phần thuyết minh tính toán tính ổn định của tàu

LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI MÔN HỌC LÝ THUYẾT TÀU BÀI TẬP LỚN SỐ 3 KHOA : KỸ THUẬT TÀU THỦY GV HD : PGS.TS TRẦN GIA THÁI SV : NGÔ XUÂN NGHĨA LỚP : 51TTDT-1 MSSV : 51130997 SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 1 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI PHẦN THUYẾT MINH BÀI TẬP LỚN SỐ 3: TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA TÀU. Tính ổn định là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng, hay khả năng chống lại mômen ngoại lực. Tính toán tính ổn định rất quan trọng trong quá trình thiết kế, nó giúp con tàu có khả năng chống đỡ lại các ảnh hưởng phức tạp của môi trường hoạt động, đảm bảo tính mạng và tài sản cho người sử dụng. SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 2 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 1. Mục đích và yêu cầu của bài tập: a. Mục đích: - Bài tập này giúp cho sinh viên biết tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp. - Nó sẽ là tiền đề để tính toán, kiểm tra tính ổn định của tàu trong thực tế. b. Yêu cầu: Trong bài tập lớn số 3 này sinh viên áp dụng phương pháp tính cánh tay đòn ổn định theo phương pháp Vlaxôp và phương pháp Krưlôp- Darnhi trong việc tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định cho tàu đã làm trong bài tập 1, 2 và kiểm tra tính ổn định của tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp. 2. Cơ sở lý thuyết: a. Khái niệm: Tính ổn định là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng, hay khả năng chống lại mômen ngoại lực. - Ổn định ngang: Là ổn định trong mặt phẳng ngang, đặc trưng bởi góc nghiêng θ. - Ổn định dọc: Là ổn định trong mặt phẳng dọc, đặc trưng bởi góc nghiêng ψ. - Ổn định tĩnh: Mômen nghiêng là mômen tĩnh, tàu nghiêng từ từ không có gia tốc. SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 3 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI - Ổn định động: Mômen nghiêng là mômen động, tàu nghiêng đột ngột, có gia tốc. - Ổn định ban đầu: Ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng nhỏ θ≤ 10 0 – 12 0 . - Ổn định góc nghiêng lớn: Ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng lớn θ >10 0 – 12 0 . b. Các phương pháp tính cánh tay đòn ổn định. b.1) Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp. Giáo sư Vlaxôp đưa ra bài toán xây dựng phương pháp tính tay đòn ổn định tĩnh )( θ l về bài toán xấp xỉ, trong đó cánh tay đòn hình dáng l hd có dạng quen thuộc: θθ sin)(cos cocchd zzyl −+= được xấp xỉ bằng một đa thức lượng dạng lẻ: θθθθ 6sin4sin2sinsin 4321 aaaal hd +++= Trong đó a i là các hệ số của đa thức phụ thuộc đặc điểm hình học của vỏ tàu, θ là góc nghiêng. Để xác định các hệ số a i giáo sư Vlaxôp đã sử dụng các điều kiện biên của l hd để xây dựng một hệ phương trình, các phương trình này phải thoả mãn: Tại θ =0 0 phải thoả mãn: θθθθ 6sin4sin2sinsin 4321 aaaal hd +++= =0 o hd r d aaaad d dl = +++ = θ θθθθ θ 6sin4sin2sinsin( 4321 Tại θ =90 0 phải thoả mãn: 0904321 6sin4sin2sinsin cchd zzaaaal −=+++= θθθθ SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 4 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 9090 4321 6sin4sin2sinsin( c hd yr d aaaad d dl −= +++ = θ θθθθ θ Và 90 90 0 . chd ydl = ∫ θ Giải hệ phương trình ta được giá trị a i . Sau một vài biến đổi cùng với sự tham gia của giáo sư Blagơvesenxky, Vlaxôp đưa ra một biểu thức xấp xỉ của tay đòn hình dạng: )()()()()( 49030290190 θθθθ frfrfzzfyl cocchd ++−+= Trong đó các hàm )( θ i f chỉ phụ thuộc góc nghiêng của tàu ( )900 ≤≤ θ đã được tính sẵng cho dưới dạng bảng. Toạ độ tâm nổi ( y c90 , z c90 , z c0 ) và bán kính tâm ổn định (r 0 , r 90 ) ở các vị trí biên có thể tính bằng cách đo trực tiếp giá trị trên đường hình (đối với bài toán thuận ) với khối lượng tính ít hơn hẳn, hoặc bằng các công thức gần đúng (đối với bài toán nghịch ). Phương pháp của giáo sư Vlaxôp đang được áp dụng rộng rãi trong việc tính toán, kiểm tra tính ổn định của tàu vì vượt trội so với các phương pháp khác về sự đơn giản của cách thức tiến hành và khối lượng công việc. b2) Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp Krưlôp –Darnhi. Phương pháp Krưlôp –Darnhi là phương pháp giải tích kết hợp đồ hoạ, đây là phương pháp tính dựa trên các dữ liệu thu được từ các bản vẽ liên quan. Nguyên tắc phép tính dựa vào sự xác định bán kính tâm nghiêng của tàu nghiêng θ r khi V=const và sau đó tính toạ độ tâm nổi B Z và B Y trong hệ trục của tàu nghiêng cùng với tàu. SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 5 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI N M B' B WO O z y θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ d B B B B Y dY Z dZ Hình : Tính tay đòn ổn định theo phương pháp Krưlôp –Darnhi. Quan hệ giữa toạ độ tâm nổi và bán kính tâm nghiêng, chúng ta xác định dựa vào hình vẽ trên. Đối với gia số góc nghiêng nhỏ, bất kì, đường cong tâm nổi có thể xem như cung có tâm tại θ M và bán kính bằng θ r , chúng ta có độ dịch chuyển tâm nổi: θθθθθθ θ drdMBBB == . ' SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 6 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI Gia số toạ độ tâm nổi khi nghiêng thêm góc θ d có thể biểu diễn bằng các công thức: θ θθθ cos. , BBdY B = θ θθθ sin. , BBdZ B = Từ đó: θθ θθ drdY B .cos.= θθ θθ drdZ B .sin.= Sau khi tích phân hai vế của các phương trình trên trong giới hạn từ θ ÷0 , chúng ta có toạ độ tâm nổi như hàm của lần lượt các giá trị bán kính tâm nghiêng θ r và góc nghiêng θ : θθ θ θθ drY B cos 0 ∫ = ; θθ θ θθ drZZ BOB sin 0 ∫ =− Để có toạ độ θ B Y và θ B Z , phải tính θ r ở mỗi góc nghiêng khi thể tích ngâm nước không đổi, vậy đòi hỏi vẽ những đường nước nghiêng cắt phần ngâm nước với những thể tích bằng nhau (đường nước nghiêng tương đương ). Phương pháp tính tay đòn ổn định của Viện sỹ Krưlôp đạt độ chính xác rất cao nên có thể coi là hoàn hảo về mặt lý thuyết và phương pháp. Tuy nhiên phương pháp của Viện sỹ Krưlôp vẫn còn một số tồn tại: khối lượng công việc tính toán rất lớn, toàn bộ số liệu đầu vào phải đo trực tiếp từ bảng toạ độ đường hình với tỉ lệ lớn, do đó sai số trong khi đo là không thể tránh khỏi. SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 7 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 3 .Tiêu chuẩn ổn định: Tiêu chuẩn ổn định là những chỉ tiêu hoặc những định mức nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho con tàu về phương diện ổn định. Tất cả các loại tàu phải đảm bảo yêu cầu cơ bản về ổn định chung, ngoài ra còn phải thoả mãn các yêu cầu khác ứng với riêng từng loại tàu. a. Tiêu chuẩn vật lý: Tiêu chuẩn này được xây dựng trên cơ sở giải bài toán cân bằng của tàu dưới tác dụng của tất cả mômen ngoại lực. Tiêu chuẩn vật lý có tính khoa học cao, sang tạo nó tạo điều kiện để tìm kiếm và áp dụng những sáng kiến mới. Tuy nhiên, việc xây dựng cũng như tính ổn định cho tàu theo tiêu chuẩn này là rất phức tạp và khó thực hiện, đặc biệt nó đòi hỏi phải có nghiên cứu thực nghiệm. Vì những lý do trên nên tiêu chuẩn vật lý chỉ được áp dụng ở một số nước như Nga, Nhật, Mỹ, Trung Quốc. b) Tiêu chuẩn thống kê: Hệ tiêu chuẩn thống kê được xây dựng trên cơ sở: - Thống kê những vụ đắm tàu do thiếu ổn định. - Xác định những yếu tố thiếu ổn định là nguyên nhân gây ra tai nạn đắm tàu. -Xác định giới hạn của những yếu tố đó và đưa ra thành tiêu chuẩn. Với cách xây dựng như vậy nên hệ tiêu chuẩn thống kê rất phù