Tự động hóa biến đổi thông số hình dáng tàu áp dụng phương pháp Lackenby

Bài viết trình bày công cụ biến đổi thông số hình dáng tàu dựa trên tuyến hình tàu mẫu theo phương pháp Lackenby. Qua đó, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, tàu được thiết kế sẽ thừa hưởng những tính năng tốt từ tàu mẫu cũng như thỏa mãn thông số hình dáng theo nhiệm vụ thư.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 27 TỰ ĐỘNG HĨA BIẾN ĐỔI THƠNG SỐ HÌNH DÁNG TÀU ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP LACKENBY AUTOMATIC PARAMETRIC HULL FORM VARIATION APPLYING LACKENBY METHOD Nguyễn Thị Ngọc Hoa, 2Vũ Ngọc Bích Trường Đại học Giao thơng vận tải TPHCM hoa_vt@hcmutrans.ut.edu.vn, 2vubich@ut.edu.vn 1,2 Tóm tắt: Bài báo trình bày cơng cụ biến đổi thơng số hình dáng tàu dựa tuyến hình tàu mẫu theo phương pháp Lackenby Qua đó, giai đoạn thiết kế sơ bộ, tàu thiết kế thừa hưởng tính tốt từ tàu mẫu thỏa mãn thông số hình dáng theo nhiệm vụ thư Thuật tốn xây dựng MATLAB hướng đến việc hỗ trợ cơng tác tự động hóa thiết kế Trong báo này, kết biến đổi hình dáng minh họa thơng qua đường cong diện tích sườn mẫu tàu chở hàng container Từ khóa: Lackenby, thiết kế sơ bộ, biến đổi thơng số hình dáng, đường cong diện tích sườn Chỉ số phân loại: 2.1 Abstract: The paper presents a tool for parametric hull form variation based on a parent ship using Lackenby Thereby, in the preliminary design stage, the vessel is designed to inherit good features from the parent ship as well as satisfy the parameters according to the design requirement The algorithm is built on MATLAB platform and aims to support the automatic design work In this paper, the results of ship variation are illustrated through the sectional area curve of the cargo ship and container ship Keywords: Lackenby, preliminary design stage, parametric hull form variation, sectional area curve Classification number: 2.1 so với thiết kế hoàn toàn Tuy nhiên, để Giới thiệu thiết kết tàu có tính tốt, tuyến Hiện nay, giai đoạn thiết kế sơ bộ, hình tàu thiết kế điều chỉnh dựa thiết kế tuyến hình (hình dáng) tàu, ảnh tàu mẫu phải có đặc điểm tương tự, hưởng trực tiếp tới tồn tính tốn thiết hình dáng thân tàu chỉnh sửa cần kế sau liên quan đến tính giữ ưu điểm đặc tính thủy tĩnh hàng hải phương tiện thủy Hiện có động lực học tàu mẫu Tuy nhiên, hai cách tiếp cận để thiết kế tuyến hình tàu thơng số hình học lượng chiếm nước thiết kế thiết kế theo mẫu tàu thiết kế khác so với tàu mẫu, cần Thiết kế tuyến hình cơng việc phải có giải pháp phù hợp để thay đổi, đòi hỏi thời gian, yêu cầu người thiết kế phải chỉnh sửa tuyến hình theo yêu cầu thiết kế có kiến thức kinh nghiệm tồn diện mà giữ ngun tính cơng tác thiết kế tàu Ngồi ra, tuyến hình tàu vượt trội tàu mẫu [2] khơng có kết thử nghiệm thực Một cách đơn giản, hiệu chỉnh thiết kế tế tính hàng hải ổn định tàu, trình dịch chuyển khoảng sườn lý thuyết động lực học tàu không đảm bảo độ tin theo chiều dài tàu cho phù hợp với đường cậy cho người thiết kế chủ tàu [1] Thiết cong diện tích sườn Thực tế cơng việc kế theo tàu mẫu, thực tế, dùng hiệu chỉnh khoảng sườn từ mũi đến lái tàu tuyến hình tàu có tính tốt sở tương ứng với chênh lệch hệ số béo lăng chọn đường hình dáng Việc thiết kế tuyến trụ tương ứng Phương pháp 1–Cp áp hình tàu theo phương pháp chỉnh sửa, biến dụng hiệu thuận tiện, theo phần đổi hình dáng tàu mẫu thường ưa thân ống thêm vào bớt cách chuộng giảm thiểu tối đa rủi ro 28 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 phù hợp cho đảm bảo độ đầy đặn khu vực mũi lái tàu chênh lệch Cp + δCp Tuy vậy, hạn chế 1–Cp chiều dài đoạn thân ống khu vực tàu thay đổi độc lập với hệ số lăng trụ cách thiết kế theo mẫu hiệu phổ biến Thực tiễn nêu cho thấy chiều dài phần thân ống đoạn trước sau sườn tàu L pf L pa cần cho phép hiệu chỉnh độc lập với hệ số lăng trụ Cp, nhằm thay đổi lượng chiếm nước ∇ so với tàu mẫu Lackenby (1950) đề xuất phương pháp khắc phục phụ thuộc thông số Cp, chiều dài đoạn thân ống phía trước L pf đoạn thân ống phía sau L pa việc biến đổi hình dáng tàu thiết kế so với tàu mẫu Với phát triển mạnh mẽ máy tính điện tử cơng cụ lập trình tự động, tác giả xây dựng giải thuật tính tốn biến số hiệu chỉnh độc lập gồm Cp, L pf L pa cho mẫu thiết kế tàu hàng tàu container dựa phương pháp Lackenby Kết tính tốn thể qua việc tự động hóa khởi tạo đường cong diện tích sườn tàu thiết kế thỏa mãn yêu cầu đặt đưa phân bố sườn lý thuyết phù hợp Các biến số giá trị tính tốn liên quan giải thuật Cp, L pf L pa , ∇, hoành độ tâm LCB đầu vào phục vụ toán tối ưu thiết kế sau Hình Kéo dài đoạn thân ống từ tàu mẫu Xây dựng đường cong diện tích sườn (đường cong SAC) 2.1 Vai trị đường cong SAC Giai đoạn thiết kế sơ thiết kế đường cong diện tích sườn Trong thực tế, kỹ sư thiết kế tàu thường việc phác thảo hình dáng mặt cắt ngang (hình 2), sau phát triển thành vẽ tuyến hình hồn chỉnh sau tích hợp hệ thống mặt cắt đường nước mặt cắt dọc Chất lượng hệ thống mặt cắt ngang thể qua đường cong diện tích sườn SAC Đường cong SAC cịn hỗ trợ đánh giá lượng chiếm nước tọa độ tâm tồn tàu, qua sơ thể tính hàng hải tồn tàu Hình Mặt cắt ngang sườn lý thuyết Về mặt lý thuyết, dựa vào đường cong SAC đánh giá sơ chất lượng, độ trơn hình dáng phần hơng, mũi lái tàu Các thay đổi để đảm bảo tính tàu điều chỉnh từ đường cong SAC tồn tàu (hình 3) Hình Đường cong SAC thể hình dáng tàu thiết kế Theo trình tự, mặt cắt đường cong diện tích sườn khu vực mũi, lái tàu phác thảo dạng hình thang Tỷ lệ diện tích hình thang so với hình chữ nhật có chiều cao A M tương ứng với hệ số lăng trụ Cp Chiều dài khu vực hình thang L pp Diện tích sườn A M = B x d x C M đại diện cho chiều cao hình thang Đường cong diện tích sườn phải thể lượng chiếm nước tọa độ tâm (hình 4) (a) Có đoạn thân ống TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 29 Tỉ lệ phần diện tích đường cong với diện tích hình chữ nhật bao quanh đường cong hệ số béo lăng trụ tàu (Cp) CP = (4) Đường cong SAC tham số liên quan thể hình (b) Khơng có đoạn thân ống Hình Dạng đường cong SAC tiêu biểu Đối với tàu khơng có đoạn thân ống, hình thang thiết kế trở thành hình tam giác (hình 4b) Điều thường có tàu có hệ số Froude lớn 0,3 Đỉnh tam giác phải cao diện tích phần hình vẽ Các tiêu chí vị trí tâm hệ số béo lăng trụ Cp mong muốn sử dụng để hình thành hệ số béo riêng biệt cho phần trước phần sau thân tàu Thiết kế đường cong diện tích sườn ưu tiên phương pháp sử dụng công thức tốn học đơn giản, đường cong diện tích sườn thực từ thiết kế thường đáp ứng tốt với tuyến hình tàu hồn