Lập trình ứng dụng trong thiết kế và đóng tàu trần công nghị (chủ biên), võ trọng can pdf

TRÄN CŨNG NGHỊ (Chủ biên), vũ TRỌNG CANG pTTj [ T iT J m T M S R r » f J ffllH l ■ ĐẠI HỌC QUỒC GIA TP HO CHI MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Trần Công Nghị (Chủ biên), Võ Trọng Cang LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KỂ VÀ ĐÓNG TÀU T H Ư V ì EM 0 NHÀ XUẤT BẲN ĐẠI HỌC QUÔC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2013 GT.QỊ.KTh(V) 791 -2013/CXB/03-40 ĐHQG.HCM-13 GT.KTh.830'-13(T) MỤC LỤC Chương I NỘI SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS 1.1 Nội suy lagrange 1.2 Nội suy spline 1.3 Hàm hóa kết đo từ thí nghiệm, từ thống kê 1.4 ứng dụng phương pháp Nurbs tạo mặt vỏ tàu 1.5 Nurbs mặt vỏ tàu 7 11 25 39 57 Cltương PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÌM ĐIẼM TỐI Ưu 2.1 Qui hoạch tuyến tính (Linear programming) 2.1.1 Phương pháp đồ thị 2.1.2 Phương pháp Simplex 62 64 64 67 2.2 Qui hoạch phi tuyến (Nonlinear programming) 2.2.1 Hàm biến 2.2.2 Hàm nhiều biến 2.2.3 Xác định minmum (hoặc maximum) hàm biến 2.2.4 Phương pháp tìm trực tiếp (không qua giai đọan tính gradient) hàm nhiều biến, miền không hạn chế 2.2.5 Những phương pháp sử dụng gradient, miền không hạn chế 2.2.6 Tìm điểm minimum hàm miền hạn chế 2.2.7 Tìm trực tiếp miền hạn chế 2.2.8 Sử dụng matlab giải toán tìm điểm tối ưu 74 74 75 77 84 91 107 124 133 Chương THI ÉT KÉ TÓI Ưu TÀU THỦY 3.1 Đánh giá tiêu kinh tế - kỹ thuật tàu 3.2 Sơ đồ tính hiệu kinh tế tàu 3.3 Thiết kế tối ưu tàu vận tải 3.4 Thiết kế tàu chở Container 3.5 Thiết kế tàu cá 143 143 145 146 157 161 Chương TÍNH NÒI VÀ TÍNH ỎN ĐỊNH TÀU 4.1 Tính tàu thủy 4.1.1 Kích thước hệ số thân tàu 4.1.2 Tỉ lệ Bonjean 4.1.3 Thể tích phần chim đại lượng liên quan đến thể tích 4.1.4 Các đường cong tính 1.5 Tính đường thủy tĩnh máy cá nhân 4.1.6 Biểu đồ mang tên Firsov 169 169 169 173 173 174 176 178 4.2 Ổn định tàu 4.2.1 Ổn định ban đầu 4.2.2 Ồn định góc nghiêng lớn 4.2.3 ỉ)ồ thị ổn định 180 180 181 183 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 Thuật toán xác lập họ đường cross curves (pantokaren) Tiêu chuẩn ổn định Giới thiệu chưcmg trình tính tính tàu Lập thông báo ổn định cho thuyền trưởng Xây dựng phần mềm phục vụ xếp hàng, xác định moment uốn lực cắt tàu đánh giá ổn định tàu hoạt động biển 4.2.9 Phần bổ sung 184 189 196 204 212 215 Chương TÍNH sức CẢN VỎ TÀU THIẾT KÉ CHÂN VỊT TÀU THỦY TÍNH TOÁN CHÒNG CHÀNH TÀU TRÊN SÓNG 219 PHẦN I: SỨC CẢN VỎ TÀU 5.1 Sức cản 5.2 Công suất hữu hiệu 5.3 Các phương pháp kinh nghiệm tính sức cản vỏ tàu 219 219 223 223 PHẦN II THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU THỦY 5.4 Đặc tính hình học chân vịt 5.5 Đồ thị thiết kế chân vịt 5.6 xâm thực chân vịt tàu 5.7 Độ bến cánh chân vịt 5.8 Thiết kế chân vịt tàu thủy cánh cố định 5.9 lập chương trình thiết kế chân vịt tàu 5.10 Vẽ chân vịt máy cá nhân PC 237 237 244 252 257 261 269 279 PHẦN III CHÒNG CHÀNH TÀU TRÊN SÓNG 5.1 Lắc ngang tàu sóng điều hòa 5.2 Hàm rao 5.3 Xác định đặc trưng lắc ngang, lắc đứng, lắc dọc 5.4 Xây