Bài báo tổng hợp và phân tích ảnh hưởng của các thông số của sóng biển và của tàu đến ổn định tàu trên sóng. Lựa chọn loại sóng có ảnh hưởng lớn nhất đến ổn định tàu để tiến hành tính toán. Trên cơ sở phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp tính toán sự thay đổi ổn định của tàu trên sóng, bài báo tiến hành lựa chọn phương pháp tính phù hợp nhất cho giai đoạn thiết kế ban đầu. Áp dụng phương pháp tính đưa ra vào trong tính toán sự thay đổi ổn định của tàu trên sóng theo cho tàu hàng khô INANA 2 có số IMO: 9552771 chạy trên tuyến SB của Việt Nam.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Nghiên cứu đánh giá thay đổi ổn định tàu sóng giai đoạn thiết kế ban đầu Evaluation on the changes of ship stability in waves in the initial design stage Trần Ngọc Tú1, Nguyễn Thị Thu Quỳnh1, Trần Việt Hà2 Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, tutn.dt@vimaru.edu.vn Viện kỹ thuật Hải Quân Tóm tắt Bài báo tổng hợp phân tích ảnh hưởng thơng số sóng biển tàu đến ổn định tàu sóng Lựa chọn loại sóng có ảnh hưởng lớn đến ổn định tàu để tiến hành tính tốn Trên sở phân tích ưu nhược điểm phương pháp tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng, báo tiến hành lựa chọn phương pháp tính phù hợp cho giai đoạn thiết kế ban đầu Áp dụng phương pháp tính đưa vào tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng theo cho tàu hàng khơ INANA có số IMO: 9552771 chạy tuyến SB Việt Nam Từ khóa: Ổn định, cánh tay đòn, sóng theo, thiết kế ban đầu Abstract This paper has summarized and analyzed the influence of waves and ship parameters on the ship stability in waves The wave having greatest influence on ship stability is taken into account This paper selected the most appropriate calculation method for the initial design stage, based on analyzing the pros and cons of the method of calculating the changes in the ship stability on waves This method is applied for calculating the changes on the ship stability in following waves of a cargo ship INANA with IMO: 9552771 classified SB by Vietnam Register Keywords: Stability, righting arm, following waves, initial design Đặt vấn đề Như biết, số nguyên nhân làm cho tàu bị đắm, đặc biệt tàu cỡ nhỏ có chiều dài từ 20 đến 60 m, có nguyên nhân lật tàu thay đổi ổn định tàu gặp sóng [1] bởi, tàu chuyển động sóng hình dáng phần thể tích ngâm nước, hình dáng đường nước yếu tố động học (sự tương tác hệ thống sóng tàu tạo với hệ thống sóng biển, phân bố lại áp suất bề mặt thân tàu, nhiễu xạ sóng) thay đổi từ dẫn đến thay đổi vị trí tâm bán kính tâm nghiêng tàu cuối kéo theo thay đổi ổn định tàu Sự thay đổi ổn định tàu rõ nét trường hợp tàu chuyển động sóng theo với tốc độ gần tốc độ lan truyền sóng chiều dài tàu xấp xỉ chiều dài bước sóng (/L = 0,9÷1,1), vị trí tương đối tàu so với sóng thời điểm tàu nằm vị trí bụng sóng nằm đỉnh sóng (hình 1) thời gian dài Trường hợp nguy hiểm (ổn định tàu giảm nhanh) xuất phương chuyền động tàu hợp với phương truyền sóng góc β = 00 góc β = 450 tàu nằm đỉnh sóng, đặc biệt tàu có chiều cao mạn khơ nhỏ, tỷ số L/B lớn hệ số béo dọc chung thân tàu nhỏ [2] Trên hình ảnh hưởng vị trí đỉnh sóng theo chiều dài tàu đến đồ thị ổn định tĩnh tàu Các đường cong 1, 2, 3, đặc trưng cho giá trị cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu chế độ khai thác khác (1 - nước tĩnh; - đỉnh sóng nằm khu vực mũi tàu; - đỉnh sóng nằm khu vực phía tàu; - đỉnh HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 213 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 sóng nằm mặt phẳng sườn giữa; - tàu nằm bụng sóng) Ngồi việc ổn định tàu bị giảm, chuyển động sóng đơi làm cho tàu tính điều khiển làm cho tàu quay theo hướng sóng cặp mạn, tượng gọi broaching Từ vấn đề nêu trên, đòi hỏi cần thiết phải nghiên cứu đánh giá ổn định tàu sóng giai đoạn thiết kế ban đầu nhằm mục đích: thứ nhất, để lựa chọn phương án thông số chủ yếu tàu cho bước thiết theo; thứ hai, đưa giải pháp hạn chế suy giảm ổn định tàu sóng sở nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến suy giảm này; thứ ba, sở kết tính tốn ổn định sóng thu người ta thiết lập tiêu chuẩn ổn định sóng cho tàu Quy phạm số nước thiết lập [1]; dùng để xây dựng đồ thị chạy bão Hình Vị trí tương đối tàu so với sóng Hình Ảnh hưởng sóng theo đến đồ thị ổn định tĩnh [5] Trong khn khổ báo này, nhóm tác giả xin trình bày phương pháp tính ổn định tàu sóng theo, loại sóng đánh giá có ảnh hưởng lớn đến ổn định tàu [1] Cơ sở lý thuyết tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng 2.1 Phân loại phương pháp tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng Để đánh giá thay đổi ổn định tàu sóng nói chung sóng theo nói riêng, người ta sử dụng số phương pháp sau: - Phương pháp thử nghiệm mơ hình tàu sóng bể thử; - Phương pháp số (CFD) việc mơ tính tốn ổn định tàu sóng; - Các phương pháp gần xây dựng sở số giả định phân tích hồi quy số liệu thực nghiệm Trong ba phương pháp kể phương pháp thử nghiệm mơ hình tàu sóng bể thử cho kết xác Tuy nhiên, thời gian giá thành chế tạo mơ chi phí cho việc thử mơ hình tốn Do vậy, người ta sử dụng phương pháp giai đoạn thiết kế kỹ thuật lựa chọn phương án phù hợp số phương án đưa giai đoạn thiết kế khởi thảo Đối với phương pháp số (CFD), phương pháp mà sở lý thuyết có từ năm 70 kỷ trước, sau có phát triển mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin phương pháp ứng dụng rộng rãi vào thực tế tính tốn Phương pháp đánh giá có độ xác cao Tuy nhiên, kết tính tốn theo phương pháp phụ thuộc vào điều kiện biên đưa thời gian tính tốn lâu, giai đoạn thiết kế khởi thảo so sánh phương án với sử dụng phương pháp nhiều thời gian khó đánh giá mức độ ảnh hưởng tham số đến thay đổi ổn định tàu sóng Việc sử dụng phương pháp gần để tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng mang lại kết khơng xác hai phương pháp trên, lại có ưu điểm thời gian tính tốn nhanh người thiết kế dễ dàng nhận biết mức độ ảnh hưởng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 214 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 thông số đến thay đổi ổn định tàu sóng, để từ đưa giải pháp thiết kế đề xuất việc hạn chế suy giảm ổn định tàu chạy sóng Từ ưu nhược điểm nêu phương pháp Trong bài báo này, nhóm tác giả lựa chọn phương pháp gần việc tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng 2.2 Các phương pháp gần tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng Để đánh giá thay đổi ổn định tàu sóng theo phương pháp gần đúng, ta sử dụng hai sơ đồ tính gồm: sơ đồ tính thủy tĩnh sơ đồ tính thủy động [2] Sơ đồ tính thủy tĩnh xây dựng sở đặt tĩnh tàu sóng với giả thiết trục sóng song song với mặt phẳng tàu, mô men hồi phục đặc trưng hình chiếu trọng lực lực lên mặt phẳng sườn, áp lực sóng phân bố theo quy luật thủy tĩnh Phương pháp trình bày chi tiết cơng trình [6, 7], đó, có đưa cơng thức dùng để đánh giá mức giảm ổn định tàu nằm đỉnh sóng Tuy nhiên, thực tế hệ thống sóng tàu sinh chuyển động tương tác với hệ thống sóng theo, dẫn đến profile sóng tổng hợp tạo nên giao thoa hệ thống sóng có hình dạng khác so với hình sin (hoặc đường dạng trochoid) profile sóng hồi quy Do vậy, thực tế tính tốn người ta sử dụng sơ đồ tính độ xác kết thu không cao đặc biệt tàu có tỷ số L/B nhỏ số Froude lớn [2] Sơ đồ tính thủy động xây dựng sở hai phương pháp tính là: tính tốn tích phân đặc trưng cho mơ men hồi phục khuôn khổ giả thuyết A.N Krylov có bổ sung thêm phần hiệu chỉnh ảnh hưởng nhiễu xạ sóng; sử dụng quan hệ hồi quy, xây dựng sơ sở số liệu thực nghiệm sau mơ hình hóa q trình vật lý chúng [2] Ở nhóm tác giả xin giới thiệu phương pháp tính ổn định sóng theo phương pháp Nechaev đề xuất (thuộc sơ đồ tính thủy động), xây dựng sở phân tích hồi quy số liệu thực nghiệm [8] Đây phương pháp đánh giá có độ xác cao, có tính đến ảnh hưởng thơng số hình dáng thân tàu, thơng số sóng số Froude, mà đăng kiểm Liên Bang Xô Viết năm 1979 áp dụng phương pháp việc tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng [3] tài liệu chuyên khảo tác giả Gaikovich [5] viết ổn định tàu sóng giới thiệu phương pháp Nechaev tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng Hình Sự phụ thuộc hàm số (h/, ) vào độ dốc sóng góc nghiêng tàu [2] HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 215 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Bản chất phương pháp Nechaev đề xuất trình bày sau [8]: Cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu chuyển động sóng theo xác định theo cơng thức: lw l lw , (1) Trong đó: l - cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu nước tĩnh, xác định dựa phương pháp tính tốn thơng thường; lw - biến lượng cánh tay đòn ảnh hưởng sóng Để tính tốn biến lượng lw góc = 00 chiều dài sóng chiều dài tàu (trường hợp ổn định giảm nhiều nhất) Nechaev đề đưa cơng thức tính sau: h lw B 102 ,θ Am f m (θ) m 1 B F (θ) C n n n 1 p E p (θ) (2) p 1 Trong đó: B - chiều rộng tàu, m; (h/, ) - hàm số, đặc trưng cho biến lượng cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu tiêu chuẩn, hàm số phụ thuộc vào độ dốc sóng, góc nghiêng tàu vị trí tương đối tàu so với sóng (nằm đỉnh sóng hay bụng sóng) xác định dựa số liệu hình 3; A m f m (θ) - phần hiệu chỉnh ảnh m 1 hưởng khác thơng số hình dáng số Froude tàu thiết kế so với tàu B F (θ) C tiêu chuẩn; n n n 1 p E p (θ) - phần hiệu chỉnh số hạng bình phương p 1 lập phương; fm(), Fn() Ep() - hàm góc nghiêng, giá trị xác định dựa hình Trong F1() tính đến L/B < 4,82 12 12 -410 -8 -16 -20 -24 )i -16 -20 -24 ( f4 4( )f ) F 5( ) F 5( ) ) F 8( -12 0,28 Fr< ) if F 8( ,28 r ( )if 0,2 f6 ( Fr ) >0 ,2 10 f 1( ) 10 f 1( ) 8 ) 3( 16 -24 -20 ( -16 F6 E2 -8 ( -12 -20 ( f2 10 -4 -12 -16 E1( 10 20 30 40 600 20 30 f40 1( 60 ) f1( ( ) 0F 2( E2 ,28 ( F r>0 10 , >0 f F ) Fr( ) i 8( f i F ) f ) ,5 ( f 6( 2F , 0,00 5F 3( 0,00 ) 5F 3( ) 4( ) 0,5F 0,5F 4( ) 16 f ) 3( ( 10f 20 20 3( ( 10f E1( -8 ( f2 -4 1( 10F 12 F3 F3 ( ( f3 ( f3 ( 16 1( 10F F 5( 0,5 f5 f4( ( 0,5 f5 f4( ( 12 F 5( 16 24 ) 20 24 ( 20 if F r 0,5f 6( 0,5f if F6(r f6 24 28.10 28.10 f8 ( 24 2 28.10 0, 5F 28.10 Hình HàmFm(), Fn() Ep() tàu nằm bụng sóng [2] HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 216 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Các tham số Am, Bn, Cp xác định theo công thức: A1= L/B – 4,82; A2 = B/T – 2,670; A3 = D/T – 1,300; A4 = CB/CWP – 0,700; A5 = CB/CM – 2 2 0,692; A6 = Fr–0,28; B1 A1 ; B2 A2 ; B1 A3 ; B4 A5 ; B6 A2 A3 ; B7 A2 A4 ; B8 A1 A6 ; C1 A23 ; C2 A33 ; C3 A53 Trong đó: L, B, T, D - chiều dài, chiều rộng, chiều chìm chiều cao mạn tàu, m; CB, CM, CWP - hệ số béo thể tích, hệ số béo sườn hệ số béo đường nước tàu Khi L/B >7 tốc độ chuyển động tàu thực tế không ảnh hưởng đến đại lượng lw, hệ số f6(), F5() F8() nhận giá trị khơng Cơng thức (2) áp dụng cho tàu có thơng số nằm dải giá trị sau: L/B = 3,2 ÷ 8,00; B/T = 2,00 ÷ 4,20; D/T = 1,05 ÷ 2,20; CB/CWP = 0,50 ÷ 0,92; CB/CM = 0,5 ÷ 0,85; Fr = 0,15 ÷ 0,45 Đối với sóng mà tỷ số chiều dài bước sóng chiều dài tàu /L ≠1 giá trị lw thu hiệu chỉnh cách nhân với hàm số F(/L) = k1(/L-1,0)+k2(/L1,0)2+ k3(/L-1,0)3, nghĩa là: (lw) = F(/L)lw Trong hệ số k1, k2, k3 - hệ số phụ thuộc vào vị trí tương đối tàu so với sóng: Khi tàu nằm đỉnh sóng: k1= 0,87; k2= 1,20; k3= 0,21; Khi tàu nằm bụng sóng: k1= 0,90; k2= 1,50; k3= 0,39 Ví dụ áp dụng Xác định biến lượng cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu hàng khơ INANA có số IMO: 9552771 [9] sóng đuổi với giả thiết /L = 1,0; h/ = 1/20 Tàu có thơng số sau: L = 90,84 m, B = 15,80 m; T = 7,4 m; D = 6,2 m; C B = 0,775; CWP = 0,891; CM = 0,962; Fr = 0,20 Do L/B = 5,7 > 4,82 nên ta cóF1() = Các tham số Am, Bn, Cp có giá trị sau: A1 = 0,929; A2 = -0,122; A3 = -0,106; A4 = 0,17, A5 = 0,144; A6 = -0,08; B1 = 086; B2 = 0,0148; B3 = 0,0113; B4 = 0,0129; B6 = 0,0129; B7 = -0,0207; B8 =-0,07; C1 = -0,0018; C2 = -0,0012; C3 = 0,0015 Dựa hình 3, ta thu giá trị hàm (h/, ), Fm(), Fn() Ep() Từ giá trị giá trị tham số Am, Bn, Cp vào vào công thức (1) (2) ta thu biến lượng cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu sóng theo bảng hình Bảng Bảng tính giá trị biến lượng cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu sóng theo Góc nghiêng Trên đỉnh sóng Dưới bụng sóng l [9], m lw, m l +lw l [9], m lw l +lw 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 10 20 30 0.369 0.569 0.626 -0.162 -0.278 -0.310 0.531 0.847 0.936 0.369 0.569 0.626 0.036 0.054 0.061 0.405 0.623 0.687 40 50 60 0.605 0.512 0.373 -0.285 -0.240 -0.220 0.890 0.752 0.593 0.605 0.512 0.373 0.029 0.020 -0.041 0.634 0.532 0.332 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 217 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Sự thay đổi đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu INANA sóng theo Kết luận Trên sở nghiên cứu thay đổi ổn định tàu sóng, báo thu kết sau: - Đã nêu nguy hiểm sóng theo đến ổn định tàu, đặc biệt tàu cỡ nhỏ; - Đã phân loại lựa chọn phương pháp phù hợp tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng theo giai đoạn thiết kế ban đầu; - Đã áp dụng lý thuyết đưa vào tính tốn tàu hàng khơ cụ thể hoạt động tuyến SB Việt Nam, kết thu phù hợp với quy luật thay đổi ổn định tàu sóng Tài liệu tham khảo [1] Кацман Ф М,, Коваленко Б П Остойчивость и качка судна на попутном волнении: Учеб пособие - М: В/О «Мор-техияформ.реклама», 1990 - 40 с [2] Под ред Я.И Войткунского Справочник по теории корабля: В трех томах Том Статика судов и качка судов (1985) Л.: Судостроение - 768 с [3] Регистр СССР Сборник нормативно-методических материалов Кн - Л.: Транспорт, 1979 - 90 с [4] Бородай И К., Нецветаев Ю А Качка судов на морском волнении - Л.: Судостроение, 1969 - 432 с [5].Гайкович А.И Теория проектирования водоизмещающих коряблей и судов TOM 2: Изд НИЦ МОРИНТЕХ, 2014 [6] Басин А М Качка судов М., Транспорт, 1969 [7] Гирс И В., Русецкий А.А., Нецветаев Ю.А Испытания мореходных качеств судов, - е изд Л Судостроение, 1977 [8] Нечаев Ю.И Остойчивость судов на попутном волнении.- Л Судостроение, 1978 [9] Hồ sơ tàu hàng khơ INANA có số IMO: 9552771, Cục Đăng kiểm Việt Nam, 2015 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 218 ... lớn đến ổn định tàu [1] Cơ sở lý thuyết tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng 2.1 Phân loại phương pháp tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng Để đánh giá thay đổi ổn định tàu sóng nói chung sóng theo... Hình Sự thay đổi đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu INANA sóng theo Kết luận Trên sở nghiên cứu thay đổi ổn định tàu sóng, báo thu kết sau: - Đã nêu nguy hiểm sóng theo đến ổn định tàu, ... lựa chọn phương pháp gần việc tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng 2.2 Các phương pháp gần tính tốn thay đổi ổn định tàu sóng Để đánh giá thay đổi ổn định tàu sóng theo phương pháp gần đúng, ta sử