Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, sự quan tâm ngày càng tăng đến vấn đề hoạt động dưới biển sâu của các tàu neo đậu. Mặt khác, từ quan điểm của các hoạt động quân sự, cần phải đặt các gói thiết bị và có thể các hệ thống quân sự khác dưới đáy đại dương. Các hoạt động này đòi hỏi một mức độ chính xác, an toàn nhất định trong quá trình hoạt động và khả năng quay trở lại một vị trí cụ thể và truy xuất thông tin vàhoặc chính thiết bị để nghiên cứu thêm về dữ liệu hoặc đặt ở một vị trí khác. Vấn đề xác định đáp ứng của sà lan neo đậu ở biển khơi và cũng để xác định các đặc điểm của các thông số quan trọng liên quan đến việc nâng hạ tải trọng từ sà lan xuống đáy đại dương và đưa chúng trở lại tàu. Các thông số được quan tâm như các lực nâng hạ trong cáp di chuyển, chuyển vi và ứng suất tại các đường hạ tải, mức độ chính xác trong việc đặt tải trọng, gia tốc gia tải và cường độ tác động lên đáy đại dương. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nghiên cứu chuyển động của tàu trên biển là vấn đề quan tâm chung của ngành hàng hải và đã nhận được sự quan tâm ngày càng tăng nhờ sự tiến bộ của các phương pháp thống kê mô tả các đáp ứng gần với thực tế hơn so với các nghiên cứu trước đây dựa trên các lý thuyết sóng điều hành. Mối quan tâm chính là các chuyển động trượt đứng và lắc dọc của tàu. Tuy nhiên, các nghiên cứu gần đây đã quan tâm đến các chuyển động trong sóng xiên, trong đó chuyển động bên (trượt ngang, quay trở và lắc ngang) cũng rất quan trọng. Tất cả các nghiên cứu này liên quan đến các tàu lớn chuyên động trên sóng và chỉ có các nghiên cứu lý thuyết hạn chế đã phân tích chuyển động ở tất cả sáu bậc tự do trong các điều kiện hoạt động này. Có nhiều nghiên cứu liên quan đến lực thủy động lực học cho tàu có tốc độ bằng không, nhưng không xử lý hoàn toàn tình huống này cho một con tàu thực tế. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu. Hệ sà lan giá búa có neo. Trong đồ án phân tích động lực học của hệ sà lan giá búa cụ thể 30T, cao 61m. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô hình mô phỏng và phương pháp sô. Lý thuyết vật thể mảnh, giả thuyết đối với vật thể thon dài, khi chiều ngang nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài, dòng chảy ở bất kỳ mặt cắt ngang nào là độc lập với dòng chảy ở bất kỳ mặt cắt nào khác, do đó bài toán dòng chảy giảm xuống thành bài toán hai chiều trong mặt phẳng ngang. Lý thuyết sóng mô phòng thủy động lực học sỏng Phương pháp số sử dụng chương trình MOLOSH tính tải trọng tác động lên vật thể nổi và phân tích dao động của kết cấu Nội dung nghiên cứu Đồ án tập trung phân tích một hệ sà lan giá búa đóng cọc cụ thể chịu neo gồm các nội dung Chương 1. Dẫn dắt phương trình vi phân chuyển động của vật thể nổi chịu neo. Trình bày cụ thể các biểu thức lực tác động: lực do sóng; lực đẩy nổi, lực cản, lực do neo, lực do ma sát Chương 2. Mô tả chương trình MOLOSH. Chương 3. Trình bày các kết quả tính.
i MỤC LỤC i Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn Đối tượng phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu .2 Chương Phương trình chuyển động sà lan có neo .3 1.1 Thiết lập phương trình chuyển động 1.2 Lực mô men chuyển động tàu 1.3 Lực cản mô men cản .8 1.4 Lực mô men đẩy thủy tĩnh 11 2.5 Lực mô men neo đậu 12 2.6 Lực mơ men sóng kích động 15 1.7 Các phương trình chuyển động 21 Chương Chương trình MOLOSH 24 2.1 Giới thiệu chương trình: 24 2.2 Hướng dẫn sử dụng 24 Chương Kết tính toán 33 3.1 Đặt vấn đề 33 3.2 Mơ hình học 33 3.3 Q trình tính toán 34 Kết luận 41 Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, quan tâm ngày tăng đến vấn đề hoạt động biển sâu tàu neo đậu Mặt khác, từ quan điểm hoạt động quân sự, cần phải đặt gói thiết bị hệ thống quân khác đáy đại dương Các hoạt động đòi hỏi mức độ xác, an tồn định q trình hoạt động khả quay trở lại vị trí cụ thể truy xuất thơng tin và/hoặc thiết bị để nghiên cứu thêm liệu đặt vị trí khác Vấn đề xác định đáp ứng sà lan neo đậu biển khơi để xác định đặc điểm thông số quan trọng liên quan đến việc nâng hạ tải trọng từ sà lan xuống đáy đại dương đưa chúng trở lại tàu Các thông số quan tâm lực nâng hạ cáp di chuyển, chuyển vi ứng suất đường hạ tải, mức độ xác việc đặt tải trọng, gia tốc gia tải cường độ tác động lên đáy đại dương Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nghiên cứu chuyển động tàu biển vấn đề quan tâm chung ngành hàng hải nhận quan tâm ngày tăng nhờ tiến phương pháp thống kê mô tả đáp ứng gần với thực tế so với nghiên cứu trước dựa lý thuyết sóng điều hành Mối quan tâm chuyển động trượt đứng lắc dọc tàu Tuy nhiên, nghiên cứu gần quan tâm đến chuyển động sóng xiên, chuyển động bên (trượt ngang, quay trở lắc ngang) quan trọng Tất nghiên cứu liên quan đến tàu lớn chuyên động sóng có nghiên cứu lý thuyết hạn chế phân tích chuyển động tất sáu bậc tự điều kiện hoạt động Có nhiều nghiên cứu liên quan đến lực thủy động lực học cho tàu có tốc độ khơng, khơng xử lý hồn tồn tình cho tàu thực tế Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Hệ sà lan giá búa có neo Trong đồ án phân tích động lực học hệ sà lan giá búa cụ thể 30T, cao 61m Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình mơ phương pháp sô Lý thuyết vật thể mảnh, giả thuyết vật thể thon dài, chiều ngang nhỏ nhiều so với chiều dài, dòng chảy mặt cắt ngang độc lập với dòng chảy mặt cắt khác, tốn dịng chảy giảm xuống thành toán hai chiều mặt phẳng ngang Lý thuyết sóng mơ phịng thủy động lực học sỏng Phương pháp số sử dụng chương trình MOLOSH tính tải trọng tác động lên vật thể phân tích dao động kết cấu Nội dung nghiên cứu Đồ án tập trung phân tích hệ sà lan giá búa đóng cọc cụ thể chịu neo gồm nội dung Chương Dẫn dắt phương trình vi phân chuyển động vật thể chịu neo Trình bày cụ thể biểu thức lực tác động: lực sóng; lực đẩy nổi, lực cản, lực neo, lực ma sát Chương Mơ tả chương trình MOLOSH Chương Trình bày kết tính Chương Phương trình chuyển động sà lan có neo 1.1 Thiết lập phương trình chuyển động Các phương trình chuyển động sà lan có neo xây dựng sở lý thuyết tuyến tính, cho vật thể chuyển động với sáu bậc tự Hệ tọa độ cố định vng góc thuận gốc gắn trọng tâm vật thể, trục x hướng dọc phía mũi tàu, trục y hướng mạn tàu trục z hướng lên phía Những trục tọa độ có hướng cố định, chúng khơng quay vật thể, dịch chuyển vật thể Xem chuyển động quay vật thể coi dao động nhỏ quanh vị trí trung bình Các dịch chuyển thẳng gồm trượt dọc x , trượt ngang y trượt đứng z dọc theo trục tương ứng chuyển vị quay gồm lắc ngang ϕ , lắc dọc θ quay trở ψ quay quanh trục x, y z tương ứng Quay trở Lắc ngang Lắc dọc Hình 1.1 Hệ tọa độ bậc tự Các phương trình xây dựng cân lực qn tính, lực cản, lực lị xo lực kích động Khi phân tích tác động lực thủy động, lực thủy tĩnh, lực quán tính ảnh hưởng neo đậu tính đến Giả thiết sà lan neo đậu mũi đuôi tàu cáp neo thông thường trạng thái biển khơng có dịng chảy khơng có gió Theo định nghĩa, tồn hệ thống khơng có vận tốc đẩy chuyển động nhiễu động nước biển Sử dụng lý thuyết tuyến tính khơng có kết hợp biến hai mặt phẳng chuyển động (mặt phẳng dọc gồm trượt đứng z , lắc dọc θ trượt dọc x ; mặt phẳng ngang gồm trượt ngang y , quay trở ψ lắc ngang ϕ ) Các chuyển dịch mặt phẳng dọc có liên hệ với nhau, tương tự chuyển vị mặt phẳng ngang có liên hệ với Bản chất liên hệ xác định q trình phân tích Lý thuyết vật thể mảnh [1] công cụ sử dụng để phân tích Lý thuyết giả thuyết vật thể thon dài, chiều ngang nhỏ nhiều so với chiều dài, dòng chảy mặt cắt ngang độc lập với dòng chảy mặt cắt khác, tốn dịng chảy giảm xuống thành tốn hai chiều mặt phẳng ngang Hợp lực tìm cách tích phân toàn chiều dài tải trọng mặt cắt tìm phương pháp Lực (mô men) tác động lên vật thể gồm lực chuyển động vật thể (ký hiệu F bm), lực cản (ký hiệu F d), lực phản hồi lực thủy tĩnh (ký hiệu F h, lực neo đậu (ký hiệu F m) lực sóng (ký hiệu F w) Các phương trình chuyển động thiết lập m ´s =F=F bm+ F d + F h + F m+ F W (1.1) dịch chuyển thẳng (với s ký hiệu dịch chuyển thẳng m khối lượng sà lan), tương tự thiết lập cho dịch chuyển quay 1.2 Lực mô men chuyển động tàu Các lực mô men thủy động lực học có chất qn tính khơng chứa thành phần hao tán Ảnh hưởng mặt sóng tính tần số khác làm thay đổi khối lượng kèm phần Các quan hệ có chất chất qn tính thể kết phân tích Trong trường hợp vật thể chuyển động, kết đơn giản hóa lý thuyết vật thể mảnh sử dụng định lý động lượng lực thẳng đứng z thể qua công thức d Z bm −D ' = ⌊ A33 w b ⌋ dξ Dt (1.2) A'33 khối lượng kèm mặt cắt ngang w b vận tốc thẳng đứng vật thể w b= D ( z−ξθ )=´z −ξ θ´ Dt (1.3) Trong phương trình trên, tọa độ ξ biến "giả" dọc theo tọa độ dọc x (trùng nhau) đạo hàm theo thời gian D/Dt đạo hàm riêng ∂/∂t, tàu có vận tốc tiến lên Đại lượng A'33 khối lượng kèm mặt cắt ngang, bao gồm hiệu ứng mặt nước lặng Công thức tính A'33 cho mặt cắt dạng Lewis ' A33=C ρπ B ¿2 (1.4) B¿ mặt cắt dầm địa phương Các giá trị C hàm tham số tần số không thứ nguyên w B ¿ π B¿ = (cho trường hợp tốc độ tiến lên tàu 0), đối 2g λ với giá trị khác hiệu số mớn nước hệ số mặt cắt Biểu thức lực dọc địa phương thể sau d Z bm ' =−A 33 ( ´z −ξ θ´ ) dξ (1.5) Đối với trường hợp chuyển động dọc tàu, tổng dịch chuyển ( y +ξψ−ζϕ ), ζ biến "giả" song song với trục z, với gốc đặt bề mặt thoáng chiều dương hướng lên (ở trường hợp phần mặt cắt tàu nằm bề mặt thoáng, giá trị ζ âm) Vận tốc ngang vật thể v b= D ´ ( y +ξψ−ζϕ )= ´y +ξ ψ−ζ ϕ´ Dt (1.6) lực ngang (so với mặt thoáng) có dạng d Y obm −D ' ' ' ´ = A 22 ( ´y +ξ ψ−ζ ϕ´ ) ] =− A22 ( ´y + ξ ψ´ ) + A22 ζ ϕ´ [ dξ Dt (1.7) A'22 khối lượng nước kèm theo chuyển động ngang Từ ten xơ khối lượng nước kèm thành phần khối lượng nước kèm ứng chuyển động lắc ngang ( ϕ ¿ thay số hạng A'22 ζ − A'42, kể đến ảnh hưởng lắc ngang đến lực ngang (xét đến quán tính) từ nguyên lý bỏ qua yêu cầu xác định giá trị trung bình ζ tính tổng lực sử dụng lý thuyết “dải hep” Lực ngang lúc có dạng d Y obm ' ' =− A 22 ( ´y +ξ ψ´ ) −A 42 ϕ´ dξ (1.8) Hệ số khối lượng kèm A'22 chuyển động ngang xác định phương pháp tổng hợp, giá trị A'22 biểu diễn công thức ' ' A22=ρ Sk y k Thành phần ρSk y khối lượng kèm cho tần số không, Sk y xác định (1.9) π H2 Sk y =C ' z (1.10) H mớn nước mặt cắt địa phương hệ số C 'z tra từ biểu đồ Hình ❑ 2.2 [2] Đối với hệ số mặt cắt C s tỷ lệ hiệu dụng bề rộng/mớn nước cụ thể tìm giá trị C 'z từ biểu đồ Hình 2.2 Mơ men lắc ngang, tương đối so với bề mặt thoáng, thể theo cách tương tự lý thuyết vật thể mảnh, sử dụng thuật ngữ khối lượng nước kèm A'42, phần tử "ngoài đường chéo" ten xơ khối lượng nước kèm có kể đến hiệu ứng lắc ngang chuyển động dọc tàu Công thức mô men lắc ngang d K obm −D ' ' ' ´ = A 42 ( ´y + ξ ψ−ζ ϕ´ ) ]=− A 42 ( ´y +ξ ψ´ )+ A 42 ζ ϕ´ [ dξ Dt (1.11) công thức điều chỉnh thành d K obm ' ' =− A 42 ( ´y +ξ ψ´ )− A 44 ϕ´ dξ (1.12) A'44 mơ men qn tính lắc ngang, theo quan điểm phản lực quán tính lắc ngang, điều chỉnh đơn giản hóa mức phát sinh từ phương pháp dải Hình 1.2 Biểu đồ Prohaska’s [2] Các giá trị mô men lặc dọc mô men quay trở dễ dàng theo sau từ đại diện lực thẳng đứng bên, chúng đưa d M bm d Z bm =−ξ dξ dξ (1.13) d N obm d Y obm =ξ dξ dξ (1.14) Tổng lực mô men tác động lên vật thể chuyển động vật thể động thu cách tích hợp chiều dài vật thể, dẫn đến ξb ξb ' 33 Z bm=−∫ A dξ ∙ ´z +∫ A'33 ξdξ ∙ θ´ , ξs ξb ξb ' 33 M bm=−∫ A ξdξ ∙ ´z +∫ A '33 ξ dξ ∙ θ´ , ξs ξb ξb ξb ξs ξb ξb ' 22 ´ ∫ A '42 ξdξ ∙ ϕ´ , N obm=−∫ A ξdξ ∙ ´y −∫ A ξ dξ ∙ ψ− ξs ξb ξb ´ ∫ A '44 dξ ∙ ϕ´ , K obm=−∫ A dξ ∙ ´y −∫ A ξdξ ∙ ψ− ξs (1.15d) ξs ξb ' 42 (1.15c) ξs ξb ' 22 ξs (1.15b) ξs ´ ∫ A'42 dξ ∙ ϕ´ , Y obm=−∫ A '22 dξ ∙ ´y −∫ A '22 ξdξ ∙ ψ− ξs (1.15a) ξs ' 42 ξs (1.15f) ξs ξ b ξ s tọa độ mũi đuôi tàu, tương ứng Đề cập đến chuyển động lực đến trung tâm trọng lực sà lan, mô men lắc ngang biểu diễn qua công thức ´ |Y obm K bm=K obm+|OG (1.16) ´ | khoảng cách thẳng đứng mặt thoáng trọng tâm sà lan (dương |OG tính trường hợp tại) Mô men lắc ngang sử dụng phương trình chuyển động có dạng sau ξb ξb ' ´ ´ | A '22] dξ ∙ ´y −∫ [ A ¿¿ 42' +|OG ´ | A '22 ] ξdξ ∙ ψ−I ´ K bm=−∫ [ A ¿¿ 42 +|OG xa ∙ ϕ , ¿ ¿ ξs (1.17) ξs I xa is mơ men qn tính lắc ngang Tương tự vậy, cách xem xét tương đương thành phần đường chéo ten-xơ quán tính lực thủy động lực học chuyển động lắc ngang quanh mặt thống, lực ngang mơ men quay trở động lực học chuyển động vật thể đưa ξb ξb ξb ' 22 ´ | A'22 ]dξ ∙ ϕ´ ,¿ ´ ∫ [ A¿ ¿ 42' +|OG Y obm=−∫ A dξ ∙ ´y −∫ A ξdξ ∙ ψ− ξs ' 22 ξs (1.18) ξs ξb ξb ' 22 ξb ´ | A '22]ξdξ ∙ ϕ´ , ¿ ´ ∫ [ A ¿¿ 42' +|OG N obm=−∫ A ξdξ ∙ ´y −∫ A ξ dξ ∙ ψ− ξs ' 22 ξs (1.19) ξs Động lực học chuyển động vật thể xem xét xem xét lý thuyết vật thể mảnh, chúng liên quan đến dịng chảy vng góc với trục dọc tàu Chuyển động không xem xét trượt dọc tương tự khơng có cân nhắc đưa cho lực động lực theo chiều dọc Khi tàu có gia tốc theo chiều dọc, có lực thủy động lực học tỷ lệ thuận với gia tốc, yếu tố tỷ lệ khối lượng thêm theo chiều dọc Các ước tính số tạo từ khối lượng thêm vào sở thơng số hình học (tỷ lệ kích thước chính) sà lan, thứ tự 6-7% khối lượng vật thể thực tế Vì lý thuyết vật thể mảnh sử dụng để xác định lực sóng theo chiều dọc, mà khơng có phương tiện đơn giản để bao gồm hiệu ứng khối lượng kèm vậy, điều chỉnh khối lượng kèm nhỏ, thuật ngữ bị xóa khỏi xem xét phương trình chuyển động Tuy nhiên, hiệu ứng gia tốc trượt dọc ảnh hưởng đến mơ men lắc dọc, lực dọc m x´ tác động qua CB tàu, gây nên mô men lắc dọc ∆ M bm=m|BG| x´ , (1.20) (BG) khoảng cách CB CG Tương tự, lực dọc gia tốc lắc dọc X bm=m|BG|θ´ , (1.21) từ tương đương thuật ngữ đường chéo đại diện tensor khối lượng kèm lực qn tính 1.3 Lực cản mơ men cản Các lực cản mơ men cản có chất hao tán phát sinh sóng chuyển động tàu bề mặt, lượng truyền liên tục lan truyền đến vô tận Vẫn sử dụng giả thiết toán hai chiều việc đánh giá lực địa phương mặt cắt tàu sóng tạo nên Tỷ lệ biên độ trượt đứng sóng kích động ´ z, lực cản thẳng đứng hai chiều với biên độ trượt đứng tàu ký hiệu A đơn vị vận tốc trượt đứng mặt cắt tàu thể ' N zz = ´ 2z ρ g2 A λ =ρω π ω ( ) A´ z (1.26) w B ¿ π B¿ ´ xem [3] Giá trị A z có đưa cho mặt cắt dạng Lewis [4] hàm = 2g λ ´ z dạng cho tỷ lệ mớm nước hệ số mặt cắt Những biểu đồ đường cong A ´ z H¿ với πH thiết lập đường cong (gần đúng) ứng với tất giá hàm A (B ) λ trị B / H cho giá trị cụ thể hệ số mặt cắt Từ đường cong "đồng nhất" tìm ¿ ´ z ứng với tham số cụ thể giá trị thích hợp A Đối với trường hợp chuyển động ngang, có mối quan hệ tương tự ' N yy = ρ g2 A´ 2y ω2 (1.27) ´ y cho mặt căt tàu Đối với tần số bé, phân tích tiệm cận vấn đề tìm A [5] cho biểu thức 2 ¿ ¿ ´A y =d y ω B =d y π B 2g λ ( ) ( ) (1.28) đại lượng d y biểu diễn qua biểu thức d y= Cs ( 1+k y ) ( B¿ /H ) (1.29) C s hệ số mặt cắt Mặc dù kết cho tần số thấp, sử dụng để xác định lực cản ngang cho tất tần số quan tâm Ở tần số cao hơn, cho đánh giá cao lực cản, chuyển động ngang nhỏ ảnh hưởng thực tế việc khơng quan trọng Do giá trị cuối N 'yy , lực cản ngang đơn vị vận tốc ngang mặt cắt tàu ρω B¿2 π B¿ N = dy λ ' yy ( ) (1.30) Lực cản thẳng đứng mặt cắt d Zd ' =−N zz ( ´z −ξ θ´ ) dξ (1.31) bao gồm thành phần liên quan đến vận tốc góc lắc dọc θ´ , tổng lực cản thẳng đứng xác định tích phân tồn chiều dài tàu Việc xác định lực cản hai chiều sóng kích động lan truyền ba chiều, hiệu ứng ba chiều nên đưa đưa vảo biểu thức lực cản mô men cản Tài liệu xác định tỷ lệ lực cản ba chiều đến lực cản hai chiều, cho trượt đứng lắc dọc Do đó, với hệ số