Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SƠNG BIỂN VIỆT NAM Chun ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số chuyên ngành: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Vũ Ngọc Bích PGS.TS Lê Tất Hiển TP Hồ Chí Minh, 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu kết nghiên cứu suốt luận án trung thực chưa công bố luận án nghiên cứu khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn, tham chiếu đầy đủ Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Ngọc Hoa ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Sau đại học, Viện Cơ khí trường cho phép tạo điều kiện cho thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học: PGS TS Vũ Ngọc Bích PGS TS Lê Tất Hiển nhiệt tình hướng dẫn, định hướng giúp tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn tất chuyên gia tham gia góp ý phản biện hội đồng bảo vệ tổng quan, bảo vệ chuyên đề giúp làm sáng tỏ vấn đề từ có nghiên cứu trọng tâm để hồn thiện luận án Tơi xin cảm ơn đơn vị thiết kế tàu hỗ trợ tài liệu, mơ cần thiết giúp tơi ứng dụng nghiên cứu, xây dựng đánh giá mơ hình tốn mơ xác Cuối tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình, đồng nghiệp bạn bè ln động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tơi suốt thời gian hồn thành luận án TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Ngọc Hoa MỞ ĐẦU 1.Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện nay, theo số liệu cục đường thủy nội địa năm 2019, ngành vận tải thủy Việt Nam đạt 250 triệu tấn/năm, riêng vận tải ven biển chiếm 60 triệu tấn/năm Với tổng khối lượng luân chuyển hàng hóa quãng đường vận chuyển (tấn.km) cao phương thức vận tải hàng hóa, đội tàu vận tải container sơng biển (SB) góp phần thúc đẩy ngành vận tải đa phương thức logistic chuỗi cung ứng, phát triển theo hướng hội nhập kinh tế vùng miền quốc tế, phát huy tối đa điều kiện ven biển tự nhiên Việt Nam Ngày nay, vấn đề sử dụng lượng hiệu cho phương tiện thủy ngày mang tính cấp thiết liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu khai thác tàu yêu cầu bắt buộc Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) giảm ô nhiễm môi trường lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính tồn cầu Đối với tàu chạy tuyến sông biển, nằm đối tượng áp dụng quy định trên, cần thỏa mãn quy định, nghị quyết, luật Việt Nam mục tiêu sử dụng lượng hiệu tiết kiệm Chính vậy, tốn nghiên cứu giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu sử dụng lượng chủ đề có tính thời khơng đội tàu chạy chuyến quốc tế Việt Nam nói chung mà cịn đội tàu SB nói riêng Trong giai đoạn thiết kế, toán nâng cao hiệu sử dụng lượng cho tàu giải việc tối ưu hóa thiết kế hình dáng thân tàu hệ động lực tàu, nhằm giảm sức cản thân tàu, tăng hiệu suất chân vịt từ tiết kiệm nhiên liệu cho tàu góp phần nâng cao hiệu kinh tế cho tàu góp phần làm giảm nhiễm mơi trường Ở Việt Nam, tháng 7-2014, sau thời gian chuẩn bị, Bộ Giao thơng vận tải (GTVT) thức cơng bố mở ba tuyến vận tải ven biển Khi mở tuyến, số lượng tàu SB có vài chục chiếc, đến cuối tháng 12-2020, tổng số phương tiện tăng lên gần 2000 tàu nhằm đáp ứng nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày tăng cao Dự báo, thời gian tới, số lượng tàu SB tiếp tục tăng Cục Ðăng kiểm Việt Nam thẩm định nhiều hồ sơ đăng ký đóng Như vậy, thấy đội tàu SB Việt Nam có phát triển nhanh số lượng Tuy nhiên, theo đánh giá cơng tác thiết kế tàu SB nói chung tàu container chạy tuyến SB tồn nhiều vấn đề việc tối ưu hóa hình dáng thân tàu chưa quan tâm mức dẫn tới chưa có mẫu hình dáng thân tàu container chuẩn phù hợp với tuyến luồng SB Việt Nam Chính vậy, việc nghiên cứu thuật tốn đề xuất hình dáng xây dựng mơ hình tốn tồn tàu nói chung mẫu tàu container SB nói riêng, có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng có tính khoa học thực tiễn cao, làm phong phú nghiên cứu nước quốc tế liên quan mảng thiết kế tàu Do đó, đồng ý giáo viên hướng dẫn, NCS lựa chọn đề tài “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM” 2.Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án nghiên cứu đề xuất mơ hình tốn cải tiến hình dáng tàu chở container giai đoạn thiết kế sơ nhằm giảm lực cản tàu sở có tính đến điều kiện ràng buộc tuyến luồng sông biển Việt Nam 3.Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Phương tiện thủy container hoạt động vùng chịu ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng • Phạm vi nghiên cứu: xây dựng giải thuật tối ưu hình dáng dựa hàm mục tiêu sức cản xây dựng hàm tốn NUBS cho nhóm tàu container 5000 sau tối ưu, hoạt động phổ biến tuyến luồng sơng biển khu vực phía Nam 4.Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thiết kế, kết hợp cơng cụ tính tốn số cụ thể sau: • Nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp luận chung thiết kế tàu, tích phân số biến đổi hình học hình dáng tàu • Nghiên cứu tính tốn số: Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền (GA), thuật toán dựa hàm tốn xấp xỉ Non-Uniform B-spline (NUBS) cho tuyến hình tàu • Nghiên cứu ứng dụng: Đánh giá chất lượng tuyến hình dựa đặc tính trơn, liên tục mơ số phần mềm chuyên dụng 5.Ý nghĩa khoa học-thực tiễn tính • Ý nghĩa khoa học: Kết đạt luận án thông qua mơ hình tốn hình dáng tàu container bước đầu q trình tích hợp tự động hóa thiết kế hình dáng tàu vào hướng nghiên cứu chuyên sâu mảng tính tốn lưu chất kết cấu tàu • Ý nghĩa thực tiễn: o Kết tính tốn sở để hỗ trợ đơn vị tư vấn thiết kế xây dựng lựa chọn phương án đề xuất hình dáng mẫu tàu container phù hợp với điều kiện tuyến luồng khác Việt Nam o Kết nghiên cứu tài liệu tham khảo hữu ích cho cơng tác đào tạo nhà trường nói riêng cơng tác nghiên cứu khoa học nói chung mảng thiết kế tàu • Những đóng góp luận án: o Luận án tổng hợp, phân tích lựa chọn phương pháp tính toán lực cản tàu với độ tin cậy chấp nhận giai đoạn thiết kế sơ bộ, điều mà đơn vị tư vấn thiết kế chưa có điều kiện thực o Luận án xây dựng thành công thuật giải tối ưu di truyền ngôn ngữ Matlab, nhằm đề xuất hệ số hình dáng hồnh độ tâm phù hợp tàu container có xem xét ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng sông biển Kết nhận từ giải thuật tính tốn hồn toàn đáng tin cậy o Luận án xây dựng thành cơng mơ hình tốn cho hình dáng tàu sau tối ưu dạng hàm NUBS Đây mơ hình tốn hình học hiệu có tính ứng dụng cao giai đoạn thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật, có khả phục vụ tính toán số nghiên cứu chuyên sâu o Chương trình tính tốn chương trình tổng hợp, sử dụng cơng cụ hỗ trợ đề xuất hình dáng tàu phù hợp hồn tồn có khả thương mại hóa Kết luận án đề xuất tuyến hình tàu container hợp lý sở có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng, giải thuật tối ưu di truyền xây dựng nhằm giảm sức cản, hướng đến tiết kiệm nhiên liệu xây dựng mơ hình tốn tàu container sau tối ưu, thể qua sơ đồ nghiên cứu sau Sơ đồ nghiên cứu luận án CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM 1.1 Tổng quan tuyến vận tải thủy sông biển hệ thống vận tải đa phương thức 1.1.1 Vai trò, thực trạng vận tải thủy giới Việt Nam Trong hệ thống vận tải đa phương thức, vận tải thủy (đường sơng, đường biển) góp phần thực hóa chiến lược biển nhiều quốc gia, nhân tố quan trọng kinh tế Từ năm 2000, đóng góp nước phát triển vận tải thủy thay đổi, phản ánh vai trò ngày tăng xuất nguyên liệu thô, xuất nhập hàng hóa thành phẩm bán thành phẩm Năm 2019, theo số liệu thống kê từ tổ chức kinh tế thương mại thuộc hệ thống liên hợp quốc (UNCTAD) bảng 1.1 [1], hoạt động khai thác vận tải thủy khu vực châu Á chiếm tỉ trọng lớn giới, tập trung Trung Quốc khu vực lân cận Theo đó, xu hướng phát triển vận tải container đường thủy phục vụ tuyến nội địa biển có tiếp tục gia tăng khu vực Đông Nam Á tương lai minh họa hình 1.1 Bảng 1.1 Tỉ lệ phân bố vận tải thủy giới theo UNCTAD, 2019 Tỉ lệ phân bố Xếp hàng, [%] Dỡ hàng, [%] Hình 1.1 Xu hướng vận tải thủy theo container giới Đông Nam Á Với bờ biển dài, mật độ sơng ngịi lớn, Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi để phát huy tối đa lợi vận tải thủy nội địa Khai thác tốt vận tải thủy nội địa mang lại hiệu cao kinh tế, môi trường an tồn giao thơng, góp phần chủ đạo tạo nên hiệu hoạt động sản xuất lưu thông chuỗi cung ứng Năm 2016, tính số liệu từ cục đường thủy nội địa, vận chuyển đường thủy nội địa chiếm 17% thị phần toàn ngành giao thông vận tải, cao so với quốc gia khác, ngoại trừ Hà Lan Năm 2016, vận chuyển hàng hóa tuyến vận tải ven biển tăng trưởng 254% so với năm 2015 Về sản lượng hàng hóa thơng qua cảng, vận tải container khoảng từ năm 2016 - 2018 mức tăng trưởng đạt 9%, chứng tỏ vai trị đội tàu container tuyến sơng biển ngày phát triển [2] Đồng thời, tính chung vận tải thủy nội địa ven biển, theo số liệu thống kê từ Hội nghị Liên Hiệp Quốc Thương mại Phát triển 2019, Việt Nam có tỷ lệ đảm nhận vận chuyển hàng hóa nước cao nhiều so với Trung Quốc, Hoa Kỳ Liên minh Châu Âu [1], [3] Trong đó, khối lượng vận tải container đạt khoảng 3,45 triệu TEU; khối lượng vận chuyển hàng hóa sơng pha biển đạt khoảng 17,1 triệu Bảng 1.2 Lưu lượng hàng hóa nội địa theo phương thức vận tải Việt Nam (Cục đường thủy nội địa, 2016) Phương thức vận tải Vận tải đường Vận tải đường thủy nội địa Vận tải ven biển Vận tải đường sắt Vận tải đường hàng không Các hoạt động thúc đẩy kinh tế - xã hội thông qua phát triển mạng lưới giao thông thủy dẫn đến nhu cầu lượng tiêu thụ tăng cao Theo báo cáo ngân hàng giới cơng trình nghiên cứu J Kruse Kos [4]–[6], vận tải thủy lợi việc giảm mức độ tiêu thụ nhiên liệu lượng phát thải khí CO2 hàng hóa - km luân chuyển so với vận tải đường tàu hỏa, trình bày Bảng 1.3 Các cơng trình nghiên cứu Kruse, Luis Kos trình bày tính hiệu trọng tải 136 PHỤ LỤC LẬP TRÌNH CODE MATLAB GIẢI THUẬT MATLAB CHO CÁC THÀNH PHẦN SỨC CẢN function y = resistance(x) L=72.5; Lpp=71.2; B=12.875; Tf=3.9; Ta=3.9; % delta=2995; hoanh_tam=0.013; Abt=0.0; hb=0.0; % Cm=0.967; Cwp=0.947; At=7; Sapp=0; Cstern=10; khoang_ho_cv=0.1; V=10; T=(Tf+Ta)/2; Fn=(V*1852/3600)/sqrt(9.81*L); Cb = Cp*Cm; delta = Cb*(L*B*(Tf+Ta)/2); Lr=(1-Cp+0.06*Cp*lcb/(4*Cp-1))*L; if Tf/L>0.05 c12=(T/L)^0.2228446; elseif 0.02