Lý thuyết tàu tập 1 - Tĩnh học, động lực học tàu thủy

ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trần Công Nghò THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2009 LÝ THUYẾT TÀU TẬP I TĨNH HỌC ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Trần Công Nghò LÝ THUYẾT TÀU TẬP 1 TĨNH HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY (Tái bản lần thứ nhất có sửa chữa bổ sung) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2009 3 MỤC LỤC Lời nói đầu 5 Chương 1 TÍNH NỔI 7 1.1 Tính nổi tàu thủy 10 1.2 Kích thước hình học thân tàu và tỉ lệ giữa chúng 15 1.3 Đường hình vỏ tàu 20 1.4 Tính các đại lượng hình học vỏ tàu 23 1.5 Các đường cong tính nổi 26 1.6 Các phép tích phân gần đúng 27 1.7 Tính cân bằng dọc tàu 42 1.8 Công thức tính tấn đăng ký 43 Chương 2 ỔN ĐỊNH 46 2.1 Khái niệm về ổn đònh tàu 47 2.2 Ổn đònh ngang ban đầu 48 2.3 Ổn đònh dọc ban đầu 54 2.4 Ảnh hưởng của trọng vật trên tàu đến ổn đònh 54 2.5 Ảnh hưởng mặt thoáng các két chở hàng lỏng 60 2.6 Ổn đònh tại góc nghiêng lớn 63 2.7 Đồ thò ổn đònh 64 2.8 Thuật toán xác lập họ đường pantokaren 69 2.9 Dựng đồ thò ổn đònh trên cơ sở pantokaren 74 2.10 Điều kiện ổn đònh tónh 77 2.11 Ổn đònh động 78 2.12 Bảng tính kiểm tra tính nổi và tính ổn đònh theo yêu cầu của cơ quan có thẩm quyền 84 2.13 Ảnh hưởng kích thước hình học thân tàu đến đồ thò ổn đònh 89 2.14 Lập thông báo ổn đònh 91 2.15 Các trường hợp đặc biệt của tính ổn đònh 92 2.16 Những vấn đề liên quan tiêu chuẩn ổn đònh tàu 96 2.17 Thử nghiêng tàu 113 Chương 3 PHÂN KHOANG VÀ CHỐNG CHÌM TÀU 121 3.1 Vài nét về lòch sử phân khoang 121 3.2 Tính chống chìm 122 3.3 Ổn đònh tàu bò ngập một hoặc nhiều khoang 124 4 3.4 Yêu cầu ổn đònh đối với tàu bò thủng theo công ước 1960 185 3.5 Phân khoang 136 3.6 Xác đònh chiều dài tối đa của khoang 139 3.7 Các yêu cầu đặc biệt về phân khoang tàu khách 141 3.8 Dùng đồ thò xác đònh đường cong chiều dài phân khoang 142 3.9 Đánh giá phân khoang theo lý thuyết xác suất 145 Chương 4 CHÒNG CHÀNH TÀU 155 4.1 Sóng nước 157 4.2 Sóng tự nhiên 159 4.3 Các chuyển động lắc tàu 173 4.4 Lắc tàu với biên độ nhỏ 175 4.5 Những công thức kinh nghiệm xác đònh chu kỳ dao động tàu trên nước tónh 177 4.6 Lắc tàu trên sóng điều hòa 180 4.7 Dao động phi tuyến của tàu 184 4.8 Chuyển động dọc của tàu trên sóng điều hòa 190 4.9 Chuyển động ngang của tàu trên sóng điều hòa 192 4.10 Chuyển động tàu trên sóng tự nhiên 198 4.11 Giảm lắc tàu 199 4.12 Xác đònh lực thủy động tác động lên vỏ tàu 206 Chương 5 TÍNH ĂN LÁI 235 5.1 Khái niệm cơ bản về tính ăn lái 235 5.2 Lực và