Lập trình ứng dụng trong thiết kế và đóng tàu trần công nghị (chủ biên)

TRÄN CŨNG NGHỊ (Chủ biên), vũ TRỌNG CANG pTTj [ T iT J m T M S R r » f J ffllH l ■ ĐẠI HỌC QUỒC GIA TP HO CHI MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Trần Công Nghị (Chủ biên), Võ Trọng Cang LẬP TRÌNH ỨNG DỤNG TRONG THIẾT KỂ VÀ ĐÓNG TÀU T H Ư V ì EM 0 NHÀ XUẤT BẲN ĐẠI HỌC QUÔC GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2013 GT.QỊ.KTh(V) 791 -2013/CXB/03-40 ĐHQG.HCM-13 GT.KTh.830'-13(T) MỤC LỤC Chương I NỘI SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS 1.1 Nội suy lagrange 1.2 Nội suy spline 1.3 Hàm hóa kết đo từ thí nghiệm, từ thống kê 1.4 ứng dụng phương pháp Nurbs tạo mặt vỏ tàu 1.5 Nurbs mặt vỏ tàu 7 11 25 39 57 Cltương PHƯƠNG PHÁP TÍNH TÌM ĐIẼM TỐI Ưu 2.1 Qui hoạch tuyến tính (Linear programming) 2.1.1 Phương pháp đồ thị 2.1.2 Phương pháp Simplex 62 64 64 67 2.2 Qui hoạch phi tuyến (Nonlinear programming) 2.2.1 Hàm biến 2.2.2 Hàm nhiều biến 2.2.3 Xác định minmum (hoặc maximum) hàm biến 2.2.4 Phương pháp tìm trực tiếp (khơng qua giai đọan tính gradient) hàm nhiều biến, miền không hạn chế 2.2.5 Những phương pháp sử dụng gradient, miền khơng hạn chế 2.2.6 Tìm điểm minimum hàm miền hạn chế 2.2.7 Tìm trực tiếp miền hạn chế 2.2.8 Sử dụng matlab giải toán tìm điểm tối ưu 74 74 75 77 84 91 107 124 133 Chương THI ÉT KÉ TÓI Ưu TÀU THỦY 3.1 Đánh giá tiêu kinh tế - kỹ thuật tàu 3.2 Sơ đồ tính hiệu kinh tế tàu 3.3 Thiết kế tối ưu tàu vận tải 3.4 Thiết kế tàu chở Container 3.5 Thiết kế tàu cá 143 143 145 146 157 161 Chương TÍNH NỊI VÀ TÍNH ỎN ĐỊNH TÀU 4.1 Tính tàu thủy 4.1.1 Kích thước hệ số thân tàu 4.1.2 Tỉ lệ Bonjean 4.1.3 Thể tích phần chim đại lượng liên quan đến thể tích 4.1.4 Các đường cong tính 1.5 Tính đường thủy tĩnh máy cá nhân 4.1.6 Biểu đồ mang tên Firsov 169 169 169 173 173 174 176 178 4.2 Ổn định tàu 4.2.1 Ổn định ban đầu 4.2.2 Ồn định góc nghiêng lớn 4.2.3 ỉ)ồ thị ổn định 180 180 181 183 4.2.4 4.2.5 4.2.6 4.2.7 4.2.8 Thuật toán xác lập họ đường cross curves (pantokaren) Tiêu chuẩn ổn định Giới thiệu chưcmg trình tính tính tàu Lập thơng báo ổn định cho thuyền trưởng Xây dựng phần mềm phục vụ xếp hàng, xác định moment uốn lực cắt tàu đánh giá ổn định tàu hoạt động biển 4.2.9 Phần bổ sung 184 189 196 204 212 215 Chương TÍNH sức CẢN VỎ TÀU THIẾT KÉ CHÂN VỊT TÀU THỦY TÍNH TỐN CHỊNG CHÀNH TÀU TRÊN SĨNG 219 PHẦN I: SỨC CẢN VỎ TÀU 5.1 Sức cản 5.2 Công suất hữu hiệu 5.3 Các phương pháp kinh nghiệm tính sức cản vỏ tàu 219 219 223 223 PHẦN II THIẾT KẾ CHÂN VỊT TÀU THỦY 5.4 Đặc tính hình học chân vịt 5.5 Đồ thị thiết kế chân vịt 5.6 xâm thực chân vịt tàu 5.7 Độ bến cánh chân vịt 5.8 Thiết kế chân vịt tàu thủy cánh cố định 5.9 lập chương trình thiết kế chân vịt tàu 5.10 Vẽ chân vịt máy cá