Trong thời gian qua, số vụ tai nạn do va chạm giữa các phương tiện nổi có chiều hướng ngày càng gia tăng. Những vụ va chạm này không chỉ gây ra những thiệt hại to lớn đến kinh tế, xã hội mà còn để lại những tác hại xấu cho môi trường. Chính vì thế, việc nghiên cứu bài toán va chạm tàu là cần thiết để trên cơ sở đó đưa ra các giải pháp nhằm hạn chế các hậu quả có thể xảy ra do va chạm tàu. Bài báo này nghiên cứu động lực học trong va chạm giữa tàu với tàu.
THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Động lực học va chạm tàu với tàu Dynamics of collision between vessel and vessel Trần Đức Phú Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, phutd.ctt@vimaru.edu.vn Tóm tắt Trong thời gian qua, số vụ tai nạn va chạm phương tiện có chiều hướng ngày gia tăng Những vụ va chạm không gây thiệt hại to lớn đến kinh tế, xã hội mà để lại tác hại xấu cho mơi trường Chính thế, việc nghiên cứu tốn va chạm tàu cần thiết để sở đưa giải pháp nhằm hạn chế hậu xảy va chạm tàu Bài báo nghiên cứu động lực học va chạm tàu với tàu Từ khóa: Va chạm, tàu, phương tiện nổi, động lực học, an toàn hàng hải Abstract Recently, number of ship collision has increased significantly Such accidents not only have serious social and economic consequences but also cause serious damage to the environment Hence, the study of ship collision has become essential and to help prevent ship collision This paper outlines the external dynamics of ship-ship collision Keywords: Ship, vessel, collision, maritime safety Giới thiệu chung Mục đích báo giới thiệu quy trình tính tốn xung lực lượng va chạm bị triệt tiêu phá hủy kết cấu tàu Nghiên cứu tập trung vào chuyển động tàu mặt phẳng mặt nước Từ làm sở cho nghiên cứu liên quan đến tính tốn thiết kế vỏ tàu đánh giá thiệt hại xác định nguyên nhân đâm va tàu vụ va chạm Trong nghiên cứu thực năm 1982 Petersen [1], lực thủy động lực học tác động lên vỏ tàu trình va chạm tính tốn lý thuyết băng Các tàu nghiên cứu đưa vật thể cứng có biến dạng diễn vị trí tiếp xúc Tương tác kết cấu khu vực tiếp xúc mơ lò xo phi tuyến Nghiên cứu Zhang [2] đưa lý thuyết xác định tính chất học va chạm tàu thủy Dựa kết nghiên cứu Zhang, báo giới thiệu phương pháp phân tích xác định lượng thất xung lực va chạm va chạm tàu với tàu Trước tính tốn, tàu giả định có chuyển động dâng lắc lư, chuyển động trượt bật ngược lại mặt nước trình va chạm Năng lượng bị triệt tiêu biến dạng kết cấu biểu diễn dạng biểu thức dạng đóng Va chạm tàu tàu 2.1 Chuyển động tàu đâm Các phương trình biểu diễn chuyển động tàu đâm (A) dựa theo lực va thành phần F theo trục F theo trục xác định sau: M a (1 + max )vax = - F sin - F cos M a (1 + may )vay = - F cos + F sin M a R (1 + ja )a = - F yc sin - ( xc - xa ) cos + a + F yc cos + ( xc - xa )sin HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 (1) (2) (3) 282 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Tàu B Tàu A Hình Mơ hình va chạm tàu Trong M a khối lượng tàu đâm, gia tốc va chạm tàu đâm theo phương X Y xung quanh trọng tâm biểu diễn ( vax , vay , a ) Bán kính khối lượng quán tính tàu xung quanh trọng tâm tàu đâm ( xa ,0), tọa độ điểm xảy va chạm ( xc , yc ), hệ số tăng khối lượng chuyển động dâng lắc lư max may Hệ số mô men quanh trọng tâm ja 2.2 Chuyển động tàu bị đâm Chuyển động tàu bị đâm biểu diễn dạng: M b (1 + mb1 )vb1 = - F sin( - ) - F cos( - ) M b (1 + mb )vb = - F cos( - ) + F sin( - ) (4) (5) M b R (1 + jb )b = - F ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos - b - F ( yc - yb ) cos + ( xc - xb )sin (6) M b khối lượng tàu bị đâm Bán kính khối lượng quán tính tàu xung quanh trọng tâm tàu bị đâm ( xb , yb ) Hệ số tăng khối lượng chuyển động dâng lắc lư mb1 , mb Hệ số mô men quanh trọng tâm jb Tàu đâm va Gia tốc trọng tâm tàu đâm va: sin cos cos sin vax = F F , vay = F + F M a (1 + max ) M a (1 + max ) M a (1 + may ) M a (1 + may ) a = - yc sin - ( xc - xa )cos y cos + ( xc - xa )sin F + c F M a R a (1 + ja ) M a R a2 (1 + ja ) Gia tốc điểm C tàu đâm va theo phương : a = (vax - a yc )sin + vay + a ( xc - xa ) cos F 1 yc sin - ( xc - xa ) cos 2 =sin + cos + M a 1 + max + may + ja R 2a F 1 yc sin - ( xc - xa ) cos yc cos + ( xc - xa )sin sin cos + M a 1 + max + may + ja R 2a Gia tốc điểm C tàu đâm va theo phương : - HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 283 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 a = (vax - a yc ) cos - vay + a ( xc - xa ) sin =- F 1 yc sin - ( xc - xa ) cos yc cos + ( xc - xa )sin sin cos + M a 1 + max + may + ja R 2a F 1 yc cos + ( xc - xa )sin 2 cos + sin + M a 1 + max + may + ja R 2a Tàu bị đâm va Gia tốc điểm C tàu bị đâm va theo phương : b = vb1 sin( - ) + vb cos( - ) - b ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos F 1 ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos 2 =sin ( - ) + cos ( - ) + M b 1 + mb1 + mb + jb R b2 + F sin( - ) cos( - ) + sin( - ) cos( - ) sin cos M b 1 + mb1 + mb + ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos ( yc - yb ) cos + ( xc - xa )sin + jb R b2 b = - vbx - b ( yc - yb ) cos + vby + b ( xc - xb ) sin = F 1 sin( - ) cos( - ) + sin( - ) cos( - ) M b + mb1 + mb + ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos ( yc - yb ) cos + ( xc - xb )sin + jb R b2 + F 1 ( yc - yb ) cos + ( xc - xb )sin 2 cos ( ) + sin ( ) + M b 1 + mb1 + mb + jb R b2 Chuyển động tương đối tàu đâm va tàu bị đâm va Gia tốc tương đối tàu đâm va tàu bị đâm va điểm va chạm C: Da = a - b = - Ma + Db Da Db K a Kb K a Kb + + + F - F , = a - b = - F - F Mb Ma Mb Ma Mb Ma Mb Trong đó: Da = 1 yc sin - ( xc - xa ) cos sin + cos + + max + may + ja R 2a 1 ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos Db = sin ( - ) + cos ( - ) + + mb1 + mb + jb R b2 Db = 1 sin( - ) cos( - ) + sin( - ) cos( - ) + mb1 + mb + ( yc - yb )sin - ( xc - xb ) cos ( yc - yb ) cos + ( xc - xa )sin + jb R b2 1 yc sin - ( xc - xa )cos yc cos + ( xc - xa )sin K a = sin cos + + ja R 2a 1 + max + may HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 284 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 K b = + 1 sin( - ) cos( - ) + sin( - ) cos( - ) + mb1 + mb ( yc - yb ) sin - ( xc - xb ) cos ( yc - yb ) cos + ( xc - xb ) sin + jb R b2 1 ( yc - yb ) cos + ( xc - xb )sin = cos ( - ) + sin ( - ) + + mb1 + mb + jb R b2 Kb Có thể viết sau: = - D F - D F , = - K F - K F Trong đó: D = Da Ma + Db Mb , D = Da Ma + Db Mb , K = K a Ma + K b Mb , K = K a Ma + K b Mb Vận tốc tương đối trước sau va chạm Tại thời điểm đầu va chạm, t= 0, vận tốc tương đối tàu đâm va tàu bị đâm va điểm C the phương xác định sau: (0) = a (0) - b (0) = Vax sin + Vay cos + Vb1 sin( - ) - Vb cos( - ) (0) = a (0) - b (0) = Vax cos - Vay sin - Vb1 cos( - ) - Vb sin( - ) Tại thời điểm kết thúc va chạm, t= T, giả định tàu xảy tượng đàn hồi ngược trở lại theo phương , đó: (T ) = a (T ) - b (T ) = -e (0) Với e ( e ) hệ số phục hồi Với va chạm dẻo e = với va chạm đàn hồi tuyệt đối e = Trong trường hợp hai tàu bị mắc vào sau va chạm, vận tốc tương đối biểu diễn sau: (T ) = 0, (T ) = 2.3 Xác định xung lực va chạm Xung lực va chạm theo phương xác định theo công thức: T I = F dt = K (0)(1 + e) - D (0) D K - D K T , I = F dt = D (0) - K (0)(1 + e) D K - D K (7) 2.4 Năng lượng giải phóng Trong trường hợp sau va chạm, hai tàu bị gắn vào nhau, lượng giải phóng biểu diễn dạng: E = max 1 F d = (0) , E = D + D max F d = 1 (0) 2 K +K (8) Trường hợp sau va chạm, xảy tượng trượt: E = max F d = 1 (0)2 (1 - e2 ), E = D + 0 D max F d = 1 ( (0) - (T ) ) K +K (9) 0 So sánh với nghiên cứu trước Kết ứng dụng phương pháp so sánh với kết cơng bố trước Petersen (1982) [1] Hanhirova (1995) [3] Kết nghiên cứu Petersen (1982) tính tốn mơ theo thời gian nghiên cứu Hanhirova dựa theo phương pháp phân tích Trong trường hợp này, ta sử dụng hai tàu giống với kích thước bảng Với HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 285 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 tham số đưa làm sở để so sánh phương pháp với nhau, kết nghiên cứu đưa bảng với d khoảng cách tới vị trí va chạm tới trọng tâm tàu Bảng Kích thước tàu tính toán Chiều dài Chiều rộng Mớn nước Lượng chiếm nước Bán kính quán tính tàu 116,0 m 19,0 m 6,9 m 10.340 t 29,0 m Bảng Kết so sánh Tham số ([V] = m/s) E ( MJ ) E ( MJ ) d Nghiê n cứu Peterse n (1982) Hanhirov a (1995) Nghiê n cứu Peterse n (1982) Hanhirov a (1995) 90 70.1 69.6 54.4 0 4.5 90 70.1 64.1 54.4 21.4 24.7 41.5 4.5 60 35.3 29.8 28.3 0.2 5.2 15.8 4 4.5 30 7.4 71.9 49.3 7.2 5 4.5 120 64.9 60.5 41.7 90.4 93.1 115 4.5 120 L/3 42.9 49.2 74.1 85.4 90.7 102 4.5 120 L/6 60 64.9 60.6 92.3 91.6 110 4.5 120 -L/3 30.8 26.3 74.1 68 86.7 102 13 120 50.1 54 40.9 15 9.8 14 14 2.2 120 57.5 60.3 42.8 45.1 40.7 51.5 120 81.4 50.7 28.6 245.3 258 347 Trườn g hợp Va Vb 5 15 9.5 tốn Ví dụ tính = Giả sử có hai tàu giống có kích thước bảng di chuyển với vận tốc V = 4,5 m/s va chạm với với góc vị trí khác Vị trí va chạm dọc theo thân tàu bị đâm lượng bị thất thoát thể bảng Giả thiết