Sơ đồ triển khai tuyến hình mặt cắt ngang tàu Motora theo phương pháp biến hình Lewis hình 4.2 và hồ sơ tàu thực tế hình 4.1 là tương đồng, cho thấy độ tin cậy của phương pháp cũng như cơng thức tính tốn đã thiết lập.
Kết quả triển khai tuyến hình và đồ giải trên Matlab phù hợp với với tuyến hình thiết kế thực tế của các mơ hình tàu đã chọn. Việc phân chia tàu thành n = 20 lát cắt ngang cho kết quả đường cong vỏ tàu mềm mại. Nếu tăng số lượng lắt cắt lên, các đường cong tuyến hình sẽ càng mềm mại hơn. Tuy nhiên, khi n càng lớn, tuyến hình tàu càng chi tiết, chương trình máy tính sẽ chiếm nhiều bộ nhớ hơn và có thể làm giảm tốc độ xử lý mô phỏng.
Phương pháp khai triển tuyến hình Lewis cho kết quả hình dáng tàu gần sát thực tế. Do vậy, tuyến hình thiết lập theo phương pháp này rõ ràng sẽ chính xác hơn rất nhiều so với tuyến hình có được bằng phương pháp xem tàu gần đúng là hình trụ, hình cầu hay elipsoid. Với tuyến hình số hóa có được từ phép biến hình, ta có thể áp dụng lý thuyết mảnh để tính tốn nhanh chóng các hệ số thủy động của tàu.
4.3. Đánh giá phương pháp tính tốn khối lượng nước kèm tổng quát
Kết quả tính tốn các thành phần khối lượng nước kèm tổng quát mij theo các phương pháp được trình bày trong nội dung nghiên cứu 2 (mục 2.3). Các giá trị thực nghiệm và giá trị tính tốn trên Matlab của tàu Motora được tổng kết theo Bảng 4.2. Cột “đề xuất” áp dụng theo phương pháp đề nghị của nghiên cứu sinh.
Bảng 4.2. So sánh kết quả xác định mij tàu Motora
𝑚 Ellipsoid Lewis nghiệm Thực Đề xuất
𝑚 287 276 287 𝑚 8.284 19.663 21.711 19.663 𝑚 8.284 2.1433 2.1433 𝑚 - 113.628 113.628 𝑚 23.306.796 23.306.796 𝑚 23.306.796 26,872 33.604.723 26,872.000 𝑚 -55.491 -55.491 𝑚 53.630 53.630 𝑚 -27.500 -27.500 𝑚 93.333 93.333 𝑚 811 811
Bảng 4.3. So sánh kết quả xác định 𝑚
𝑚 Ellipsoid Lewis nghiệm Thực Đề xuất
𝑚 0,019 0,018 0,019 𝑚 1,323 1,327 1,466 1,327 𝑚 1,323 1,447 1,447 𝑚 0,015 0,015 𝑚 0,054 0,054 𝑚 0,054 0,059 0,079 0,059 𝑚 0,164 0,164 𝑚 0,021 0,021 𝑚 -0,081 -0,081 𝑚 -0,031 -0,031 𝑚 -0,029 -0,029
Tương tự, kết quả tính tốn cho tàu Triple-E và tàu Genting Dream cũng được tính và trình bày trong Bảng 4.4.
Bảng 4.4. Kết quả tính 𝑚 tàu Triple-E và Genting Dream
𝑚 Triple-E Genting Dream
𝑚 0,1596 0,0328 𝑚 2,2218 0,5671 𝑚 8,7402 3,2980 𝑚 1,7927 0,0551 𝑚 0,0999 0,044 𝑚 0,3321 0,0719 𝑚 0,1306 0,0124 𝑚 0,5149 0,1116 𝑚 -14,3421 -3,9166 𝑚 -5,4520 -0,0640 𝑚 -0,5534 -0,0284
Từ trình bày và kết quả tính tốn ở trên, có thể thấy phương pháp Lý thuyết mảnh có thể xác định được phần lớn các thành phầm mij. Kết quả theo phương pháp này có độ chính xác cao do triển khai chi tiết theo tuyến hình Lewis. Thành phần m11, m55 có thể áp dụng phương pháp xem tàu là hình ellipsoid kéo dài.
Thành phần m15 = m51 khơng lớn lắm, phương pháp tính tốn đề xuất có thể
4.4. Đánh giá phương pháp tính tốn hệ số lực cản.
Lực cản và hệ số lực cản không thứ ngun được chương trình Matlab tính tốn và xác định tùy thuộc các thành phần tốc độ tàu tại mỗi thời điểm.
Để đánh giá phương pháp xác định lực cản, các thành phần hệ số lực cản
𝐶 , 𝐶 ,𝐶 , 𝐶 , 𝐶 , 𝐶 theo trục x, y, z ở các tốc độ dài (u, v, w) và tốc độ quay (p, q, r) khác nhau được biểu diễn dưới dạng đồ thị. Hình 4.11, 4.12, 4.13, 4.14 mơ tả kết quả tính tốn hệ số lực cản của tàu Genting Dream theo các miền thay đổi của u, v, r.
Hình 4.12. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến v (u = 5 knots, r = 0 deg/m)
Hình 4.14. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến r (u = 5 knots, v = 5 knots)
Trên các đồ thị mô tả hệ số lực cản, giá trị u, v hay r tăng từ (-) sang (+) theo trục ngang. Các đồ thị cho thấy các hệ số thay đổi mềm mại và biền thiên hợp lý. Tính hợp lý của các hệ số lực cản cũng có thể được đánh giá theo kết quả mô phỏng chuyển động tàu trên máy tính bằng Matlab như: chuyển động coasting (tàu dừng máy và giảm tốc do lực cản của nước), điều động tàu quay trở bằng chân vịt chính hay bằng chân vịt mũi. Bảng 4.5 mơ tả các thông số chuyển động coasting của tàu Genting Dream.
Bảng 4.5. Bảng thông số điều động coasting tàu Genting Dream
Thông số đo Đơn vị Chạy thử Mô phỏng Hướng tàu deg (o) 0 0 Tốc độ ban đầu knt 10 10 Tốc độ cuối knt 1 1 Quán tính quảng đường m 7430 7400 Thời gian thực hiện s 5600 5631
a) theo hồ sơ tàu b) mô phỏng trên Matlab Hình 4.15. Đồ giải Coasting tàu Genting Dream
Hình 4.16. Đồ thị tốc độ dọc u của tàu khi điều động coasting theo hồ sơ tàu 7430m 7430m 0 1000 1000 2000 2000 3000 3000 4000 4000 5000 5000 6000 6000 7000 7000 Longitudinal speed (knts) time (s)
Hình 4.17. Đồ giải tốc độ u khi điều động coasting trên mơ phỏng
Các hình trên mơ tả chuyển động của tàu ở các tốc độ chuyển động dọc, chuyển động ngang, chuyển động đứng và các tốc độ xoay ban đầu khác nhau. Đặt tính chuyển động của tàu khi điều động quay trở bằng chân vịt chính và chân vịt mũi được trình bày trong mục 4.5.
Kết quả trên Matlab cho thấy tính hợp lý của các hệ số lực cản so với kết quả thử tàu (seatrial) ở các điều kiện chuyển động khác nhau.
4.5. Đánh giá phương pháp tổng hợp lực và mơ hình tốn tổng hợp
Để đánh giá các tính năng chuyển động của tàu, tiến hành thử nghiệm mơ hình quay trở trên Matlab và so sánh với thông số chạy thử (sea trial) của tàu Genting Dream. Kết quả các thơng số quay trở được trình bày trong bảng 4.6. Các thơng số chuyển động cũng được mơ tả trên đồ thị tại các hình 4.18 đến 4.27.
