Xây dựng chương trình tính toán ổn định thời tiết cho tàu biển

LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn bố, mẹ gia đình, động viên tạo điều kiện tốt em hồn thành chương trình học tập đại học khoa Hàng Hải – trường Đại học Hàng hải Việt Nam Em xin chân thành cảm ơn thầy Đào Quang Dân hướng dẫn, bảo tận tình, chu đáo suốt thời gian em thực đề tài tốt nghiệp này, thời gian em học tập trường Đại học Hàng hải Việt Nam Em xin bày tỏ lòng biết ơn thầy, giáo khoa Hàng Hải, trường Đại học Hàng hải Việt Nam, trang bị cho em kiến thức chuyên ngành hàng hải thời gian em học tập năm qua khoa Hàng Hải Mặc dù em cố gắng nhiều việc thu thập tài liệu, thân em bị hạn chế chưa có kinh nghiệm chun mơn thực tế, việc nghiên cứu, viết đề tài tốt nghiệp tránh khỏi khiếm khuyết định Em mong nhận đóng góp ý kiến xây dựng bảo thầy giáo khoa Hàng Hải người biển lành nghề, nhà khoa học quan tâm, để đề tài em hoàn thiện Hải Phòng, ngày 16 tháng 11 năm 2015 Sinh viên làm đề tài tốt nghiệp Nguyễn Anh Tuấn i LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tố t nghiê ̣p cơng trình nghiên cứu riêng em , sự giúp đỡ tâ ̣n tiǹ h của thầ y giáo hướng dẫn , Th.S Đào Quang Dân Các số liệu, đoạn văn đề tài tốt nghiệp trung thực, có nguồn gốc trích dẫn rõ ràng, cụ thể Hải Phòng, ngày 16 thàng 11 năm 2015 Sinh viên làm đề tài tốt nghiệp Nguyễn Anh Tuấn ii MỤC LỤC Mục lục Trang Mở đầu Chƣơng 1: Khái niệm ổn định tàu 1.1 Khái niệm ổn định vật thể 1.2 Ổn định tàu 1.2.1 Điều kiện tàu biển 1.2.2 Khái niệm ổn định tàu 1.2.3 Ổn định góc nghiêng nhỏ 1.2.4 Ảnh hưởng két chứa chất lỏng đến ổn định tàu 1.2.5 Ổn định góc nghiêng lớn 11 1.3 Ổn định động 14 1.3.1 Tính tốn ổn định động sử dụng cơng thức Moseley 15 1.3.2 Tính ổn định động tàu bằng cách sử dụng đường cong 17 cánh tay đòn ổn định tĩnh Chƣơng 2: Tiêu chuẩn đánh giá ổn định tàu 20 2.1 Giới thiệu luật IMO IS 2008 20 2.2 Các tiêu chuẩn chung 21 2.2.1 Tiêu chuẩn đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn 21 định tĩnh 2.2.2 Tiêu chuẩn ổn định động 22 2.3 Tiêu chuẩn bổ sung cho số loại tàu 23 2.3.1 Tàu Container có chiều dài lớn 100m 23 2.3.2 Tàu khách 24 2.3.3 Tàu chở gỗ boong 25 2.3.4 Tàu chở hàng hạt rời 26 2.3.5 Tàu cao tốc 26 iii Chƣơng 3: Xây dựng chƣơng trình tính tốn ổn định động cho tàu 27 biển 3.1 Giới thiệu Microsoft Excel 27 3.2 Xây dựng chương trình tính tốn ổn định động cho tàu biển 29 3.2.1 Mục đích xây dựng chương trình 29 3.2.2 Tính tốn tọa độ trọng tâm két chứa chất lỏng 29 3.2.3.Tính tốn tọa độ trọng tâm hầm hàng 32 3.2.4 Xây dựng chương trình tính Departure/Arrival Condition 33 3.2.5 Xây dựng chương trình tính toán ổn định động cho tàu biển 41 3.2.6 Một số hình ảnh chương trình 51 Kế t luâ ̣n và kiế n nghi ̣ 55 Kết luận 55 Kiến nghị 55 56 Tài liệu tham khảo iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU GM Metacentric Height - Chiều cao vững D Displacement - Lượng giãn nước KG Vertical center of Gravity - Cao độ trọng tâm CLG Tung độ trọng tâm MG, LCG, Longitudinal Center of Gravity - Hoành độ trọng tâm MID.G, XG KM Transverse Metacenter Height - Cao độ tâm nghiêng ngang TPC Tons Per Centimeter MTC Moment to change Trim one Centimeter MF, LCF, Longitudinal Center of Floatation - Hoành độ tâm mặt phẳng MID.F, XF đường nước MB, LCB, Longitudinal Center of Buoyancy - Hoành độ tâm MID.B, XB IMO International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải giới IS Intact Stability - Ổn định nguyên vẹn SOLAS Safety of Life at Sea HSC High Speed Craft MT Metric Ton LT Long Ton LBP Length Between Perpendicular - Chiều dài tính tốn SF Stowage Factor - Hệ số chất xếp v DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Trang 1.1 Hệ số k 19 1.2 Hệ số X1 19 1.3 Hệ số X2 19 1.4 Hệ số S 19 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Điều kiện cân tàu Hình 1.2 Moment hồi phục tàu Hình 1.3 Chiều cao vững Hình 1.4 Ảnh hưởng mặt thoáng chất lỏng đến chiều cao 10 vững Hình 1.5 Ổn định góc nghiêng lớn 11 Hình 1.6 Cross Curves Table 12 Hình 1.7 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 14 Hình 1.8 Tính tốn ổn định đợng 15 Hình 2.1 Tiêu chuẩn ổn định tĩnh 21 Hình 2.2 Tiêu chuẩn ổn định tác đợng sóng gió 22 Hình 3.1 Giao diện Excel 29 Hình 3.2 Water ballast tank 30 Hình 3.3 Diesel oil tank 31 Hình 3.4 Fresh water tank 31 Hình 3.5 Cargo hold 32 Hình 3.6 Bảng thơng số Cargo Hold 34 Hình 3.7 Bảng thơng số Ballast Tank 34 Hình 3.8 Bảng thủy tĩnh (Hydro Static Table) 35 Hình 3.9 Bảng Cross Curves 36 Hình 3.10 Bảng Flooding Angle 37 Hình 3.11 Bảng Deck Edge Immersion 37 Hình 3.12 Bảng hệ số 38 Hình 3.13 Bảng diện tích hứng gió và tay đòn hứng gió 38 Hình 3.14 Bảng chiều dài đường nước 38 Hình 3.15 Departure/Arrival Condition 40 vii Hình 3.16 Draft etc calculation 41 Hình 3.17 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 42 Hình 3.18 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định 43 Hình 3.19 Giao diện ban đầu 44 Hình 3.20 Giao diện nhập thơng số ban đầu 45 Hình 3.21 Giao diện nhập liệu hàng hóa 46 Hình 3.22 Giao diện nhập liệu Ballast 47 Hình 3.23 Giao diện nhập liệu nhiên liệu, nước 47 Hình 3.24 Giao diện mớn nước 48 Hình 3.25 Giao diện tiêu chuẩn đặc tính đư ờng cong 49 cánh tay đòn ổn định tĩnh Hình 3.26 Giao diện ổn định thời tiết 50 Hình 3.27 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết 50 Hình 3.28 Giao diện ban đầu 51 Hình 3.29 Giao diện nhập thông số ban đầu 51 Hình 3.30 Giao diện nhập liệu hàng hóa 52 Hình 3.31 Giao diện nhập liệu nhiên liệu và nước 52 Hình 3.32 Giao diện thơng số mớn nước 53 Hình 3.33 Giao diện tiêu chuẩn đặc tính đư ờng cong 53 cánh tay đòn ổn định tĩnh Hình 3.34 Giao diện ổn định thời tiết 54 Hình 3.35 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết 54 viii PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Vận tải huyết mạch kinh tế, vận tải phát triển thúc đẩy ngành kinh tế phát triển theo Trong thời đại tồn cầu hóa vận tải đóng vai trò quan trọng, vận tải biển Vận tải biển rút ngắn khoảng cách không gian địa lý, nhằm giảm chi phí , giảm giá thành sản phẩm, thúc đẩy thương mại phát triển, làm lợi cho người sản xuất người tiêu dùng Trong thương mại quốc tế vận tải biển đóng vai trò đặc biệt quan trọng, khoảng 80% hàng hóa xuất nhập vận chuyển bằng đường biển Công nghiệp vận tải đường biển giới ngày phát triển với xu hướng ngày đại đa dạng Các nước giới đầu tư xây dựng cảng biển tăng nhanh quy mô cảng số lượng Vận tải biển hiểu dùng tàu (cả thiết bị nổi) để chuyên chở hàng hóa Chúng ta nhận thấy số lượng hàng hoá xuất nhập nước ta thông qua đường biển ngày tăng Theo thống kê, vận tải biển chiếm khoảng 80% lưu lượng hàng hoá xuất nhập Việt Nam Thời gian qua, ngành vận tải biển Việt Nam có bước phát triển đáng kể: đô ̣i tàu tăng lên nhanh chóng c ả số lượng chất lượng chủng loại, thị trường vận tải mở rô ̣ng sang nhi ều khu vực Bắc Mỹ, Nam Mỹ, châu Úc, Tây Âu, Tây Phi… Hiện tại, ̣i tàu bi ển Việt Nam có 1800 tàu, tổng trọng tải 7,3 triệu DWT Có thể nói, với q trình hơ ̣i nh ập đất nước, ngành hàng hải góp mơ ̣t phần khơng nhỏ vào cơng c ̣c cơng nghi ệp hố, đại hố đất nước Điều phản ánh phần trình tăng trưởng kinh tế nước ta thời gian gần Cùng với việc phát triển nhanh đô ̣i tàu bi ển, đô ̣i ngũ thuyền viên Việt Nam lớn mạnh Tuy nhiên lớn mạnh gia tăng số lượng, chất lượng nhiều hạn chế Vận tải biển phải đảm bảo an toàn, hiệu kinh tế, an ninh hạn chế gây ô nhiễm mơi trường Trong đó, vấn đề an tồn hiệu kinh tế mối quan tâm chủ yếu An toàn hiệu kinh tế liên quan đến nhiều yếu tố, vấn đề quan trọng phải đảm bảo tàu hành hải an toàn hiệu quả, đảm bảo khả di chuyển Việc áp dụng tiến bô ̣ v ề khoa học - kỹ thuật tạo cho ngành hàng hải có bước phát triển vượt bậc với sản phẩm tàu đại chuyên dụng Bên cạnh trang thiết bị kèm phục vụ cho việc khai thác tàu đại Điều đòi hỏi cần phải nâng cao chất lượng đô ̣i ngũ s ỹ quan, thuyền viên Muốn có ̣i ngũ s ỹ quan, thuyền viên chất lượng, từ sinh viên học tập sở đào tạo ngành hàng hải, sỹ quan thuyền viên cần phải trang bị đầy đủ kiến thức chuyên ngành, có kiến thức ổn định tàu Bên cạnh đó, phải thừa nhận rằng, số vụ tai nạn đường biển số nhỏ Các vụ mắc cạn, va chạm hay chìm tàu ln đe doạ đến an toàn sinh mạng tài sản thuyền viên công ty tàu Nguyên nhân vụ tai nạn điều kiện thời tiết khắc nghiệt sóng gió, bão tố, dẫn tới tàu ổn định Nhưng dù ngun nhân vụ tai nạn để lại hậu vô to lớn, thiệt hại kinh tế, ảnh hưởng xấu đến môi trường biển, đặc biệt sinh mạng thuyền viên Từ trước đến nay, học tập, sinh viên tính đến ổn định tàu trạng thái tĩnh, chưa có yếu tố ngoại cảnh Tuy nhiên thực tế chuyến tàu, ta phải tính đến yếu tố sóng, gió, điều kiện thời tiết, để tàu đủ khả biển Để có mơ ̣t nhìn chi ti ết, cụ thể ổn định tàu đặc biệt ổn định thời tiết, em nghiên cứu sâu ổn định tàu, ổn định thời tiết qua xây dựng thành cơng chương trình tiń h tốn ổn định thời tiết cho tàu chở hàng rời bằng phần mềm Excel Chính nh ững lí , em lựa chọn đề tài “Xây chương trình tính tốn ổn định thời tiết cho tàu biển” Đề tài mô ̣t tài li ệu cần thiết Hình 3.17 Đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh 3.2.5.2 Tính diện tích phía đường cong cánh tay đòn ổn định Sau dựng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh G0Z, ta tính vẽ đường lw1, lw2 xác định thông số θ1, θ2, θ0, θc, θr(như trình bày mục 1.3.2 Chương 1) Qua đó, dựa vào tiêu chuẩn ổn định động trình bày Chương 2, ta tính diện tích phía đường cong cánh tay đòn ổn định a b Ta tính diện tích bằng phương pháp Simson; phương kẻ ơ; tính diện tích hình tam giác, hình thang dùng phương pháp tính tích phân…Để nâng cao độ xác việc tính diện tích đơn giản cho người sỹ quan, ta dùng phương pháp Simpson Cụ thể sau: Hình 3.18 Đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định Cơng thức Simpson tính diện tích phía đường cong GZ: 0+3GZ10 +3GZ20 +GZ30 57.3 S0÷30 = ×10×( ) (m-rad) 0+4GZ10 +2GZ20 +4GZ30 +GZ40 57.3 S0ữ40 = ì10ì( ) (m-rad) Sau xỏc nh thông số θ1, θ2, θ0, θc, θr(xem phần 1.3.2 Chương 1), ta tính: Δθr= (θ2- θw)/4 (trong θw góc ứng với giao điểm thứ đường cong ổn định tĩnh GZ với đường thẳng lw2) ΔθL=(θw- θr)/4 Sau ta lập bảng tính diện tích Sb Sa Diện tích Sb: ① (deg) θw ② G0Z - ③ (G0Z-lw2) ④ Simpson’s F ⑤ ③x④ θw + Δθr θw + 2Δθr θw + 3Δθr θw + 4Δθr 4 Sb = 1/3 x Δθr x Ʃ⑤ x π/180 (m-rad) Diện tích Sa: ① (deg) θw ② G0Z - ③ lw2 - ④’ (lw2 – G0Z) ⑤’ Simpson’s F ⑥’ ④x⑤ θw + ΔθL θw + 2ΔθL θw + 3ΔθL θw + 4ΔθL Sa = 1/3 x ΔθL x Ʃ⑥’ x π/180 (m-rad) 3.2.5.3 Chương trình tính tốn Từ giao diện ban đầu, ta nhìn thấy nút Initial Settings, Cargo, Ballast, Others, Draft, Static Stability, Dynamic Stability, tương ứng với nút menu Hình 3.19 Giao diện ban đầu a Nhập thông số ban đầu Các thông số ban đầu gồm thành phần khối lượng cố định tàu như: khối lượng tàu không, khối lượng dầu bôi trơn, nước làm mát máy,…thường cho sẵn với giá trị cố định từ trước, nên thông thường không cần nhập số liệu Tuy nhiên có thay đổi ta nhập lại bằng cách từ giao diện ban đầu, ta ấn nút Initial Settings, menu ra, ta nhập thành phần khối lượng vào ô có màu vàng Chú ý, ta phải nhập tỉ trọng nước biển nơi tàu hoạt động để tăng tính xác cho việc tính tốn thơng số Hình 3.20 Giao diện nhập thơng số ban đầu b Nhập thơng số hàng hóa, ballast, nhiên liệu, nước Để nhập thơng số hàng hóa, két ballast, nhiên liệu, nước ngọt… cho tàu, chương trình thiết kế với mục riêng biệt để nhập thông số thành phần khối lượng Muốn nhập thành phần khối lượng nào, từ hình giao diện ban đầu, ta cần ấn nút có chữ tương ứng hình, chương trình mở menu nhập tương ứng, lưu ý nhập vào ô có màu vàng Để vào menu hàng hóa, ta ấn nút Cargo Với menu hàng hóa, cần nhập khối lượng hàng hóa vào hầm nhập hệ số chất xếp hàng hóa (SF) Hiện có hệ đo khối lượng MT LT, hàng hóa cho đơn vị nhập vào tương ứng, chương trình tự động tra thơng số MG KG hàng hóa hầm tương ứng Dưới giao diện nhập hàng hóa chương trình: Hình 3.21 Giao diện nhập liệu hàng hóa Khi menu con, muốn trở lại hình ban đầu, ta ấn nút Main Menu Nếu tàu chạy mà cần bơm xả Ballast cần nhập thông số két ballast, chương trình thiết kế có menu riêng biệt để nhập khối lượng lượng nước chứa két ballast Để vào menu nhập Ballast, ta ấn nút Ballast Chúng ta cần nhập khối lượng tỉ trọng chất lỏng két, chương trình tự ̣ng tính tốn M G, KG, moment qn tính mặt thống chất lỏng cho két Hình 3.22 Giao diện nhập liệu Ballast Đối với két nước nhiên liệu, chương trình có mơ ̣t menu riêng để người sử dụng nhập thơng số chương trình tự tính tốn đưa kết MG, KG, moment quán tính mặt thoáng chất lỏng, cần nhập khối lượng tỉ trọng chất lỏng chứa két.Để vào menu nhập nhiên liệu nước ngọt, ta ấn nút Others Hình 3.23 Giao diện nhập liệu nhiên liệu, nước c Thông số kết quả Sau nhập hết thành phần khối lượng tàu bằng menu nhập, việc ấn vào nút tương ứng hình, chương trình trả kết phần tương ứng menu riêng biệt Để xem kết mớn nước thơng số tàu ta ấn nút Draft, chương trình menu sau chứa thông số mớn nước giá trị bảng thủy tĩnh tàu Hình 3.24 Giao diện mớn nước Để xem kết Tiêu chuẩn đặc tính đư ờng cong cánh tay đòn ổn định tĩnh, ta ấn nút Static Stability, chương trình trả menu chứa thông số ổn định tàu đồng thời so sánh với tiêu chuẩn IMO đưa kết Hình 3.25 Giao diện tiêu chuẩn đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh Để xem kết tiêu chuẩn ổn định thời tiết ta ấn nút Dynamic Stability, chương trình trả menu chứa thơng số ổn định tàu đồng thời so sánh với tiêu chuẩn IMO đưa kết Ta nhìn thấy đồ thị đường cong cánh tay đòn ổn định dễ dàng đánh giá hai phần diện tích a b tiêu chuẩn IMO cách trực quan Hình 3.26 Giao diện ổn định thời tiết Hình 3.27 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết 3.2.6 Mợt số hình ảnh chương trình Giao diện ban đầu: Hình 3.28 Giao diện ban đầu Các menu nhập liệu: Hình 3.29 Giao diện nhập thơng số ban đầu Hình 3.30 Giao diện nhập liệu hàng hóa Hình 3.31 Giao diện nhập liệu nhiên liệu và nước Các menu thơng số kết quả: Hình 3.32 Giao diện thơng số mớn nước Hình 3.33 Giao diện tiêu chuẩn đặc tính đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh Hình 3.34 Giao diện ổn định thời tiết Hình 3.35 Đồ thị tiêu chuẩn ổn định thời tiết KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Bằng phương pháp phân tích, so sánh, tổng hợp đánh giá, phương pháp tính tốn, đề tài tập trung giải vấn đề sau: - Đề tài hệ thống hóa lý thuyết chung ổn định tàu, cách tính tốn yếu tố ảnh hưởng đến ổn định tàu nói chung; - Đề tài hệ thống hóa tiêu chuẩn ổn định hành IMO loại tàu khác nhau, ổn định tĩnh ổn định động; - Đề tài xây dựng chương trình tính tốn ổn định tĩnh cho tàu biển; - Đề tài xây dựng thuật toán xây dựng chương trình tin học hóa cách tính toán đánh giá ổn định tĩnh cho tàu biển, bằng cách cung cấp chương trình dạng bảng tính EXCEL dễ sử dụng, giúp cho sĩ quan hàng hải nhanh chóng thuận tiện việc tính tốn, kiểm sốt ổn định động tàu q trình dẫn tàu biển Kiến nghị Nội dung của đề tài có thể đư ợc sử dụng làm tài liệu cho sỹ quan hàng hải làm việc tàu Đồng thời, nội dung đề tài đưa vào sử du ̣ng thành m ột phần giảng môn học ổn định tàu dùng làm tài liê ̣u tham khảo cho giảng viên và sinh viên khoa Hàng h ải công tác giảng dạy, học tập nghiên cứu khoa học Bên cạnh kết nghiên cứu đạt được, tác giả mong muốn có hỗ trợ, giúp đỡ tạo điều kiện nhà chuyên môn đồng nghiệp để đề tài tốt nghiệp hoàn thiện Ngoài ra, tác giả mong muốn tạo điều kiện để phát triển đề tài thành tài liệu hoàn thiện đầy đủ cơng thức giúp lập trình viên xây dựng chương trình phần mềm tính tốn ổn định tĩnh ổn định động cho tàu biển TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Khoa Hàng Hải, mơn Xếp dỡ hàng hóa, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Bài giảng môn Ổn định tàu, 2014 Khoa Hàng Hải, mơn Xếp dỡ hàng hóa, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Bài giảng môn Vận chuyển hàng hóa 1, 2014 Khoa Hàng Hải, mơn Xếp dỡ hàng hóa, trường Đại học Hàng Hải Việt Nam, Bài giảng môn Tin học hàng hải, 2014 Tiếng Anh: International Code on Intact Stability, 2008 International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS), 2010 Century Star, Trim & Stability Calculation Santa Francisca, Stability Booklet with Loading Guidance ... chi ti ết, cụ thể ổn định tàu đặc biệt ổn định thời tiết, em nghiên cứu sâu ổn định tàu, ổn định thời tiết qua xây dựng thành cơng chương trình tiń h tốn ổn định thời tiết cho tàu chở hàng rời... trình tính tốn ổn định động cho tàu 27 biển 3.1 Giới thiệu Microsoft Excel 27 3.2 Xây dựng chương trình tính toán ổn định động cho tàu biển 29 3.2.1 Mục đích xây dựng chương trình 29 3.2.2 Tính. .. xuất, đề tài Xây dựng chương trình tính toán ổn định thời tiết cho tàu biển thực với mục đích: Đưa sở tính ổn định thời tiết tàu biển; Nghiên cứu, xây dựng chương trình tính tốn thử nghiệm