thiện tồn q trình thiết kế Khi đường cong diện tích có hiệu chỉnh, lượng chiếm nước tọa độ tâm phải kiểm tra đối chiếu Về nguyên tắc, diện tích đường cong SAC thể tích chiếm nước tồn tàu, với A(x) diện tích đường sườn lý thuyết L ∇ = ∫ A( x )dx (1) Hệ số béo thể tích C B tính tốn theo đường cong diện tích sườn SAC: L CB = ∫ A( x)dx LBd = ∇ LBd Areaunder curve ∆ = L AM Arearec tan gle (2) Vị trí trọng tâm phần diện tích đường cong hồnh độ tâm LCB tàu LCB tính tốn theo đường cong diện tích sườn SAC: Hình Đường cong SAC tham số hình dáng liên quan 2.2 Tính tốn thơng số đường cong SAC từ tích phân số Simpson Đường cong diện tích sườn SAC đồ thị diện tích mặt cắt ngang tới đường nước thiết kế, dọc theo chiều dài tàu Đường cong thể phân bố thể tích chiếm nước theo chiều dài tàu Thay thực phương pháp tích phân giải tích cho tốn tính tốn thơng số bản, tính gần phương pháp tích phân số gần đúng, thuận lợi cho việc tích hợp vào giải thuật chương tình tính tốn tự động hóa nghiên cứu Phương pháp Simpson mơ tả cách tích phân xấp xỉ cho phần diện tích đường cong SAC Nguyên tắc Simpson phát triển từ đường cong parapol bậc hai có dạng y = ax2 + bx + c nên đảm bảo tính cong liên tục so với xấp xỉ tuyến tính phương pháp hình thang Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng giải thuật Simpson để tính tốn thơng số lượng chiếm nước Δ hoành độ tâm LCB tàu L LCB = ∫ xA( x)dx L (3) ∫ A( x)dx Hình Tích phân xấp xỉ Simpson tồn tàu cho đường cong SAC 30 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 Trong trường hợp xem xét tích phân hữu hạn đường cong SAC từ lái đến mũi tàu bao gồm tổng miền diện tích nhỏ y2 n  2d  y0 A=  + 2y1 + y2 = 2y3 + + 2y2n−1 +  32  r1 − Cp' = r2 − Cp (10) • Thay đổi LCB (9) Trong đó: - A: Diện tích sườn (mm2); - d: Khoảng cách hai đường nước; - y: ½ chiều rộng tương ứng với đường nước (mm) Biến đổi tham số hình dáng tàu ứng dụng phương pháp Lackenby 3.1 Tổng quan phương pháp hiệu chỉnh tuyến hình tàu Chất lượng hình dáng toàn tàu phụ thuộc vào biên dạng diện tích mặt cắt ngang Đối với thiết kế hình dáng tuyến hình tàu dựa tàu mẫu, thông số Cp LCB thay đổi theo thông số tàu thiết kế cách điều chỉnh vị trí sườn theo chiều dài tàu để đạt đường cong diện tích sườn (hình 9) Hình Khởi tạo đường cong diện tích sườn cho tàu thiết kế Việc điều chỉnh thông số Cp, LCB thông qua đường cong SAC phương án hiệu phổ biến giai đoạn thiết kế sơ bộ, hình 10 [3]: • Thay đổi Cp (11) (a) Thay đổi Cp (b) Thay đổi LCB Hình 10 Phương pháp hiệu chỉnh – Cp Phương pháp – Cp tương đối đơn giản thuận lợi vài trường hợp Tuy nhiên, thực tế việc kiểm soát đoạn thân ống tàu mẫu nhược điểm phương pháp Để khắc phục nhược điểm trên, phương pháp Lackenby kiểm sốt LCB thơng qua chiều dài phần thân ống trước L Pf , chiều dài phần thân ống sau L pa thông qua giá trị δC p , δLCB, δL pf δL pa Từ xác định dịch chuyển δx f,a theo chiều dài tàu mặt cắt sườn [4], [5] 3.2 Xây dựng giải thuật tính tốn Mơ hình tính tốn thiết lập sở quy trình tính tốn hình 11, thơng số hình học giải thuật mơ tả hình 12 [6] 31 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 Hình 12 Cái thơng số hình học giải thuật C pf ,a : Hệ số béo lăng trụ phần trước sau tàu mẫu; δ C pf ,a : Độ thay đổi hệ số béo lăng trụ theo yêu cầu thiết kế phần trước sau tàu; Lpf ,a : Chiều dài đoạn thân ống (parallel middle body) phần trước sau tàu; δ LPf ,a : Độ thay đổi chiều dài đoạn thân Hình 11 Quy trình biến đổi hình dáng tàu với hỗ trợ Lackenby ống tàu; hf ,a : Khoảng cách trọng tâm δ C Pf ,a từ tàu; LCB : Khoảng cách tâm tàu theo chiều dọc xét từ tàu; δ LCB : Độ thay đổi khoảng cách tâm tàu thiết kế Công thức tính độ dịch chuyển theo chiều dọc tàu mặt cắt ngang xét [7], [8]: δL − δ C Pf ,a x −L δ x f ,a = (1 − x f ,a ){ Pf ,a + f ,a Pf ,a (δ CPf ,a − δ LPf ,a )} − LPf ,a − δ LPf ,a Af ,a (12) Trong đó: Af ,a = C Pf ,a (1 − x f ,a ) − LPf ,a (1 − C Pf ,a ) Bf ,a = C Pf ,a {2 x f ,a − 3k f ,a2 − LPf ,a (1 − x f ,a )} Af ,a k f ,a = I f ,a S f ,a (13) (14) (15) I f ,a : Mơ men qn tính mặt phẳng (second moment) tàu thể dạng phần chiều dài phân trước sau tàu; S f ,a : Diện tích phần trước sau tàu Giá trị δ C Pf ,a tính theo cơng thức: 32 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 δ CPf = δ CPf = 2{δ CP ( Ba + LCB) + δ LCB(CP + δ CP )} + C f δ LPf − Ca δ LPa B f + Ba 2{δ CP ( B f − LCB ) − δ LCB (CP + δ CP )}-C f δ LPf + Ca δ LPa B f + Ba (16) (17) Trong đó: C f ,a = B f ,a (1 − CPf ,a ) − CPf ,a (1 − x f ,a ) Phương pháp thay đổi Lackenby có ưu điểm sau: - Kết hợp ưu điểm từ phương pháp Cp phương pháp Swinging; - Phần đoạn thân ống song song điều chỉnh; - Khi δx tỉ lệ với x(1-x), phương pháp áp dụng cho vị trí mặt cắt ngang tuyến hình; - Có thể xác định thay đổi cần thiết hệ số béo lăng trụ phần thân trước phần thân sau để đạt thay đổi mong muốn vị trí LCB hệ số béo lăng trụ toàn tàu C P Kết tính tốn 4.1 Áp dụng Lackenby cho mẫu tàu hàng thơng dụng Dựa tàu hàng mơ hình (hình 13), giải thuật tự động hóa điều chỉnh lượng chiếm nước theo Cp yêu cầu đảm bảo giá trị LCB tàu mẫu Kết trình bày bảng 3, đường cong lượng chiếm nước tương ứng trình bày hình 14, mặt cắt ngang sườn lý thuyết trình bày hình 15 Hình 13 Mơ hình hóa hình dáng tàu hàng (18) − LPf ,a Bảng Thông số mẫu tàu hàng THƠNG SỐ MẪU TÀU Lượng chiếm nước Thể tích chiếm nước Chiều dài Chiều chìm Chiều rộng Hệ số béo lăng trụ Hệ số béo thể tích Hệ số béo tàu Hệ số béo đường nước LCB (từ lái tàu) ∆ V L d B CP CB CM C WP LCB ms 2669 2604 67.145 4.27 11.025 m3 m m m 0.846 0.825 0.996 0.898 36.019 m Bảng Thơng số tàu áp dụng Lackenby THƠNG SỐ TÀU (THAY ĐỔI ∆, GIỮ NGUYÊN LCB) Lượng chiếm nước Thể tích chiếm nước Chiều dài Chiều chìm Chiều rộng Hệ số béo lăng trụ Hệ số béo thể tích Hệ số béo tàu Hệ số béo đường nước LCB (từ lái tàu) ∆ V L d B CP CB CM C WP LCB ms 2774 2706 67.145 4.27 11.025 0.881 0.878 0.996 0.898 36.019 m3 m m m m 33 TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 31-02/2019 Bảng Thơng số tàu mẫu THÔNG SỐ TÀU MẪU 3070 Lượng chiếm nước ∆ V Thể tích chiếm nước 2995 L 71.2 Chiều dài d 3.9 Chiều chìm B 12.875 Chiều rộng CP Hệ số béo lăng trụ 0.905 CB Hệ số béo thể tích 0.837 CM 0.966 Hệ số béo tàu C WP 0.932 Hệ số béo đường nước LCB ms 34.091 LCB (từ lái tàu) Bảng Thông số tàu thiết kế m3 m m m m THÔNG SỐ TÀU THIẾT KẾ (THAY ĐỔI ∆, GIỮ NGUYÊN LCB) Hình 14 Đường cong SAC trước sau dùng Lackenby điều chỉnh lượng chiếm nước Hình 15 Mặt cắt ngang sườn lý thuyết mẫu tàu hàng trước sau điều chỉnh lượng chiếm nước Lượng chiếm nước ∆ 3121.56 Thể tích chiếm nước V 3045 m3 Chiều