hợp với thực tế nhưng cứng nhắc, hạn chế sự sáng tạo ra mẫu tàu mới. Các tiêu chuẩn ổn định thống kê hiện nay thường thiết lập theo công trình nghiên cứu của nhà khoa học Hà Lan Rakhole. SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 8 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI Ví dụ hệ tiêu chuẩn ổn định thống kê đối với các loại tàu là hệ tiêu chuẩn do IMO thiết lập dựa trên cơ sở công trình nghiên cứu của nhà khoa học Hà Lan Rakhole, gồm một hệ sáu điều kiện như sau: h o ≥ 0,15 (m) l 30 ≥ 0,2 (m) θ m ≥ 25 0 -30 0 l đ 30 ≥ 0,055 (m) l đ40 ≥ 0,09 (m) l đ40 - l đ 30 ≥ 0,03 (m) Trong đó : h o - chiều cao tâm ổn định ban đầu của tàu. l 30 - cánh tay đòn ổn định tĩnh của tàu ở góc nghiêng 30 o . θ m - góc nghiêng ứng với cánh tay đòn ổn định lớn nhất. l đ 30 , l đ40 - cánh tay đòn ổn định động ở góc nghiêng 30 o , 40 o . 4. Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp. 4.1 Bài tập: Tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp và kiểm tra tính ổn định của tàu đã làm trong bài tập lớn số 1 và 2 theo hệ tiêu chuẩn thích hợp. 4.2…Tiến trình thực hiện: Theo nhà khoa học Nga Vlaxốp đề nghị, giá trị cánh tay đòn ổn định hình dáng l hd được tính gần đúng theo công thức : SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 9 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI l hd =y c90 f 1 (θ)+ (z c90 -z co ) f 2 (θ)+ r o f 3 (θ) + r 90 f 4 (θ) và: l hp =l hd – l tl = y c90 f 1 (θ) + (z c90 - z co ) f 2 (θ) + r o f 3 (θ) + r 90 f 4 (θ) – (Z G – Z c0 )sinθ. trong đó : z co , y c90 , z c90 , r o , r 90 - các yếu tố hình học quy đổi, có thể xác định theo các công thức như sau : • z co là cao độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng θ = 0 0 và được xác định theo công thức sau: z co = T δ+α α =                   + H T B H L B L δα α • y c90 tung độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng θ = 90 0 và được xác định theo công thức sau: y c90 = B T H k c 1 2 2 2 )2)(1( 25,0 −       −+ − δ α α δ δαα α =             δ−αα+ α − δ α α δ − L B L T H k )2)(1( 25,0 1 2 2 c 2 • z c90 là cao độ tâm nổi C ứng với góc nghiêng θ = 90 0 và được xác định theo công thức sau: z c90 = Hk c α δ δ+α α =             δ+α α α δ B H L B Lk c • r o , r 90 – bán kính ổn định ngang của tàu ứng với góc nghiêng θ = 0 0 và θ = 90 0 xác định theo các công thức như sau: r o =k r T B 12 22 δ α =k r                   δ α T H H B L B 12 2 SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 10 [...]... tay đòn ổn định động Góc nghiêng lhd ltl = θ(độ) (m) (ZG-Zc0)sinθ [1] [2] [3] lhp=lhd-ltl ∑[4] [4] lđ= [5] ∆ θ.[5] 2 [6] 0 10 … 80 90 Từ kết quả cột (4) và cột (6), vẽ đồ thị ổn định cho tàu và xác định giá trị các yếu tố đặc trưng cho đồ thị ổn định để kiểm tra ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 13 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI THỰC HÀNH Tính toán, kiểm... -0.01 -0.151 90 1 0 1 0 0 Tổng hợp kết quả tính tay đòn ổn định hình dáng theo góc nghiêng θ ở bảng Bảng Bảng tính giá trị cánh tay đòn ổn định tàu Góc nghiêng θ yc90 f1(θ) (zc90- zco) f2(θ) rof3(θ) r90f4(θ) (độ) (1) lhd = (2) + (3) + (4) + (5) (2) (3) (4) (5) (6) 0 10 … SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 12 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 80 90 Tính cánh tay đòn ổn định động Áp dụng công thức:... VB - thể tích dưới boong kín nước tính từ chiều cao H VH - thể tích tàu tính từ đáy đến chiều cao H Zg cao độ trọng tâm tàu, việc tính cao độ trọng tâm tàu tương đối phức tạp theo công thức: Zg = 1 n ∑ z i pi P i =1 Trong đ ó : P - là khối lượng toàn tàu zi, pi- là cao độ và trọng lượng của tải trọng thành phần thứ i trên tàu Ta cũng có thể chọn Zg theo tỷ số Zg H