Bảng 4.6. Bảng thơng số quay trở
Thông số đo Đơn vị Chạy thử Mơ phỏng Góc bẻ lái deg (o) 15/phải 15/phải Tốc độ ban đầu knt 21.3 21.3 Quãng đường dịch chuyển tới m 1109 1119 Bán kính quay trở ổn định m 1312 1320 Thời gian để chuyển hướng
360o s 544 522 u (knts) t (s) 1000 2000 3000 4000 5000 2 2 4 4 6 6 8 8
Hình 4.18. Vết quay trở của tàu theo hồ sơ thử tàu khi bánh lái bẻ sang phải 150
Ghi chú: Đồ giải vịng quay trở trên thực tế có tác động của gió. Đường liền dứt đoạn biểu diễn vết quay trở thực đo được (Measeared Ship’s Track), đường liền nét biểu diễn vết quay trở sau hiệu chỉnh (Corrected Ship’s Track).
Hình 4.20. Đồ thị hiển thị vận tốc dọc (u) của tàu khi quay trở
Hình 4.21. Đồ thị hiển thị vận tốc ngang (v) của tàu khi quay trở
Hình 4.22. Đồ thị hiển thị vận tốc đứng (w) của tàu khi quay trở w (knts) w (knts) t (s) 100 200 300 400 -0.45 -0.45 -0.40 -0.40 -0.35 -0.35 v (knts) t (s) 100 200 300 400 -1.0 -1.0 -0.5 -0.5 u (knts) t (s) 100 200 300 400 18 18 19 19 20 20 21 21
Hình 4.23. Đồ thị hiển thị tốc độ quay trở (r) của tàu khi quay trở
Hình 4.24. Đồ thị hiển thị góc dạt (d) của tàu khi quay trở
Hình 4.25. Đồ thị hiển thị tốc độ nghiêng ngang (p) của tàu khi quay trở d (deg) d (deg) t (s) r (rad/s) t (s) 100 200 300 400 0.2 0.2 0.4 0.4 100 200 300 400 1 1 2 2 3 3 p (deg) t (s) 100 200 300 400 -1.0 -1.0 -0.5 -0.5 0.0 0.0
Hình 4.26. Đồ thị hiển thị tốc độ bổ dọc (q) của tàu khi quay trở
Hình 4.27. Đồ thị hiển thị hướng tàu (Hd) khi quay trở
Ở trạng thái quay trở, phương trình vi phân trạng thái chịu sự tác động đồng thời của lực quán tính, lực cản của nước và lực đẩy và bẻ lái của hệ chân vịt – bánh lái. Các thông thông số quay trở của tàu cho thấy sự tác động bổ sung hợp lý của hệ động lực đẩy và lực bẻ lái của chân vịt đến con tàu đang chuyển động. Các thông số quay trở mô phỏng trên Matlab phù hợp với các thông số trong hồ sơ tàu [78, 80]. Điều này cho thấy, mơ hình tốn chuyển động tàu được phát triển đã mơ tả tương đối chính xác trạng chuyển động của tàu 6 bậc tự do.
Khi có các thành phần lực tác động từ bên ngồi, mỗi thành phần lực này có thể được coi như là một lực đơn để tính tốn và bổ sung vào phương trình
Hd (deg) t (s) 100 200 300 400 -100 -100 0 0 100 100 q (deg) t (s) 100 200 300 400 -1.2 -1.2 -1.1 -1.1 -1.0 -1.0
chính trong mỗi thời điểm nhất định. Trong phạm vi nghiên cứu, tác động đơn lẽ của một chân vịt mũi với cường độ và hướng nhất định có thể coi như là một thành phần lực đơn để xem xét theo hướng tiếp cận này. Phần thử nghiệm tác động của chân vịt mũi dưới đây cho thông tin đánh giá sự tác động của lực đơn vào chuyển động tàu.
Bảng 4.7. Bảng thông số chuyển động tàu khi đẩy bởi chân vịt mũi
Thông số đo Đơn vị Giá trị Công xuất chân vịt mũi KW 3000 Hướng chân vịt (hướng lực) Deg 90 Tọa độ chân vịt (điểm đặt lực): x, y, z m 136.8, 0, 3.8 Tốc độ dọc ban đầu knt 0 Tốc độ ngang ban đầu knt 0 Thời gian thực hiện s 120 Tốc độ dọc cuối knt -2 Tốc độ ngang cuối knt 4.1 Hướng thay đổi deg 122 Tốc độ quay trở (ROT) Deg/m 118
Hình 4.29. Đồ thị vận tốc dọc (u)
Hình 4.30. Đồ thị vận tốc ngang (v)
Hình 4.31. Đồ thị hướng tàu (Hd)
Kết quả mô phỏng chuyển động tàu do tác động của lực đơn mô tả trạng thái chuyển động của tàu theo thuật tốn mơ phỏng đã thiết lập ở chương 3 và
t (s) Hd (deg) u (knt) t (s) v (knt)) t (s)
mơ hình tốn đã phát triển tại chương 2. Trạng thái chuyển động trên mô phỏng biểu diễn đúng bản chất chuyển động của con tàu. Khi thay đổi các thông tin đầu vào của lực (cường độ, vị trí và hướng) ở các trạng thái khác nhau, ta cũng có được các thơng số và hình ảnh chuyển động đúng như đặc tính điều động tàu. Tuy chương trình mơ phỏng Matlab chưa bổ sung đầy đủ các loại ngoại lực theo các công thức kế thừa tại mục 2.4 của chương 2, nhưng việc thử nghiệm các phân lực đơn dưới dạng xung theo cường độ, phương lực và vị trí đặt lực đủ để mơ tả và đánh giá tính đúng đắn và đặc tính chuyển động của tàu theo mơ hình tốn.
4.6. Kết luận chương 4
Kết quả chạy mô phỏng và đánh giá tại chương 4 đã khẳng định tính đúng đắn của các kết quả nghiên cứu lý thuyết tại chương 2 bao gồm:
- Phương pháp triển khai tuyến hình Lewis mơ tả tương đối chính xác tuyến hình của phần ướt từ đó có thể sử dụng để tính tốn các thơng số thủy động của tàu.
- Các cơng thức tính tốn khối lượng nước kèm theo các phương pháp ellipsoid, triển khai tuyến hình Lewis kết hợp lý thuyết mảnh và đề xuất tính tốn thành phần cịn lại đã dự đốn tương đối chính xác khối lượng nước kèm của tàu.
- Phương pháp tính tốn lực cản theo dòng chảy cục bộ được đề xuất tại mục 2.3 đã tính tốn phù hợp các thành phần lực cản động của tàu theo 6 bậc tự do và trên thời gian thực.
- Mơ hình tổng hợp lực như đề xuất tại mục 2.4 đã biểu diễn chính xác các thành phần lực tác động đến con tàu được lắp đặt nhiều thiết bị đẩy khác nhau.
Kết quả chạy mô phỏng và đánh giá tại chương 4 cũng khẳng định tính phù hợp và đúng đắn của thuật tốn mơ phỏng và chương trình mơ phỏng trên Matlab được xây dựng tại chương 3.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
1. KẾT LUẬN
Phát triển mơ hình tốn chuyển động của tàu phục vụ cho việc mô phỏng và nghiên cứu ứng dụng của cơng tác điều động tàu có vai trị quan trọng và cấp thiết hiện nay và trong tương lai. Kết quả nghiên cứu của đề tài bao gồm các cơng trình nghiên cứu đã được cơng bố trên các tạp chí, kỷ yếu, hội thảo khoa học, các dự án nghiên cứu ứng dụng thực tế trong sản xuất cũng như bản thuyết minh luận án cho thấy nội dung và mục tiêu nghiên cứu đặt ra ban đầu đã được hồn thành. Đề tài đã có những đóng góp mới về lý thuyết và thực tiễn như sau:
Về lý thuyết:
1) Nêu ra được một phương pháp lý thuyết kết hợp để xác định tất cả các thành phần của khối lượng nước kèm 6DOF với sự kế thừa và áp dụng phương pháp biến hình Lewis và lý thuyết mảnh. Kết quả đã được công bố trên cơng trình số (2) và (3).
