tàu kiểm tra xem có đủ tiêu chuẩn để vận hành hay không Tàu khảo sát loại tàu kéo cấp SI, có thơng số sau: chiều dài 21.6m, chiều rộng 6,52m, chiều cao mạn 3.3m, chiều cao tàu 12.3m, trọng lượng tàu không 78t trọng lượng tàu toàn tải 158t.Với tối đa thuyền viên, tàu chứa nhiên liệu lương thực để khơi vòng 10 ngày II CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để tính tốn độ ổn định cân tàu, ta thực bước sau: - Tính tốn thơng số thủy tĩnh lập đồ thị Hydrostatic - Tính tốn trọng lượng trọng tâm tàu ứng với trạng thái tải trọng - Tính tốn thơng số ổn định tĩnh ổn định động Thông số thủy tĩnh đồ thị Hydrostatic 1.1 Đại lượng hình học vỏ tàu Ta tính thơng số thủy tĩnh theo cơng thức sau: � Diện tích mặt đường nước Aw: �� = � ��� Momen tĩnh so với trục Ox: ��� = Tọa độ trọng tâm đường nước: ��� � ���� � � ��� � ���� = = � �� ��� � � � ��� � Momen quán tính so với trục Oy: �� = Momen quán tính mặt đường nước so với trục O’y’ cách Oy khoảng LCF tính theo cơng thức: �'� = �� − ���2 �� Momen quán tính mặt đường nước dọc tàu Ox gọi � momen quán tính ngang tính theo cơng thức: �� = � �3 �� � Diện tích mặt cắt ngang vị trí xét Am: �� = ��� Trong biểu thức y mang giá trị ½ chiều rộng vỏ tàu vị trí xét Thể tích phần chìm, ta tính theo cách: � Theo chiều cao: � = �� (�)�� Theo chiều dọc: � = � � (�)�� � � Lượng chiếm nước D: � = �� với � = �/�3 tàu chạy vùng sông � = 1.025 �/�3 tàu chạy vùng biển Momen thể tích phần chìm so với mặt phẳng qua đáy tàu: � ���� = �� (�)��� Do tàu thường thiết kế đối xứng qua mặt cắt dọc nên tung độ tâm thường 0, ta tính cao độ hoành độ tâm Tọa độ tâm phần chìm tính theo cơng thức: Cao độ: �� = ���� � Hoành độ: ��� = = � �� (�)��� � �� (�)�� � � �� (�)��� � � �� (�)�� �' Bán kính tâm nghiêng ngang BML: ��� = �� Cao độ tâm nghiêng ngang KML: ��� = �� + ��� � Bán kính tâm nghiêng dọc BMt: ��� = �� Cao độ tâm nghiêng ngang KMt: ��� = �� + ��� Độ chìm tàu TPc (t/cm): ��� = ��� /100 Momen chúi tàu MTc (t.m): ��� = ��� 1.2 Các hệ số béo Các hệ số béo có cơng thức sau: � o Hệ số béo mặt đường nước Cw: �� = � �� �� o Hệ số béo mặt cắt ngang Cm: �� = �� chiều cao mớn nước xét � o Hệ số béo thể tích Cb: �� = với d ��� �� o Hệ số béo lăng trụ Cp: �� = � � 1.3 Cơng thức simpson Đối với thơng số có cơng thức liên quan đến tích phân khơng thể tính xác 100%, ta áp dụng cơng thức Simpson cho trường hợp Có dạng công thức Simpson sử dụng phổ biến: Dạng 1: Áp dụng ta có vị trí �= �2� �0 �= ��� = �2 �0 ��� ≈ ∆� �0 + 4�1 + �2 ��� = ∗ ∆� ∗ (�0 + �2� + ∗ �−1 �=1 � 2� + ∗ Dạng 2: Áp dụng ta có vị trí ��� = �3� �0 �3 ��� �0 � �=1 ≈ ∆� �0 + 3�1 + 3�2 + �3 ��� = ∗ ∆� ∗ (�0 + �3� + ∗ �−1 �=1 �� − �−1 �=1 �(2�−1) ) �3� ) Đồ thị Bonjean Thể tích phần chìm , tính đến mớn nước Z z V z Aw z dz Nếu sử dụng tỉ lệ Bonjean tính thể tích phần chìm , cơng thức tính sau V z L /2 S (x )dx , S(x) diện tích sườn thứ L /2 j,j=0,1,2n nhận từ bảng tính đường Bonjean Đặt y(x) = S(x), tích phân trở dạng V z nêu để tính L /2 y(x )dx ,có thể sử dụng cơng thức (a) L /2 3.