của tàu mẫu f1(θ), f2(θ), f3(θ), f4(θ)... TRẦN GIA THÁI THỰC HÀNH Tính toán, kiểm tra tính ổn định của tàu hàng ỏ bài tập đã cho 20.000 tấn, kí hiệu H170A/10502 Đối với tàu đang tính ta có: -Chiều dài đường nước thiết kế: L=100(m) -Chiều rộng đường nước thiết kế: B=18.8(m) -Chiều chìm trung bình: T=9.2(m) -Chi ều cao mạn tàu: H=13(m) α =0.879; δ =0.577; β =1.149 - Các yếu tố hình học quy đổi, có thể xác định theo các công thức như sau: zco = α... -0.2426 18.5700 1.6212 Tàu có các thông số ổn định: ho ≥ 0,15 (m) l30 ≥ 0,2 (m) θm ≥ 250-300 lđ 30 ≥ 0,055 (m) lđ40 ≥ 0,09 SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA (m) Trang 19 LÝ THUYẾT TÀU THỦY lđ40- lđ 30 ≥ 0,03 (m) GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI h= 4.174(m) l30=1,6718(m) θm=400 lđ30=0.4954 (m) lđ40=0.7969 (m) lđ40- lđ30=0,3015 (m) Vậy theo hệ tiêu chuẩn IMO tàu đủ ổn định trong điều kiện hoạt động của mình SVTH: NGÔ XUÂN...    L H T  SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 15 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 2 r0 = 1,05 2 0,909 20.8 × = 6.0686(m) 12 × 0,747 6.9 3 r90 =  z c 90 − z co    ro  y  c 90   3  5.4614 − 3,7875  r90 =   × 6.0686 = 0.6353(m) 3.5516   Zg cao độ trọng âm tàu, ta có thể chọn Zg theo tỷ số Đối với tàu hàng Zg H Zg H của tàu mẫu thường nằm trong khoảng 0,60-0,65 [3, tr.113] Zg...LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 3  z c 90 − z co   ro  y  c 90   r90=  kr- hệ số phụ thuộc hình dạng mặt đường nước, tính theo công thức gần đúng sau : kr=1,06±0,05 - đối với mặt đường nước dạng chữ S kr=1,03±0,05 - đối với mặt đường nước dạng lồi kc- hệ số tính đến ảnh hưởng của thể tích boong kín nước, xác định theo công thức do Viện sỹ Pozduynhin... 0.4187 - 50 4.8479 -0.8587 60 3.7505 0.0435 0.8193 0.0515 2.9233 70 2.0812 1.0094 - - 2.5974 SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 17 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 0.3763 0.1170 - - 80 0.7458 1.5651 0.0607 0.0960 2.1543 90 0.0000 1.6739 0.0000 0.0000 1.6739 Tính cánh tay đòn ổn định động Áp dụng công thức: θd lθđ= ∫l hp d θ = y C sin θ − ( Z C − Z CO ) cos θ + ( Z GO − Z CO )(cos θ − 1) 0 lθđ =∆θ(Σlθi... Zg theo tỷ số Zg H của tàu mẫu f1(θ), f2(θ), f3(θ), f4(θ) là các hàm số chỉ phụ thuộc vào góc nghiêng ngang của tàu θ có giá trị cho theo bảng sau SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 11 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI Bảng Giá trị các hàm f1(θ), f2(θ), f3(θ), f4(θ) phụ thuộc góc nghiêng tàu θ Góc nghiêng sin(θ) θ(độ) Giá trị các hàm fi(θ) f1(θ) (rad) F2θ) F3θ) F4θ) 0 0 0 0 0 0 10 0.1736 0.05 -0.036... =∆θ(Σlθi - (lθi+lθn)/2) =(∆θ/2) Σlθ lθđ =∆θ(l0 + l10 + l20 + … +l90 –(l0 + l90 )/2 ) Giá trị cánh tay đòn tĩnh và cánh tay đòn ổn định động Góc nghiêng lhd θ(độ) lđ= (m) [2] θ.[5] ∑[4] ltl =(ZG-Zc0)sinθ [1] ∆ 2 lhp=lhd-ltl [3] [4] SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA [5] [6] Trang 18 ∆ 2 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI 0 0 0 0 0 0 10 1.0400 0.3327 0.7073 0.7073 0.0617 20 1.9495 0.6554 1.2941 2.7087 0.2365 . 51130997 SVTH: NGÔ XUÂN NGHĨA Trang 1 LÝ THUYẾT TÀU THỦY GVHD:PGS.TS TRẦN GIA THÁI PHẦN THUYẾT MINH BÀI TẬP LỚN SỐ 3: TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA TÀU. Tính ổn định là khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng. phương pháp tính cánh tay đòn ổn định. b.1) Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp. Giáo sư Vlaxôp đưa ra bài toán xây dựng phương pháp tính tay đòn ổn định tĩnh. 40 o . 4. Tính toán cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp. 4.1 Bài tập: Tính toán, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp của giáo sư Vlaxôp và kiểm tra tính