Nghiên cứu các yếu tố Ảnh hưởng Đến quá trình phóng xuồng cứu sinh bằng phương pháp mô phỏng

Nghiên cứu này được thực hiện bằng cách mô phỏng các loại xuồng cứu sinh với hình dạng khác nhau, thả ở các điều kiện khác nhau như góc rơi, độ cao và chiều dài đường trượt, để đánh giá

TỔNG QUAN

Lý do lựa chọn đề tài

Như chúng ta đã biết, các loại tàu chở dầu khí và nhà giàn hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt như rung lắc do sóng biển, mưa bão, muối mặn cao, các sự cố do cháy nổ Do vậy, để đảm bảo cho con người trên tàu hoạt động an toàn khai thác hiệu quả kinh tế ổn định cần phải có các hệ thống hỗ trợ cao Đặc biệt là hệ thống cứu sinh trên các con tàu chở dầu khí và nhà giàn hình 1.1

Nhà giàn DK1 đã trải qua nhiều thử thách và gặp phải những sự cố nghiêm trọng trong lịch sử hoạt động Đáng chú ý, vào tháng 12 năm 1990, nhà giàn DK1/3 bị sập, làm hi sinh 3 chiến sỹ Tiếp đó, vào tháng 12 năm 1996, nhà giàn DK1/6 cũng bị sập do ảnh hưởng của bão số 8, khiến 9 người hy sinh Một lần nữa, vào tháng 12 năm

1998, nhà giàn DK1/10 bị sập dưới tác động của bão số 5, dẫn đến hy sinh của 1 người Như vậy, hệ thống nhà giàn DK1 đã bị sập 3 lần, làm 13 người hy sinh Những sự cố này diễn ra trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, phản ánh rõ ràng những nguy hiểm và thách thức mà các chiến sĩ và kỹ sư trên nhà giàn phải đối mặt a) Nhà giàn DK1 b) Tàu chở dầu khí

Hình 1.1 Hệ thống phóng xuồng cứu sinh

Tuy nhiên hiện nay hệ thống cứu sinh trên tàu và nhà giàn trong đó có thiết bị

“Hệ thống phóng xuồng cứu sinh” chúng ta vẫn chưa làm chủ được về công nghệ Đều phải nhập nguyên kiện từ nước ngoài về, chi phí nhập về khá cao Đặc biệt đây là thiết bị hết sức quan trọng đối với hệ thống các nhà giàn trên biển Thiết bị sẽ bảo vệ tính mạng cho các cán bộ chiến sỹ làm việc trên nhà giàn khi có sự cố bất ngờ xảy ra Đặc biệt thiết bị xuồng cứu sinh hiện nay được lắp trên nhà giàn DK1 chưa phù hợp với đặc điểm kết cấu của nhà giàn Qúa trình sử dụng chưa đảm bảo an toàn Dẫn tới tình trạng tuy trên nhà giàn DK1 có thiết bị xuồng cứu sinh nhưng cán bộ chiến sỹ trên nhà giàn không dám đưa người thật vào để khai thác sử dụng Xuất phát từ thực trạng đó đề tài đi vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh Để chỉ rõ kết cấu hiện tại của xuồng cứu sinh được lắp trên nhà giàn DK1 là chưa phù hợp Từ đó đề xuất phương án hợp lý hơn

Mặt khác hiện nay, nền công nghiệp quốc phòng đang từng bước nghiên cứu tiến tới làm chủ công nghệ và tiến tới tự sản xuất được thiết bị phóng xuồng cứu sinh Để sản xuất được thiết bị phóng xuồng cứu sinh bước ban đầu là nghiên cứu tổng quan về thiết bị Trong đó có nội dung “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh bằng phương pháp mô phỏng” đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế Vì để thiết bị hoạt động hiệu quả phải đánh giá đầy đủ chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của thiết bị Để từ đó tính toán tối ưu hóa thiết kế hệ thống phóng xuồng.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện tại ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về mô phỏng quá trình phóng xuồng cứu sinh Hầu hết các công trình đã thực hiện là từ nước ngoài Đã có một số thử nghiệm vật lý đối với việc hạ thủy xuồng cứu sinh trong suốt hai thập kỷ qua Cung cấp nhiều dữ liệu thực nghiệm có giá trị tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế xuồng cứu sinh an toàn hơn (Kauczynski và các cộng sự [1]; Hwang và các cộng sự [2])

Trong dự án OLF, MARINTEK đã thực hiện một chương trình thử nghiệm mô hình rộng rãi (trên 25000 thử nghiệm) với 14 loại xuồng cứu sinh rơi tự do khác nhau (được phóng bằng phương pháp thả thẳng đứng hoặc từ đường trượt) Hiệu suất của thuyền đã được kiểm tra trong các điều kiện thời tiết khác nhau, từ nước tĩnh đến chiều cao sóng 11m (sóng và gió thông thường) hoặc 7m (chiều cao sóng đáng kể không đều với gió tương ứng) Kết quả thử nghiệm mô hình nước lặng đã được so sánh với kết quả thử nghiệm toàn diện

Tài liệu về giới hạn hoạt động của xuồng cứu sinh DNV tiêu chuẩn (DNV, 2019) được ban hành Ngoài ra, một số hiện tượng quan trọng cũng đã được quan sát thấy trong các thử nghiệm vật lý Ví dụ, đã có báo cáo rằng có thể tìm thấy một số vết nứt và hư hỏng ở các bộ phận khác nhau của xuồng cứu sinh sau khi thử nghiệm (Hwang và các cộng sự [1] Điều này đã được Tregde và các cộng sự [3] xác nhận thêm thông qua mô phỏng số Mặc dù các cuộc thử nghiệm thực nghiệm có thể tái tạo chính xác quá trình vật lý thực tế của việc phóng xuồng cứu sinh Nhưng rõ ràng là phương pháp này rất tốn kém và thiệt hại đối với xuồng cứu sinh là không thể khắc phục được Quan trọng hơn, rất khó để đánh giá các phản ứng thủy động lực học (ví dụ như vận tốc và áp suất) của xuồng cứu sinh ở mọi nơi Vì vậy, việc sử dụng các công cụ số cho bài toán như vậy sẽ được ưu tiên hơn để tiết kiệm chi phí và cung cấp dữ liệu thủy động lực phong phú hơn về việc phóng xuồng cứu sinh

Là một phương pháp dựa trên lưới Euler, phương pháp Thể tích hữu hạn (FVM) đã được sử dụng rộng rãi để mô phỏng việc phóng xuồng cứu sinh và nhiều phát hiện quan trọng đã được báo cáo Một công trình nghiên cứu đã được thực hiện bởi Tregde và các cộng sự [3] Trong đó các tác động của khí nén lên áp suất va đập tác động lên xuồng khi đi vào nước đã được nghiên cứu Người ta đã chứng minh rằng không thể bỏ qua khả năng nén của không khí khi mô phỏng sự xâm nhập của nước vào xuồng cứu sinh Nếu không thì áp suất động và bất ngờ có thể bị đánh giá thấp ở mức độ lớn Luofeng Huanga và các cộng sự [4] đã nghiên cứu phân tích CFD về quá trình vào nước của xuồng cứu sinh rơi tự do Nghiên cứu đã thực hiện một loạt mô phỏng có hệ thống đã được thực hiện để nghiên cứu quá trình nước đi vào nước bị ảnh hưởng như thế nào bởi góc nghiêng và độ cao mà xuồng cứu sinh được thả Kết quả cho thấy góc thả cao hơn có thể làm giảm tác động của áp suất, nhưng góc thả cũng quyết định kiểu chuyển động của xuồng cứu sinh khi đi vào nước Người ta đã chứng minh rằng góc thả tốt nhất là khoảng 70 độ đối với trường hợp đang nghiên cứu Vì góc thả quá thấp hoặc quá cao sẽ khiến xuồng cứu sinh xuất hiện ở trạng thái không mong muốn sau khi hạ Điều này cho thấy tầm quan trọng to lớn của việc đánh giá góc thả tối ưu cho mỗi lần phóng xuồng cứu sinh rơi tự do

Hình 1.2: Quá trình đi vào nước của xuồng cứu sinh được hạ ở độ cao H = 30 m nhưng có góc thả khác nhau; ảnh chụp nhanh từ trái sang phải được chụp ở thời điểm t = t0, t = t0 + 0,3 s, t = t0 + 1,2 s, t = t0 + 2,4 s [4]

Nghiên cứu ảnh hưởng của góc thả tới khả năng phóng rơi tự do của xuồng cứu sinh Mục đích là để chọn góc hạ xuồng tối ưu giúp xuồng cứu sinh có trạng thái phù hợp sau khi hạ thủy, đồng thời giảm thiểu tác động của áp lực nước lên thân tàu Để đạt được điều này, các mô phỏng đã được thực hiện với các góc rơi khác nhau nằm trong khoảng 𝜃 = 30 ° − 80 ° Các mô phỏng được ghi lại của θ = 30°, 50°, 70° và 80° Khi θ = 30°, xuồng cứu sinh chuyển động lên xuống sau khi chạm vào mặt nước Xuồng cứu sinh không thể di chuyển đủ xa về phía trước so với vị trí nằm ngang ban đầu Điều này gây ra nguy cơ xuồng cứu sinh có thể bị gió/sóng đẩy lùi và va chạm với tàu mẹ Vì vậy, nên tránh góc rơi thấp như vậy Khi θ = 50°, xuồng cứu sinh di chuyển được khoảng cách xa hơn về phía trước và khoảng cách tăng lên khi tăng góc thả Cho đến khi θ = 70°, xuồng cứu sinh có chuyển động lý tưởng sau khi hạ thủy với khoảng cách mong muốn về phía trước Tuy nhiên, khi θ = 80°, xuồng cứu sinh lặn quá sâu xuống nước và việc nổi lên mặt nước bị cản trở Trong tình huống này, do góc thả quá cao, nước đã tạo ra lực cản lớn cho xuồng cứu sinh, cản trở nhiệm vụ tiếp theo của nó