Đồ thị Pantokaren Đồ thị ổn định dựng dạng GZ f ( ) ; moomen ổn định dựng dạng moomen phục hồi tích số GZ ( ) với lượng chiếm nước D const GZ KN KG sin Trọng lượng trọng tâm trạng thái Theo Quy phạm, tùy vào loại tàu mà ta xét mà có trạng thái tải trọng khác Đối với loại tải trọng tàu, ta phân chia tàu thành thành phần tải trọng sau: - Tàu không gồm vỏ tàu, thượng tầng máy tàu - Hàng hóa có nhiều loại như: với tàu khách khách hàng, với tàu hàng container, dầu thô, chất đốt, … - Nhiên liệu thường dầu nằm két có khối lượng riêng 0.00083 t/m3 - Thuyền viên tùy loại tàu, người có trọng lượng trung bình 60kg - Lương thực tùy loại tàu, trung bình người tiêu thụ 3.75kg lương thực ngày - Nước dự trữ cho sinh hoạt két nước - Dằn chủ yếu nước nằm khoang dằn Thông số ổn định Đối với việc kiểm tra đánh giá ổn định tàu, ta đánh giá qua phần: Tiêu chuẩn ổn định tiêu chuẩn ổn định bổ sung cho loại tàu Khi đánh giá ổn định, ta xét đến momen ngoại lực có tác động lên tàu gió, sóng, dây giật, … có vượt momen giới hạn cho phép hay không Công thức chung momen giới hạn cho phép là: Mchp = ∆lchp với ∆ (kN) trọng lượng lượng chiếm nước, lchp cánh tay đòn xác định dựa vào đồ thị ổn định Để xây dựng đồ thị ổn định dễ dàng nhanh chóng, ta sử dụng phần mềm Maxsurf Stability Sử dụng thông tin cung cấp Quy phạm, ta tính momen ngoại lực tác động ứng với trường hợp III TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TÀU Bản vẽ tuyến hình Bản vẽ tuyến hình cho ta thấy khái quát hình dáng thiết kế, bảng trị số tuyến hình thơng số tàu Đối với tàu khảo sát, dựa vào tuyến hình thấy tàu thân bẻ góc, phần mũi tàu có thêm be gió cao 0.972m mép boong cao 3,3m Hydrostatic Đồ thị Hydrostatic giúp ta xác định cách nhanh chóng thơng số liên quan đến tính vỏ tàu thủy lượng chiếm nước, tạo độ tâm nổi, momen nghiêng dọc tàu hệ số béo Dựa vào vẽ tuyến hình bảng trị số tuyến hình ta tiến hành tính tốn thơng số đường nước khác cơng thức trình bày trên, ta bảng tính đường cong thủy lực đồ thị sau: 10 11 Pantokaren Đồ thị Pantokaren đường cong thể giá trị tay địn ổn định hình dáng KN góc nghiêng ngang khác lượng chiếm nước khác Từ sở giúp xác định đồ thị ổn định tĩnh động phần sau 12 13 Các trạng thái tải trọng bố trí chung Theo QCVN 72: 2013/BGTVT áp dụng phương tiện thủy nội địa, tàu kéo chạy vùng nước SI, ta xét trạng thái tải trọng tiêu chuẩn gồm: - Trạng thái 1: tàu có 100% lượng hàng, 100% dự trữ nhiên liệu - Trạng thái 2: tàu không hàng, 10% dự trữ nhiên liệu, có dằn - Trạng thái 3: tàu khơng hàng, 10% dự trữ nhiên liệu, không dằn Dựa vào vẽ bố trí chung bên dưới, ta xác định trọng lượng vị trí thành phần tương ứng với trạng thái 14 15 16 Tính ổn định cho trạng thái tải trọng Tất phần tính tốn đánh giá mục “6 Tính ổn định cho trạng thái tải trọng” sau đánh giá dựa sở “QCVN 72: 2013/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia quy phạm phân cấp đóng phương tiện thủy nội địa” Theo tiêu chuẩn bản, tàu coi đủ ổn định hoạt động nước lặng sóng tàu chịu tác dụng động gió, thỏa mãn điều kiện: ��ℎ� >1 (1) ��� Trong đó: ��ℎ� momen cho phép giới hạn, �� �; ��� momen nghiêng gió, �� � 6.1 Momen nghiêng gió Moment nghiêng động tác dụng lên tàu, kN.m, xác định theo cơng thức: ��� = 0,001��� Trong đó: A - diện tích mặt hứng gió, m z - cánh tay đòn nghiêng quy đổi tàu xảy đồng thời nghiêng dạt, m P - Áp suất gió giật, Pa, A) Diện tích mặt hứng gió A Diện tích mặt hứng gió bao gồm hình chiếu lên mặt phẳng đối xứng tàu tư thẳng tất bề mặt thân tàu, thượng tầng, gồm: lầu lái, ống khói, ống thơng gió, máy boong, hàng boong mái che khơng tháo Diện tích mặt hứng gió trạng thái xác định qua bảng sau: 17 B) Cánh tay đòn nghiêng z Cánh tay địn gây nghiêng qui đổi gió động tác dụng, m, xác định theo công thức: � = �� + �1 �2 � Trong đó: ZT - Khoảng cách thẳng đứng từ tâm diện tích hứng gió tới mặt phẳng tàu a1 - Hệ số ảnh hưởng lực cản nước nghiêng ngang a2 - Hệ số ảnh hưởng lực quán tính tới cánh tay địn nghiêng Z d - Chiều chìm trung bình tàu tương ứng với đường nước xét, m 