2) Thiết lập được “Phương pháp phân tích lực cản theo vận tốc dịng chảy cục bộ” để dự đốn tất cả các thành phần lực cản trên 6DOF. Kết quả đã được cơng bố trên cơng trình số (5) và (6).
3) Xây dựng được phương pháp tổng hợp tất cả các thành phần ngoại lực tác động đến tàu trên 6DOF áp dụng cho tàu thủy lắp đặt nhiều thiết bị đẩy khác nhau. Kết quả đã được cơng bố trên cơng trình số (8).
4) Thiết lập được thuật tốn mơ phỏng chuyển động tàu 6DOF thời gian thực.
5) Xây dựng được chương trình mơ phỏng chuyển động tàu 6DOF thời gian thực. Đây là chương trình nghiên cứu sinh sử dụng để đánh giá và phát triển các nội dung lý thuyết của đề tài. Kết quả chạy mơ phỏng cũng đã được trình bày trên các cơng trình đã nghiên cứu.
6) Kết quả đánh giá mô phỏng so với các mẫu tàu thực tế cho thấy sự đúng đắn, phù hợp của các nội dung lý thuyết cũng như thuật tốn mơ phỏng đã thiết
lập. Các kết quả lý thuyết cơ bản đã phản ảnh đúng bản chất các trạng thái chuyển động của tàu trên 6DOF
Về thực tiễn:
1) Các nghiên cứu lý thuyết của đề tài đã được nghiên cứu sinh ứng dụng cho các cơng trình nghiên cứu xây dựng các mơ hình tốn tàu thủy thực tế áp dụng tại Việt Nam và quốc tế. Điều này chứng tỏ khả năng ứng dụng cao các nội dung của đề tài trong trong thực tế.
2) Phương pháp và kết quả nghiên cứu của đề tài có thể ứng dụng để phát triển các mơ hình tốn tàu thủy cho các hệ thống mơ phỏng hàng hải hiện hữu cũng như đóng mới trong tương lai phục vụ nhu cầu đào tạo và nghiên cứu ứng dụng trong thiết kế tàu và cảng.
2. ĐỀ XUẤT
1) Trong nội dung nghiên cứu, tuyến hình phần ướt vỏ tàu được thiết lập và số hóa theo phép biến hình Lewis. Điều này giúp nhanh chóng phát triển và tính tốn các thơng số thủy động và thủy tĩnh của tàu. Tuy nhiên, để tăng độ chính xác có thể vẽ tuyến hình cho phần vỏ ướt của tàu theo tọa độ thực tế và áp dụng Lý thuyết mảnh để tính tốn. Đối với sườn tàu khơng đối xứng qua trục dọc hay sườn tàu lõm, khơng thể áp dụng triển khai theo tuyến hình Lewis như tàu hai thân, cần có nghiên cứu bổ sung để có tính tốn hợp lý. Tuy nhiên, có thể xem xét chia nhỏ thân tàu thành nhiều phần để áp dụng phương pháp này.
2) Nội dung nghiên cứu 3 của đề tài đưa ra mơ hình tổng hợp lực của n thành phần khác nhau. Do giới hạn phạm vi nghiên cứu và để đảm bảo tiến độ và tính trọng tâm của các nội dung nghiên cứu, các cơng thức tính tốn các thành phần lực cụ thể áp dụng theo kết quả nghiên cứu của các cơng trình trước đây. Đề xuất nghiên cứu, đánh giá các thành phần lực này trong những nghiên cứu độc lập khác.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA