Bài viết đề xuất phương pháp tính toán các thông số tương tác giữa tàu với nền đáy luồng trong môi trường bán tĩnh (khoảng dịch chuyển, vận tốc, gia tốc và lực). Phương pháp này được xây dựng dựa trên сơ sở phương pháp luận của Đăng kiểm tàu biển Nga đối với tàu chuyên dụng mang ký hiệu NAABSA.
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ TƯƠNG TÁC CỦA TÀU VỚI NỀN ĐÁY LUỒNG TRONG MÔI TRƯỜNG BÁN TĨNH CALCULATION OF INTERACTION PARAMETERS BETWEEN SHIP WITH THE GROUND OF THE FAIRWAY IN A QUASI-STATIC SETTING PHẠM TRUNG HIỆP*, KULESH VICTOR ANATOLEVICH Khoa Kỹ thuật hàng hải Giao thông vận tải, Trường Đại học Tổng hợp Liên Bang Viễn Đông, Liên Bang Nga *Email liên hệ: phiepast07@gmail.com Tóm tắt Bài báo đề xuất phương pháp tính tốn thơng số tương tác tàu với đáy luồng môi trường bán tĩnh (khoảng dịch chuyển, vận tốc, gia tốc lực) Phương pháp xây dựng dựa сơ sở phương pháp luận Đăng kiểm tàu biển Nga tàu chuyên dụng mang ký hiệu NAABSA Bài báo tiến hành phân tích ảnh hưởng thơng số đến q trình tương tác đáy tàu đáy Kết phân tích hướng áp dụng phương pháp tính tốn đề xuất báo vào trình thiết kế vận hành tàu chuyên dụng trường hợp cần thiết Việt Nam mà toàn giới Theo số liệu thống kê giai đoạn 2014-2019 giới có 13200 vụ tai nạn hàng hải xảy ra, cố tai nạn có liên quan đến tương tác tàu bùn đất chiếm gần 13% [1] Những tai nạn gây tổn thất nặng nề hàng hóa, tàu thuyền, người ô nhiễm môi trường Để khắc phục hậu cần nhiều thời gian nguồn lực Tháng năm 2020 tàu chở dầu MV Wakashio (Nhật Bản) bị mắc cạn vùng biển Mauritius thuộc Ấn Độ Dương (Hình 1) Hậu tai nạn làm thân tàu bị nứt gãy lượng dầu tràn biển ước tính nghìn [2] Từ khóa: Mắc cạn, tương tác tàu với bùn đất, phương pháp tính tốn, thơng số tương tác Abstract This paper proposes a calculation method of interaction parameters between ship and ground of the fairway in a quasi-static setting This method is based on methodology of the Russian Maritime Register of Shipping for specialized ships NAABSA The influence of the parameters to the interaction between the ship bottom and the ground was analyzed The analysis results show the direction of application of the proposed calculation method to the design and operation of specialized ships in necessary cases Keywords: Grounding, interaction of ship with the ground, calculation method, interaction parameters Đặt vấn đề Ngành vận tải biển sở hữu ưu vượt trội khả chuyên chở lớn giá thành vận chuyển thấp, đem lại lợi ích mặt kinh tế - kỹ thuật cho đời sống người Tuy nhiên, vận tải biển tồn nguy tai nạn bị phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên môi trường hoạt động thời tiết, khí tượng thuỷ văn yếu tố khác Hiện vấn đề an toàn vận tải biển vấn đề cấp bách không SỐ 67 (8-2021) Hình Tàu MV Wakashio (Nhật Bản) bị mắc cạn Ngồi có trường hợp khơng tính tai nạn dù có xuất tương tác tàu bùn đất như: hoạt động đổ tàu quân sự; cập bờ tàu chuyên dụng để bốc dỡ hàng hóa vùng bờ biển khơng có bến neo đậu cập bờ tàu để phá dỡ [3] Hiện nay, chủ tàu quan tâm tới việc tăng cường độ bền tàu tương tác với bùn đất, với số nghiên cứu tính tốn gia cố đặc biệt thân tàu thực [4, 5] Tuy nhiên, phương pháp tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất cịn hạn chế , đặc biệt tính tốn tốc độ di chuyển tàu Đa phần nghiên cứu lĩnh vực chủ yếu tập trung vào trường hợp tai nạn mắc cạn tàu, chưa đề cập tới trường hợp khai thác thông thường Trong báo này, nhóm tác giả đề xuất phương pháp tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất áp dụng tất trường hợp Phương pháp xây dựng dựa sở 51 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY phương pháp luận Đăng kiểm tàu biển Nga (RS) tàu chuyên dụng mang ký hiệu NAABSA (Not Always Afloat But Safely Aground) [6] động rung lắc thân tàu Giả thiết rằng, chu kỳ tương tác với bùn đất dài nhiều so với chu kỳ dao động tự thân tàu kết cấu Phương pháp tính tốn Điểm A điểm đặt phản lực theo phương thẳng đứng thực tế khơng thay đổi vị trí thân tàu Từ điều kiện cân lực mômen kết hợp với công thức Quy phạm RS (1), chuyển vị cho trước điểm A dọc theo trục Z xác định đại lượng sau: Theo Đăng kiểm Nga [7] phản lực bùn đất lên m mũi tàu RN , kN, xác định theo công thức (1): tg ( N S N ) L RNm g N R0 N (1) dN Trong đó, N - Lượng chiếm nước tàu, tấn; L - Chiều dài tàu, m; d N - Mớn nước thân tàu, m; N - góc nghiêng bùn đất dọc theo thân tàu; S - Góc nghiêng ky đáy tàu so với mặt phẳng góc chúi tàu; N - Góc nghiêng dọc tàu tiếp đất có vận tốc; R0 N - Phản lực ban đầu tiếp đất có vận tốc, Tất giá trị góc đo đơn vị độ Trong công thức (1) giá trị R0 N N theo Quy phạm RS chưa có công thức xác định cụ thể Trong tài liệu kỹ thuật, để xác định giá trị đại lượng sử dụng phương pháp khác nhau, ví dụ phép tính số có tính đến động lực học độ rung thân tàu [8, 9] sử dụng công thức thực nghiệm đơn giản Ví dụ tài liệu [10] lực tương tác xác định công thức: m0,5v , MN F 0,98 8, 22 (2) Trong đó: m - Khối lượng tàu, tấn; v - Giá trị vận tốc theo phương thẳng đứng, m/s Phản lực thẳng đứng: RN N d A 7d N (3) Góc nghiêng dọc nâng phần mũi tàu: tg d A L (4) Thay đổi mớn nước tàu: d d A (5) Trong đó, d A : Là thay đổi mớn nước tàu điểm A, m, tính tọa độ theo trục Z d A phụ thuộc vào thời gian tọa độ điểm A theo trục X Bài toán tương tác tàu với bùn đất chuyển thành phân tích phương trình bảo toàn lượng theo thời gian: m (1 ) vN2 N d ET EC (6) Trong đó: - Hệ số khối lượng nước kèm; N d - Thế tàu chuyển động theo phương thẳng đứng, N×m ; ET - Năng lượng tiêu hao ma sát, N×m ; EC - Năng lượng ép lún bùn đất tiêu hao lượng khác, N×m , ví dụ như, Hình Hệ tọa độ thơng số tàu q trình tiếp đất Hình mơ tả hệ tọa độ với gốc tọa độ điểm tiếp xúc mũi tàu với bùn đất thông số khác Tàu mẫu chuyển động tịnh tiến với vận tốc đầu cho trước, chạm đất tàu mẫu chuyển động đồng thời theo phương ngang phương thẳng đứng Động ban đầu dần chuyển hóa thành dạng lượng khác thông số chuyển động tàu liên tục thay đổi tàu dừng lại Các tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất thực môi trường bán tĩnh, bỏ qua dao 52 lượng làm biến dạng thân tàu, lượng làm dịch chuyển bùn đất, tiêu hao lượng nhỏ bỏ qua q trình tính tốn Giả sử tồn động ban đầu tàu kết thúc chuyển động chuyển hóa hồn tồn thành làm nâng tàu lên theo phương Z, nghiệm phương trình (1) biểu diễn dạng biểu thức đại số dạng đóng sau: R0 N (1 ) N vN2 gd N (7) Trong đó: Hệ số khối lượng nước kèm theo SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY [11] xác định bằng: 10d N (S S ) N d L w N (8) 4 N Với w 1,025 - Khối lượng riêng nước biển, kg/m3 Góc nghiêng dọc tàu tương tác: RN d N N L N arctg Trong đó: x - Tọa độ điểm A theo trục X, m; hz - Độ lún bùn điểm A theo trục Z, m Diện tích vùng tiếp xúc S biểu diễn dạng hàm hình chiếu độ sâu của điểm A theo trục Z: S hz2 / (tg sin N ) (9) Năng lượng tiêu hao ma sát xác định tích phân công lực ma sát độ dời s , m, tương ứng: ET k F RN ( s )ds hz s Năng lượng tiêu hao ép lún bùn đất xác định tích phân thể tích bùn đất bị ép lún: EC R0 F ( x, y, z )dxdydz b 4ac b 2a Trong đó: a b (11) Để giải phương trình (11), cần có thơng số hình dạng thân tàu vùng tiếp xúc với bùn đất, điều kiện giới hạn độ sâu vỏ tàu bị lún vào đất (16) 10d N , tg sin N 40d N tg sin N V Trong đó, R0 - Sức kháng bùn đất, KPa (15) Thế (15) vào (14) ta thu nghiệm phương trình (14) có dạng: (10) Trong kF - Hệ số ma sát x tg N hz cos N (14) 7d N c N cos N N cos N , 7d N x tg N 7d N Xét khoảng dịch chuyển nhỏ tàu mẫu - x , thể tích bùn đất bị nén ép bước thứ i tính bằng: Vi x hzi2 / tg , m3 (17) Thuật tốn Trên sở phương pháp tính tốn trình bày, nhóm tác giả đưa thuật tốn phần mềm tính tốn “ShipGround” để tính thơng số tương tác tàu mặt bùn đất hz Hình Sơ đồ xác định thông số độ lún tàu vào đất tiếp xúc mũi tàu Hình thể mặt cắtbùn phần mặt bùn đất điểm A Điều kiện giới hạn mức độ lún thân tàu xuống bùn đất biểu diễn bất đẳng thức (12): P RN cos N (12) Với P áp lực cục bộ, kN, xác định thơng qua áp suất p, KPa, diện tích tiếp xúc S, m2 Trong đó, suất p tính công thức (13) [7]: p 10d N (1 / S ) Quá trình tương tác chia thành khoảng dịch chuyển nhỏ tàu theo phương X Trong khoảng chuyển động, tọa độ vị trí điểm A dọc theo trục Z xác định, có tính tốn đến độ lún tàu bùn đất Trong khoảng thời gian, độ giảm động tàu tổng lượng chuyển hóa thành nâng tàu theo phương Z, lượng tiêu hao ma sát lượng tiêu hao nén ép bùn đất: mvx2,i 1 (13) mvx2,i Pi 1 EC ,i 1 ET ,i 1 (18) Thời gian tương tác chuyển động xác Theo đó, bất phương trình (12) viết dạng: SỐ 67 (8-2021) 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY định thông qua vận tốc trung bình theo cơng thức (19): x ti 1 ti ,s 0,5 vx ,i vx ,i 1 ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI (19) Các phép tích phân xác định cơng thức hình thang Q trình tính tốn kết thúc động cịn lại khơng Trong q trình tính tốn, sai số thơng số tương tác xác định: Độ dịch chuyển, góc nghiêng dọc, vận tốc, gia tốc giá trị lực Bảng Thơng số tính tốn thử nghiệm Thông số Lượng chiếm nước, Chiều dài, m Chiều rộng, m Mớn nước, m Góc nghiêng đáy tàu, độ Vận tốc đổ bộ, hải lý/giờ Góc nghiêng mặt bùn đất, độ Hệ số ma sát Sức kháng bùn đất, KPa Giá trị 865 46 8,8 2,5 15-75 1-3 3-9 0,4-0,8 100-600 Khoảng 85% - 98% động ban đầu chuyển hóa thành năng; lượng tiêu hao ma sát chiếm từ đến 12% tổng lượng ban đầu; lượng nén ép bùn đất nhỏ không vượt 3% tổng lượng ban đầu (Hình 5) 14 lượng,% 12 10 0 vận tốc, hải lý/ Hình Sự ảnh hưởng vận tốc đầu tới thành phần lượng Hình Sơ đồ thuật toán Thuật toán biểu diễn sơ đồ khối Hình 4 Kết tính tốn thảo luận Các tính tốn thử nghiệm thực tàu khác điều kiện khác Dưới kết tính tốn trường hợp khai thác tàu thông thường Các thông số tàu chọn điều kiện tính tốn thể Bảng Tính tốn cho thấy, góc nghiêng dọc tàu tiếp xúc với bùn đất có giá trị nhỏ Tại vận tốc hải lý/giờ, giá trị không vượt 1/20 giá trị góc nghiêng mặt bùn đất thực tế khơng tính đến 54 Khi yếu tố: Hệ số ma sát, lực cản nén ép, góc nghiêng mặt bùn đất, góc nghiêng đáy tàu thay đổi khoảng cho phản lực theo phương thẳng đứng thay đổi không đáng kể Trong đó, thời gian tương tác tàu bùn đất giảm gần lần góc nghiêng mặt bùn thay đổi tăng gần lần góc nghiêng đáy tàu thay đổi Kết tính tốn cho phép kiểm sốt thơng số q trình đổ như: Vận tốc tiếp đất, độ chênh dọc vận hành tàu hướng chuyển động so với pháp tuyến mép nước Ngồi ra, kết tính tốn giúp người thiết kế tàu lựa chọn thơng số phục vụ q trình thiết kế tàu góc chúi tàu góc nghiêng đáy Thơng số góc nghiêng đáy tàu có ý nghĩa việc thiết kế hình dáng thân tàu việc sử dụng cấu trúc gia cố đáy tàu sống phụ skeg So sánh Trong phần báo, nhóm tác giả tiến hành so sánh kết tính tốn áp dụng phương pháp SỐ 67 (8-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY đề xuất báo với kết tính theo cơng thức thực nghiệm (2) Có thể thấy, công thức (2) không lý tưởng theo quan điểm sở Lý thuyết thứ nguyên tương tự, theo nguyên tắc lực tỷ lệ thuận với tích bậc khối lượng gia tốc Ngồi ra, cơng thức (2) cịn có tới hệ số tự điều không thuận lợi tính tốn Trong cơng thức (2) vận tốc thẳng đứng xác định tỷ số khoảng dịch chuyển điểm A theo phương Z khoảng thời gian tương tác Bảng thể kết so sánh lực tương tác xác định công thức (2) phương pháp đề xuất báo Bảng So sánh kết tính tốn phản lực Vận tốc, hải lý/giờ 10 15 Vận tốc thẳng đứng, m/s 0,075 0,178 0,293 Công thức (2), Phương pháp đề xuất, Chênh lệch, % 26,5 63,4 104 25,7 67,6 111 -3,0 6,6 6,7 Kết so sánh cho thấy chênh lệch tính tốn phương pháp khơng lớn (khơng vượt q 6,7%) Theo đó, đề xuất áp dụng phương pháp tính tốn vào nghiên cứu tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất trường hợp cần thiết Kết luận Kết nghiên cứu cho thấy phương pháp tính tốn đề xuất báo áp dụng đánh giá thông số tương tác tàu bùn đất trường hợp tiếp đất tàu Cơng thức (7) (9) tìm báo góp phần hồn thiện phương pháp tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất Kết phân tích ảnh hưởng tham số tới trình tương tác tàu bùn đất hướng áp dụng phương pháp tính tốn đề xuất báo vào q trình thiết kế vận hành tàu chuyên dụng trường hợp cần thiết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] EMSA, Annual overview of marine casualties and incidents 2019 [2] The Japanese-owned MV Wakashio ran aground URL: https://english.siyathanews.lk/ [3] Phạm Trung Hiệp, Kulesh V.A, Tàu chuyên dụng định hướng phát triển sở hạ tầng du lịch biển SỐ 67 (8-2021) Việt Nam, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân, Số 05(42), tr.60-69, 2020 [4] Герман А П, Разработка схем усиления судна для взаимодействия с грунтом, А П Герман, В А Кулеш, Фам Чунг Хиеп, Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С О Макарова, Т 12 № 5, c.915-925, 2020 [5] Кулеш В.А., Азовцев А.И, Опыт приведения судна к условиям класса NAABSA (посадка на грунт), Морские интеллектуальные технологии, Т 2, № 1(47), С 69-76, 2020 [6] Азовцев А И Предложения по развитию требований к судам, эксплуатация которых предусматривает посадку на грунт/ А И Азовцев, В И Евенко, В А Кулеш, М А Кутейников, А С Огай, В А Петров // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства - № 42-43 - C 47-58 2016 [7] Российский морской регистр судоходства РМРС, Правила классификации и постройки морских судов Ч 17, раздел 15, Требование к судам, эксплуатация которых предусматривает посадку на грунт (суда NAABSA) СПб., С.258269 2020 [8] Hansen N.E.O, Soil mechanics of ship beaching N E O Hansen, B C Simonsen, M J Sterndorff.Coastal Engineering 1994, pp.30303044, 1995 [9] Pedersen T.P, Absorbed energy in ship collision and grounding - Revising Minorsky’s Empirical Method T P Pedersen, S Zhang, Journal of Ship Research, Vol.44 No.2, pp.140-154, 2000 [10] Simonsen B.C, Mechanics of Ship Grounding PhD thesis, Department of Naval Architecture and Offshore Engineering, Technical University of Denmark, 265 p, 1997 [11] Симаков Г.В., Марченко Д.В., Шхинек К.Н, Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия судов с преградами, Д.В Марченко, К.Н Шхинек Л.: Изд-во Ленинград ун-та, 184 с, 1979 Ngày nhận bài: Ngày nhận sửa lần 1: Ngày nhận sửa lần 2: Ngày duyệt đăng: 29/3/2021 18/4/2021 13/5/2021 26/5/2021 55 ... dạng lượng khác thông số chuyển động tàu liên tục thay đổi tàu dừng lại Các tính tốn thơng số tương tác tàu bùn đất thực môi trường bán tĩnh, bỏ qua dao 52 lượng làm biến dạng thân tàu, lượng làm... 4 Kết tính tốn thảo luận Các tính tốn thử nghiệm thực tàu khác điều kiện khác Dưới kết tính tốn trường hợp khai thác tàu thông thường Các thông số tàu chọn điều kiện tính tốn thể Bảng Tính tốn... tàu lựa chọn thơng số phục vụ q trình thiết kế tàu góc chúi tàu góc nghiêng đáy Thơng số góc nghiêng đáy tàu có ý nghĩa việc thiết kế hình dáng thân tàu việc sử dụng cấu trúc gia cố đáy tàu sống