nhân PC 237 237 244 252 257 261 269 279 PHẦN III CHÒNG CHÀNH TÀU TRÊN SĨNG 5.1 Lắc ngang tàu sóng điều hòa 5.2 Hàm rao 5.3 Xác định đặc trưng lắc ngang, lắc đứng, lắc dọc 5.4 Xây dựng phần mềm đánh giá lắc ngang tàu sóng biển 5.5 Chương trình máy tính mơ chuyển động dọc tàu 5.6 Bổ sung tài liệu 292 292 293 295 300 307 320 Chương TÓI Ư u HÓA KÉT CẤU 6.1 Xây dựng toán thiết kế kết cấu tối ưu 6.2 Tối ưu tuyến tính 6.3 Tối ưu phi tuyến 326 326 330 345 LỜI NÔI ĐẦU Cuốn sách “Lập trình ứng (lụng thiết ké đóng tàu ” lù in sau sửa chữa, bỏ sung cua sách “Tin học ứng dụng thiết ké đóng tàu" NXB Đại học Ouốc gia TP.HCM phát hành từ 2002 Những đê tài tài liệu bao gồm: Lập trình tính tốn tính nơi tính ơn định tàu thăn, tàu nhiêu thân, Tính sức cản vỏ tàu, lập trình thiêt kẽ chân vịt tàu thủy, vẽ chân vịt tàu máy tính CP, Tính tốn tính núng biên (seakeeping) tàu, xây dựng chương trình tính chịng chành tàu sóng điêu hỏa trẽn sóng biên, Các phương pháp, thuật tốn tính tốn ưu ứng dụng vào thiết kế tối ưu tàu thủy, thiết kế kết cấu, Các phương pháp nội suy hàm hỏa giúp giải cân tùu nước, vẽ hiệu chỉnh sườn tàu, đường hình tàu Tính cúc đường cong VCI mặt cong spline, B-spline, NƯRSB thiêt kê, mô vỏ tàu Sách trình bày theo cách tiện lợi cho người đọc Hai chương đâu giúp bạn dọc nhớ lại hiên biết cân thiêt vê cúc phương pháp lỉnh toán liên quan đên nội dung đê tài, cỏ điểu kiện làm quen chương trình lính viết bang ngơn ngữ C Matlab áp dụng rộng rai tính tốn Các chương trình máy tính nhỏ - tụm chun ngừ từ procedure, subroutine, cịn dược dừng tính tốn vân đẽ liên quan khúc ngành tàu Nội dung sách chu yêu góm kiến thức đa truyẽn đạt trường đại học chuyên ngành Trên sở van đề trình bày bạn đọc tìm hiếu thêm giải thuật xử lý toán cụ thê dang dặt cách hồn thiện chương trình lính dựa vào giai thuật vừa cỏ Các giai thuật tính tốn tính nang, tính nói, ổn định, tính sức cản, chọn máy phù hợp, thiết ké chân vịt cánh cố định cho tàu, tính di biên (sea keeping), vẽ tàu đd thư nghiệm vù đưa veto ứng dụng Tài liệu sách cỏ thơ giúp ích cho sinh viên theo học ngành đỏng tàu, kỹ sư lùm việc lĩnh vực đóng sửa tàu, thiêt kê, nghiên cứu tàu dông đảo bạn dọc quan tâm đên tàu thúy Những người vièt xin chan thành cúm ơn cúc đơng nghiệp, Tỏ giáo trình Trường Đại học Bách khoa Tp Ho Chí Minh, NXB Đại học Quốc gia Tp HCM giúp in lụi sách Chương NỘI SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS Trong chương giới thiệu phương pháp tính dùng nội suy hàm hóa xử lý vấn đề thường gặp thiết kế vỏ tàu, tính tốn tính tàu thủy, xử lý kết đo đạc từ thí nghiệm quan sát Các phương pháp nêu chương giúp người thiết kế nội suy, ngoại suy với yêu cầu đảm bảo xác đường cong, mặt cong Những hiểu biết phương pháp NURBS, viết tắt từ Non-Uniform Rational B-Spline, giúp kỹ sư tàu thủy nắm bắt phương pháp tự động hóa vẽ đường hình tàu, tàu 1.1 NỘI SUY LAGRANGE Đa thúc nội suy Lagrange viết dạng1: /(x) =p„(x) + R„(x) ( 1) dạng đầy đủ: /(x ) = y z.,(x )/(x ,)+ r í ( x - x ;) ,a < ệ < b tí L'=0 J (n + ỉ)l n / x -x , \ L, (x) = Ị~] -X 7=0 /*' ( 1.2) (1.3) Đa thức p n(x) = Y /,, (x) f (X, ) mang tên gọi da thức Lagrange, vế sau phía phải /=0 cơng thức gọi hàm sai số Đa thức p„(x) mặt khác hiểu đa thức bậc n, có dạng: Pnự) = a0(x - X|) (X - x2) (X - x„) + + ClI(X - Xo) (x - x2) (x - x„) + + a2(x - Xo) (x - X|) (x - x„) + + a,(x - Xo) (x - X|) (x - x,.|) (x - X/+]) (x - x„) a„(x - Xo) (x - X|) (x - x„.2)(x - x„.| ) - (1.4) R.W Hamming “Numerical Methods for Scientists and Engineers", McGraw-Hill, N.Y, 1962, F.B Hildebrand, Introduction to Numerical Analysis”, McGraw-Hill, N.Y., 1956 Hoffman, J.D., "Numerical Methods for Engineers and Scientists ” , 2nd edition, Marcel Dekker, Inc., New York (1992,2001) CHƯƠNG ì Các hệ sổ ao, a 1, Ỡ2v tính từ quan hệ: =ẨXi) = yr, /= 0,1,2, (1.5) Lần lượt thay X = Xo, X = X|, vào công thức cuối xác định cơng thức tính hệ so Ví dụ, từ p„(xo) = Vo = ao(xo - xi)(xo - X2) (xo - x„) nhận được: «0 = f ( x 0) (x0 -x ,)(x - x 2) (x0 - x „ ) tương tự có the viết: a, = - ,IV — (x, - x 0)(x, - x 2) (x, -x „ ) = /(* „ ) (x„ - x 0)(x„ -x,) (x„ -x„_,) Hệ số thứ / mang dạng chung: a — / (7 ) (x, - x 0)(x, -x,) (x, -x^.X x, - x , +1) (x, -x „ ) ( 6) Thay biểu thức vừa xác định vào vị trí ao, a\, , an nhận cơng thức nội suy hay cịn gọi đa thức Lagrange: Pn(x) + + ( x - x , ) ( x - x 2) (x -x n) (*0 - *1 )(*0 - *2 )-O o - x„) ( x - x 0) ( x - x 2) (x -x „) To + 77 - :—7 -7 T + (7 - x0)(x, - x2) (x, - x„) (1.7) Q -* o ) ( x - )•••(*-7 ,-1) (x„ - x 0)(x„ -x,) (x„ ( dạng gọn trình bày p n(x) = ^ L, ( x )/( x ,), với /=0 L (x) = p f %0 J*i X- X X, X \ I Những trường họp riêng lẻ hàm nội suy Lagrange sau với n = 1: ( x - x ,) ( x - x 0) P\ (x) = - — To + — T| (x0 - x , ) ( x , - x 0) ( 8) với n = 2: ( x - x , ) ( x - x 2) ( x - x 0) ( x - x 2) ( x - x 0) ( x - x ,) Pi (x) = - 7 —7 To + 7— — T T | + — -— - 7 -— , T2 (x0 - X, )(x0 - x2) (7 - x0)(x, - x2) (x2 - x0)(x2 - X, ) với n = , (x - X, ) ( x - x ọ)(x - X ) (x - xn) ( x - x,,)(x - xq) p 3(x ) = -77 -*-77 - ~ 7To + Ti (x - Xj ) ( x0 - x 2) ( x - x 3) (x - x0 ) ( Xj - x2X X, - x3) (x - x ữ) ( x - X, ) ( x - X , ) (x - x0) ( x - xx) ( x - x3) (x —x n ) ( X —x, ) ( x —x9) (x - x0) ( x - x l ) (x - x 2) (1.9) Nộ/SUY, HÀM HÓA VÀ NURBS Hàm p i(x) đoạn thẳng qua hai điểm (x void L a g r a n g e (xa, y a , n, X, y, dy) float x n [], y a [], x,*y, *dy; int n; { int i , m , n s = l ; float den, dif, dift, h O , hp, w; float *c, *d, * v e ctor0 ; dif = f a b s ( x-xa[q]); c = vector(l,n); d = v e c t o r (1,n ) ; for if (i=l; i c[i] = y a [ i ] ; d [i ] = y a [i ] / } { )) < dif) { 41|8 0698 CHƯƠNG ỉ 10 *y = ya[ns— ]; for ( m = l ; mmin Những điều kiện bền, ổn định kết cấu tính cơng nghệ sau: 1) Tiêu chuẩn đảm bảo bền chịu uốn: M = -r-< ƠM z — z > M ơall ơaii - ứng suất cho phép (allowable stress) (a) TƠ I ưu HĨA K É T 371 CẢU 2) ủng suất cắt (ứng suất tiếp) trường hợp chung tính theo cơng thức: S.A s r = — — = — — < X iii t.I a «/ hiểu theo nghĩa f - ht > với Taii (b) s (c) 0,85ro// = /o - ứng suất cắt, (ứng suất tiếp) cho phép 3) Tiêu chuẩn đảm bảo ổn định nêu chung dạng sau: h - - m0 (d) Đại lượng ký hiệu m = h/t; phần giải thích tiếp tục 4) Đe đảm bảo tính cơng nghệ: t >/o 5) Đảm bảo tính ơn định cục bộ: b /tị < (e) no (í) b Giá trì «0 với nữ = — giải thích phần tiếp h Bài tốn dạng nên xử lý khuôn khổ phương pháp complex Những yêu cầu thể qua cơng thức tính: M Mơ đun chơng n càn thiêt z = — ,, chiêu dày thành phải thỏa mãn điêu kiện s 0,85/? / £ T all ■ Diện t ích thành f = hi > r~f 0,85r , diện tích/i tính băng ịiti, tưorng đưorng a ll / cách tính — - — Trên sở xác định cơng thức tính diện tích frofĩl I mặt c ắ t: h K _ _ z, K - \ F = A = — + ht h K (a) Giới hạn toán: h —< m t (b) t >/ fo (d) 372 CHƯƠNG Để ý rằng, toán tối ưu kết cấu dầm chữ I có hai biến h t ba hạn chế thể dạng bất đẳng thức Công thức xác định K, quan hệ với chiều dày, diện tích liên kết, hệ số p nêu quan hệ hai khoảng cách /í/ so với trục trung hịa, giá trị m tham khảo phần trước Chiều dày tối thiểu tôn to nhằm thực thi tính cơng nghệ chế tạo thân tàu Giải tốn phương pháp đồ thị phương pháp tìm trực tiếp miền hạn chế, trình bày chương Xác định chiều cao thích hợp Quay lại cơng thức (a) trang 370 vừa nhắc, t = to viết: „_z, K -\1 F = — + — htữ K h (a) Các đường hạn chế thể hình 6.36 Từ ——= - —- + tn = có thê xác định được: õh h2 K ữ Ị K z, \ K - t0 (b) Có thể thấy rõ hình 6.36, điểm tối ưu A thể chiều cao tối ưu h kết cấu, phải nằm đường giới hạn toThay hai giá trị K lớn nhỏ thấy rõ: u (c) Có thể nhận giá trị sau thiết kể: (d) V = U 6ÍẶ V*0 Nếu tiến hành áp đại lượng m = h/t vào cơng thức tính nhận quan hệ: K _ z, K - \ t' Nêu ký hiệu: 0,57: (d) h + 0,57 Y 102 cry \ Trong rât nhiêu kêt câu thường gặp giá trị m năm phạm vi: m = — < 70 + 100 t (í) 375 T Ị I Ư IJ H Ĩ A K É T C Á U Vì f = h.t = —- , từ điều kiện đảm bảo khả chịu lực cắt, chiều cao tối thiểu m thành đứng là: (g) (h) Đe tránh tình trạng tăng chiều cao mức nhằm đạt giá trị đủ lớn cho moment quán tính mặt cắt, thiết phải xác định diện tích tối ưu điều kiện biến h Nói cách khác cần xác định A -> để có h, tính theo z Cơng thức gần tìm sau giải phương trinh là: hnp, = 0,8 ự z ^ Mô đun (i) M z xác định từ đòi hỏi z = —— chiêu dày thành đứng theo quan hệ: