phần thuyết minh tính toán tính ổn định của tàu

HƯỚNG DẪN BÀI TẬP LỚN SỐ 3: TÍNH TỐN TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA TÀU Tính ổn định khả tàu khơi phục vị trí cân ban đầu mômen ngoại lực tác dụng, hay khả chống lại mơmen ngoại lực Tính tốn tính ổn định quan trọng q trình thiết kế, giúp tàu có khả chống đỡ lại ảnh hưởng phức tạp mơi trường hoạt động, đảm bảo tính mạng tài sản cho người sử dụng 2.3.1 Mục đích yêu cầu tập: 2.3.1.1 Mục đích: - Bài tập giúp cho sinh viên biết tính tốn, xây dựng đồ thị cánh tay địn ổn định kiểm tra tính ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp - Nó tiền đề để tính tốn, kiểm tra tính ổn định tàu thực tế 2.3.1.2 Yêu cầu: Trong tập lớn số sinh viên áp dụng phương pháp tính cánh tay địn ổn định theo phương pháp Vlaxơp phương pháp Krưlơp- Darnhi việc tính tốn, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định cho tàu làm tập 1, kiểm tra tính ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp 2.3.2 Lựa chọn phương án: -Trong phần tính tốn tính ổn định tính tốn xây dựng đồ thị cánh tay địn ổn định kiểm tra tính ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp -Trong phần tập hướng dẫn áp dụng hai phương pháp tính ổn định thường dùng nay, là: + Tính tốn cánh tay địn ổn định tàu theo phương pháp giáo sư Vlaxơp + Tính tốn cánh tay địn ổn định tàu theo phương pháp Krưlơp-Darnhi 2.3.3 Cơ sở lý thuyết: 2.3.3.1 Khái niệm: Tính ổn định khả tàu khơi phục vị trí cân ban đầu mômen ngoại lực tác dụng, hay khả chống lại mômen ngoại lực - Ổn định ngang: Là ổn định mặt phẳng ngang, đặc trưng góc nghiêng θ - Ổn định dọc: Là ổn định mặt phẳng dọc, đặc trưng góc nghiêng  - Ổn định tĩnh: Mômen nghiêng mômen tĩnh, tàu nghiêng từ từ khơng có gia tốc - Ổn định động: Mômen nghiêng mômen động, tàu nghiêng đột ngột, có gia tốc - Ổn định ban đầu: Ổn định xét trường hợp góc nghiêng nhỏ θ≤ 100 – 120 - Ổn định góc nghiêng lớn: Ổn định xét trường hợp góc nghiêng lớn θ >10 – 120 2.3.3.2 Các phương pháp tính cánh tay địn ổn định 1) Tính tốn cánh tay địn ổn định tàu theo phương pháp giáo sư Vlaxôp Giáo sư Vlaxôp đưa tốn xây dựng phương pháp tính tay địn ổn định tĩnh l ( ) tốn xấp xỉ, cánh tay địn hình dáng lhd có dạng quen thuộc: l hd  y c cos   ( z c  z co ) sin  xấp xỉ đa thức lượng dạng lẻ: l hd  a1 sin   a sin 2  a sin 4  a sin 6 Trong hệ số đa thức phụ thuộc đặc điểm hình học vỏ tàu,  góc nghiêng Để xác định hệ số giáo sư Vlaxôp sử dụng điều kiện biên lhd để xây dựng hệ phương trình, phương trình phải thoả mãn: Tại  =00 phải thoả mãn: l hd  a1 sin   a sin 2  a sin 4  a sin 6 =0 dl hd d (a1 sin   a sin 2  a sin 4  a sin 6   ro d d Tại  =900 phải thoả mãn: l hd  a1 sin   a sin 2  a sin 4  a sin 6  z c 90  z c dl hd d (a1 sin   a sin 2  a sin 4  a sin 6   r90  y c 90 d d 90 Và l hd d  y c 90 Giải hệ phương trình ta giá trị a i Sau vài biến đổi với tham gia giáo sư Blagơvesenxky, Vlaxôp đưa biểu thức xấp xỉ tay địn hình dạng: l hd  y c 90 f ( )  ( z c 90  z co ) f ( )  r0 f ( )  r90 f ( ) Trong hàm f i ( ) phụ thuộc góc nghiêng tàu (    90) tính sẵng cho dạng bảng Toạ độ tâm ( yc90, zc90, zc0) bán kính tâm ổn định (r0, r90) vị trí biên tính cách đo trực tiếp giá trị đường hình (đối với tốn thuận ) với khối lượng tính hẳn, cơng thức gần (đối với toán nghịch ) Bảng 2.2: Giá trị hàm f1(), f2(), f3(), f4() phụ thuộc góc nghiêng tàu  Góc nghiêng sin(θ) Giá trị hàm fi(θ) θ(độ) (rad) f1() F2) F3) F4) 0 0 0 10 0.1736 0.05 -0.036 0.151 0.01 20 0.3420 0.337 -0.241 0.184 0.062 30 0.5000 0.84 -0.556 0.081 0.135 40 0.6428 1.279 -0.722 -0.069 0.155 50 0.7660 1.365 -0.513 -0.155 0.069 60 0.8660 1.056 0.026 -0.135 -0.081 70 0.9397 0.586 0.603 -0.062 -0.184 80 0.9848 0.21 0.935 -0.01 -0.151 90 1 0 Phương pháp giáo sư Vlaxôp áp dụng rộng rãi việc tính tốn, kiểm tra tính ổn định tàu vượt trội so với phương pháp khác đơn giản cách thức tiến hành khối lượng cơng việc 2) Tính tốn cánh tay địn ổn định tàu theo phương pháp Krưlôp –Darnhi Phương pháp Krưlơp –Darnhi phương pháp giải tích kết hợp đồ hoạ, phương pháp tính dựa liệu thu từ vẽ liên quan Nguyên tắc phép tính dựa vào xác định bán kính tâm nghiêng tàu nghiêng r V=const sau tính toạ độ tâm Z B Y B hệ trục tàu nghiêng với tàu z M N  d dZ B WO B B' ZB  O YB  dYB y Hình 2.10: Tính tay địn ổn định theo phương pháp Krưlơp –Darnhi Quan hệ toạ độ tâm bán kính tâm nghiêng, xác định dựa vào hình vẽ 2.10 Đối với gia số góc nghiêng nhỏ, bất kì, đường cong tâm xem cung có tâm M  bán kính r , có độ dịch chuyển tâm nổi: B B'  B M  d  r d  Gia số toạ độ tâm nghiêng thêm góc d  biểu diễn cơng thức: dYB  B B, cos  dZ B  B B, sin  Từ đó: dYB  r cos  d dZ B  r sin  d Sau tích phân hai vế phương trình giới hạn từ   , có toạ độ tâm hàm giá trị bán kính tâm nghiêng r góc nghiêng  :   0 YB   r cos d ; Z B  Z BO   r sin d Để có toạ độ YB Z B , phải tính r góc nghiêng thể tích ngâm nước khơng đổi, địi hỏi vẽ đường nước nghiêng cắt phần ngâm nước với thể tích (đường nước nghiêng tương đương ) Phương pháp tính tay địn ổn định Viện sỹ Krưlơp đạt độ xác cao nên coi hồn hảo mặt lý thuyết phương pháp Tuy nhiên phương pháp Viện sỹ Krưlơp cịn số tồn tại: khối lượng cơng việc tính tốn lớn, tồn số liệu đầu vào phải đo trực tiếp từ bảng toạ độ đường hình với tỉ lệ lớn, sai số đo tránh khỏi 2.3.3.3 Tiêu chuẩn ổn định: Tiêu chuẩn ổn định tiêu định mức nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho tàu phương diện ổn định Tất loại tàu phải đảm bảo yêu cầu ổn định chung, ngồi cịn phải thoả mãn yêu cầu khác ứng với riêng loại tàu 1) Tiêu chuẩn vật lý: Tiêu chuẩn xây dựng sở giải toán cân tàu tác dụng tất mômen ngoại lực Tiêu chuẩn vật lý có tính khoa học cao, sang tạo tạo điều kiện để tìm kiếm áp dụng sáng kiến Tuy nhiên, việc xây dựng tính ổn định cho tàu theo tiêu chuẩn phức tạp khó thực hiện, đặc biệt địi hỏi phải có nghiên cứu thực nghiệm Vì lý nên tiêu chuẩn vật lý áp dụng số nước Nga, Nhật, Mỹ, Trung Quốc 2) Tiêu chuẩn thống kê: Hệ tiêu chuẩn thống kê xây dựng sở: - Thống kê vụ đắm tàu thiếu ổn định - Xác định yếu tố thiếu ổn định nguyên nhân gây tai nạn đắm tàu -Xác định giới hạn yếu tố đưa thành tiêu chuẩn Với cách xây dựng nên hệ tiêu chuẩn thống kê phù hợp với thực tế cứng nhắc, hạn chế sáng tạo mẫu tàu Các tiêu chuẩn ổn định thống kê thường thiết lập theo cơng trình nghiên cứu nhà khoa học Hà Lan Rakhole Ví dụ hệ tiêu chuẩn ổn định thống kê loại tàu hệ tiêu chuẩn IMO thiết lập dựa sở cơng trình nghiên cứu nhà khoa học Hà Lan Rakhole, gồm hệ sáu điều kiện sau: ho ≥ 0,15 (m) l30 ≥ 0,2 (m) m ≥ 250-300 lđ 30 ≥ 0,055 (m) lđ40 ≥ 0,09 lđ40- lđ 30 ≥ 0,03 (m) (m) Trong : ho - chiều cao tâm ổn định ban đầu tàu l30 - cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu góc nghiêng 30o m - góc nghiêng ứng với cánh tay địn ổn định lớn lđ 30, lđ40 - cánh tay đòn ổn định động góc nghiêng 30o , 40o 3.3.1 Tính tốn cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp giáo sư Vlaxơp 3.3.1.1 Bài tập thực hành: Tính tốn, xây dựng đồ thị cánh tay đòn ổn định tàu theo phương pháp giáo sư Vlaxôp kiểm tra tính ổn định tàu làm tập lớn số theo hệ tiêu chuẩn thích hợp 3.3.1.2 Hướng dẫn thực hiện: Theo nhà khoa học Nga Vlaxốp đề nghị, giá trị cánh tay đòn ổn định hình dáng l hd tính gần theo công thức : lhd=yc90 f1()+ (zc90 và: -zco) f2()+ rof3() + r90f4() lhp=lhd – ltl = yc90 f1() + (zc90 - zco) f2() + rof3() + r90f4() – (ZG – Zc0)sinθ : zco , yc90 , zc90 , ro , r90 - yếu tố hình học quy đổi, xác định theo cơng thức sau : • zco cao độ tâm C ứng với góc nghiêng  = 00 xác định theo công thức sau: zco=  T  =  BH  T  L         L B H  • yc90 tung độ tâm C ứng với góc nghiêng  = 900 xác định theo công thức sau: 0,25  yc90= kc (1   )(2   ) 2   H   T  2 1  2 0,25  kc B= (1  )( 2  ) 2   H   T  1  B L  L • zc90 cao độ tâm C ứng với góc nghiêng  = 900 xác định theo công thức sau:      B  H   k zc90=   kc H = c L    L  B • ro , r90 – bán kính ổn định ngang tàu ứng với góc nghiêng  = 00  = 900 xác định theo công thức sau: 2  B   B   H      =kr 12   L   H   T   B2 ro=kr 12  T  z  z co r90=  c 90  y c 90   ro  kr- hệ số phụ thuộc hình dạng mặt đường nước, tính theo công thức gần sau : kr=1,06±0,05 - mặt đường nước dạng chữ S kr=1,03±0,05 - mặt đường nước dạng lồi kc- hệ số tính đến ảnh hưởng thể tích boong kín nước, xác định theo công thức Viện sỹ Pozduynhin đề nghị sau : kc=1+  VB =1,05 – 1,15 VH VB - thể tích boong kín nước tính từ chiều cao H VH - thể tích tàu tính từ đáy đến chiều cao H Zg cao độ trọng tâm tàu, việc tính cao độ trọng tâm tàu tương đối phức tạp theo cơng thức: Zg  Trong đ ó : P - khối lượng toàn tàu n  z i pi P i 1 zi, pi- cao độ trọng lượng tải trọng thành phần thứ i tàu Ta chọn Zg theo tỷ số Zg H tàu mẫu f1(), f2(), f3(), f4() hàm số phụ thuộc vào góc nghiêng ngang tàu  có giá trị cho theo bảng sau Bảng3.11: Giá trị hàm f1(), f2(), f3(), f4() phụ thuộc góc nghiêng tàu  Góc nghiêng sin(θ) Giá trị hàm fi(θ) θ(độ) (rad) f1() F2) F3) F4) 0 0 0 10 0.1736 0.05 -0.036 0.151 0.01 20 0.3420 0.337 -0.241 0.184 0.062 30 0.5000 0.84 -0.556 0.081 0.135 40 0.6428 1.279 -0.722 -0.069 0.155 50 0.7660 1.365 -0.513 -0.155 0.069 60 0.8660 1.056 0.026 -0.135 -0.081 70 0.9397 0.586 0.603 -0.062 -0.184 80 0.9848 0.21 0.935 -0.01 -0.151 90 1 0 Tổng hợp kết tính tay địn ổn định hình dáng theo góc nghiêng  bảng Bảng 3.12: Bảng tính giá trị cánh tay địn ổn định tàu Góc nghiêng  (độ) yc90 f1() (zc90- zco) f2() rof3() r90f4() lhd = (2) + (3) + (4) + (5) (1) (2) (3) (4) (5) (6) 10 … 80 90 Tính cánh tay địn ổn định động Áp dụng công thức: d lđ=  l hp d  = y C sin   ( Z C  Z CO ) cos   ( Z GO  Z CO )(cos   1) lđ =(li - (li+ln)/2) =(/2) l Bảng 3.13: Giá trị cánh tay đòn tĩnh cánh tay địn ổn định động Góc nghiêng θ(độ) [1] lhd (m) ltl = (ZG-Zc0)sinθ lhp=lhd-ltl [2] [3] [4] ∑[4] [5] lđ=  θ.[5] [6] 10 … 80 90 Từ kết cột (4) cột (6), vẽ đồ thị ổn định cho tàu xác định giá trị yếu tố đặc trưng cho đồ thị ổn định để kiểm tra ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp 3.3.1.3 Ví dụ minh hoạ: 1) Ví dụ 1: Tính tốn, kiểm tra tính ổn định tàu hàng 20.000 tấn, kí hiệu H170A/105-02 Đối với tàu tính ta có: -Chiều dài đường nước thiết kế: L=160,477(m) -Chiều rộng đường nước thiết kế: B=25(m) -Chiều chìm trung bình: T=7,6(m) -Chi ều cao mạn tàu: H=12(m) α =0,916; δ =0,843; β =0,995 - Các yếu tố hình học quy đổi, xác định theo công thức sau:  zco = 0.916  7,6  3,958(m) 0.916  0.843 zco=     B  H  T  L      T =    L  B H  2 0,25  H yc90 = kc    (1   )(2   ) T  2 0,25  = kc (1  )( 2  ) 2   H   T  2 1  B 1  B L  L yc90 = , 843 2 0,25  0,916  12   1,1 0,916   (1  0,916)  (  0,916  0.843)  7,6   zc90 = 2 , 916 1 , 843  25  5,242( m)      B  H k c