dựng phần mềm đánh giá lắc ngang tàu sóng biển 5.5 Chương trình máy tính mô chuyển động dọc tàu 5.6 Bổ sung tài liệu 292 292 293 295 300 307 320 Chương TÓI Ư u HÓA KÉT CẤU 6.1 Xây dựng toán thiết kế kết cấu tối ưu 6.2 Tối ưu tuyến tính 6.3 Tối ưu phi tuyến 326 326 330 345 LỜI NÔI ĐẦU Cuốn sách “Lập trình ứng (lụng thiết ké đóng tàu ” lù in sau sửa chữa, bỏ sung cua sách “Tin học ứng dụng thiết ké đóng tàu" NXB Đại học Ouốc gia TP.HCM phát hành từ 2002 Những đê tài tài liệu bao gồm: Lập trình tính toán tính nôi tính ôn định tàu thăn, tàu nhiêu thân, Tính sức cản vỏ tàu, lập trình thiêt kẽ chân vịt tàu thủy, vẽ chân vịt tàu máy tính CP, Tính toán tính núng biên (seakeeping) tàu, xây dựng chương trình tính chòng chành tàu sóng điêu hỏa trẽn sóng biên, Các phương pháp, thuật toán tính toán ưu ứng dụng vào thiết kế tối ưu tàu thủy, thiết kế kết cấu, Các phương pháp nội suy hàm hỏa giúp giải cân tùu nước, vẽ hiệu chỉnh sườn tàu, đường hình tàu Tính cúc đường cong VCI mặt cong spline, B-spline, NƯRSB thiêt kê, mô vỏ tàu Sách trình bày theo cách tiện lợi cho người đọc Hai chương đâu giúp bạn dọc nhớ lại hiên biết cân thiêt vê cúc phương pháp lỉnh toán liên quan đên nội dung đê tài, cỏ điểu kiện làm quen chương trình lính viết bang ngôn ngữ C Matlab áp dụng rộng rai tính toán Các chương trình máy tính nhỏ - tụm chuyên ngừ từ procedure, subroutine, dược dừng tính toán vân đẽ liên quan khúc ngành tàu Nội dung sách chu yêu góm kiến thức đa truyẽn đạt trường đại học chuyên ngành Trên sở van đề trình bày bạn đọc tìm hiếu thêm giải thuật xử lý toán cụ thê dang dặt cách hoàn thiện chương trình lính dựa vào giai thuật vừa cỏ Các giai thuật tính toán tính nang, tính nói, ổn định, tính sức cản, chọn máy phù hợp, thiết ké chân vịt cánh cố định cho tàu, tính di biên (sea keeping), vẽ tàu đd thư nghiệm vù đưa veto ứng dụng Tài liệu sách cỏ thô giúp ích cho sinh viên theo học ngành đỏng tàu, kỹ sư lùm việc lĩnh vực đóng sửa tàu, thiêt kê, nghiên cứu tàu dông đảo bạn dọc quan tâm đên tàu thúy Những người vièt xin chan thành cúm ơn cúc đông nghiệp, Tỏ giáo trình Trường Đại học Bách khoa Tp Ho Chí Minh, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM giúp in lụi sách Chương NỘI SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS Trong chương giới thiệu phương pháp tính dùng nội suy hàm hóa xử lý vấn đề thường gặp thiết kế vỏ tàu, tính toán tính tàu thủy, xử lý kết đo đạc từ thí nghiệm quan sát Các phương pháp nêu chương giúp người thiết kế nội suy, ngoại suy với yêu cầu đảm bảo xác đường cong, mặt cong Những hiểu biết phương pháp NURBS, viết tắt từ Non-Uniform Rational B-Spline, giúp kỹ sư tàu thủy nắm bắt phương pháp tự động hóa vẽ đường hình tàu, tàu 1.1 NỘI SUY LAGRANGE Đa thúc nội suy Lagrange viết dạng1: /(x) =p„(x) + R„(x) ( 1) dạng đầy đủ: /(x ) = y z.,(x )/(x ,)+ r í ( x - x ;) ,a < ệ < b tí L'=0 J (n + ỉ)l n / x -x , \ L, (x) = Ị~] -X 7=0 /*' ( 1.2) (1.3) Đa thức p n(x) = Y /,, (x) f (X, ) mang tên gọi da thức Lagrange, vế sau phía phải /=0 công thức gọi hàm sai số Đa thức p„(x) mặt khác hiểu đa thức bậc n, có dạng: Pnự) = a0(x - X|) (X - x2) (X - x„) + + ClI(X - Xo) (x - x2) (x - x„) + + a2(x - Xo) (x - X|) (x - x„) + + a,(x - Xo) (x - X|) (x - x,.|) (x - X/+]) (x - x„) a„(x - Xo) (x - X|) (x - x„.2)(x - x„.| ) - (1.4) R.W Hamming “Numerical Methods for Scientists and Engineers", McGraw-Hill, N.Y, 1962, F.B Hildebrand, Introduction to Numerical Analysis”, McGraw-Hill, N.Y., 1956 Hoffman, J.D., "Numerical Methods for Engineers and Scientists ” , 2nd edition, Marcel Dekker, Inc., New York (1992,2001) CHƯƠNG ì Các hệ sổ ao, a 1, Ỡ2v tính từ quan hệ: =ẨXi) = yr, /= 0,1,2, (1.5) Lần lượt thay X = Xo, X = X|, vào công thức cuối xác định công thức tính hệ so Ví dụ, từ p„(xo) = Vo = ao(xo - xi)(xo - X2) (xo - x„) nhận được: «0 = f ( x 0) (x0 -x ,)(x - x 2) (x0 - x „ ) tương tự có the viết: a, = - ,IV — (x, - x 0)(x, - x 2) (x, -x „ ) = /(* „ ) (x„ - x 0)(x„ -x,) (x„ -x„_,) Hệ số thứ / mang dạng chung: a — / (7 ) (x, - x 0)(x, -x,) (x, -x^.X x, - x , +1) (x, -x „ ) ( 6) Thay biểu thức vừa xác định vào vị trí ao, a\, , an nhận công thức nội suy hay gọi đa thức Lagrange: Pn(x) + + ( x - x , ) ( x - x 2) (x -x n) (*0 - *1 )(*0 - *2 )-O o - x„) ( x - x 0) ( x - x 2) (x -x „) To + 77 - :—7 -7 T + (7 - x0)(x, - x2) (x, - x„) (1.7) Q -* o ) ( x - )•••(*-7 ,-1) (x„ - x 0)(x„ -x,) (x„ ( dạng gọn trình bày p n(x) = ^ L, ( x )/( x ,), với /=0 L (x) = p f %0 J*i X- X X, X \ I Những trường họp riêng lẻ hàm nội suy Lagrange sau với n = 1: ( x - x ,) ( x - x 0) P\ (x) = - — To + — T| (x0 - x , ) ( x , - x 0) ( 8) với n = 2: ( x - x , ) ( x - x 2) ( x - x 0) ( x - x 2) ( x - x 0) ( x - x ,) Pi (x) = - 7 —7 To + 7— — T T | + — -— - 7 -— , T2 (x0 - X, )(x0 - x2) (7 - x0)(x, - x2) (x2 - x0)(x2 - X, ) với n = , (x - X, ) ( x - x ọ)(x - X ) (x - xn) ( x - x,,)(x - xq) p 3(x ) = -77 -*-77 - ~ 7To + Ti (x - Xj ) ( x0 - x 2) ( x - x 3) (x - x0 ) ( Xj - x2X X, - x3) (x - x ữ) ( x - X, ) ( x - X , ) (x - x0) ( x - xx) ( x - x3) (x —x n ) ( X —x, ) ( x —x9) (x - x0) ( x - x l ) (x - x 2) (1.9) Nộ/SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS Hàm p i(x) đoạn thẳng qua hai điểm (x void L a g r a n g e (xa, y a , n, X, y, dy) float x n [], y a [], x,*y, *dy; int n; { int i , m , n s = l ; float den, dif, dift, h O , hp, w; float *c, *d, * v e ctor0 ; dif = f a b s ( x-xa[q]); c = vector(l,n); d = v e c t o r (1,n ) ; for if (i=l; i c[i] = y a [ i ] ; d [i ] = y a [i ] / } { )) < dif) { 41|8 0698 CHƯƠNG ỉ 10 *y = ya[ns— ]; for ( m = l ; mmin Những điều kiện bền, ổn định kết cấu tính công nghệ sau: 1) Tiêu chuẩn đảm bảo bền chịu uốn: M = -r-< ƠM z — z > M ơall ơaii - ứng suất cho phép (allowable stress) (a) TÔ I ưu HÓA K É T 371 CẢU 2) ủng suất cắt (ứng suất tiếp) trường hợp chung tính theo công thức: S.A s r = — — = — — < X iii t.I a «/ hiểu theo nghĩa f - ht > với Taii (b) s (c) 0,85ro// = /o - ứng suất cắt, (ứng suất tiếp) cho phép 3) Tiêu chuẩn đảm bảo ổn định nêu chung dạng sau: h - - m0 (d) Đại lượng ký hiệu m = h/t; phần giải thích tiếp tục 4) Đe đảm bảo tính công nghệ: t >/o 5) Đảm bảo tính ôn định cục bộ: b /tị < (e) no (í) b Giá trì «0 với nữ = — giải thích phần tiếp h Bài toán dạng nên xử lý khuôn khổ phương pháp complex Những yêu cầu thể qua công thức tính: M Mô đun chông uôn càn thiêt z = — ,, chiêu dày thành phải thỏa mãn điêu kiện s 0,85/? / £ T all ■ Diện t ích thành f = hi > r~f 0,85r , diện tích/i tính băng òiti, tưorng đưorng a ll / cách tính — - — Trên sở xác định công thức tính diện tích frofĩl I mặt c ắ t: h K _ _ z, K - \ F = A = — + ht h K (a) Giới hạn toán: h —< m t (b) t >/ fo (d) 372 CHƯƠNG Để ý rằng, toán tối ưu kết cấu dầm chữ I có hai biến h t ba hạn chế thể dạng bất đẳng thức Công thức xác định K, quan hệ với chiều dày, diện tích liên kết, hệ số p nêu quan hệ hai khoảng cách /í/ so với trục trung hòa, giá trị m tham khảo phần trước Chiều dày tối thiểu tôn to nhằm thực thi tính công nghệ chế tạo thân tàu Giải toán phương pháp đồ thị phương pháp tìm trực tiếp miền hạn chế, trình bày chương Xác định chiều cao thích hợp Quay lại công thức (a) trang 370 vừa nhắc, t = to viết: „_z, K -\1 F = — + — htữ h K (a) Các đường hạn chế thể hình 6.36 Từ ——= - —- + tn = có thê xác định được: õh h2 K ữ Ị K z, \ K - t0 (b) Có thể thấy rõ hình 6.36, điểm tối ưu A thể chiều cao tối ưu h kết cấu, phải nằm đường giới hạn toThay hai giá trị K lớn nhỏ thấy rõ: u (c) Có thể nhận giá trị sau thiết kể: (d) V = U 6ÍẶ V*0 Nếu tiến hành áp đại lượng m = h/t vào công thức tính nhận quan hệ: K _ z, K - \ t' Nêu ký hiệu: 0,57: (d) h + 0,57 Y 102 cry \ Trong rât nhiêu kêt câu thường gặp giá trị m năm phạm vi: m = — < 70 + 100 t (í) 375 T Ò I Ư IJ H Ó A K É T C Á U Vì f = h.t = —- , từ điều kiện đảm bảo khả chịu lực cắt, chiều cao tối thiểu m thành đứng là: (g) (h) Đe tránh tình trạng tăng chiều cao mức nhằm đạt giá trị đủ lớn cho moment quán tính mặt cắt, thiết phải xác định diện tích tối ưu điều kiện biến h Nói cách khác cần xác định A -> để có h, tính theo z Công thức gần tìm sau giải phương trinh là: hnp, = 0,8 ự z ^ Mô đun (i) M z xác định từ đòi hỏi z = —— chiêu dày thành đứng theo quan hệ: [...]... cùng miêu tả quá trình nội suy bậc 1, tức dựa vào hàm tuyến tính để xác định giá trị tại 1 điểm hoặc nhiều diêm người dùng yêu cầu o o o o o o ° o o o o o 0 ° oo o o o o° ° ° o o a) b) Hình 1.9 Hình 1.10 phía phải trình bày cách xây dựng hàm tuyến tính, trong tài liệu này đang dùng từ đồng nghĩa là hàm hóa, bao quát kết quả đã công bố, trong hệ tọa độ Oxy Khác với quá trình nội suy, trong đó người ta... hiện đường cong tự nhiên của vỏ tàu rất sát thực tế Trong trường hợp thanh thước giả định trên đây chưa bị gẫy, có thể thấy rằng ,S' và liên tục trong [x0, JC„] Mặt khác từ lý thuyết về dầm trong cơ học có thể thấy rõ đường s(x) là da thức bậc ba (cubic) của X có tính liên tục qua các nút Đạo hàm bậc một và bậc hai của s(x) cũng liên tạc trong phạm vi này Số tham số trong hàm spline bậc ba được tính... Hãv hàm hóa kết quả đó dưới dạng hàm tuyến tính Thứ tự tính và kết quả tính như sau đây: 2 > , =7,5; I ' 6 7,5 ỵ y , =22.5; =13,75; i 7,5 13,75 £ * ,* = 4 1 ,2 5 I giải được a = 3, b - 0 Như vậy chúng ta nhận được f \ x ) = 3x + 0 1 NỘI SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS 29 Một trong những thuật toán hay nhất xử lý hệ phương trình đại số tuyến tính [A] ( Mx N) {b{ (Nx i )~{ y} (Mx i ) được trình bày trong sổ tay... thứ XIX áp dụng cho trường hợp hàm hóa, biểu diễn kết quả thực nghiệm, đo đạc thực tế Giả sử rằng từ dữ liệu thực tế có thể xác lập quan hệ giữa hai biến X và y như sau ú n g với mỗi giá trị của Xj, / = 0,1, 2, , m có thể nhận biết giá trị thực của y 1àyj = f(xj) Cần thiết xác lập một hàm xấp xỉ biểu diễn quan hệ đó dưới dạng đa thức bậc n\ p(x) = Cq/ o(x ) + cựị(x) + c2fi(x) + + cj„(x) (a) trong đó... 0), cần thay the JMAX bằng số hệ số cao nhất Hàm LeastSquares được dùng xác định các hệ số thủy động lực chân vịt tàu, xác định các hệ số đường cong sức cản vò tàu trong phần tự động hoá thiết kế chân vịt Hàm này là phương tiện chính cho các phép hồi qui dùng trong phần xác định sức cản tàu #inclưde #include #include #include #define JMAX 10 void LeastSquares(... thức bậc 2 và bậc 5 nhận được kết quả trình bày tại cùng hình Các hàm đa thức Hình ì 12 Hàm hỏa đa thức về mặt toán, thay đổi bậc của đa thức dùng hàm hóa làm thay đổi kết quả tính rõ ràng Chúng ta cùng xem xét và đánh giá kết quả hàm hóa nhờ đa thức bậc 1 (tuyến tính), bậc 3, 5, 7 qua các điểm tròn nêu tại hình 1.13 Hàm tuyến tính hầu như không qua điểm nào của dữ liệu cho 33 NỘI SUY, HÀM HỎA VÀ NURBS... n-1); } Ví dụ nội suy mặt cong Áp dụng cách thức nội suy spline đã trình bày cho phần đường cong, chủng ta có thể tìm giá trị của điểm bất kỳ trong mặt cong f(x,y) được các hàm spline dựng Ví dụ sau đây trình bày bước thực hành nội suy, đánh giá sai số phép nội suy Sai 8Ố (Error) Hình 1.8 25 Nộ! SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS 1.3 HÀM HÓA KÉT QUẢ ĐO TỪ THÍ NGHIỆM, TỪTHÓNG KÊ Kết quả đo từ phòng thí nghiệm, từ... Hình 1,9a giới thiệu kết quả đo từ thí nghiệm đóng cọc vào nền đất Khi chiều sâu cọc lớn, áp lực lên đầu cọc tăng Hình 1.9b phía phải mô tả đon giá sản phẩm sản xuất hàng loạt, khi số lượng sản xuất đang trong giai đoạn đơn chiếc, đơn giá cao, khi số lượng hàng sản xuất qui mô lớn đơn giá giảm Để có thể đưa tập họp kết quả đó phục tùng qui luật nhất định, miêu tả gần sát thực tế cân thiết xây dựng hàm... Trong tất cả n - 1 phân đoạn của s, để miêu tả hình dáng hình học của mỗi phân đoạn cần 4 tham số, tổng cộng cần xử ly 4n - 4 tham số Như dã miêu tả, (n - 1) phân đoạn cùa s(x) tựa trên n nút, hàm s(x) cùng đạo hàm bậc một và đạo hàm bậc hai của nó liên tục tại tất cả (n - 2) nút nam trong s(x), chì trừ nút đầu tiên và nút thứ n Trường hợp phải thỏa mãn điều kiện s(x,) = Vi áp dụng cho n nút, cần thiết. .. 7)2 + d x(x - 7)3 Đe xác định 8 hệ số trong hai phương trình cần xây dựng hệ phương trình đại số gồm 8 phương trình 5 = ¿0(5) = a0 2 = ¿0(7) = ao + 2bo + 4co + 8c/o 2 = ¿1(7) = «, = ¿|(9) = úị + 2b\ + 4t'i + 8r/| 4 và ¿ ’o(7) = ¿0 + 4co + \ 2do = b\ = ¿ ’i(7) ¿ ” o(7) = 2co+ 12í/o = 2c, = ¿",(7 ) ¿ ” o(5) = 0 = 2Co ¿ ” |(9) = 0 = 2c’i +12t/, Tập họp các phương trình này ờ dạng sau: 5 ƠQ 2 = ỠQ + 2¿0