mômen tác động lên tàu khi chuyển động cong 246 5.3 Phương trình vi phân chuyển động 254 Tài liệu tham khảo 271 5 Lời nói đầu Cuốn sách “LÝ THUYẾT TÀU” in l ần này là tái bản từ “Lý thuyết tàu” tập 1, 2, 3, Đại học Giao thông V ận tải TP Hồ Chí Minh xuất bản tháng 1 năm 2004. Sách dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành đóng tàu, công trình ngoài khơi và là tài liệu tham khảo cho kỹ sư trong ngành. Đầu đề “LÝ THUYẾT TÀU” chúng tôi xin phép sử dụng chính thức dựa theo ý kiến đóng góp của nhiều đồng nghiệp, những nhà nghiên cứu, giảng dạy chuyên ngành. LÝ THUYẾT TÀU trình bày những chương thuộc tónh học: TÍNH NỔI, TÍNH ỔN ĐỊNH, ỔN ĐỊNH TAI NẠN - PHÂN KHOANG CHỐNG CHÌM và động lực học: CHÒNG CHÀNH (LẮC TÀU), SỨC CẢN VỎ TÀU, THIẾT BỊ ĐẨY TÀU, TÍNH ĂN LÁI VÀ TÍNH GIỮ HƯỚNG. Tài liệu trong lần in này được sửa những lỗi đã có trong lần xuất bản trước, bổ sung thêm ví dụ sử dụng. Sách in thành hai tập: tập đầu đề cập các chương: tính nổi, ổn đònh, phân khoang chống chìm, chòng chành, tính ăn lái; tập thứ hai dành cho sức cản, thiết bò đẩy tàu, chủ yếu là thiết kế chân vòt tàu thủy, cùng đồ thò, bảng biểu phục vụ công việc thiết kế. Các đồ thò tính sức cản tàu thường gặp, đồ thò giúp thiết kế thiết bò nay trình bày tại phụ lục tập 2. Ký hiệu dùng trong sách được chép lại từ tài liệu do Tổ chức hàng hải quốc tế IMO và các hội nghò ITTC khuyến khích dùng. Bên cạnh đó, những ký hiệu theo cách viết của người Nga song đã rất quen thuộc với bạn đọc lớn tuổi chúng tôi ghi lại như tài liệu đối chứng, giúp người đọc dễ dàng so sánh khi tìm hiểu vấn đề. Trong mỗi chương, người viết có nhã ý trình bày trước những vấn đề mang tính phổ thông để mọi người cùng sử dụng trong công việc hàng ngày; những vấn đề đang tranh cãi được nêu ở phần sau và chính đây là những điểm rất mong bạn đọc góp phần giải quyết. Trong quá trình biên soạn, người viết nhận được sự giúp đỡ thiết thực từ phía các đồng nghiệp các trường đang giảng dạy chuyên ngành tàu, từ đồng nghiệp đang thiết kế, chế tạo và sử dụng phương tiện thủy và những người đang học trong ngành đóng tàu. Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu và những góp ý cụ thể để cuốn sách tốt hơn. Mặc dù đã sửa xong, người viết vẫn biết rằng tài liệu đang còn có những khiếm khuyết, rất mong bạn đọc đóng góp xây dựng, cùng hoàn thiện. Mọi chi tiết xin liên hệ: Khoa Đóng tàu và Công trình nổi, Trường Đại học Giao thông vận tải Tp Hồ Chí Minh. Người viết Trần Công Nghò 6 7 Chương 1 TÍNH NỔI Các ký hiệu Ký hiệu dùng trong chương này phù hợp với khuyến cáo IMO và ITTC Ký hiệu dùng chung Ký hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh a gia tốc linear acceleration A diện tích area W A diện tích đường nước waterplane area B chiều rộng breadth D, d đường kính diameter D chiều cao tàu depth d mớn nước tàu draught, draft E năng lượng energy F lực nói chung force g gia tốc trọng trường acceleration due to gravity H, h chiều cao nói chung height, depth h chiều cao cột nước head w h chiều cao sóng height of wave L chiều dài nói chung length w L ,λ chiều dài sóng wave length m khối lượng mass p áp suất pressure P công suất nói chung power, generally Q lưu lượng rate of flow R, r bán kính radius t thời gian time t, T nhiệt độ temperature T chu kỳ period u, v, w tốc độ thành phần velocity components U, V tốc độ velocity W, w trọng lượng weight 8 Hình học vỏ tàu M A diện tích sườn giữa tàu area of midship section W A diện tích đường nước area of waterplane AP trụ lái aft perpendicular B chiều rộng tàu breadth, beam (moulded) B tâm nổi phần chìm centre of buoyancy BM khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm nghiêng M trong mặt cắt ngang metacentre above centre of buoyancy L BM khoảng cách từ tâm nổi B đến tâm nghiêng M trong mặt cắt dọc longitudianal metacentre above centre of buoyancy CB, B C hệ số đầy thể tích block coefficient CM, M C hệ số đầy mặt cắt giữa tàu midship coefficient CP, P C hệ số đầy lăng trụ longitudinal prismatic coefficient CW, W C hệ số đầy đường nước waterplane coefficient d mớn nước draught, draft D chiều cao tàu depth moulded D lượng chiếm nước displacement weight FA trụ mũi foreward perpendicular Fb mạn khô tàu freeboard G trọng tâm tàu centre of gravity GM chiều cao tâm nghiêng metacentric height L GM chiều cao tâm nghiêng dọc longitudinal metacentric height GZ tay đòn ổn đònh stability lever L I mômen quán tính dọc của đường nước longitudinal moment of inertia of waterplane T I mômen quán tính ngang của đường nước tranverse moment of inertia of waterplane p I mômen quán tính trong hệ độc cực polar moment of inertia KB chiều cao tâm nổi trên đáy center of gravity above moulded base (keel) L chiều dài tàu nói chung lenght Loa chiều dài toàn bộ length over all Lpp chiều dài giữa hai trụ length between perpendiculars Lwl chiều dài đường nước waterplane length M tâm nghiêng metacenter Sw mặt ướt vỏ tàu wetted surface T mớn nước tàu draft moulded V thể tích phần chìm displacement volume α ≡ C W hệ số đầy thể tích β ≡ C M hệ số đầy mặt giữa tàu δ ≡ C B hệ số đầy thể tích ϕ ≡ C P hệ số đầy lăng trụ Δ ≡ D lượng chiếm nước của tàu