Bộ khung thân tàu gồm có bộ vỏ, sàn chính và các phần tử bên trong tạo nên độ bền cần thiết của tàu đáp ứng đƣợc môi trƣờng biển mong muốn.
Các đáp ứng của khung thân tàu giống nhƣ dầm tự do 2 đầu chịu các tải trọng động. Lực kích động chủ yếu là các lực chân vịt, rung động của khung thể hiện hầu hết các nguồn rung động khó chịu hay xuất hiện trên tàu. Chân vịt và hình dạng đuôi tàu tạo nên các đặc trƣng rung động trên tàu. Sau khi chế tạo vẫn cần phải sửa đổi để hiệu chỉnh các rung động quá mức từ phần không hợp lý của chân vịt hoặc đuôi. Hơn nữa rung động của khung thân tàu sẽ kích động các cụm kết cấu chính, các phần tử kết cấu cục bộ và thiết bị trên tàu. Máy đẩy chính và máy phụ có thể cũng gây ra rung động tổng thể thân tàu và các thành phần kết cấu cục bộ.
a. Nguồn kích động khung thân tàu
Các lực động tác dụng vào thân tàu theo hƣớng của trục đẩy hoặc trực tiếp qua cánh chân vịt bởi các lực đẩy, các lực này sinh ra rung động chính trên thân tàu. Với các động cơ diesel tốc độ thấp thì cần chú ý sự mất cân bằng của máy là các lực đốt. Nguồn rung động phụ gồm các máy phụ và các kích động thủy động lực. Khi xác định nguồn rung cần phải xác định tần số của các kích động để tìm mối xác định xem chúng có liên quan tới tần số quay của trục hay không. Hình 2.4 chỉ ra các nguồn kích động chính.
Các lực có tần số trùng với tần số quay của trục:
Các lực máy có liên quan tới tốc độ quay của trục có thể sinh ra do một hoặc nhiều các nguyên nhân sau:
A. Mất cân bằng trục. B. Mất cân bằng chân vịt. C. Sai số bƣớc răng chân vịt.
D. Mất cân bằng máy (với các tàu truyền động diesel tốc độ thấp). E. Cong trục.
F. Lệch tâm cổ trục.
G. Lệch chỗ nối hoặc mặt bích.
Những nguyên nhân thƣờng gặp nhất của các lực có tần số quay của trục là A, B, C, D. Các nguyên nhân khác sẽ không hay xảy ra nếu các thông số kỹ thuật tàu hợp lý, tay nghề cao và thực hiện các bƣớc kiểm duyệt trong suốt quá trình thiết kế chế tạo tàu.
Các lực có tần số quay của trục thƣờng nằm trong dải tần số thấp, tuy nhiên cũng cần chú ý với các lực tần số thấp nhƣng biên độ lớn có thể kích động các dạng dao động riêng thấp của thân tàu gây ra hiệu ứng cộng hƣởng.
Với các động cơ diesel tốc độ thấp bị mất cân bằng thƣờng sinh ra các lực và mô men động cơ tự do gốc và thứ cấp, sinh ra các vấn đề cần chú ý nhƣ biên độ của lực và mô men, vị trí đặt động cơ và mối tƣơng quan của chúng tới các tần số riêng theo phƣơng đứng và ngang của thân tàu. Các lực và mô men gốc xuất hiện tần số trục, lực và mô men thứ cấp xuất hiện tần số bội 2 của trục. Biên độ của chúng thƣờng phụ thuộc vào ngƣời lắp đặt động cơ. Hình 2.5 là hiệu ứng của các lực và mô men của động cơ chính trên thân tàu.
Các lực chân vịt:
Khi thiết kế nhằm tăng thêm lực đẩy của tàu, chân vịt cũng sinh ra các lực và mô men thay đổi không mong muốn khi hoạt động do tác động qua lại giữa các cánh chân vịt gần với thân tàu và các thành phần phụ, chúng cũng đƣợc xem nhƣ các lực chân vịt và có tần số cánh cơ bản và các thành phần bội của nó. Các thành phần bội thƣờng ở mức quan trọng thứ yếu. Các lực chân vịt này lần lƣợt đƣợc chia thành các lực ổ bi và áp lực lên thân tàu.
Với tàu hoạt động trong vùng nƣớc lặng nhƣng phía sau thân tàu do có tác động qua lại giữa thân tàu và vùng nƣớc xung quanh đuôi nên tạo nên vùng nƣớc rối. Khi tàu lƣớt về phí trƣớc tạo nên lằn tàu và làm tăng thêm rung động trên mỗi cánh khi chân vịt quay.
Chân vịt quay sinh ra cả mô men xoắn lẫn lực đẩy, mỗi khi cánh chân vịt chuyển động qua vùng nƣớc rối thì lại làm tăng thêm 2 thành phần này tại tần số cánh và các thành phần bội của chúng. Thêm một hiệu ứng do tải trọng rối của chân vịt gây ra là tâm đẩy và tâm hình học của chân vịt lệch nhau, tạo ra các mô men uốn trong trục và các lực theo phƣơng thẳng đứng và phƣơng ngang trong ổ bi. Khi hoạt động các cánh chân vịt sát thân tàu sẽ tạo ra áp lực theo phƣơng dọc và ngang, đồng thời các phản lực từ bề mặt thân tàu sẽ tác dụng ngƣợc lại các cánh chân vịt sinh ra các lực trong ổ bi.
- Các lực ổ bi:
Các lực ổ bi sinh ra từ sự không đồng đều của vệt nƣớc xung quanh mặt phẳng đĩa chân vịt. Vệt nƣớc này phụ thuộc vào hình dạng của thân tàu, một thiết kế hình dạng thân tàu tối ƣu sẽ giúp giảm độ không đồng đều của vệt nƣớc, do đó giảm biên độ các lực ổ bi.
Các lực ổ bi kích động lên tàu qua hệ đẩy trục/ổ bi và đƣợc biểu diễn bằng 6 thành phần nhƣ hình 2.6: (gốc tọa độ tại tâm chân vịt, trục x dọc thân tàu, trục y ngang thân tàu, trục z theo phƣơng thẳng đứng) lực đẩy và mô men xoắn theo trục x (dọc thân tàu), lực ổ bi theo phƣơng ngang và mô men uốn theo phƣơng trục y, lực ổ bi theo phƣơng thẳng đứng và mô men uốn theo trục z. Các thành phần lực này sinh ra do các sự chênh lệch giữa các lực xoắn của các cánh chân vịt, còn các mô men uốn theo phƣơng thẳng đứng và phƣơng ngang sinh ra do độ lệch tâm của tâm lực đẩy chân vịt và tâm hình học chân vịt.
Hình 2.6. Lực ổ bi.
- Các áp lực lên thân tàu
Các áp lực lên thân tàu sinh ra từ sự thay đổi áp suất do chuyển động đầu cánh chân vịt gần với thân tàu và các bộ phận phụ khác. Các áp lực này phụ thuộc vào khe hở giữa thân tàu và chân vịt, tải trọng lên cánh chân vịt, và các sự thay đổi trƣờng áp suất cục bộ xung quanh cánh chân vịt.
Các áp lực kích động lên tàu qua mặt đáy thân tàu gần với chân vịt, chúng cũng đƣợc biểu diễn bằng 6 thành phần: lực và mô men theo trục dọc thân tàu, lực và mô men theo trục ngang thân tàu, lực và mô men theo trục thẳng đứng.
- Hiệu ứng của các lực chân vịt
Các lực đẩy ổ bi có tần số cánh tạo ra các kích động chính cho hệ thống đẩy theo dạng thẳng dọc tàu, còn các mô men xoắn có tần số cánh tạo ra các kích động chính cho hệ thống đẩy theo dạng xoắn. Hợp lực theo phƣơng thẳng đứng của lực ổ bi và áp lực (theo phƣơng thẳng đứng) sẽ kích động thân tàu theo phƣơng thẳng đứng, tƣơng tự các lực ổ bi và áp lực theo phƣơng ngang tạo thành hợp lực kích động chủ yếu lên thân tàu theo phƣơng ngang. Độ lệch giữa lực đứng và ngang sẽ tạo ra kích động xoắn lên thân tàu. Các áp lực lên thân tàu theo phƣơng dọc và lực đẩy thân tàu qua ổ bi sẽ tạo thành hợp lực kích động thân tàu theo hƣớng dọc thân tàu.
b. Đáp ứng rung động khung thân tàu
Khung thân tàu có thể bị kích động cộng hƣởng hoặc không cộng hƣởng. Với kích động có tần số trục hoặc tần số cánh chân vị có thể gây rung động cộng hƣởng tới 5 hoặc 6 dạng riêng đầu tiên. Các tần số kích động chính là tần số trục quay, tần số cánh chân vịt và các bội của nó. Các lực thủy động lực học cũng có thể kích động tần số cộng hƣởng của thân tàu, bánh lái hoặc các thanh giằng thông qua các bộ phận phụ khác.
Các dạng rung động của khung thân tàu
Uốn đứng.
Uốn ngang.
Xoắn.
Nén dọc. Hình 2.7. Các dạng dao động khung thân tàu.
Ngoài ra có thể có các dạng kết hợp giữa uốn đứng và dọc trục, giữa uốn ngang và xoắn. Nhƣng hầu hết các dấu hiệu dao động đều liên quan tới dạng uốn đứng và ngang.
Tần số rung động của khung thân tàu
Trong vận hành thì dạng dao động uốn đứng khi cộng hƣởng là nghiêm trọng nhất. Nhƣ đã trình bày ở các phần trên, dao động dạng uốn đứng có thể bị kích động do sự mất cân bằng động hoặc thủy động của chân vịt, mất cân bằng động hoặc lệch tâm của trục hoặc do các khối lƣợng lớn quay nhƣ sai số bánh răng, và do các mô men mất cân bằng chính hoặc thứ cấp của các động cơ diesel. Ngoài ra các lực do sóng biển gây ra cũng có thể kích động các tần số riêng thân tàu. Với các tàu chân vịt kép có thể các dạng dao động theo phƣơng ngang bị kích động do sự đồng pha của các lực mất cân bằng chân vịt.
Một vài tàu lớn, nhƣ các tàu container có boong lớn thƣờng nhạy cảm với các dạng xoắn khi bị kích động các lực ngang.
Nhìn chung dạng riêng uốn cơ bản theo phƣơng thẳng đứng thƣờng dƣới 1Hz, các dạng riêng cao hơn sẽ là bội của tần số cơ bản với các hệ số 1, 2, 3, 4… Các tần số riêng của dạng uốn ngang cũng tƣơng tự, tuy nhiên tần số riêng cơ bản của nó thƣờng lớn hơn 1,5 lần tần số riêng cơ bản uốn đứng.
Dạng riêng xoắn cơ bản của thân tàu có tần số thƣờng gấp đôi tần số riêng cơ bản của dạng riêng uốn ngang.
Tần số riêng theo phƣơng dọc tàu thƣờng bằng 1/3 tới 1/2 tần số riêng cơ bảng của dạng riêng uốn ngang.
Tác động của các điều kiện vận hành bất lợi
Khi tàu vận hành trong các điều kiện bất lợi nó thƣờng làm tăng đáng kể các biên độ rung động. Khi ghi lại hoặc xử lý các vấn đề rung động trên tàu thì một việc cực kỳ quan trọng là phải nhận biết đƣợc mức độ bất thƣờng của các rung động đó và các điều kiện vận hành đó cũng phải đƣợc ghi lại. Các nhân tố này cũng có tác động đáng kể tới việc ghi và phân tích dữ liệu đánh giá. Sau đây sẽ trình bày một vài nhân tố liên quan:
- Điều kiện biển
Dƣới các điều kiện biển lý tƣởng (lặng gió, dòng thẳng) các tín hiệu rung động thân tàu sẽ dao động trong khoảng (min:max) tƣơng đƣơng với tỷ lệ 1:2. Với các điều kiện thử nghiệm bắt buộc thì tỷ lệ đó là 1:3. Với các điều kiện khắc nghiệt hơn thì hệ số max sẽ cao hơn nữa.
- Các trƣờng hợp vận hành khó
Trong quá trình quay tàu, với các tàu có 1 chân vịt thì các biên độ rung động có thể tăng gấp đôi, với các tàu chân vịt kép thì tăng gấp 3.
Trong quá trình lùi khẩn cấp (toàn bộ đầu chuyển thành đuôi), lực đẩy có thể vƣợt quá lực đẩy truyền động và phá hỏng các ổ bi do không biết cách điều khiển. Đầu tiên cần phải giảm tốc độ thấp hơn một cách cẩn thận đồng thời theo
dõi tình trạng ổ bi.
- Vùng nƣớc nông
Là vùng nƣớc có độ sâu nhỏ hơn 6 lần độ chìm của tàu, trong điều kiện nhƣ vậy rung động thân tàu có thể tăng 50%.
- Độ chìm bản thân tàu
Trong điều kiện tàu không chở hàng (không tải) thì rung động thân tàu có thể tăng 25%. Để rung động đó ở mức thấp nhất thì nên đổ đầy bể chứa nƣớc ở nóc đuôi tàu.