Các cuộc điều tra sâu hơn đã được tiến hành trên xuồng cứu sinh được thả ở độ cao H = 10, 20 và 30 m, và với nhiều θ khác nhau Có thể thấy rằng tồn tại một góc thả tối ưu để đạt được tốc độ về phía trước tối đa và góc tối ưu là khoảng 70 độ cho cả ba độ cao thả thử nghiệm (và tác động của áp suất nhìn chung ở mức thấp khi θ ≈ 70°) Khi H = 30 m và θ = 70°, xuồng cứu sinh có thể đạt tốc độ tiến 5,5 m/s sau khi vào trong nước Đối với mẫu xuồng cứu sinh hiện nay có công suất 55 mã lực, tốc độ ban đầu 5,5 m/s có thể tiết kiệm khoảng 7 giây để tàu tăng tốc Khoảng thời gian như vậy có thể là vô giá trong các sự cố hàng hải, đặc biệt là đối với các vụ nổ

Một ví dụ khác tương ứng với Huang và các cộng sự [4] trong đó động lực đi vào nước của xuồng cứu sinh với các góc thả khác nhau đã được thảo luận chi tiết thông qua bộ giải FVM Người ta đã chứng minh rằng tồn tại một góc thả tối ưu cho việc hạ rơi tự do của mỗi xuồng cứu sinh Ngoài ra, do xuồng cứu sinh thường có kết cấu thành mỏng và hỗn hợp nên việc đánh giá chính xác các phản ứng của kết cấu cũng đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn tiền thiết kế Để đạt được mục đích này, bộ giải FVM cũng đã được kết hợp với bộ giải Phần tử hữu hạn (FE) để đánh giá toàn diện mức độ an toàn của xuồng cứu sinh ( Brinchmann và các cộng sự [5] Ngoài ra, một số công trình tập trung vào các khía cạnh khác của thiết kế xuồng cứu sinh, chẳng hạn như tải trọng gió khi sơ tán khỏi chỗ trượt (Sauder và các cộng sự [6]) Đánh giá thương tích người ngồi trên xuồng

Ahmad Fauzan Zakki và các cộng sự [7] đã nghiên cứu phát triển xuồng cứu sinh rơi tự do kiểu mới sử dụng phân tích tương tác cơ học-động học chất lỏng (FSI) trên phần mềm LS-DYNA Dạng thân tàu kiểu chine hình chữ V sâu đã được phát triển Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tăng tốc của xuồng cứu sinh đã vượt qua yêu cầu của tiêu chuẩn IMO Người ta chỉ ra rằng dạng thân tàu kiểu cằm hình chữ V sâu là đáng tin cậy để áp dụng trên xuồng cứu sinh rơi tự do cho hệ thống nhà giàn ngoài khơi

Trong nghiên cứu tác giá chỉ ra rằng độ lớn của trọng lượng của xuồng có ảnh hưởng đến phản ứng gia tốc, vì xuồng có khối lượng lớn hơn có thể lặn sâu hơn trong nước Do đó, việc giảm tốc của xuồng sẽ mất nhiều thời gian hơn và gia tốc cực đại nhỏ hơn Có thể giải thích rằng phản ứng tăng tốc sinh ra khi va chạm với nước không làm người ngồi trên xuồng cứu sinh bị thương Dạng thân tàu kiểu chine hình chữ V sâu đáng tin cậy để được áp dụng làm dạng thân thay thế cho xuồng cứu sinh rơi tự do trên hệ thống sơ tán của giàn ngoài khơi

Hình 1.3 Mô hình mô phỏng hạ xuồng cứu sinh rơi tự do [7]

Loại xuồng cứu sinh mới được đề xuất bằng cách áp dụng hình chữ V sâu và dạng thân tàu kiểu nằm Thân tàu có góc nổi dốc đứng có thể cắt xuyên qua các con sóng khi chúng đi vào nước và không bị đập vào đầu sóng Ưu điểm khác của hình chữ V sâu là khả năng vận hành vượt trội trên những điều kiện khắc nghiệt

Trong một nghiên cứu tương tự Aulia Windyandaria và các công sự [8] đã nghiên cứu các thông số phóng trên mô hình chuyển động của xuồng cứu sinh rơi tự do bằng phân tích FSI Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số phóng như khoảng cách trượt, góc của thanh trượt và chiều cao rơi xuống đối với mô hình chuyển động của các xuồng cứu sinh rơi tự do bằng cách sử dụng phân tích Tương tác Cơ học- Động học Chất lỏng (FSI) Kết quả của mô phỏng số học cung cấp giá trị của các tham số phóng để phóng xuồng cứu hộ tự do một cách an toàn

Dựa trên kết quả mô phỏng, mối quan hệ giữa các thông số chiều cao hạ xuồng, khoảng cách trượt và các dạng quỹ đạo chuyển động thu được thuộc loại I, II, III và IV của xuồng cứu sinh rơi tự do được mô tả trên Hình 1.3 Có thể chứng minh mô hình chuyển động của xuồng cứu sinh rơi tự do khi rơi ở độ cao 40 m, quãng đường trượt là 7,36 m; góc rơi là 35 độ là có kiểu quỹ đạo chuyển động I Điều đó có nghĩa là dạng chuyển động của xuồng cứu sinh rơi tự do là dạng chuyển động có thể chấp nhận được

Người ta cũng quan sát thấy rằng nếu khoảng cách trượt tăng lên, vận tốc dọc trục của xuồng cứu sinh ở cuối giai đoạn trượt sẽ tăng lên và thuyền sẽ chuyển động tốt hơn do tốc độ tiến cao hơn ở giai đoạn đầu tiên đi vào và nổi lên mặt nước Theo kết quả mô phỏng, khoảng cách trượt tối thiểu để có dạng chuyển động loại I, đối với độ cao rơi 40 mét là 5,48 m

Hong-Guan Lyu và các cộng sự [9] đã nghiên cứu mô phỏng bằng phương pháp mô hình SPH đa độ phân giải 3D về động lực xâm nhập của nước của xuồng cứu sinh rơi tự do Trong nghiên cứu này tác giả đã mô phỏng so sánh giữa hai phương pháp là FVM và SPH

Hình 1.4 Quá trình để tạo ra các hạt chất lượng cao và phù hợp với cơ thể bằng cách sử dụng gói nguồn mở SPHinXsys [9]

Đánh giá các nghiên cứu đã thực hiện

Các công trình nghiên cứu khoa học mô phỏng quá trình xuồng cứu sinh rơi do Các tác giả đã đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến quỹ đạo chuyển động của xuồng khi đi vào trong nước Đã xác định các giá trị tối ưu cho các thông số như: góc rơi, độ cao rơi trong quá trình thả Tuy nhiên còn nhiều điểm chưa thực sự hợp lý như:

Hình dạng của xuồng cứu sinh trong một số nghiên cứu khi mô phỏng chưa thực sự đúng với kết cấu thực tế Hầu hết khi mô phỏng các tác giả chỉ tiến hành mô phỏng đối với một loại kết cấu hình dạng của xuồng cứu sinh mà chưa mô phỏng nhiều hình dạng kết cấu khác nhau Bởi tùy vào từng trường hợp thì xuồng cứu sinh sẽ có hình dạng khác nhau Xuồng sử dụng trên các tàu chở dầu và xuồng sử dụng trên hệ thống nhà giàn sẽ khác nhau

Kết quả mô phỏng do sử dụng nhiều phương pháp mô phỏng khác nhau dẫn đến sự mâu thuẫn kết quả Có tác giả cho rằng góc rơi lớn thì mức độ an toàn của xuồng sẽ cao hơn Bên cạnh đó, có tác giả cho rằng góc rơi nhỏ là điều kiện lý tưởng để thả xuồng cứu sinh rơi tự do.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

1.4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ mô phỏng vào nghiên cứu ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh đánh giá được tương đối chính xác quỹ đạo đi vào nước của xuồng Kiểm tra được tính khả thi của từng phương án khi phóng xuồng cứu sinh ở các độ cao, hình dạng của xuồng và góc rơi khác nhau Đồng thời cho phép tính toán được thời gian rơi, quỹ đạo rơi, độ bay xa của xuồng khi phóng Đánh giá được mức độ an toàn của người bên trong khi xuồng rơi tự do vào nước Từ đó lựa chọn được phương án và các thông số tối ưu làm cơ sở cho việc thiết kế hoàn thiện hệ thống phóng xuồng cứu sinh

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Việc “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh bằng phương pháp mô phỏng” có giá trị thực tiễn to lớn Thứ nhất thông qua kết quả mô phỏng có thể đánh giá được thiết bị xuồng cứu sinh được sử dụng trên nhà giàn DK1 hiện nay là chưa hợp lý cần có phương án trong tương lai Kết quả nghiên cứu đưa ra làm cơ sở để triển khai thiết kế hệ thống phóng xuồng cứu sinh Tiến tới làm chủ công nghệ, bằng nguồn nhân lực trong nước có thể tự sản xuất được thiết bị xuồng phóng cứu sinh Đó là giải pháp thay thế cho các thiết bị cứu sinh chưa thực sự hiệu quả trên các loại tàu hàng hải hiện này.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố như độ cao rơi, góc rơi và chiều dài đường trượt, trọng lượng đến quỹ đạo, vận tốc, thời gian và gia tốc của xuồng khi tiếp xúc với nước Các yếu tố này ảnh hưởng đến cách xuồng tiếp xúc và phân tán lực tác động khi vào nước Nghiên cứu nhằm xác định các điều kiện tối ưu để phóng xuồng cứu sinh một cách an toàn và hiệu quả, đảm bảo quỹ đạo ổn định và giảm thiểu lực tác động khi tiếp xúc với nước Cuối cùng, nghiên cứu sẽ xác định các thông số tối ưu như độ cao rơi, góc rơi và chiều dài đường trượt dựa trên các mô phỏng, nhằm đưa ra giải pháp an toàn và hiệu quả của hệ thống cứu sinh trong tình huống khẩn cấp