18 C) Áp suất gió giật P Áp suất P xác định theo chiều chìm trung bình theo trạng thái Momen nghiêng gió tính bảng sau: 6.2 Momen cho phép tới hạn Moment cho phép tới hạn xác định theo đồ thị ổn định động ��ℎ� = � ��ℎ� Trong đó: D - Lượng chiếm nước trọng lượng tàu, kN; lchp - Cánh tay địn cho phép, m Mơ men cho phép tới hạn xác định theo góc nghiêng cho phép tới hạn Góc nghiêng lấy góc lật θl Đối với tàu có cấp VR-SB, VR-SI tàu có cấp VR-SII hoạt động vùng SI với hạn chế thời tiết mơ men cho phép tới hạn xác định theo đồ thị có tính đến ảnh hưởng lắc ngang Đồ thị ổn định tĩnh động phải có thêm đoạn biên độ lắc ngang θm A) Biên độ lắc ngang θm Đối với tàu hơng bẻ góc tàu guồng, biên độ lắc tính tốn tương ứng lấy 0,75 biên độ lắc ngang tàu hơng trịn khơng có thiết bị giảm lắc phụ thuộc vào số m xác định công thức: � = �1 �2 �3 Trong 1/ Hệ số m1, 1/s, đặc trưng cho tần số dao động thân tàu � nước lặng xác định theo công thức �1 = ℎ0 Với: ho - chiều cao tâm nghiêng, m, ứng với tải trọng xét không tính ảnh hưởng mặt thống hàng lỏng mo - trị số lấy theo phụ thuộc vào trị số: ℎ� � �1 = �� � 19 Với: V - thể tích chiếm nước tàu chiều chìm trung bình ứng với đường nước xét, m3; Zg - chiều cao trọng tâm tàu tính từ mặt phẳng trạng thái tải trọng xét, m; B - chiều rộng tàu đường nước xét, m 2/ Hệ số m2, m3 - hệ số khơng thứ ngun, xét tới ảnh hưởng hình dáng thân tàu biên độ lắc ngang Biên độ lắc ngang tàu có vây giảm lắc có sống đáy đứng, xác định theo công thức: θm = kθmo Trong đó: θmo - biên độ lắc ngang tàu khơng có vây giảm lắc sống đáy đứng, độ; k - hệ số điều chỉnh, phụ thuộc vào q, biểu thị lượng giảm lắc có vây giảm lắc: q = rCw B Trong đó: B - chiều rộng đường nước, m; Cw - hệ số béo diện tích đường nước thực tế tàu; r - hệ số, 20 r = r1 + r2 + r3 Trong đó: r1 - biểu thị hiệu vây giảm lắc ky hộp (sống đáy đứng), phụ thuộc vào tỷ số 100Sk/LB%, (L B chiều dài, chiều rộng đường nước xét, m); Sk - tổng diện tích vây giảm lắc hình chiếu sống đáy đứng lên mặt phẳng đối xứng tàu, m2 r2, r3 - hệ số xét tới ảnh hưởng hình dạng thân tàu hiệu vây giảm lắc, phụ thuộc vào hệ số béo thể tích CB tỷ số B/d (d - chiều chìm trung bình theo đường nước thực tế tàu, m) 21 B) Xác định tay đòn cho phép ���� Khi xác định mô men cho phép tới hạn ��ℎ� tương ứng với góc lật θl, từ điểm A kẻ tiếp tuyến với nhánh phải đường cong ổn định động d nhận tiếp điểm K Hoành độ K góc lật θl Từ A kẻ đường song song với trục hoành Trên đường thẳng đặt đoạn AB = radian (57,3 độ ) Từ B dựng đoạn thẳng vng góc với trục hồnh cắt tiếp tuyến AK E Đoạn BE tay địn cho phép tới hạn lchp cần tìm mơ men cho phép tới hạn ứng với θl Hình xác định ��ℎ� trạng thái 1: ��ℎ� =0.9m Tương tự với trạng thái 3, ta tính Momen cho phép tới hạn sau: 22 6.3 So sánh điều kiện ổn định - TT1: ��ℎ� ��� 141.3 = 71.78 = 1.97 > Trạng thái (100% hàng hóa nhiên liệu) thỏa điều kiện ổn định - TT2: ��ℎ� ��� = 130.52 73.58 = 1.77 > Trạng thái (10% hàng hóa nhiên liệu, có dằn) thỏa điều kiện ổn định TT3: ��ℎ� ��� = 117.23 75.02 = 1.56 > Trạng thái (10% hàng hóa nhiên liệu, khơng dằn) thỏa điều kiện ổn định IV KẾT LUẬN Từ liệu ổn định qua trạng thái tải trọng khác nói trên, ta thấy thơng số ổn định tàu khơng có thay đổi nhiều điều kiện khác nhau.Ta kết luận tàu ổn định đủ điều kiện để đưa vào vận hành 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] QCVN 72: 2013/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia quy phạm phân cấp đóng phương tiện thủy nội địa [2] Trần Công Nghị - “Thiết kế tàu thủy” 24