displacement weight ∇ ≡ V thể tích phần chìm displacement volume 9 Tàu thủy ra đời cách đây đã ba, bốn ngàn năm. Cuối năm 1999 người ta đã tìm thấy xác tàu gỗ, chôn vùi dưới đáy biển khoảng hai ngàn rưỡi năm. Tàu thủy đã và đang được nghiên cứu, cải tiến nhằm đáp ứng ngày một tốt hơn đòi hỏi về mọi mặt của con người. Đội tàu ngày nay có thể chia làm các nhóm chính sau đây. Tàu làm việc trên nguyên tắc khí động học Trong nhóm này có thể kể hai kiểu tàu đang được dùng phổ biến: Tàu trên đệm khí ( air cushion vehicle - ACV) tựa hẳn trên một “gối khí” áp lực đủ lớn, được một “váy” mềm bao bọc. Tàu hoạt động nhờ lực nâng của “gối”, lực đẩy của chong chóng. Trong lónh vực vận tải người và hàng, người ta đã đóng ACV chở 300 khách, vận tốc 60 HL / h . Kiểu tàu thứ hai là của nhóm không “mặc váy” nhưng tận dụng ngay thành cứng kéo dài xuống của tàu làm màng giữ khí áp lực lớn. Kiểu này trong ngôn từ chuyên môn gọi là captured-air-bubble vehicle - CAB. Biến dạng của nhóm tàu còn là tàu bọt khí , đẩy bằng thiết bò phụt nước hoặc chân vòt siêu sủi bọt. Tàu làm việc trên nguyên tắc thủy động lực Tàu nhóm này làm việc trong nước, làm việc trên nguyên lý thủy động lực. Tàu sử dụng lực nâng của cánh chìm, chạy trong nước, để nâng tàu lúc chạy gọi là tàu trên cánh theo cách gọi của người Nga, thường được gọi là tàu cánh ngầm . Từ chuyên ngành bằng tiếng Anh là hydrofoil vehicle . Cánh của tàu được dùng dưới hai dạng khác nhau, dạng thường thấy là cánh máy bay, được bẻ gập thành chữ V, đỡ thân tàu. Bản thân cánh chạy ngầm sát mặt nước. Dạng sau người Mỹ gọi là cánh ngầm ( submerged foils ), với hai chân mang hai thanh trượt, giống như người trượt tuyết. Tàu lướt thuộc nhóm này. Tàu có kết cấu đáy dạng tấm trượt, thường được gập thành hình chữ V ( deep Vee ). Tấm trượt khi lướt trong nước chòu lực nâng và lực này nhấc một phần tàu lên, giảm thể tích phần chìm khi chạy. Từ chuyên môn thường gọi đây là planing craft. Nhóm đông đúc nhất là tàu hoạt động trên nguyên lý của đònh luật Archimedes , gọi là tàu nổi ( displacement ships ). Trong trạng thái đứng yên cũng như trạng thái chạy lực đẩy tàu từ dưới lên, gọi là lực nổi do nước tác động, luôn cân bằng với trọng lượng toàn tàu trong trạng thái ấy. Nhóm này bao gồm các loại tàu chạy sông, tàu đi biển như tàu chở hàng, tàu chở dầu, tàu khách nói chung, tàu kéo, tàu đánh cá Xét về thân tàu, đặc biệt phần thân chìm dưới nước có tàu một thân, tàu nhiều thân như catamaran hai thân, trimaran ba thân. Trong số tàu hai thân còn có một dạng đặc biệt, thân chính thể tích lớn, chìm trong nước, trong khi đó diện tích mặt đường nước của tàu khá nhỏ. Tàu này có tên gọi tàu đường nước nhỏ . Ngoài ra, cùng loại tàu nổi này còn có tàu ngầm, hoạt động chủ yếu trong lòng nước, trên nguyên tắc tàu nhóm ba vừa nêu. Trong các phần sau tài liệu sẽ đề cập đến tàu làm việc theo nguyên lý của đònh luật Archimedes. [...]... tàu L/B B/T H/T L/H 7 - 10 2,3 - 3 ,1 1,36 - 1, 7 12 - 15 Tàu khách đi biển 6,5 - 7,5 2,6 - 3,2 1, 35 - 1, 45 10 - 14 Tàu khách đi biển cỡ lớn 7,20 - 8,0 2,4 - 2,6 1, 30 - 1, 50 12 - 14 Tàu khách đi biển cỡ vừa 6,5 - 7,5 2,3 - 2,5 1, 30 - 1, 5 10 - 14 Tàu khách đi biển cỡ nhỏ 6,0 - 7,0 2,2 - 2,4 1, 2 - 1, 4 10 - 14 Tàu hàng rời 6,2 - 7,0 2,3 - 2,80 1, 7 - 2,0 9 - 11 Tàu khách đi biển cỡ lớn 20 Tàu container Tàu. .. tính: k1 = d1 2, 39 = = 0, 456 ; và 5, 25 d k2 = d2 =1 d Bảng 1. 5 Sườn y Hệ số c yc x d x d x yc( )2 d y3 cy3 Sườn (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10 ) (11 ) O’ 0 ,1 0,228 0,02 -4 , 912 -0 ,10 -4 , 912 0,49 0 0 O’ ½‘ 2,3 0, 912 2 ,10 1 3,37 0,487 1, 61 -4 ,456 -9 ,36 -4 ,456 41, 71 12, 71 11, 09 ½‘ -4 -6 ,44 -4 25,76 38,27 18 ,28 1 1½ 3,90 1 3,9 -3 ,5 -1 3 ,65 -3 ,5 47,77 59, 31 59, 31 1½ 2 4,20 0,75 3 ,15 -3 -9 ,45 -3 28,35... 39,0 1 2 23,3 0,75 17 ,5 -3 -5 2,5 47,9 0,75 35,92 2 3 28,6 2 57,2 -2 -1 1 4,4 55,4 2 11 0,8 3 4 29 ,1 1 29 ,1 -1 -2 9 ,1 56,0 1 56,0 4 5 27,9 2 55,8 ∑(6)T =-3 02,43 56,3 2 11 2,6 5 6 25,7 1 25,7 1 25,7 54,0 1 54,0 6 7 22,4 2 44,8 2 89,6 50,3 2 10 0,6 7 8 16 ,7 0,75 12 ,53 3 37,59 40,0 0,75 30,0 8 8½ 13 ,0 1 13 3,5 45,5 31, 2 1 31, 2 8½ 9 9,0 0,5 4,5 4 18 ,0 22,5 0,5 11 ,25 9 9½ 4,5 1 4,5 4,5 20,25 12 ,3 1 12,3 9½ 10 0... Tàu container Tàu dầu lớn Tàu dầu cỡ trung Tàu kéo đi biển 6,2 - 7 2,7 - 3,0 1, 7 - 2 9 - 11 6-7 2,5 - 3,0 1, 29 - 1, 40 12 - 14 6,6 - 7,5 2,3 - 2,5 1, 20 - 1, 31 12,5 - 14 ,0 3-4 2,4 - 3,0 1, 20 - 1, 40 6-8 1. 3 ĐƯỜNG HÌNH VỎ TÀU Đường hình lý thuyết của vỏ tàu được biểu diễn trong hệ tọa độ gắn liền với vỏ tàu như trên hình 1. 9 Trục Oz hướng lên trên Trục Ox trùng với chiều dọc tàu, hướng về trước, còn trục... lượng V - thể tích phần chìm, chiều cao tâm nổi, hoành độ tâm nổi, bán kính tâm nghiêng ngang, nghiêng dọc của tàu Bảng 1. 7 Sườn S(x) m2 Hệ số c Sc x d (1) (2) (3) (4) (5) O’ 1, 0 0,228 0,23 ½‘ 5,0 0, 912 1 11, 5 1 Sc x d Mxoy m3 Hệ số c Mxoyc Sườn (6) (7) (8) (9) (10 ) -4 , 912 -1 , 13 1, 6 0,228 0,36 O’ 4,56 -4 ,456 -2 0,3 14 ,1 0, 912 12 ,85 ½‘ 0,487 5,5 -4 -2 2,0 27,4 0,487 13 ,1 1 18 ,0 1 18,0 -3 ,5 -6 3,0 39,0 1 39,0... 4,35 2 8,70 -2 -1 7 ,4 -2 34,80 82, 31 164,62 3 yc x d 32 4 4,37 1 4,37 -1 5 4,37 2 8,74 ∑(6)T =-6 0,77 -4 ,37 -1 4,37 83,45 83,45 4 0 0 83,45 16 6,90 5 6 4,37 1 4,37 1 4,37 1 4,37 83,45 83,45 6 7 4,34 2 8,68 8 3,79 0,75 2,84 2 17 ,36 2 34,72 81, 75 16 3,5 7 3 8,52 3 25,56 54,44 40,83 8 8½ 3, 21 1 9 2,4 0,5 3, 21 3,5 11 ,24 3,5 39,36 33,08 33,08 8½ 1, 20 4 4,80 4 19 ,20 13 ,82 6, 91 9 9½ 1, 37 1 1,37 4,5 6 ,17 4,5 27,76... nhỏ 0,70 - 0,75 0,80 - 0,85 0,96 - 0,98 Tàu hàng rời 0,73 - 0,80 0,78 - 0,83 0,96 - 0,99 Tàu container 0,60 - 0,68 0,80 - 0,85 0,97 - 0,98 Tàu dầu lớn 0,75 - 0,85 0,83 - 0,88 0,98 - 0,98 Tàu dầu cỡ trung 0,72 - 0,78 0,78 - 0,86 0,97 - 0,99 Tàu kéo đi biển 0,45 - 0,55 0,70 - 0,78 0,80 - 0,90 Tỷ lệ H/T đặc trưng cho tính ổn đònh tàu ở các góc nghiêng lớn, tăng khả năng chống chìm của tàu Bảng 1. 2b: Tỷ... (1. 20) và (1. 23) Sườn AW, m2 Hệ số C AWC x d (1) (2) (3) (4) (5) (6) 4 222 ½ 11 1 4 444 3 2 01 2 402 3 12 06 2 17 0 ¾ 12 7,5 2 255 1 14 6 1 146 1 219 1 110 ½ 55 1 55 ½ 60 1 60 ½ 30 AWC x d 34 0 0 ¼ 0 0 0 ∑(4) = 9 01, 5 2 dΣ( 4 ) = 360, 6 m3 3 V = Thể tích phần chìm: KB = d Chiều cao tâm nổi: ∑(6) = 2209 Σ( 6) = 1, 48 m Σ( 4) Ví dụ tính các đặc trưng hình học dựa vào biểu đồ Bonjean: Diện tích các sườn tàu. .. đònh tàu, ảnh hưởng lớn đến sức cản vỏ tàu khi chạy trong nước và tính quay trở của tàu Bảng 1. 2a: Hệ số đầy của các tàu thường gặp trong thực tế Kiểu tàu CB CW CM Tàu khách đi biển cỡ lớn 0,56 - 0,70 0,70 - 0,80 0,95 - 0,96 Tàu khách đi biển 0,50 - 0,60 0,70 - 0,80 0,85 - 0,96 Tàu khách đi biển cỡ lớn 0,62 - 0,72 0,80 - 0,85 0,95 - 0,98 Tàu khách đi biển cỡ vừa 0,65 - 0,75 0,80 - 0,85 0,96 - 0,98 Tàu. . .10 1. 1 Tính nổi tàu thủy Tàu thủy nổi trên nước, tàu ngầm nổi trong nước chòu tác động đồng thời hai lực ngược chiều nhau Trọng lực gồm trọng lượng bản thân tàu, trọng lượng hàng hóa trên tàu, máy móc thiết bò, dự trữ cùng hành khách trên tàu tác động cùng chiều hút của trái đất Lực nổi do nước tác động theo chiều ngược lại Lực nổi Trong hệ toạ độ gắn liền với tàu, gốc tọa độ đặt . 7,20 - 8,0 2,4 - 2,6 1, 30 - 1, 50 12 - 14 Tàu khách đi biển cỡ vừa 6,5 - 7,5 2,3 - 2,5 1, 30 - 1, 5 10 - 14 Tàu khách đi biển cỡ nhỏ 6,0 - 7,0 2,2 - 2,4 1, 2 - 1, 4 10 - 14 Tàu hàng rời 6,2 - 7,0. Bảng 1. 2b: Tỷ lệ các kích thước chính Kiểu tàu L/B B/T H/T L/H Tàu khách đi biển cỡ lớn 7 - 10 2,3 - 3 ,1 1,36 - 1, 7 12 - 15 Tàu khách đi biển 6,5 - 7,5 2,6 - 3,2 1, 35 - 1, 45 10 - 14 Tàu. trên sóng điều hòa 19 2 4 .10 Chuyển động tàu trên sóng tự nhiên 19 8 4 .11 Giảm lắc tàu 19 9 4 .12 Xác đònh lực thủy động tác động lên vỏ tàu 206 Chương 5 TÍNH ĂN LÁI 235 5 .1 Khái niệm cơ bản