L     k c H =   L  B ,843 0,916  1,05 0, 916  12  6,822(m) zc90= 0,916  0,843  2 r0 = 1,05  2  B   B   H  B2     ro = kr 12  T = kr 12   L   H   T  0,916 25   7,162( m) 12  0,843 7,6  z  z co r90 =  c 90  y c 90   ro  r90 =   6,822  3,958     7,162  1,168( m) 5,242   Zg cao độ trọng âm tàu, ta chọn Zg theo tỷ số Đối với tàu hàng Zg H Zg H thường nằm khoảng 0,60-0,65 Zg  0,62  H  0,62  12  7,44( m) tàu mẫu [3, tr.113] Tổng hợp kết tính tay địn ổn định hình dáng theo góc nghiêng  bảng 3.14 Bảng 3.14: Bảng tính giá trị cánh tay địn ổn định tàu Gócnghiêng yc90 f1() (zc90θ(độ) zco) f2() rof3() r90f4() lhd = (2) + (3) + (4) + (5) [1] [2] [3] [4] [5] 0 0 0 10 0.2621 -0.1031 1.0815 0.0117 1.2521 20 1.7665 -0.6903 1.3178 0.0724 2.4665 30 4.4032 -1.5925 0.5801 0.1577 3.5486 40 6.7045 -2.0679 -0.4942 0.1811 4.3234 50 7.1553 -1.4693 -1.1101 0.0806 4.6564 60 5.5355 0.0745 -0.9669 -0.0946 4.5485 70 3.0718 1.7271 -0.4440 -0.2150 4.1399 80 1.1008 2.6780 -0.0716 -0.1764 3.5308 90 0 2.8642 Tính cánh tay địn ổn định động Áp dụng công thức: d lđ=  l hp d  = y C sin   ( Z C  Z CO ) cos   ( Z GO  Z CO )(cos   1) lđ =(li - (li+ln)/2) =(/2) l lđ =(l0 + l10 + l20 + … +l90 –(l0 + l90 )/2 ) [6] Bảng 3.15:Giá trị cánh tay đòn tĩnh cánh tay địn ổn định động Góc nghiêng θ(độ) lhd (m) ltl =(ZG-Zc0)sinθ lhp=lhd-ltl [1] [2] [3] [4] [5]  [6] 0 0 0.0000 10 1.2521 0.6047 0.6475 0.6474 0.0565 20 2.4665 1.1910 1.2755 2.5704 0.2244 30 3.5486 1.7411 1.8075 5.6534 0.4935 40 4.3234 2.2384 2.0851 9.5459 13.619 0.8334 50 4.6564 2.6676 1.9889 17.141 1.1890 60 4.5485 3.0158 1.5327 19.541 1.4964 70 4.1399 3.2723 0.8676 20.510 1.7060 80 3.5308 3.4294 0.1014 19.993 1.7906 90 2.8642 3.4823 -0.6181 1.7455 Từ kết cột tiến hành vẽ đồ thị ổn định: ∑[4] lđ=  θ.[5] Ld [m] Lhp [m] 2.5 1.5 ,7 3.5 0.5 10o 20o 30o 40o 50o 60o 70o 80o 90o  o 1rad=57 3' Hình 3.8: Đồ thị ổn định Tàu có thông số ổn định: h= 3,7(m) l30=1,8075(m) m=420 lđ30=0.4935 (m) lđ40=0.8334 (m) lđ40- lđ30=0,3399 (m) Vậy theo hệ tiêu chuẩn IMO tàu đủ ổn định điều kiện hoạt động  ... thị ổn định để kiểm tra ổn định tàu theo hệ tiêu chuẩn thích hợp 3.3.1.3 Ví dụ minh hoạ: 1) Ví dụ 1: Tính tốn, kiểm tra tính ổn định tàu hàng 20.000 tấn, kí hiệu H170A/105-02 Đối với tàu tính. .. tránh khỏi 2.3.3.3 Tiêu chuẩn ổn định: Tiêu chuẩn ổn định tiêu định mức nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho tàu phương diện ổn định Tất loại tàu phải đảm bảo yêu cầu ổn định chung, ngồi cịn phải thoả... ổn định ban đầu tàu l30 - cánh tay đòn ổn định tĩnh tàu góc nghiêng 30o m - góc nghiêng ứng với cánh tay địn ổn định lớn lđ 30, lđ40 - cánh tay đòn ổn định động góc nghiêng 30o , 40o 3.3.1 Tính