Hệ phương trình thiết kế tàu theo phương pháp truyền thống gồm 4 phương trình: phương trình trọng lượng, phương trình tốc độ, phương trình sức chứa, phương trình tính nổi. Với hệ phương trình này ta tiến hành giải một cách “mò mẫm” vì số ẩn nhiều hơn số phương trình thiết lập được, thời gian thiết kế dài, khó thực hiện. Khi thiết kế, nếu kiểm tra lại không đạt ổn định ta phải quay lại bước xây dựng nhiệm vụ thiết kế nên tốn rất nhiều thời gian, không hiệu quả. Hệ phương trình thiết kế tàu theo quan điểm tối ưu được ra đời để khắc phục được những hạn chế của phương pháp thiết kế cũ. Phương pháp thiết kế này bổ sung thêm vào hệ phương trình thiết kế truyền thống 2 phương trình mới: phương trình ổn định và phương trình lắc.
Phương trình trọng lượng: P=ΣPi =Pv+Pm+Pc+Pnl+Plttp+Ptt+Pbt+Pl. (3.1) Trong đó:
- Pv: trọng lượng vỏ tàu.
- Pm: trọng lượng máy chính, máy phụ, hệ trục chân vịt. - Pc: trọng lượng cá (kể cả đá và muối).
- Pnl: trọng lượng nhiên liệu.
- Plttp: trọng lượng lương thực, thực phẩm (kể cả nước ngọt). - Ptt: trọng lượng thuỷ thủ đoàn.
- Pbt: trọng lượng dầu bôi trơn.
- Pl: trọng lượng của lưới.
Tất cả các trọng lượng thành phần đều được tính bằng tấn.
Phương trình nổi: P = D = γ.V = γδLBT. (3.2) Trong đó:
56
trên xuống, đặt tại trọng tâm tàu.
- V: thể tích khối nước mà tàu chiếm chỗ (m3). - γ: trọng lượng riêng của nước biển (T/m3).
- γ.V: được gọi là lực nổi, lực này cân bằng với trọng lượng D của tàu. Điểm đặt của lực này nằm tại trọng tâm của khối nước mà tàu chiếm chỗ, hướng từ dưới lên.
Phương trình sức chứa: V = ΣVi = Vm+Vc+Vp. (3.3) Trong đó: - Vm : thể tích khoang máy. - Vc : thể tích khoang cá. - Vp : thể tích các khoang còn lại. Phương trình tốc độ: EPS = 0 3 3 / 2 C V D × . (3.4) Trong đó:
- D: lượng chiếm nước (T). - V: tốc độ tàu (hl/h). - C0: hằng số hải quân.
- EPS: công suất có ích trên trục chân vịt (ML).
Phương trình ổn định
Ổn định là một trong những tính năng hàng hải quan trọng bậc nhất của tàu. Để đảm bảo ổn định cho tàu nhất là tàu cá, là một trong những vấn đề bức thiết nhằm đảm bảo an toàn cho tàu thuyền, an toàn cho thuỷ thủ đoàn khi tàu tàu hoạt động trên biển.
Muốn đánh giá một con tàu về mặt ổn định, thông thường dựa vào các tiêu chuẩn ổn định. Tiêu chuẩn ổn định là thước đo cần thiết về ổn định, mức ổn định cần thiết đối với tàu đang xét. Có nhiều tiêu chuẩn ổn định khác nhau như: tiêu chuẩn vật lý (điển hình là tiêu chuẩn thời tiết của Liên Bang Nga), tiêu chuẩn thống kê (điển hình là tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế IMO-1974), tiêu chuẩn ổn định của Đăng Kiểm Việt Nam v.v.. tất cả các con tàu thiết kế chế tạo đều phải tuân theo các
57
tiêu chuẩn này. Tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến nhất là tiêu chuẩn của tổ chức quốc tế IMO-1974. Trên cơ sở kết quả thống kê của gần 100 tàu bị lật vào những năm 60, đem so sánh các đồ thị ổn định của các tàu bị lật với đồ thị của các tàu tốt cùng loại rút ra được đồ thị tối thiểu với 6 điều kiện:
1. Chiều cao tâm ổn định ban đầu h00,35m.
2. Cánh tay đòn ổn định tĩnh tại 300 lθ300,2m.
3. Cánh tay đòn ổn định động tại 300 lθđ300,055m.
4. Cánh tay đòn ổn định động tại 400 lθđ400,09m.
5. Hiệu lθđ40 - lθđ30 0,03m.
6. Góc ứng với tay đòn ổn định tĩnh cực đại θmax250÷300
Ưu điểm của tiêu chuẩn IMO là phù hợp với thực tế (nếu phương pháp thống kê chính xác), độ tin cậy khá cao, được áp dụng cho tất cả các loại tàu có boong. Tuy nhiên nó chỉ là kinh nghiệm nên thường lạc hậu, bảo thủ, không phát huy tính sáng tạo, hơn nữa 6 tiêu chuẩn này lại ngang quyền nhau, xuất phát từ một công thức nên cồng kềnh, khó áp dụng, không chặt chẽ, khó phổ biến.
Các tiêu chuẩn trên là các yếu tố quy định dạng đồ thị tối thiểu hay còn gọi là đồ thị Read. Đồ thị tối thiểu phân biệt: những con tàu đảm bảo ổn định khi đồ thị nằm trên đồ thi tối thiểu, còn những con tàu có đồ thị nằm dưới đồ thị tối thiểu sẽ không đảm bảo ổn định.
58
Ngày nay, dựa vào công trình nghiên cứu của thầy PGS.TS Nguyễn Quang Minh đã khắc phục được những nhược điểm trên.
Đối với tập hợp tàu nghề cá Việt Nam, sau khi tiến hành so sánh 6 tiêu chuẩn nói trên ta nhận thấy rằng tiêu chuẩn số 2 tức: lθ300,2m là tiêu chuẩn gay gắt nhất. Điều đó có nghĩa là trên tập hợp tàu đang xét, chỉ riêng tiêu chuẩn này là bao hàm tất cả các tiêu chuẩn còn lại. Tàu nghề cá thỏa mãn tiêu chuẩn này, là thỏa mãn tất cả các tiêu chuẩn định ra trong hệ tiêu chuẩn IMO-1974.
Từ tiêu chuẩn này, qua các bước biến đổi tính toán dẫn về tỷ lệ B/H giới hạn, thầy PGS.TS Nguyễn Quang Minh đã rút ra được kết quả là:
B/H 10 2 29 B H B = −
(Tiêu chuẩn Nguyễn Quang Minh)
Như vậy, tàu thỏa mãn tiêu chuẩn này sẽ đảm bảo ổn định tương đương với tiêu chuẩn IMO.
Phương trình lắc
- Lắc là chuyển động mang tính chu kỳ của tàu, xuất hiện khi tàu chạy trên sóng hoặc trên nước tĩnh. Dao động lắc của tàu bao gồm: lắc ngang, lắc dọc, lắc đứng v.v.. trong các loại dao động lắc trên, dao động lắc ngang là nguy hiểm nhất.
- Các chuyển động ở dạng lắc ngang, lắc dọc, lắc đứng với biên độ, cường độ thay đổi tạo nên cảm giác khó chịu cho người làm việc trên tàu, giảm tốc độ tàu, gây nên việc phủ nước mặt boong làm ướt hàng hoá, ảnh hưởng sự làm việc của máy móc, sức bền thân tàu. Yêu cầu đặt ra cho các tàu là có tính đi biển tốt: lắc êm, gia tốc chuyển động không lớn, không bị lật khi tàu chạy trên sóng đuổi hoặc cắt chéo hướng sóng, nước không phủ lên boong.
- Biện pháp khắc phục: Lắc là một thuộc tính của tàu nên không đặt vấn đề là xoá bỏ hoàn toàn. Để hạn chế hậu quả của dao động lắc thì chỉ có thể tìm cách dung hoà hợp lý các mâu thuẫn, bằng cách tạo ra các mômen ngược với chiều lắc như: dùng các thiết bị thụ động sẵn có trên tàu (vây giảm lắc,két nước giảm lắc). Ta có thể làm cho tàu lắc êm hơn bằng cách tăng chu kỳ lắc nhưng tính ổn định của tàu không cho phép làm điều đó. Nhiệm vụ của người thiết kế là dung hoà hợp lý
59
mâu thuẫn này. Theo lý thuyết tàu, chu kỳ lắc của tàu được xác định theo công thức:
τθ = 0 h CB . (3.5) Trong đó:
+ τθ: chu kỳ lắc ngang của tàu. + C: hệ số quán tính.
+ B: chiều rộng tàu.
+ h0: độ cao tâm ổn định ban đầu.