hệ số ma sát o = 0, Bảng Kích thước tàu Chiều dài Chiều rộng Mớn nước Lượng chiếm nước 82,5 m 18,8 m 7,6 m 4000 t HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 286 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 Hình Vị trí va chạm Bảng Năng lượng tổn thất sau va chạm tàu Vị trí va chạm Xc (m) 40,00 0,00 38,50 Yc (m) Góc Tổng lượng thất thoát (MJ) = 30o = 60o = 90o = 120o = 150o 90 0,98 5,35 15,87 37,82 67,07 2,60 45 1,55 6,88 18,10 39,03 69,45 36,60 4,10 37,5 1,63 7,26 19,21 41,16 69,77 34,60 5,60 32,5 1,71 7,67 20,40 43,43 66,92 30,80 7,50 21,7 1,86 8,42 22,51 47,06 50,47 27,00 9,00 14,4 2,01 9,20 24,74 50,17 38,82 23,10 9,40 7,3 2,16 9,98 26,89 48,92 26,82 19,30 9,40 2,30 10,78 29,09 42,36 16,02 15,40 9,40 2,44 11,61 31,29 46,88 17,14 10 11,60 9,40 2,56 12,39 33,26 50,58 18,02 11 7,70 9,40 2,67 13,07 34,80 53,09 18,64 12 3,90 9,40 2,74 13,53 35,54 53,85 18,88 13 0,00 9,40 2,76 13,70 35,26 52,79 18,74 14 -3,90 9,40 2,64 13,51 33,92 50,10 18,21 15 -7,70 9,40 2,57 12,98 31,79 46,36 17,39 16 -11,60 9,40 2,56 12,17 29,10 41,91 16,32 17 -15,40 9,40 2,43 11,22 26,34 37,41 15,14 18 -19,30 9,40 2,28 10,18 23,62 32,97 13,88 19 -23,10 9,40 2,12 9,19 21,26 29,00 12,66 20 -27,00 9,40 1,95 8,24 19,14 25,38 11,46 21 -30,80 9,40 1,80 7,43 17,38 22,30 10,38 22 -34,60 9,40 1,65 6,72 15,73 19,63 9,38 23 -38,50 9,40 1,51 6,09 14,18 17,28 8,46 24 -40,00 9,40 1,45 5,88 13,62 16,48 8,14 Từ hình vẽ ta thấy lượng tổn thất gây va chạm tàu góc = 120o lớn hầu hết trường hợp, trường hợp = 90o Từ việc xác định lượng HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 287 THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 2016 tổn thất thấy hai trường hợp gây thiệt hại lớn tàu liên quan Kết luận Trong báo này, phương pháp phân tích tính tốn động lực học va chạm tàu tàu đưa Kết nghiên cứu so sánh với nghiên cứu cơng bố trước cho thấy kết tính tốn theo phương pháp cho kết tốt Hình Tổn thất lượng va chạm tàu Tài liệu tham khảo [1] Petersen, M.J., Dynamics of ship collisions Ocean Engineering, 1982 9(4): p 295-329 [2] Zhang, S., The Mechanics of Ship Collisions, in Department of Marine Technology 1999 [3] Norwegian University of Science and Technology: Trondheim, Norway [4] Hanhirova, H., External Collision Model, Safety of Passenger/RoRo Vessels, in Helsinki University of Technology, Ship Laboratory 1995 HỘI NGHỊ QUỐC TẾ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 2016 288 ... 2016 Tàu B Tàu A Hình Mơ hình va chạm tàu Trong M a khối lượng tàu đâm, gia tốc va chạm tàu đâm theo phương X Y xung quanh trọng tâm biểu diễn ( vax , vay , a ) Bán kính khối lượng quán tính tàu. .. ) + M b 1 + mb1 + mb + jb R b2 Chuyển động tương đối tàu đâm va tàu bị đâm va Gia tốc tương đối tàu đâm va tàu bị đâm va điểm va chạm C: Da = a - b = - Ma + Db Da... kết thúc va chạm, t= T, giả định tàu xảy tượng đàn hồi ngược trở lại theo phương , đó: (T ) = a (T ) - b (T ) = -e (0) Với e ( e ) hệ số phục hồi Với va chạm dẻo e = với va chạm đàn