Thiết lập mô hình và mô phỏng xuồng cứu sinh rơi tự do trên phần mềm mô phỏng Quá trình này sử dụng phương pháp Coupled Euler-Lagrangian (CEL) trên phần mềm Abaqus và thủy động lực học hạt mịn SPH trên phần mềm Altair Radioss để so sánh và đánh giá các thông số tối ưu Mô phỏng được thực hiện với các thông số thay đổi như độ cao rơi, góc rơi, trọng lượng và chiều dài đường trượt, nhằm kiểm tra tác động đến quỹ đạo, vận tốc, thời gian và gia tốc của xuồng khi vào nước Kết quả mô phỏng giúp đánh giá mức độ an toàn và hiệu quả của quá trình phóng xuồng, so sánh giữa hai phương pháp CEL và SPH để đảm bảo độ chính xác Cuối cùng, các thông số tối ưu được xác định để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong các tình huống khẩn cấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.6.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng chính của nghiên cứu là xuồng cứu sinh rơi tự do với model là VIKING Norsafe, GES-25 MKII T

Phạm vi nghiên cứu là đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố như: chiều dài đường trượt, chiều cao phóng, trọng lượng rơi, góc rơi đến thời gian rơi, quãng đường rơi và quỹ đạo chuyển động của xuồng cứu sinh trong quá trình phóng bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm Từ đó đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố trên đến mức độ an toàn của xuồng trong quá trình phóng.Từ đó đưa ra các khuyến nghị để cải thiện hiệu suất và an toàn của xuồng cứu sinh

Phương pháp tiếp cận

- Khảo sát các loại thiết bị xuồng cứu sinh được sử dụng trên tàu và nhà giàn DK1 hiện nay

- Nghiên cứu tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động và cách vận hành của các thiết bị xuồng cứu sinh đang được sử dụng hiện nay

- Nghiên cứu ứng dụng các phần mềm vào việc mô phỏng quá trình phóng xuồng cứu sinh thông qua các bài báo khoa học trong và ngoài nước

- Ngiên cứu phân tích các phương án mô phỏng mà các tác giả đã từng thực hiện để từ đó xây dựng phương án mô phỏng.

Kết cấu của luận văn

Luận văn bao gồm 6 chương:

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình hóa bài toán xuồng cứu sinh rơi tự do

Chương 4: Mô phỏng quá trình phóng xuống cứu sinh trên phần mềm Abaqus Chương 5: Phân tích kết quả và tối ưu các thông số

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu hệ thống phóng xuồng cứu sinh Hàng hải

2.1.1 Vai trò, đặc điểm của hệ thống

Hệ thống phóng xuồng cứu sinh Hàng hải được bố trí trên các tàu biển và hệ thống các nhà giàn của Hải quân nhân dân Việt Nam, Các giàn khoan và thăm dò dầu khí Nó có vai trò đảm bảo sự an toàn cho con người khi con tàu hoặc nhà giàn tham gia hoạt động trên biển nếu không may gặp các sự cố nghiêm trọng xảy ra như: cháy nổ, mưa bão gây chìm tàu hoặc đổ nhà giàn

2.1.2 Chức năng và yêu cầu của hệ thống phóng xuồng cứu sinh a Chức năng

Khoa học công nghệ ngày càng phát triển các hệ thống cứu sinh lắp đặt trên tàu mẹ càng phải đảm bảo tính an toàn, ổn định, hiện đại, nhiều tính năng, vận hành khai thác dễ dàng hơn, giá thành cũng được giảm xuống Do đó việc ứng dụng và lựa chọn các khí cụ hay công nghệ cho hệ thống phải đảm bảo các yêu cầu bộ luật SOLAS (Safety of life at sea – Công ước về an toàn sinh mạng con người trên biển) và tính năng ổn định của hệ thống Vì vậy hệ thống phóng xuồng cứu sinh phải đảm bảo chức năng quan trọng và phức tạp của nó Vai trò chính của thiết bị xuồng phóng cứu sinh trên các nhà giàn và tàu biển:

-Đảm bảo sự an toàn về tâm lý con người khi tham gia vận hành, khai thác tàu chạy trên biển hoặc làm việc trên nhà giàn

- Xuồng phóng cứu sinh thường được trang bị các thiết bị cứu hộ như phao cứu sinh, áo phao, hệ thống phát sóng cứu hộ, hộp sơ cứu, và nhiều thiết bị cần thiết khác để đảm bảo sự sống còn của người trên tàu trong tình huống khẩn cấ

- Xuồng phóng cứu sinh có thể được phóng nhanh chóng và dễ dàng từ tàu hoặc nhà giàn, giúp thoát khỏi vùng xảy ra sự cố một cách nhanh nhất và cứu hộ những người cần giúp đỡ b Yêu cầu

Hệ thống xuồng phóng cứu sinh rơi tự do (lifeboat) phải tuân thủ nhiều yêu cầu và tiêu chuẩn quốc tế để đảm bảo tính an toàn và đáng tin cậy trong các tình huống khẩn cấp trên biển hoặc trên các tàu và nhà giàn dầu Bao gồm một số yêu cầu quan trọng đối với hệ thống xuồng phóng cứu sinh rơi tự do:

- Hệ thống xuồng phóng cứu sinh phải được thiết kế sao cho có khả năng tự phóng cứu, tự trôi ra khỏi tàu mẹ khi cần thiết Điều này bao gồm cơ chế thả xuồng tự động và cơ cấu phóng

- Xuồng phóng cứu sinh phải có khả năng đảm bảo an toàn cho người sử dụng trong điều kiện biển xấu như sóng to gió lớn, bao gồm khả năng duy trì tính ổn định, chống lật và khả năng chống nước xâm nhập

- Hệ thống xuồng phóng cứu sinh phải có đầy đủ trang thiết bị cứu hộ như phao cứu sinh, áo phao, hộp sơ cứu, hệ thống phát sóng cứu hộ và thiết bị liên quan khác để đảm bảo sự sống còn của người trên tàu

- Hệ thống xuồng phóng cứu sinh phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế, như SOLAS (International Convention for the Safety of Life at Sea), để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu an toàn cơ bản và đáng tin cậy

- Nhân viên và thủy thủ đoàn cần được đào tạo để biết cách sử dụng xuồng phóng cứu sinh một cách an toàn và hiệu quả

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống phóng xuồng cứu sinh

Hệ thống xuồng phóng cứu sinh hoạt động trên nguyên lý bán tự động Cơ cấu điện thủy lực được sử dụng để tiến hành phóng xuồng Qúa trình phóng phải đảm bảo tính an toàn cho người bên trong xuồng và được thực hiện quá các giai đoạn như sau: hình 2.1

Giai đoạn 1: Quá trình kích hoạt Khi tàu hoặc nhà giàn dầu gặp sự cố hoặc tình huống khẩn cấp thì toàn bộ phi hành đoàn sẽ nhanh chóng di chuyển vào bên trong xuồng Từng người làm công tác bảo hiểm an toàn tại mỗi vị trí Sau đó người lái xuồng sẽ tiến hành kích hoạt quá trình phóng Vị trí tay quay thủy lực được đặt ngay bên cạnh ghế người lái a) Khóa xuồng đang đóng b) Quay mở khóa c) Khóa xuồng được mở d) Phóng xuồng

Hình 2.1 Qúa trình phóng cứu sinh rơi tự do

Người lái tiến hành mở khóa xuồng bằng cách quat tay gạt Do khóa an toàn của xuồng được điều khiển bằng cơ cấu thủy lực Khi người điều khiển quay tay gạt thủy lực thì khóa an toàn từ từ được mở ra

Giai đoạn 2: Qúa trình phóng Sau khi khóa an toàn được mở, dưới tác dụng của trọng lực, xuồng sẽ trượt trên hệ thống con lăn của cơ cấu phóng Sau đó sẽ phóng và rơi tự do xuống biển Khi xuồng tiếp xúc với mặt nước sẽ trải qua quá trình chìm xuống, tự cân bằng và phóng về trước theo quán tính Sau đó người điều khiển sẽ kích hoạt động cơ để di chuyển tàu ra khỏi vùng nguy hiểm

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh

Quá trình phóng xuồng cứu sinh bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố khác nhau Các yếu tố kỹ thuật như: hình dáng của xuồng, trọng lượng của xuồng, độ cao rơi, chiều dài đường trượt, góc rơi sẽ quyết định tới vận tốc, gia tốc, quãng đường, thời gian và độ ổn định của xuồng trong quá trình rơi

Ngoài ra quá trình phóng xuồng cứu sinh còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại cảnh như: điều kiện thời tiết cấp sóng, cấp gió, trạng thái di chuyển của tàu mẹ Nước biển động mạnh, sóng cao, gió mạnh có thể làm cho quá trình phóng cứu sinh trở nên khó khăn và nguy hiểm hơn Bởi xuồng cứu sinh được thả trong những điều kiện khẩn cấp lên các yếu tố ảnh hưởng rất phức tạp

2.1.5 Qũy đạo chuyển động của xuồng cứu sinh rơi tự do

Các phương pháp mô phỏng quá trình xuồng cứu sinh rơi tự do

Trong các nghiên cứu về mô phỏng xuồng cứu sinh rơi tự do, có nhiều phương pháp để mô phỏng đánh giá phân tích tác động của các yếu tố tác động lên quá trình phóng Các mô phỏng đã chỉ ra rằng sự tác động của các yếu tố như: góc rơi, độ cao rơi, chiều dài đường trượt sẽ quyết định tới quỹ đạo chuyển động của xuồng khi đi vào nước Qua đó lựa chọn tối ưu được các thông số khi thả xuồng tự do Có thể kể đến một số phương pháp mô phỏng như sau:

Phương pháp mô phỏng CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian)

Phương pháp mô phỏng ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian)

Phương pháp mô phỏng FSI (Fluid-Structure Interaction)

Phương pháp mô phỏng SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)

Phương pháp thể tích hữu hạn FVM (Finite Volume Method)

Phương pháp động lực học Kane (Kane's Method)

Phương pháp phân tích CFD (Computational Fluid Dynamics)

Trong các phương pháp mô phỏng mà các công trình nghiên cứu khoa học thực hiện thì phương pháp mô phỏng ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) và phương pháp mô phỏng SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) được sử dụng nhiều nhất

Và đem lại sự đánh giá hiệu quả độ chính xác tốt nhất

2.2.1 Phương pháp mô phỏng CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian)

Phương pháp mô phỏng CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian) là một kỹ thuật tính toán trong lĩnh vực cơ học lưu chất và cơ học kết cấu, nơi mà các hiện tượng di chuyển phức tạp và tương tác giữa các pha khác nhau thường xuyên xảy ra Phương pháp này kết hợp cả hai hệ tọa độ Eulerian và Lagrangian để mô phỏng các hiện tượng đa dạng, từ chảy chất lỏng đến biến dạng cơ học của vật chất Phương pháp mô phỏng CEL kết hợp của hai hệ tọa độ gồm:

Hệ tọa độ Eulerian: Trong hệ tọa độ Eulerian, không gian mô phỏng được chia thành các ô lưới cố định và các biến thay đổi theo thời gian được theo dõi trong mỗi ô lưới Phương pháp này phù hợp cho việc mô phỏng chảy động của chất lỏng hoặc khí, nơi mà quan trọng là theo dõi các đặc tính của chất lỏng hoặc khí tại mỗi vị trí không gian

Hệ tọa độ Lagrangian: Trong hệ tọa độ Lagrangian, các điểm của vật chất được theo dõi khi chúng di chuyển trong không gian Điều này thích hợp cho việc mô phỏng biến dạng cơ học của vật chất, nơi mà quan trọng là theo dõi hành vi của các phần tử vật chất khi chúng di chuyển và biến dạng

Kết hợp hai hệ tọa độ: Phương pháp CEL kết hợp cả hai hệ tọa độ Eulerian và

Lagrangian trong một mô hình mô phỏng Trong đó, các hiện tượng chảy động của chất lỏng hoặc khí được mô phỏng bằng hệ tọa độ Eulerian, trong khi các hiện tượng biến dạng cơ học của vật chất được mô phỏng bằng hệ tọa độ Lagrangian Ứng dụng: Phương pháp CEL thường được sử dụng trong mô phỏng các hiện tượng như va chạm, phá hủy vật liệu, chảy chất lỏng với biến dạng phức tạp, và nhiều ứng dụng khác trong lĩnh vực cơ học lưu chất và cơ học kết cấu Ưu điểm: Phương pháp CEL cung cấp sự linh hoạt và chính xác trong mô phỏng các hiện tượng phức tạp, nơi mà cả hai hệ tọa độ Eulerian và Lagrangian đều cần thiết Nó cho phép mô phỏng hiệu quả các hiện tượng tương tác giữa chất lỏng và vật chất, và giữa các vật chất khác nhau

2.2.2 Phương pháp mô phỏng SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)

Phương pháp mô phỏng SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) là một phương pháp mô phỏng đặc biệt trong lĩnh vực mô phỏng dòng chảy và cơ học chất lỏng Nó giúp mô phỏng chất lỏng hoặc các hiện tượng vật lý khác bằng cách biểu diễn chúng dưới dạng một tập hợp các hạt hoặc particles phân tán trong không gian Mỗi hạt mang theo thông tin về các đặc tính của chất lỏng, như vận tốc, khối lượng, áp suất và mật độ Một số đặc tính của phương pháp mô phỏng SPH như sau:

Biểu diễn hạt (Particles Representation): Trong phương pháp SPH, không gian chứa chất lỏng được chia thành các hạt Mỗi hạt được coi là một thực thể và chứa thông tin về tốc độ, khối lượng, áp suất và mật độ Tất cả các hạt nằm trong một không gian liên tục và thay đổi theo thời gian

Tích hợp phương trình Navier-Stokes: Phương trình Navier-Stokes là phương trình cơ bản mô tả dòng chảy của chất lỏng, được tích hợp bằng cách sử dụng phương pháp SPH Thay vì giải phương trình trên một lưới cố định như trong phương pháp lưới (grid-based methods), SPH tích hợp nó trên các hạt

Hàm nhân (Smoothing Kernel): Một phần quan trọng của SPH là việc sử dụng hàm nhân (smoothing kernel) để tính toán tương tác giữa các hạt Hàm nhân này xác định mức độ tương tác giữa các hạt dựa trên khoảng cách giữa chúng Hàm nhân thường là một hàm trọng số và quyết định cách thông tin được truyền từ một hạt đến các hạt khác

Tính toán tương tác giữa các hạt (Particle Interaction): Dựa vào hàm nhân, SPH tính toán các tương tác giữa các hạt, bao gồm áp suất, lực, và tốc độ của chất lỏng Các giá trị này được cập nhật liên tục trong quá trình mô phỏng để mô phỏng dòng chảy chất lỏng

Tích hợp thời gian (Time Integration): Để mô phỏng thay đổi theo thời gian, SPH sử dụng các phương pháp tích hợp thời gian, như phương pháp Euler hoặc phương pháp Runge-Kutta

Biên giới (Boundary Handling): Để xử lý biên giới của vùng mô phỏng và tương tác với cấu trúc, SPH sử dụng các kỹ thuật đặc biệt để áp dụng điều kiện biên Điều này bao gồm việc đảm bảo áp lực, vận tốc và mật độ được duy trì đúng cách tại biên giới Phương pháp mô phỏng SPH có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng mô phỏng các hiện tượng phức tạp như phân tán dòng chảy, tương tác sóng - cấu trúc, và nổ Nó cũng không yêu cầu một lưới cố định, điều này làm cho nó hữu ích trong việc mô phỏng các tình huống mà lưới cố định không phù hợp hoặc khó thực hiện Tuy nhiên, SPH cũng có nhược điểm của khả năng nhiễu dữ liệu và tốn thời gian tính toán.

MÔ HÌNH HÓA BÀI TOÁN

Các thông số kỹ thuật hệ thống phóng xuồng phóng cứu sinh

3.1.1 Kết cấu xuồng cứu sinh Đối tượng tiến hành nghiên cứu và mô phỏng là xuồng cứu sinh VIKING Norsafe, GES-25 MKII Xuồng cứu sinh rơi tự do VIKING Norsafe GES-25 MKII dùng để thả rơi tự do bằng thiết bị trượt có thể chứa tối đa 31 người

Hình 3.1 Xuồng cứu sinh rơi tự do VIKING Norsafe GES-25 MKII [27]

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của xuồng GES-25 MKII [27]

Type Totally Enclosed Free fall lifeboat

Tên loại xuồng GES-25 MKII T

Chiều cao lắp đặt tối đa 22,0 m

Chiều dai đường trượt và góc phóng 9 m, 35°

Công suất, tối đa 31 persons

Trọng lượng, trang bị đầy đủ 4.443 kg

Tải trọng Davit, với 31 người@82,5 kg 7.000,5 kg

Nhiệt độ hoạt động: -15°C to +40°C (other range on request)

Vật liệu thân tàu/boong Polyester gia cố bằng thủy tinh chống cháy

Vật liệu nổi Bọt polyurethane

Vật liệu phần cửa phụ Polycarbonate

Mũi xuồng cứu sinh VIKING Norsafe GES-25 MKII T có thiết kế hình chữ V, giúp tăng cường khả năng lướt qua sóng và giảm độ cản Hình dáng này giúp xuồng duy trì sự ổn định và điều hướng tốt hơn trong điều kiện biển động Mũi xuồng thường được chế tạo để có độ bền cao và khả năng chịu lực tốt

Khả năng chịu đựng của VIKING Norsafe GES-25 MKII T [25]: Điều kiện gió: Xuồng cứu sinh rơi tự do có khả năng chịu được tốc độ gió lên tới 20m/s (khoảng 40 knots hoặc 74 km/h)

Chiều cao sóng: Theo SOLAS [25], các xuồng cứu sinh rơi tự do có khả năng phóng và hoạt động an toàn trong điều kiện sóng biển với chiều cao sóng lên tới 3m (khoảng 10 feet) Điều này đảm bảo rằng xuồng có thể hoạt động hiệu quả trong điều kiện biển động mà không bị lật hoặc gặp sự cố khi tiếp nước Điều kiện thời tiết khắc nghiệt khác: Xuồng được thiết kế để đảm bảo an toàn và khả năng sống sót trong các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, bao gồm cả mưa bão và điều kiện lạnh giá

Vỏ thuyền phóng cứu sinh VIKING Norsafe GES-25 MKII được làm từ vật liệu composite, cụ thể là Fire-retardant fiberglass reinforced polyester (GRP) Độ nhớt của vật liệu Fire-retardant fiberglass reinforced polyester (GRP) không phải là một thuộc tính đặc trưng chính của loại vật liệu này GRP là một loại composite, trong đó sợi thủy tinh (fiberglass) được gia cố bởi nhựa polyester Độ nhớt thường được dùng để mô tả tính chất của chất lỏng hơn là các vật liệu rắn như GRP Trong trạng thái lỏng, nhựa polyester có thể có độ nhớt dao động trong khoảng từ 100 đến 1000 cP (centipoise), tùy thuộc vào loại nhựa và các chất phụ gia được sử dụng Khi nhựa polyester đã được gia cố bằng sợi thủy tinh và đã đông cứng thành GRP, nó trở thành một vật liệu rắn và độ nhớt không còn là một thuộc tính áp dụng Thay vào đó, các thuộc tính quan tâm bao gồm độ cứng, độ bền kéo, khả năng chống va đập, và tính chất chống nước

Các đặc điểm chính của vật liệu này bao gồm:

- Sợi Thủy Tinh (Fiberglass): Cung cấp độ bền và sức mạnh cơ học cho vỏ thuyền Sợi thủy tinh giúp cải thiện khả năng chịu lực và độ bền của cấu trúc

- Nhựa Polyester (Polyester Resin): Được sử dụng làm ma trận liên kết các sợi thủy tinh lại với nhau Nhựa polyester cung cấp tính chất chống nước, hóa chất và ổn định cho vỏ thuyền

- Chất Chống Cháy (Fire Retardant Additives): Để đảm bảo tính năng chống cháy, các chất phụ gia chống cháy được thêm vào nhựa polyester Điều này giúp vỏ thuyền chịu được môi trường có nguy cơ cháy và tăng cường an toàn trong tình huống khẩn cấp

Vật liệu GRP có các cơ tính đặc trưng rất tốt, nhờ sự kết hợp giữa sợi thủy tinh và nhựa polyester

- Độ Bền Kéo (Tensile Strength): GRP có độ bền kéo cao, thường nằm trong khoảng 70-150 MPa, tùy thuộc vào loại sợi thủy tinh và tỷ lệ pha trộn

- Độ Bền Uốn (Flexural Strength): Độ bền uốn của GRP thường đạt khoảng 100-250 MPa GRP có khả năng chịu uốn tốt, giúp phân phối lực đều và giảm nguy cơ gãy hoặc biến dạng

- Độ Bền Va Đập (Impact Strength): GRP có khả năng chống va đập tốt, nhưng mức độ cụ thể có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết kế và cấu trúc của composite

- Độ Cứng Uốn (Flexural Modulus): GRP có độ cứng uốn cao, thường nằm trong khoảng 5-15 GPa Điều này cho thấy vật liệu có khả năng duy trì hình dạng và độ bền dưới tải trọng

- Khả Năng Chịu Nhiệt: GRP có khả năng chống nhiệt tốt, với nhiệt độ chịu đựng thường nằm trong khoảng từ 80-120°C Đặc biệt, với các chất chống cháy bổ sung, GRP có thể duy trì tính chất cơ học và ổn định ở nhiệt độ cao hơn

Khả Năng Chống Cháy: GRP được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn chống cháy, giúp vật liệu giảm khả năng lan truyền lửa và hạn chế sự phát thải khói độc hại Độ Bền Cơ Học Dưới Tải Trọng: GRP có khả năng phân phối tải trọng đồng đều, giúp giảm nguy cơ biến dạng và hỏng hóc dưới tải trọng cao hoặc va đập

Khối Lượng và Độ Bền: GRP có trọng lượng nhẹ so với độ bền cơ học của nó, làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần tính di động và hiệu suất cao Đây là loại xuồng cứu sinh rơi tự do dạng kín hoàn toàn được thiết kế và sản xuất theo các yêu cầu mới nhất của SOLAS Xuồng cứu sinh được dùng để phóng từ cơ cấu bệ đỡ Khoảng không gian giữa thân tàu và lớp lót thân tàu, cũng như giữa boong và lớp lót boong được lấp đầy bằng vật liệu nổi polyurethane

Trong điều kiện ngập nước hoàn toàn và chịu tải, xuồng cứu sinh có khả năng tự thăng bằng Nếu bị hư hỏng dưới mực nước, lực nổi đủ để làm nổi thuyền ở mức an toàn Việc nhả rơi tự do được kích hoạt bằng một trong hai cách bố trí bơm thủy lực hoàn toàn độc lập, cả hai đều nằm trên thanh ngang

3.1.2 Kết cấu bệ phóng xuồng cứu sinh

Phương án thiết lập mô hình mô phỏng

Để mô phỏng quá trình phóng xuồng cứu sinh rơi tự do, ta tiến hành thiết lập mô hình mô phỏng giải bài toán cơ học lưu chất Trong bài toán này, xuồng cứu sinh tương tác với môi trường nước, và các yếu tố như lực cản, lực nổi, và chuyển động của chất lỏng xung quanh xuồng đều thuộc phạm vi nghiên cứu của cơ học lưu chất

Coi xuồng cứu sinh là vật rỗng có trọng lượng M, trượt trên mặt phẳng nghiêng có chiều dài là L sau đó rơi tự do xuống nước Góc nghiêng rơi của xuồng so với mặt nước là góc α

Trong bài toán mô phỏng này các yếu tố như điều kiện thời tiết: tốc độ gió, chiều cao sóng không được đưa vào Bởi các yếu tố này trong tự nhiên biến đổi rất phức tạp, không tuân theo một quy luật cụ thể Trong các công trình nghiên cứu hiện nay các tác giả đều nghiên cứu mô phỏng trong điều kiện lý tưởng và không xét đến sự ảnh hưởng của yếu tố thời tiết

Hình 3.6 Mô hình bài toán xuống cứu sinh rơi tự do

Như vậy xuồng khi được phóng sẽ trượt trên giá phóng xuồng, chuyển động lúc này của xuồng tương tự một vật trượt trên mặt phẳng nghiêng Hệ số ma sát giữa thuyền và bệ phúng là à Xuồng sẽ trượt trờn quóng đường chớnh là độ dài L của bệ phóng sau đó rơi xuống nước Tại thời điểm xuồng dời khỏi bệ và rơi xuống nước, thuyền đạt vận tốc sau khi trượt trên bệ là V0 Lúc này, vận tốc của xuồng được xác định theo hai phương là vận tốc theo phương đứng V1 và tốc theo phương ngang V2 Được xác định theo công thức sau:

2 (sin cos ) sin cos doc ngang v gL v v v v v v

V0: Vận tốc của thuyền tại thời điểm dời bệ L: Chiều dài đường trượt của bệ phóng H: Độ cao phóng xuồng xuống mặt nước à: Hệ số ma sỏt của xuồng với bệ phúng α: Góc nghiêng bệ phóng xuồng Để mô phỏng quá trình phóng xuồng cứu sinh rơi tự do, ta xác định các thông số đầu vào có thể thay đổi được để thông qua mô phỏng khi thay đổi các thông số này sẽ cho ra kết quả mô phỏng khác nhau Tiến hành mô phỏng với các trường hợp thay đổi 4 thông số đầu vào gồm có: Độ cao rơi, góc rơi, trọng lượng xuồng và chiều dài đường trượt Thông số đầu ra bao gồm: thời gian rơi, độ di chuyển xa của xuồng khi phóng Từ đó đánh giá được quỹ đạo chuyển động nào an toàn cho bộ thông số tối ưu sau khi mô phỏng

Các thông số thể hiện các thuộc tính vật lý của nước như sau:

• ρ (water) (Mật độ của nước): 997 kg/m³

• μ (water) (Độ nhớt động lực học của nước): 0,001 Pa.s (Pascal giây)

Trong đó độ nhớt động lực học của nước, thường được gọi tắt là độ nhớt, là một đại lượng đo lường khả năng chống lại sự biến dạng do lực cắt của nước Nói cách khác, nó phản ánh độ "dày" hoặc "dính" của nước, hay mức độ nước chống lại sự chảy Độ nhớt động lực học của nước thường không thay đổi khi tiếp xúc với các loại vật liệu khác nhau trong điều kiện bình thường

Phương pháp chọn tải trọng của xuồng khi mô phỏng là chọn với các phương án 62,5%; 75%; 87,5%; 100% khối lượng xuồng khi đầy đủ tải trọng của thiết bị và người trên xuồng

Theo các tài liệu nghiên cứu liên quan và các thông số kỹ thuật được cho bởi nhà sản xuất xác định được miền giới hạn của các thông số trên như sau:

Bảng 3.3 Bảng các thông số đầu vào và đầu ra

THÔNG SỐ CHỈ SỐ MIỀN GIỚI HẠN ĐƠN VỊ

Quãng đường đi vào nước (S) (mét)

Sử dụng phương pháp thống kê Taguchi để bố trí các phương án mô phỏng Nhằm mục đích tối ưu hóa các thông số đầu vào để đạt được kết quả tốt nhất cho các thông số đầu ra Ta tiến hành bố trí 16 phương án mô phỏng như dưới đây:

Bảng 3.4 Thông số mô phỏng cho 16 phương án

STT Chiều cao rơi Góc nghiêng Chiều dài bệ trượt Trọng lượng

Sau đó tiến hành mô phỏng các phương án trên bằng phần mềm Abaqus từ đó phân tích kết quả Bảng quy đổi các thông số đầu vào để đưa vào phần mềm mô phỏng Trọng lượng của xuồng được quy đổi thành độ dày lớp vỏ thép của tàu Chiều dài đường trượt được quy đổi thành vận tốc theo 2 phương của xuồng tại thời điểm dời bệ phóng xuồng Từ đó ta có được bảng thông số quy đổi dưới đây:

Bảng 3.5 Bảng quy đổi thông số mô phỏng trong phần mềm Abaqus

Góc nghiêng (độ) Độ dày (m)

Góc nghiêng (độ) Độ dày (m)

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÓNG XUỒNG CỨU SINH TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS

Mô hình hóa Euler-Lagrangian (CEL) kết hợp trong Abaqus

Kỹ thuật Coupled Euler-Lagrangian (CEL) trong Abaqus là một công cụ mạnh mẽ để phân tích sự tương tác giữa các cấu trúc và chất lỏng một cách đồng thời mà không cần sử dụng phần mềm khác

Lưới Lagrange là một loại lưới di động, trong đó các điểm hoặc phần tử lưới di chuyển theo vật chất Trong lưới Lagrange, mỗi điểm hoặc phần tử của lưới được theo dõi và di chuyển theo vật chất Điều này có nghĩa là vị trí của các nút lưới thay đổi theo thời gian khi vật chất di chuyển hoặc biến dạng Lưới Lagrange thích hợp cho việc mô phỏng các hiện tượng di chuyển và biến dạng phức tạp của vật chất, như trong việc mô phỏng động học lưu chất hoặc phá hủy vật liệu

Lưới Euler là một loại lưới tĩnh, trong đó các điểm lưới được giữ ở cố định trong không gian không thay đổi theo thời gian Trong lưới Euler, không gian mô phỏng được chia thành các ô lưới cố định, và các biến thay đổi theo thời gian được theo dõi tại mỗi ô lưới Lưới Euler thích hợp cho việc mô phỏng các hiện tượng chảy động của chất lỏng hoặc khí, nơi mà quan trọng là theo dõi các đặc tính của chất lỏng hoặc khí tại mỗi vị trí không gian

Trong mô hình Lagrange thông thường, các nút lưới được gắn vào vật liệu và sự biến dạng trong vật liệu cũng gây ra biến dạng lưới Vì vậy, ranh giới vật liệu sẽ luôn trùng với ranh giới phần tử như hình bên dưới Công thức này đơn giản, dễ thực hiện và ít tốn kém về mặt tính toán

Hình 4.1 Mô hình lưới Lagrange

Trong phương pháp Euler, các nút lưới được cố định trong không gian và vật liệu di chuyển qua các phần tử Khi chịu tải, chỉ có vật liệu bị biến dạng và các phần tử vẫn không bị biến dạng Do đó, ranh giới vật liệu không trùng với ranh giới phần tử như trong hình bên dưới Vì lưới vẫn cứng nhắc trong phân tích Euler nên các vấn đề về chất lượng phần tử sẽ được loại bỏ

Hình 4.2 Mô hình lưới Euler

Do dễ dàng mô tả các điều kiện biên, phân tích Lagrange được sử dụng để giải các bài toán cấu trúc và chứa các bài toán chất lỏng có chuyển động nhỏ Tuy nhiên, mô hình Lagrange trở nên không ổn định và mất độ chính xác khi có biến dạng quá mức liên quan - như trong các quá trình tán đinh, tạo phôi và dập Thời gian tính toán cũng tăng lên do phải làm lại thường xuyên để ngăn lưới bị biến dạng quá mức Trong những trường hợp này, lưới Euler có hiệu quả cao Nó cũng được sử dụng để giải quyết các vấn đề về dòng chất lỏng và chuyển pha trong đó có sự gián đoạn trên bề mặt vật liệu giữa các phần tử lân cận.

Các bước thiết lập mô phỏng bài toán trong phần mềm Abaqus

Để mô phỏng được bài toán xuồng cứu sinh rơi tự do bằng phần mềm Abaqus thì trước tiên thiết lập các điều kiện biên cho bài toán Mô hình gồm 3 khối cơ bản là: thuyền, nước và không khí Khối nước có kích thước tổng thể là 23x16x9m; miền liên pha (interface region), đây là khu vực nơi hai pha khác nhau (nước và không khí) tiếp xúc và tương tác với nhau có kích thước tổng thể là 23x16x5m; khối thuyền được thiết kế theo nguyên mẫu có kích thước tổng thể là 7,5x3,42x2,75m Thuyền được đặt cách mặt nước có độ cao H, góc rơi so với mặt nước là α

Các kích thước này đảm bảo rằng sự tiến triển của bề mặt nước xung quanh xuồng cứu sinh không bị nhiễu loạn bởi sóng phản xạ từ các ranh giới

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng bài toán trong phần mềm Abaqus Để tối giản hóa mô phỏng quá trình phóng thuyền cứu sinh rơi tự do, cần đơn giản hóa mô hình vật liệu để đưa vào mô phỏng:

- Mô hình đàn hồi tuyến tính: thực hiện mô phỏng sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính để mô phỏng vật liệu

- Đồng nhất và đẳng hướng: Giả định rằng vật liệu của thuyền là đồng nhất và có tính chất cơ học giống nhau ở mọi điểm và mọi hướng

- Sử dụng mô hình vật liệu tương đương: do vỏ thuyền được làm từ composite GRP, mà phần khung vỏ thuyền làm từ vật liệu thép Trong khi đó tải trọng của thuyền tập trung phần lớn vào kết cấu khung thuyền Qúa trình thuyền rơi độ nhớt của nước không thay đổi khi tiếp xúc với các loại vật liệu khác nhau Vì vậy sử dụng mô hình vật liệu thép để thực hiện mô phỏng

- Giả định rằng độ dày của vật liệu thuyền là đồng nhất trên toàn bộ thuyền Khi coi thuyền là một vật thể rỗng rơi xuống nước Các tính chất vật liệu của thuyền được tối giản hóa cho trong bảng dưới đây

Thiết lập thông số vật liệu trong phần mềm Abaqus như sau:

Mass Density (kg/m³) 8000 Density Mass Density (kg/m³) 997

Poisson’s Ratio 0.3 Viscosity Dynamic (Pa.s) 0.001

Thiết lập các ràng buộc cho bài toán mô phỏng 4 Mặt phẳng xung quanh khối nước và không khí được coi là các mặt phẳng cố định không di chuyển không quay được Mặt phẳng phía dưới của nước cũng tương tự như vậy Thuyền được coi là vật rắn di chuyển trên bệ phóng sau đó rơi tự do xuống nước

Như vậy để thiết lập quá trình rơi ta thiết lập các điều kiện về lực cho bài toán Một là toàn bộ mô mình mô phỏng chịu tác động của gia tốc trọng trường Hai là tại thời điểm thuyền dời khỏi bệ phóng và rơi xuống nước sẽ chịu ảnh hưởng của hai thành phần vận tốc theo phương đứng và phương ngang Được tạo bởi trọng lượng của con thuyền và vận tốc tạo bởi khi thuyền trượt trên bệ phóng

Hình 4.4 Thiết lập ràng buộc cho mô hình mô phỏng

Tiến hành chia lưới cho mô hình bao gồm chia lưới cho nước và chia lưới cho thuyền Đối với bài toán mô phỏng thuyền rơi tự do vào nước chia lưới theo dạng:

Chia lưới hữu hình (Solid meshing): Được sử dụng cho các phân tích thể tích Lưới hexahedral là một loại lưới chia mà được hình thành bởi các phần tử hexahedral, hay còn gọi là các khối hình lập phương

Các phần tử hexahedral có 6 mặt, 12 cạnh và 8 đỉnh Trong một lưới hexahedral, không gian mô hình được chia thành các khối hình lập phương hoặc các đa diện sáu mặt, mỗi khối có thể được chia thành các phần tử hexahedral

Hình 4.5 Kết quả chia lưới cho mô hình trong phần mềm Abaqus

Sau khi thiết lập đầy đủ các điều kiện biên và thông số đầu vào tiến hành chạy mô phỏng và phân tích bài toán trên phần mềm Abaqus

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng trên phần mềm Abaqus

Phần mềm Abaqus tiến hành tính toán mô phỏng theo từng phương án thông số đầu vào và điều kiện biên đưa vào phần mềm Để lấy thông số đầu ra là: thời gian rơi và quãng đường di chuyển được của thuyền sau khi dời khỏi bệ, tiến hành xuất các biểu đồ tính toán

Chọn các thông số đầu ra là U và V Trong đó U gồm: U1, U2, U3 là độ dịch chuyển của thuyền theo 3 phương x, y, z V gồm: V1, V2, V3 là vận tốc của thuyền theo 3 phương x, y, z

Hình 4.7 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các thành phần U và V theo thời gian được xác định theo 3 phương X, Y, Z Để xác định thời gian rơi và quãng đường di chuyển của thuyền từ lúc dời bệ phóng đến lúc chạm mặt nước, căn cứ vào 2 thành phần đó là V3 và U3 Tại thời điểm

V3 = 0 là lúc thuyền chạm mặt nước Đây là thời điểm để xác định thời gian rơi và quãng đường di chuyển được của thuyền.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ TỐI ƯU CÁC THÔNG SỐ

Kết quả mô phỏng trên phần mềm Abaqus

Qua mô phỏng ta lấy được các thông số đầu ra trên phần mềm cho mỗi phương án mô phỏng gồm 2 thông số là: thời gian rơi và quãng đường di chuyển của xuồng sau khi phóng khỏi bệ

Trong đó quãng đường dịch chuyển toàn phần của xuồng (Magnitude of Displacement) được xác định theo công thức:

Bảng 5.1 Kết quả mô phỏng

STT Chiều cao rơi Góc nghiêng Chiều dài bệ trượt

16 40 85 8 5 1.84 40.05 a Ảnh hưởng của độ cao rơi

Khi chiều cao rơi tăng lên thì thời gian rơi và độ di chuyển của thuyền sẽ tăng lên Điều này ảnh hưởng lớn đến quỹ đạo chuyển động an toàn của thuyền khi đi vào nước Khi chiều cao rơi tăng lên thì độ chìm tối đa của thuyền tăng lên Độ cao rơi tăng khiến thuyền quay ngược chiều kim đồng hồ nhiều hơn, gây va đập mạnh hơn vào đuôi tàu Điều này dẫn đến việc thuyền nổi lên tầm cao hơn trong lần xâm nhập vào nước đầu tiên và cũng có thể di chuyển quãng đường dài hơn trên không trước khi lại rơi xuống nước

Mặt khác khi chiều cao rơi thuyền tăng lên thì áp lực nước tác động lên thuyền tại thời điểm thuyền chạm mặt nước tăng lên, ảnh hưởng đến khả năng an toàn của người và trang thiết bị trong thuyền Bởi thuyền rơi tự do từ độ cao càng lớn thì áp lực mà người bên trong thuyền càng lớn có thể vượt mức chịu đựng của người trong thuyền b Ảnh hưởng của góc rơi

Khi góc rơi nhỏ α = 10°, thuyền di chuyển theo một quỹ đạo parabol, kết hợp giữa chuyển động ngang và chuyển động dọc Góc nghiêng nhỏ này tạo ra một quỹ đạo rơi kéo dài, tăng lực tác động khi xuồng chạm nước Lực tác động lớn hơn có thể gây hư hỏng cho xuồng và nguy hiểm cho người bên trong

Quỹ đạo parabol dài cũng làm giảm khả năng kiểm soát hướng và ổn định của xuồng khi tiếp nước, dẫn đến tình trạng lật úp hoặc va chạm không đúng hướng Đặc biệt trong điều kiện thời tiết xấu hoặc sóng cao, góc nghiêng nhỏ làm tăng nguy cơ xuồng bị lật hoặc mất ổn định, và dễ bị ảnh hưởng bởi sóng và gió, giảm khả năng điều khiển và tăng nguy cơ tai nạn

Hình 5.1 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các thành phần U và V theo thời gian khi khi chiều cao rơi Hm, góc rơi α = 10 o

Hình 5.2 Trạng thái rơi của thuyền khi đi vào nước α = 10 o

Khi góc rơi đạt giá trị α = 35 o quỹ đạo rơi vào nước của thuyền đạt kết quả tốt trên mô phỏng và trên các nghiên cứu đã thực hiện Cùng góc rơi α = 35 o khi chiều cao rơi tăng từ 10m đến 40m thì thời gian rơi và quãng đường di chuyển được của thuyền vào nước cũng tăng lên đáng kể Qua mô phỏng cho thấy góc rơi 35 0 thuyền lướt vào nước nhanh hơn, thuyền có xu hướng lao về phía trước mà không bị lực đẩy của nước cản trở Đây là qũy đạo rơi an toàn cho cả người và thuyền Tuy nhiên khi độ cao thả rơi của thuyền đạt từ 30 đến 40m lại làm tăng thời gian rơi và áp lực của nước tác động lên thuyền Gây nguy hiểm cho con người bên trong thuyền

Hình 5.3 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các thành phần U và V theo thời gian khi chiều cao rơi Hm, góc rơi α = 35 o Ở góc rơi α = 35 o quỹ đạo chuyển động của thuyền thuộc mẫu chuyển động II: Quỹ đạo chấp nhận được Trong mô hình này, xuồng cứu sinh có thể nghiêng đến mức đáng kể khi ở vị trí thấp nhất, và vận tốc chuyển động giảm đến gần 0 hoặc âm Xuồng có thể nổi lên với vận tốc lùi, và so với mẫu trước đó, có hai điểm khác biệt chính:

1) Khoảng cách ngang giữa xuồng và cấu trúc chủ nhỏ hơn, có thể gây va chạm dưới tác động của sóng và dòng chảy

Hình 5.4 Trạng thái rơi của thuyền khi đi vào nước α = 35 o

2) Xuồng mất khả năng di chuyển về phía trước, nên động cơ phải được sử dụng để đảm bảo an toàn Mặc dù có những khác biệt này, mô hình vẫn chấp nhận được vì xuồng có thể di chuyển ra khỏi cấu trúc chủ bằng cách sử dụng động cơ của nó Điều này xảy ra vì góc nghiêng của xuồng có thể nhanh chóng phục hồi về 0 trong chế độ này, dẫn đến hành trình ngang dưới nước rất ngắn, giữ cho khoảng cách ngang giữa xuồng và cấu trúc chủ gần như không đổi trong quá trình nổi và chìm, mặc dù vận tốc ngang của xuồng vẫn dương sau khi chạm vào nước

Khi góc rơi đạt giá trị α = 60 o Qũy đạo rơi của thuyền thuộc mô hình chuyển động III: Quỹ đạo nguy hiểm Quá trình điển hình của kiểu chuyển động III là xuồng cứu sinh di chuyển lùi lại bằng cách giữ gần như cùng một góc nghiêng sau khi đạt mức ngập tối đa và sau đó nổi lên với vận tốc lùi Nguyên nhân chính là góc nghiêng của xuồng cứu sinh không thể phục hồi về 0 trong giai đoạn chìm vì góc vào nước ban đầu của xuồng cứu sinh khá lớn

Trong chế độ này, vận tốc nổi lên của xuồng cứu sinh là âm và do đó xuồng cứu sinh liên tục đẩy lùi về vị trí vật chủ của nó trong quá trình nổi lên mặt nước Sự khác biệt nổi bật nhất giữa các kiểu chuyển động II và III là ở chỗ ở kiểu góc rơi đạt 35 0 , xuồng cứu sinh có thể rời khỏi vật chủ một cách an toàn bằng cách khởi động động cơ vì nó có thể nổi lên nhanh chóng với một góc nghiêng nhỏ và vận tốc về phía trước

Trong khi kiểu chuyển động III không thể sử dụng được bởi vì độ ngập tối đa khá lớn và góc nghiêng không thể phục hồi về 0 trong quá trình nổi lên Rõ ràng, mô hình này rất nguy hiểm và cần tránh, đặc biệt khi có sóng lớn

Hình 5.5 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các thành phần U và V theo thời gian khi khi chiều cao rơi Hm, góc rơi α = 60 o Góc rơi 60 o nhận thấy thuyền sau khi tiếp xúc với mặt nước thuyền gần như ngập sâu toàn bộ trong nước Sau đó thuyền di chuyển trong nước một quãng đường và từ từ nổi lên Đây là góc rơi không mong muốn với loại thuyền cứu sinh đang khảo sát hiện tại Khi thuyền cứu sinh chìm toàn bộ trong nước, việc khởi động động cơ của thuyền để tiếp tục di chuyển tiếp có thể gặp khó khăn Trong nhiều trường hợp, động cơ của thuyền sẽ bị ngập nước khi thuyền chìm, dẫn đến việc không thể khởi động được động cơ để thuyền di chuyển tiếp

Hình 5.6 Trạng thái rơi của thuyền khi đi vào nước α = 60 o

Khi góc rơi đạt giá trị α = 85 o cho kết quả mô phỏng không tốt Đây là góc rơi nguy hiểm cho quỹ đạo chuyển động của thuyền Ở góc rơi này thuyền có xu hướng làm toàn bộ thuyền cắm thẳng xuống vị trí bệ phóng, sau đó bị đẩy ngược trở lại lên phía không khí mà thuyền không di chuyển được ra xa khỏi vùng nguy hiểm khi có sự cố bất ngờ xảy ra Ở góc rơi này cho ra quỹ đạo rơi của thuyền không mong muốn Qũy đạo rơi chuyển động dạng IV: Qũy đạo tồi tệ nhất Xuồng cứu sinh sẽ lao lên không trung sau khi rời khỏi mặt nước Kiểu này là nguy hiểm nhất vì nó có thể gây thương tích cho hành khách được chở

Hình 5.7 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi các thành phần U và V theo thời gian khi khi chiều cao rơi Hm, góc rơi α = 85 o

Hình 5.8 Trạng thái rơi của thuyền khi đi vào nước α = 85 o c Ảnh hưởng của chiều dài đường trượt

Qua bảng số liệu cho thấy chiều đường trượt ảnh hưởng không nhỏ đến vận tốc và quỹ đạo rơi tự do của xuồng Khi chiều dài bệ trượt tăng lên thì vận tốc của xuồng tại thời điểm dời bệ phóng cũng tăng lên Khi vận tốc của xuồng tại thời điểm bệ phóng tăng làm tăng khả năng độ di chuyển xa của xuồng Xuồng di chuyển dời khỏi vật chủ nhanh hơn đảm bảo an toàn cho người và thiết bị Nếu đường trượt quá lớn, có thể gây ra một số ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình rơi tự do của xuồng cứu sinh, bao gồm:

Tăng cản trở khi rơi: Đường trượt quá lớn có thể tạo ra lực cản trở lớn khi xuồng chạm mặt nước Điều này có thể làm giảm hiệu quả của quá trình giảm tốc độ rơi và tăng nguy cơ gây tổn thương cho hành khách và hàng hóa bên trong xuồng

Phân tích các thông số bằng Minitab

Đưa bảng số liệu trên vào phần mềm Minitab để phần mềm tính toán phương trình hồi quy phân tích các thông số đầu vào

Hồi quy bề mặt đáp ứng: y1 so với x1, x2, x3, x4 xác định phương trình hồi quy:

Bảng 5.2 Coded Coefficients for the y1 variable

Term Coef SE Coef 95% CI T-Value P-Value VIF

Bảng 5.3 Analysis of Variance for the y1 variable

Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Hồi quy bề mặt đáp ứng: y2 so với x1, x2, x3, x4 xác định phương trình hồi quy:

Bảng 5.4 Coded Coefficients for the y2 variable

Term Coef SE Coef 95% CI T-Value P-Value VIF

Bảng 5.5 Analysis of Variance for the y2 variable

Source DF Seq SS Contribution Adj SS Adj MS F-Value P-Value

Tiến hành tối ưu hóa thông số: y 2 , y 1

Như vậy xác định bộ thông số tối ưu cho phương án mô phỏng là: chiều cao rơi 23,03m; góc thả rơi 30 độ; chiều dài đường trượt là 10,21m Khi đó giá trị xác định được y1 = 0,59s và y2 = 18,74m Các kết quả trên được kiểm nghiệm phân tích đánh giá trong chương tiếp theo

Giá trị composite Desirability bằng 0.971365 cho thấy rằng các điều kiện hiện tại gần như tối ưu cho các mục tiêu đáp ứng đã được đặt ra Hầu hết các mục tiêu hoặc yêu cầu đều được thỏa mãn ở mức cao.

Mô phỏng so sánh kết quả giữa phương pháp CEL Abaqus và SPH Radioss

a Mô phỏng trên phần mềm Abaqus

Từ kết quả phân tích trong phần mềm Minitab tiến hành kiểm nghiệm chạy mô phỏng từ bộ thông số thu được Bộ thông số: trọng lượng thuyền là 5 tấn, thả rơi từ độ cao 23.03m, góc thả rơi là nghiêng 30 o , chiều dài đường trượt là 10.2m Ta thu được kết quả được biểu diễn dưới đây:

Hình 5.12 Trạng thái rơi của thuyền vào nước

Kết quả mô phỏng cho thấy quỹ đạo rơi của thuyền thuộc kiểu quỹ đạo dạng I, đây là quỹ đạo rơi an toàn và tốt nhất được khuyến cáo trong hầu hết các nghiên cứu khoa học đã được thực hiện

Hình 5.13 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi vận tốc V và chuyển vị U của thuyền theo thời gian Với góc thả rơi nghiêng 30 0 sau khi thuyền tiếp xúc nước, thuyền nhanh chóng lướt đi, quãng đường di chuyển của thuyền di chuyển được từ khi rời bệ phóng là 14m Đây là khoảng cách tương đối an toàn khi có tình huống nguy hiểm xảy ra Mặt khác, thể tích thuyền chìm trong nước ở mức cho phép, tạo điều kiện cho quá trình khởi động động cơ khi thuyền tiếp xúc với nước

Như vậy kết quả mô phỏng cho thấy thời gian rơi của thuyền từ lúc dời bệ trượt tới lúc chạm mặt nước là t = 1.74s, vận tốc của thuyền tại thời điểm chạm mặt nước đạt 23,21 (m/s) Thuyền di chuyển được quãng đường là 27,15m tính từ vị trí xuồng dời khỏi bệ phóng đến vị trí xuồng chạm mặt nước

Hình 5.14 Diễn biến chuyển động của xuồng cứu sinh:

(a) vận tốc; (b) sự dịch chuyển; (c) Góc quay

Các biểu đồ trong hình 5.14 thể hiện trạng thái rơi của xuồng cứu sinh qua các thông số về quãng đường dịch chuyển, vận tốc, và góc xoay theo thời gian, như sau:

Biểu đồ (a): Quãng đường dịch chuyển theo phương Z và Y

Quãng đường dịch chuyển theo phương Z tăng dần, cho thấy xuồng cứu sinh đang rơi xuống theo phương thẳng đứng

Quãng đường dịch chuyển theo phương Y ban đầu giảm rồi tăng trở lại, có thể cho thấy xuồng cứu sinh ban đầu có sự dịch chuyển ngang trước khi ổn định trong quá trình rơi

Biểu đồ (b): Vận tốc theo phương Z và Y

Vận tốc theo phương Z biến thiên mạnh mẽ, ban đầu tăng lên và sau đó dao động, điều này có thể phản ánh sự tăng tốc ban đầu của xuồng khi bắt đầu rơi, sau đó bị ảnh hưởng bởi lực cản của không khí và các yếu tố khác

Vận tốc theo phương Y cũng biến thiên, cho thấy xuồng cứu sinh không rơi theo một đường thẳng mà có sự lệch hướng ngang trong quá trình rơi

Góc xoay của xuồng cứu sinh tăng dần theo thời gian, cho thấy xuồng có sự quay hoặc lắc lư trong quá trình rơi, phản ánh sự không ổn định và các chuyển động phức tạp khi tiếp xúc với không khí hoặc do tác động của lực tác động ban đầu Như vậy, các biểu đồ này cho thấy trạng thái rơi của xuồng cứu sinh là một quá trình phức tạp với sự thay đổi liên tục về quãng đường, vận tốc và góc xoay, biểu hiện sự không ổn định và tác động của các lực khác nhau trong quá trình rơi b Mô phỏng trên phần mềm Altair Radioss

Tiến hành setup và mô phỏng bộ thông số: trọng lượng thuyền là 5 tấn, thả rơi từ độ cao 23.03m, góc thả rơi là nghiêng 30 o , chiều dài đường trượt là 10.2m trên phần mềm Altair Radioss để so sánh và kiểm tra kết quả mô phỏng

Mô hình số SPH được sử dụng trong phần này được hiển thị trong Hình 5.15 Chiều dài, chiều rộng và chiều sâu thân tàu lần lượt là 7,5m; 3,42m và 1,29m và tổng khối lượng 5000 kg Độ dài của miền tính toán chất lỏng theo các hướng trục x, y và z lần lượt là 74,4m, 19,2m và 14,4m Kích thước khối nước lõi là 8,4x30x14,4m Độ phân giải hạt được chọn cho vùng tiếp xúc trực tiếp giữa thuyền và nước là L/dp 37,5 khoảng cách giữa các hạt là 0,2m và tổng số hạt rời rạc là 761238 hạt Độ phân giải hạt được chọn cho vùng bên ngoài là L/dp = 18,75 khoảng cách giữa các hạt là 0,4m và tổng số hạt rời rạc là khoảng 6 triệu

Thời gian tính toán cho các bước một lần là 60 phút và tổng thời gian chạy là khoảng 100 giờ Trong điều kiện thực tế, thân tàu trượt xiên dọc theo ray trượt, tạo thành chuyển động parabol trước khi tiếp xúc với nước

Sau khi thân tàu rời khỏi ray trượt, vận tốc ngang không đổi và vận tốc thẳng đứng tăng đều dưới tác dụng của gia tốc trọng trường Góc giữa trục dọc thân tàu và bề mặt chất lỏng tự do là góc nghiêng θ = 30 0

Hình 5.15 Mô hình mô phỏng bài toán quá trình phóng xuồng bằng phần mềm

Hình 5.16 Các trạng thái của xuồng cứu sinh khi rơi vào nước

Như kết quả mô phỏng cho thấy thuyền đi vào nước đúng quỹ đạo mà mô phỏng bằng phần mềm Abaqus đã phân tích trước đó Tuy nhiên khi sửu dụng phương pháp mô phỏng SPH để mô phỏng quá trình thuyền rơi vào nước thì kết quả chân thực hơn Các giọt nước bắn ra tung tóe xung quanh thuyền khi xảy ra va chạm khá đúng như thực tế Tại vị trí tiếp xúc trực tiếp giữa thuyền và nước thì số lượng giọt nước bắn ra khá nhiều đã mô phỏng chân thực quá trình va chạm

Hình 5.17 So sánh trạng thái của nước khi xuồng rơi

Hình 5.17 hiển thị sự so sánh giữa trạng thái của thuyền cứu sinh và bề mặt nước khi bị phá vỡ giữa mô phỏng CEL và SPH Có thể quan sát rõ ràng rằng trạng thái của thuyền cứu sinh thu được bằng phương pháp mô phỏng SPH và CEL gần như tương đồng Tuy nhiên, có thể thấy rằng phương pháp mô phỏng CEL có khả năng yếu trong việc mô tả các tia nước bắn và giọt nước phân tán, trong khi phương pháp giải SPH cho thấy hiệu suất tuyệt vời trong việc xử lý vấn đề này Điều này có thể được lý giải bởi thực tế rằng trong phương pháp mô phỏng CEL, nếu muốn nắm bắt các cấu trúc dòng chảy nhỏ như tia nước và giọt nước, kích thước lưới sử dụng phải đủ nhỏ (luôn ở cùng tỷ lệ với chiều dài đặc trưng của các cấu trúc dòng chảy liên quan); nếu không, chúng có thể bị phân rã không thực tế do tính chất không bảo toàn khối lượng của các phương pháp lưới Ngược lại, trong các phương pháp hạt như SPH, nhờ bản chất Lagrangian hoàn toàn, tổng khối lượng của chất lỏng được bảo toàn tuyệt đối và bề mặt nước cũng có thể được theo dõi một cách tự nhiên mà không cần yêu cầu thêm Vì vậy phương pháp SPH có thể là công cụ tính toán động lực học chất lỏng (CFD) phù hợp và đáng tin cậy hơn.