dài L 71.2 m Chiều chìm d 3.9 m Chiều rộng B 12.875 m Hệ số béo lăng trụ CP 0.92 Hệ số béo thể tích CB 0.869 Hệ số béo tàu CM 0.966 Hệ số béo đường nước C WP 0.947 LCB ms 34.091 LCB (từ lái tàu) m Kết thể đường sườn tàu thiết kế đảm bảo hình dáng tương tự tàu mẫu điều chỉnh lượng chiếm nước LCB theo yêu cầu nhiệm vụ thư thiết kế 4.2 Áp dụng Lackenby cho mẫu tàu container 128 TEU pha SB Hình 16 Mơ hình hóa hình dáng tàu container 128 TEU pha SB Hình 17 Đường cong SAC trước sau dùng Lackenby điều chỉnh lượng chiếm nước 34 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 31, Feb 2019 lượng tuyến hình tàu cần làm rõ hướng nghiên cứu tới Nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu theo hướng tham số hóa làm trơn hình dáng tuyến hình thơng qua giải thuật NURBS thiết kế hình dáng thân tàu Việc có ý nghĩa quan trọng việc đảm bảo chất lượng tuyến hình tàu sức cản hình dáng tàu thiết kế Tài liệu tham khảo Hình 18 Mặt cắt ngang sườn lý thuyết tàu container 128 TEU pha SB trước sau điều chỉnh lượng chiếm nước Kết thể đường sườn tàu thiết kế đảm bảo hình dáng tương tự tàu mẫu thay đổi lượng chiếm nước (thông qua điều chỉnh đoạn thân ống Cp) trì giá trị LCB tàu mẫu Kết luận Bài báo trình bày kết biến đổi tham số hình dáng tàu dựa tuyến hình tàu mẫu theo phương pháp Lackenby Giải thuật xây dựng nhằm tự động hóa cơng tác thiết kế thay đổi hình dáng tàu đáp ứng trọng tải theo nhiệm vụ thư thiết kế đồng thời giữ nguyên thông số LCB tàu mẫu Tuy vậy, phương pháp có hạn chế Lackenby sử dụng hàm bậc hai cho cơng thức tính độ dịch chuyển sườn, chưa thể đảm bảo đường cong diện tích sườn tàu hiệu chỉnh có độ trơn tồn cục, cụ thể hệ thống đường cong đường nước khu vực phần mũi lái Điều có khả ảnh hưởng đến chất [1] D.G.M Watson, Practical Ship Design Elsevier Science, 1998 [2] H S Volker Bertram, Ship Design for Efficiency and Economy Butterworth-Heinemann, 1998 [3] A F Molland, The Maritime Engineering Reference Book: A Guide to Ship Design, Construction and Operation 2011 [4] H Lackenby, “On the Systematic Geometrical Variation of Ship Forms,” Trans R Inst Nav Archit., 1950 [5] H Kim, “On the Volumetric Balanced Variation of Ship Forms,” vol 27, no March, pp 1–7, 2013 [6] K.-Y L Myung-Il Roh, Computational Ship Design Springer, 2017 [7] S Han, Y S Lee, and Y B Choi, “Hydrodynamic hull form optimization using parametric models,” Journal of Marine Science and Technology 2012 [8] S S Alfred Gray, Elsa Abbena, Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica Chapman & Hall/CRC, 2006 Ngày nhận bài: 21/1/2019 Ngày chuyển phản biện: 25/1/2019 Ngày hoàn thành sửa bài: 15/2/2019 Ngày chấp nhận đăng: 22/2/2019 ... ) Phương pháp thay đổi Lackenby có ưu điểm sau: - Kết hợp ưu điểm từ phương pháp Cp phương pháp Swinging; - Phần đoạn thân ống song song điều chỉnh; - Khi δx tỉ lệ với x(1-x), phương pháp áp dụng. .. nhằm tự động hóa cơng tác thiết kế thay đổi hình dáng tàu ? ?áp ứng trọng tải theo nhiệm vụ thư thiết kế đồng thời giữ nguyên thông số LCB tàu mẫu Tuy vậy, phương pháp có hạn chế Lackenby sử dụng. .. Bảng Thông số tàu áp dụng Lackenby THÔNG SỐ TÀU (THAY ĐỔI ∆, GIỮ NGUYÊN LCB) Lượng chiếm nước Thể tích chiếm nước Chiều dài Chiều chìm Chiều rộng Hệ số béo lăng trụ Hệ số béo thể tích Hệ số béo tàu