Bài giảng lý thuyết tàu thủy

VÀI NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN NGÀNH TÀU THUYỀN Tàu thủy: Ra đời cách đây ba, bốn ngàn năm. - Cuối năm 1999 người ta đã tìm thấy xác tàu gỗ, chôn vùi dưới đáy biển cách đây khoảng 2500 năm. - Tàu thủy

HIỆU QUẢ KINH TẾ

ĐẢM BẢO

AN TOÀN

TÍNH NỔI

CHỐNG CHÌMTÍNH ỔN ĐỊNH

ĐIỀU KHIỂNLẮC TÀUTỐC ĐỘ

nổi và chạy trên mặt nước

1.1.ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ HÌNH DẠNG VÀ KẾT CẤU

1.1.1.Đặc điểm hình dạng

- Hình dạng quyết định đến tính năng

- Dạng thân trụ rỗng phần giữa, thuơn về hai đầu.

1.1.2.Đặc điểm kết cấu

Dạng vỏ mỏng gồm hai phần :

- Phần tơn bao bên ngồi

- Phần gia cường bên trong

1.2.CÁC HỆ THỐNG TRÊN TÀU

- Hệ thống thiết bị năng lượng : máy chính + hệ trục + thiết bị đẩy tàu

- Hệ thống lái : máy lái + trục lái + bánh lái

- Các hệ thống phục vụ : cứu sinh, cứu hoả, vệ sinh, dằn tàu v v…

- Hệ thống thông tin liên lạc

1.1.BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH LÝ THUYẾT TÀU

1.1.1.Khái niệm

 Đặc điểm hình học, chủ yếu là đặc điểm hình dạng của phần dưới nước và kích thước hình học ảnh hưởng lớn đến tính năng tàu, do đó trước tiên cần ra đặt vấn đề mô tả hình dạng bề mặt vỏ tàu

 Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong không gian phức tạp nên thường tìm cách rời rạc hóa bề mặt vỏ và

mô tả lại gần đúng dưới dạng công thức toán hoặc là tập hợp tọa độ các điểm của đường cong

 Bản vẽ đường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu

 Do hình dáng phần vỏ tàu dưới nước có ảnh hưởng lớn đến tính năng hàng hải của tàu nên bản vẽ đường hình chính là công cụ mô tả, thông tin và tính toán các tính năng hàng hải của tàu

 Tương tự như biểu diễn vật thể hình học bằng phương pháp chiếu, hình dáng bề mặt vỏ tàu cũng được mô tả trên bản vẽ bằng cách chiếu thẳng góc lên các mặt phẳng chiếu cơ bản

 Tuy nhiên, cách làm phổ biến nhất là chiếu bề mặt vỏ tàu lên các mặt phẳng vuông góc nhau

và mô tả dưới dạng các đường cong trên bản vẽ 2D, gọi là bản vẽ đường hình lý thuyết tàu

1.1.2.Các mặt phẳng chiếu cơ bản

- Mặt cắt dọc giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng đặt tại vị trí đường tâm dọc giữa tàu,

chia tàu thành hai phần đối xứng là mạn phải và mạn trái.

- Mặt cắt ngang giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng dọc giữa tàu,

đi qua điểm giữa chiều dài thiết kế, chia tàu thành phần mũi và đuôi

- Mặt phẳng mặt đường nước : mặt phẳng nằm ngang nằm trùng mặt đường nước thiết kế,

chia tàu thành hai phần là phần nổi và phần chìm

Mặt cắt dọc giữa tàu Mặt cắt ngang giữa tàu

Mặt phẳng MĐN Hình 1 : Các mặt phẳng chiếu cơ bản

1.1.3.Các hệ thống hình chiếu

Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong phức tạp nên để mô tả hết hình dáng vỏ tàu phải dùng hệ thống các mặt cắt phụ song song các mặt phẳng chiếu cơ bản, tạo thành ba hệ thống hình chiếu trên bản vẽ đường hình tàu.

1.Hệ thống mặt cắt dọc

 Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt cắt dọc giữa tàu, chủ yếu

để mô tả độ cong dọc bề mặt vỏ tàu, hình dáng mũi, đuôi v v…

2.Hệ thống mặt cắt ngang giữa tàu

 Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song với mặt cắt ngang giữa tàu, chủ yếu để mô tả hình dáng các sườn ngang, độ cong ngang boong v v…

 Các mặt cắt ngang (còn gọi là sườn ngang) thường được bố trí cách đều với số lượng 11 hoặc 21, phụ thuộc chủ yếu chiều dài tàu và được đánh số theo thứ tự là 0, 1, 2 …, tính từ mũi đến đuôi

 Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt cắt ngang, bên trái bố trí các mặt cắt ngang mũi và bên phải bố trí các mặt cắt ngang đuôi

 Do vỏ tàu tại mút mũi và đuôi thay đổi nhiều nên để biểu diễn chính xác sườn khu vực này dùng thêm các mặt cắt giữa các mặt cắt chính và ký hiệu thêm 1/2, ví dụ 1 1/2 (đuôi) hoặc 91/2, 101/2 (mũi)

Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình

5 5

6

10 0

CD0

CD I CDII

3.Hệ thống mặt đường nước

 Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt phẳng mặt đường nước, chủ yếu dùng để mô tả hình dáng bề mặt vỏ tàu theo chiều cao

Hình 1.2 : Các hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình

 Các mặt đường nước thường cũng hay được bố trí cách đều nhau với số lượng khoảng từ 4 -10, phụ thuộc chủ yếu chiều cao tàu và được ký hiệu là ĐN0, ĐN1, ĐN2 …, tính từ dưới đáy lên

 Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt đường nước

CD0

CD I CDII

5 5

6

10 0

ĐN4 ĐN1

Theo nguyên tắc chiếu, mỗi điểm trên bề mặt vỏ tàu sẽ được thể hiện trên cả ba hình chiếu nên giữa

ba hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình lý thuyết tàu phải phải tương ứng phù hợp lẫn nhau Các hình chiếu chỉ thể hiện hình dáng thật của tàu trên các mặt phẳng chiếu song song với chính nó, còn trên hai hình chiếu còn lại sẽ chuyển thành các đường thẳng, tạo thành lưới chữ nhật của bản vẽ

Hình 1.3 : Sự phù hợp của bản vẽ đường hình

CD0

CD I CDII

5 6

10 0

ĐN4 ĐN1

0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

ĐN0 ĐN2 ĐN4

CD0

CDI

CDII

CA NÔ DU LỊCH 12 m DÁNG ĐƯỜNG HÌNH KT

6 00

B /2 = 160 0

B /2 = 160 0 860

-11

9 - - 795 - 685 1415

- 1291 1230 51180

4 1600 0 0 530 1115 600

2 49 5

MÔ HÌNH 3D TÀU 2000T

Design by Dr.Tran Gia Thai Design by Dr.Tran Gia Thai

Design by Dr.Tran Gia Thai

MÔ HÌNH 3D TÀU DU LỊCH

Design by Dr.Tran Gia Thai

2.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC

 Đặc điểm hình học là những đại lượng đặc trưng về mặt kích thước và hình dáng hình học thân tàu, được xác định đầu tiên trong quá trình thiết kế tàu, là cơ sở để xây dựng bản vẽ đường hình lý thuyết

và ảnh hưởng đến các tính năng của tàu nên việc xác định chính xác chúng sẽ có ý nghĩa quan trọng

 Các đặc điểm hình học thường được chia thành ba nhóm đại lượng chính như sau.

1.2.1.Các kích thước chính

Các kích thước chính gồm các đại lượng mô tả kích thước hình học của tàu như chiều dài, chiều rộng, chiều cao và mớn nước

1.Chiều dài tàu L (Length) :

(a) Chiều dài lớn nhất Lmax (Loa : Length over all) :

khoảng cách tính từ mút mũi đến mút đuôi

(b) Chiều dài hai trụ Ltrụ (Lpp : Length between

perpendicular) : khoảng cách giữa trụ mũi và trụ lái,

với trụ mũi là trụ đi qua giao điểm của đường nước

thiết kế (ĐNTK) với mép ngoài sống mũi và trụ đuôi

là trụ bánh lái

(c) Chiều dài thiết kế Ltk (Lwl : Waterplane length) :

khoảng cách giữa giao điểm của đường nước thiết kế

với mép ngoài sống mũi và sống đuôi, đo theo chiều

2.Chiều rộng tàu B (Breadth) :

(a) Chiều rộng lớn nhất Bmax (Boa : Breadth over all) : khoảng cách giữa hai mạn tàu, đo ở nơi lớn nhất

Lmax

Lpp

Ltk

Hình 1.5 : Cách xác định các đặc điểm hình học của tàu

(b) Chiều rộng thiết kế Btk : khoảng cách giữa hai mạn, đo theo đường nước thiết kế tại vị trí MCNGT.

Btk

Bmax

ĐNTK T

Hình 1.5 : Cách xác định các hệ số hình dáng

1.2.2.Tỷ số các kích thước chính

Tỷ số giữa các kích thước chính L/B, B/H, H/T là nhóm các đại lượng đặc trưng cho tính năng tàu,

do đó việc lựa chọn chính xác các tỷ số kích thước sẽ đảm bảo được tính năng tàu là hợp lý nhất

1.2.3.Các hệ số hình dáng

Các hệ số hình dáng là nhóm các đại lượng đặc trưng cho hình dáng hình học của thân tàu

1.Hệ số diện tích mặt đường nước  (Cw : Waterplane Coefficient) : tỷ số giữa diện tích MĐN đang xét

S và diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp mặt đường nước đó

2.Hệ số diện tích mặt cắt ngang  (CM : Midship Coefficient) : tỷ số giữa giá trị diện tích MCNGT  và giá trị diện tích của hình chữ nhật ngoại tiếp mặt cắt ngang đó

 B

T

B S

L

3.Hệ số đầy thể tích  (Cb : Block Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V (thể tích phần chìm dưới nước của tàu) và thể tích hình hộp chữ nhật ngoại tiếp thể tích V

1.2.4.Một số khái niệm cơ bản

1.Thể tích chiếm nước V ( ) : thể tích phần thân tàu chìm dưới nước, tính bằng m 3 (hệ mét) hoặc

bằng cu.ft (hệ Anh - Mỹ) (1 cu.ft = 0,0283 m 3 )

2.Lượng chiếm nước D ( ) = V : trọng lượng tàu ở trạng thái đang xét, bằng tấn trọng lượng (t, tm)

hoặc bằng long ton (hệ Anh - Mỹ) (1 long ton = 1,01605 tm)

3.Sức chở (deadweight : dwt) : trọng lượng hàng trên tàu (trọng tải) cùng hành khách và các dự trữ, lương thực, nhiên liệu, nước ngọt v v

D = trọng lượng tàu không (Do) + deadweight

4.Tấn đăng ký (tonnage) : không tính bằng trọng lượng mà tính bằng đơn vị đo dung tích với

ý nghĩa là tấn đo dung tích tàu (1 tấn đăng ký = 100 cu.ft = 2,832 m 3 )

Tấn đăng ký được dùng chính thức và là đơn vị chính dùng trong thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đậu cảng v v

D = V  - trọng lượng riêng nước

1.3.HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÀU

 Để xây dựng bản vẽ đường hình và xác định các đặc điểm hình học của tàu, cần phải xác định

hệ toạ độ thích hợp và đặt tàu nằm trong hệ toạ độ đó

 Trong các bài toán tĩnh học thường sử dụng hệ toạ độ liên kết Oxyz gắn liền với tàu

Hình 1.6 : Hệ toạ độ dùng trong bài toán lý thuyết tàu

1.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

 Tính nổi là khả năng tàu nổi cân bằng ở vị trí xác định ứng với chế độ tải trọng đang xét

 Khi nổi trên mặt nước, tàu chịu tác dụng của hai ngoại lực như sau (hình 3.1)

C

GTrọng lượng tàu P

- Đặt tại trọng tâm G của tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- P = Pvỏ + Pmáy + Pdt + Phk + …

- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu (tâm nổi)

- Hướng thẳng đứng lên trên

- D =  V ( - trọng lượng riêng của nước)

Hình dáng phần thân tàu dưới nước

Khối lượng và phân bố các tải trọng trên tàu

Ảnh hưởng tính nổi Lực nổi D

(Lực đẩy Acsimec)

GTrọng lượng tàu P

- Đặt tại trọng tâm G của tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- P = Pv + Pm + Pdt + Phk + …

Lực nổi D(Lực đẩy Acsimec)

- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu

- Hướng thẳng đứng xuống dưới

- D =  V ( - trọng lượng riêng của nước)

Điều kiện

nổi cân bằng

- Điều kiện cân bằng lực

- Điều kiện cân bằng mômen

P = D

G và C nằm trên đường thẳng đứng vuông góc MĐN đang xét

P = D(xc - xG) + (zc - zG) tg  = 0(yc - yG) + (zc - zG) tg  = 0

(xG, yG, zG) - toạ độ trọng tâm tàu G(xc, yc, zc) - toạ độ tâm nổi tàu C

Đảm bảo

tính nổi

Phương trình trên gọi là phương trình nổi xác định vị trí nổi của tàu

2.2.XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG VÀ TOẠ ĐỘ TRỌNG TÂM TÀU

2.3.XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI CỦA TÀU



z

Hình 2.2 : Các yếu tố đường hình

 Diện tích mặt đường nước S

 Hoành độ trọng tâm xf của diện tích mặt đường nước S

dMSoy = xy dx

y

d = y dz

dz y

T

dM oy = yz dz

- Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oxy

- Hai mặt cắt song song mặt phẳng Oyz

dV =  dx

dMVyoz = x dx

dMVxoy = z dx

z dz

z

dx x

 Sử dụng phương pháp tích phân để

tính

2.4.CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÍCH PHÂN GẦN ĐÚNG

đến việc tính tích phân xác định có dạng tổng quát :

tính được giá trị tích phân nói trên cần phải sử dụng các phương pháp tính gần đúng

2.4.1.Phương pháp hình thang

bằng các đường thẳng song song cách đều

- Thay đường y = f(x) bằng đường gẫy khúc đi qua

- Tính tích phân theo giá trị diện tích S

3.4.ỨNG DỤNG CÔNG THỨC HÌNH THANG ĐỂ TÍNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI

3.4.1.Tính các yếu tố của mặt đường nước

Xét một mặt đường nước tàu có chiều dài L, được chia cách đều bởi n các mặt cắt ngang đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , n tính từ đuôi cho đến mũi tàu

y

1.Diện tích mặt đường nước

2.Hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước

3.4.2.Tính các yếu tố của mặt cắt ngang

Xét một mặt cắt ngang của tàu được chia cách đều bởi k mặt đường nước đánh theo số thứ tự 0, 1, 2, … , k tính từ dưới lên đến mớn nước tàu T

1.Diện tích mặt cắt ngang

2.Cao độ trọng tâm diện tích mặt cắt ngang

z

y O

z

T

1 2 k

yi

3.4.3.Tính các yếu tố tính nổi

1.Tính thể tích chiếm nước V

2.Tính toạ độ tâm nổi

Si, xfi - diện tích và hoành độ trọng tâm mặt đường nước thứ i

mi, di - diện tích mặt cắt ngang phía mũi và phía đuôi

i, zi - diện tích và cao độ trọng tâm của mặt cắt ngang thứ i

3.5.ĐƯỜNG CONG CÁC YẾU TỐ TĨNH NỔI (Hydrostatic Curves)

 Trình tự xây dựng :

- Tính các giá trị các yếu tố tĩnh thủy lực ở các mớn nước tàu Ti khác nhau

- Trong hệ toạ độ Oxy, với trục Oy biểu diễn các mớn nước Ti và tương ứng với các mớn nước lấy theo trục Ox giá trị các yếu tố tính nổi tính cho mớn nước đó theo các tỷ lệ xích nhất định

- Giá trị các yếu tố tính nổi ở mớn nước bất kỳ sẽ được xác định bởi giao điểm của mớn nước tính theo tỷ lệ xích của trục tung với các đường cong tính nổi, tính theo tỷ lệ xích trục hoành

- Thường chia 3 nhóm đồ thị có cùng gốc tọa độ là nhóm đường

V, D, S = f(T), nhóm xc, xf, zc = f(T), nhóm , ,  = f(T), có ghi

tỷ lệ xích trên các đường cong

- Chỉ dùng trong trường hợp tàu không có nghiêng ngang ( = 0)

và nghiêng dọc ( = 0)

 Đồ thị biểu diễn các yếu tố tính nổi theo mớn nước tàu : D, V, S, xc, xf, zc, , ,  = f(T)

Chú ý :

yếu tố tính nổi của tàu

- Xây dựng trong hệ toạ độ OTmTđ

các đường V, xc = const

3.7.CÁC BIỆN PHÁP ĐẢM BẢO AN TOÀN TÍNH NỔI CHO TÀU ĐI BIỂN

 Tính nổi là phần thể tích kín nước VH nằm phía trên đường nước tàu đang nổi, xác định trọng lượng của tải trọng phụ có thể nhận cho đến khi tàu mất khả năng chạy trên nước

Dự trữ nổi là phần thể tích kín nước nằm phía trên đường nước thiết kế

Chiều cao mạn khô f

Dự trữ nổi tương đối V = 100VVH

3.7.2.Biện pháp kết cấu và công nghệ

- Đảm bảo độ bền và tính kín nước của tất cả kết cấu, nhất là các kết cấu dưới nước

- Sử dụng các vách ngăn kín nước

3.7.3.Biện pháp sử dụng

- Đảm bảo mớn nước tai nạn không vượt mớn nước giới hạn, cách mép boong kín nước 76 mm

- Đảm bảo mớn nước thực tế không vượt quá dấu tải trọng, dấu hiệu quy định mớn nước tối đa không được vượt quá, tuỳ theo mùa và tuỳ theo vùng

540 mm về phía mũi tàu

230 mm

Dấu tải trọng (dấu hiệu chở hàng)

4.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

4.1.1.Định nghĩa

 Khả năng tàu khôi phục vị trí cân bằng ban đầu khi mômen ngoại lực thôi tác dụng

 Khả năng chống lại mômen ngoại lực

thân tàu dưới nước

Khối lượng và phân bố

các tải trọng trên tàu MỨC ĐỘ

ỔN ĐỊNH

NGUYÊN NHÂN GÂY LẬT TÀU

Mhp = 0

4.1.3.Phân biệt các khái niệm

 Ổn định ngang và ổn định dọc

- Ổn định ngang : ổn định trong mặt phẳng ngang, đặc trưng bởi góc nghiêng ngang 

- Ổn định dọc : ổn định trong mặt phẳng dọc, đặc trưng bởi góc nghiêng dọc 

 Ổn định tĩnh và ổn định động

- Ổn định tĩnh : mômen nghiêng là mômen tĩnh, tàu nghiêng từ từ, không có gia tốc

- Ổn định dọng : mômen nghiêng là mômen động, tàu nghiêng đột ngột, có gia tốc

 Ổn định ban đầu và ổn định góc nghiêng lớn

- Ổn định ban đầu : ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng nhỏ  <= 10o - 12o

- Ổn định góc nghiêng lớn : ổn định xét trong trường hợp góc nghiêng lớn  > 10o - 12o

 Chủ yếu chỉ nghiên cứu ổn định ngang vì nguy hiểm hơn

 Công thức ổn định dọc hoàn toàn tương tự ổn định ngang

4.2.BIỂU THỨC TÍNH CÁNH TAY ĐÒN HỒI PHỤC VÀ MÔMEN HỒI PHỤC

M0 = 0 Tàu nổi cân bằng

Mng + zG Psin - yc Dcos - zc Dsin = 0

Mng = P(yc cos + sin zc - zG sin) Điều kiện cân bằng : Mng = Mhp

Mng = Plhp = P(yc cos + zcsin - zG sin)

lhp = yc cos + zcsin - zG sin G

lhp = lhd - ltl

ltl = zGsin : cánh tay đòn trọng lượng, phụ thuộc trọng lượng và sự phân bố

Xét trường hợp tàu nổi cân bằng, sau đó bị nghiêng dưới tác dụng của mômen ngoại lực

4.3.TÂM NỔI - TÂM ỔN ĐỊNH

4.3.1.Tâm nổi - Tâm ổn định

Góc lặn

Mmax

v

 Đồ thị ổn định tĩnh được sử dụng trong kiểm tra và đánh giá mức độ ổn định của tàu

lhp = yccos + zcsin - zGsin

