Thông số cố định và chuyển động của bánh lái Thông số cố định và chuyển động của chân vịt 10 Xác định hệ số lực cản phần ướt d(v) Tổng hợp lực f Xác định hệ số lực Coriolis của tàu Cs(v) Xác định hệ số lực Coriolis nước kèm CA(v) 8 13 6 7 Giải phương trình ma trận trạng thái 6DOF
Mô phỏng trạng thái 3D của tàu 6DOF 5 14 15 16 Các hệ số lực cản cơ bản Thơng số cơ bản của phần ướt: kích
thước, tuyến hình Trọng tâm tàu
Thơng số diện tích ăn gió
Thơng số cố định của các hệ chân
vịt, bánh lái 1 2 Thông số các ngoại lực fi: Fi, 𝜎, 𝛾, điểm đặt lực 12 Xác định khối lượng tổng quát của tàu Ms Xác định khối lượng nước kèm MA 3 4 Xác định lực nổi và mô men hồi phục
𝑔(𝜂)
PHẦN THƠNG SỐ CỐ ĐỊNH
Thơng số chuyển động tại thời điểm
đầu t0
Thông số chuyển động tại thời điểm t
9
PHẦN THÔNG SỐ BIẾN THIÊN THEO THỜI GIAN THỰC
Thuật tốn mơ phỏng chuyển động tàu thời gian thực 6 bậc tự do (6DOF) được mơ tả theo16 bước như lưu đồ hình 3.3, bao gồm: phần thơng số cố định và phần thông số biến thiên theo thời gian.
A. Phần thông số cố định của tàu: Các thơng số khai báo mơ tả đặc tính của
tàu.
1) Thiết lập các thông số đầu vào cơ bản của tàu:
- Các thơng số kích thước, hình dáng: Chiều dài (L), chiều rộng (B), mớn nước (T).
- Trọng tâm tàu: XG, YG, ZG
- Số mặt cắt ngang thân tàu theo chiều dọc (n), khoảng cách từ các mặt cắt đến tâm tàu (Lx), chiều rộng mỗi mặt cắt (Bx), mớn nước tại mỗi mặt cắt (Tx), diện tích các mặt cắt (Ax).
- Thơng số tuyến hình diện tích ăn gió phần khơ của tàu, các hệ số lực cản gió.
2) Thiết lập các thơng số hệ số lực cản cơ bản: Hệ số nhám bề mặt, hệ số lực
cản CD0 dự đoán theo ITTC-1957 và các hệ số điều chỉnh (nếu có từ thực nghiệm) để tăng độ chính xác.
3) Xác định khối lượng tàu tổng quát: Từ thông số cơ bản ở bước 1, mô men quán tính của tàu Ixx, Iyy, Izz được tính theo cơng thức (2.15), (2.16) và (2.17). Khối lượng tổng quát của tàu được tính theo cơng thức (3.2).
4) Xác định khối lượng nước kèm: Từ thơng số cơ bản ở bước 1, tính tốn các
thơng số tuyến hình phần ướt vỏ tàu theo phương pháp biến hình Lewis. Các giá trị khối lượng nước kèm được xác định theo công thức (2.46).
B. Phần thông số biến thiên theo thời gian thực: Tính tốn các thơng số
chuyển động 3D và mô phỏng theo thời gian thực ứng với mỗi khoảng thời gian 𝑑𝑡 = 𝑡 − 𝑡 . Trong đó 𝑡 là thời điểm ban đầu và 𝑡 là thời điểm hiện
tại. Mỗi khoản thời gian 𝑑𝑡 xác lập một vịng lập tính tốn và mơ phỏng.
5) Thơng số chuyển động ban đầu: Tại thời điểm t0, các thông số chuyển động
6) Xác định hệ số lực Coriolis của khối lượng tàu: Từ giá trị khối lượng tàu tổng quát xác định tại bước 3 và thông số vận tốc ban đầu 𝜐 = [𝑢, 𝑣, 𝑤, 𝑝, 𝑞, 𝑟] , hệ số lực Coriolis của tàu Cs(v) được xác định theo công
thức (3.3).
7) Xác định hệ số lực Coriolis của nước kèm: Từ giá trị khối lượng nước kèm xác định tại bước 4 và thông số vận tốc ban đầu 𝜐 = [𝑢, 𝑣, 𝑤, 𝑝, 𝑞, 𝑟] , hệ số
lực Coriolis nước CA(v) được xác định theo công thức (3.5).
8) Xác định hệ số lực cản: Từ thông số tàu cơ bản, kết quả triển khai tuyến hình
Lewis và thơng số vận tốc ban đầu 𝜐 = [𝑢, 𝑣, 𝑤, 𝑝, 𝑞, 𝑟] , hệ số lực cản phần
ướt thân tàu d(v) được xác định theo công thức (3.6).
9) Xác định lực nổi và mô men hồi phục: Từ thông số tàu cơ bản và thông số
tư thế tàu ban đầu, lực nổi và mô men hồi phục 𝑔(𝜂) được xác định theo công thức (3.8).
10) Hệ chân vịt: Từ các thơng số cơ bản (vị trí, kích thước) và thơng số động
(tốc độ vịng quay chân vịt, góc quay azimuth), lực đẩy (T) và mô men xoắn (Q) của chân vịt được tính tốn theo cơng thức (2.125) và (2.126). Trong đó, các hệ số 𝐾 , 𝐾 được tính theo cơng thức (2.156), (2.157), (2.158) và (2.159) theo phương pháp khai triển đa thức Chebyshev.
11) Hệ bánh lái: Từ các thơng số cơ bản (vị trí, kích thước và hệ số lực nâng,
lực cản) và thông số động (góc bẻ lái) của bánh lái, lực nâng, lực cản và mô men xoay được xác định theo công thức (2.170).
12) Xác định ngoại lực:
Tại mỗi thời điểm nhất định, mỗi thành phần ngoại lực thứ i được đặc trưng bởi các thông số cường độ lực 𝐹, vị trí đặt lực và phương của lực (được biểu diễn bằng góc lệch theo phương ngang 𝜎 và phương đứng 𝛾 ). Các thành phần lực cụ thể của gió, sóng, squat, tác động của bờ, tác động giữa các tàu được tính theo cơng thức (2.183), (2.197), (2.204), (2.219), (2.224). Các thành phần ngoại lực còn lại như dây buộc tàu, neo tàu, lực lai dắt, va chạm, mắc cạn được tính theo cơng thức chung (2.225).
13) Tổng hợp lực: Các thành phần lực kích động và ngoại lực tại thời điểm xác
định được tổng hợp theo công thức (3.9).
14) Giải phương trình vi phân trạng thái 6 bậc tự do:
Các thông số xác định ở các bước trước bao gồm: Khối lượng tổng quát của tàu, khối lượng nước kèm, hệ số lực Corolis của tàu, hệ số lực Corolis của nước kèm, hệ số lực cản, lực nổi và mô men hồi phục, trọng lượng tàu và lực tác động tổng hợp. Các thông số này là các hệ số của phương trình vi phân trạng thái (3.1). Nghiệm của phương trình chính là các thơng số chuyển động của tàu.
15) Thông số chuyển động hiện tại:
Tại bước này, máy tính thực hiện giải phương trình vi phân 6 bậc tự do (3.1), các thông số chuyển động và trạng thái của tàu tại thời điểm t được xác định theo công thức (3.25) đến (3.37):
- Vận tốc dài: v(t), u(t), w(t). - Vận tốc quay: p(t), q(t), r(t). - Góc xoay: 𝜙(𝑡), 𝜃(𝑡), ѱ(𝑡). - Góc dạt tàu: 𝛽(𝑡).
- Tọa độ tâm tàu trên mặt nước: 𝑥(𝑡), 𝑦(𝑡), 𝑧(𝑡).
Kết quả tính tốn sau khi hồn tất sẽ trả về bước 5 và được xem như là thông số ban đầu để thực hiện một vòng lập mới sau thời gian 𝑑𝑡 = 𝑡 − 𝑡 .
16) Mô phỏng hình ảnh 3D của tàu trên sáu bậc tự do:
Các thông số trạng thái chuyển động ở bước 16 được máy tính vẽ lại dưới dạng 3 chiều trên hệ trục gắn với mặt đất. Như vậy, sau mỗi thời điểm dt máy tính sẽ thực hiện một vòng lập tại phần B từ bước 5 đến bước 16 để tính tốn các thơng số động và mơ phỏng chuyển động của tàu.
3.3. Xây dựng phần mềm mơ phỏng 3.3.1. Lập trình mơ phỏng chuyển động tàu 3.3.1. Lập trình mơ phỏng chuyển động tàu
Trên cơ sở thuật tốn mơ phỏng đã được thiết lập ở mục 3.2, chương trình mơ phỏng chuyển động tàu 6DOF theo thời gian thực trên Matlab được xây dựng.
Sơ đồ các hàm, thủ tục, tập dữ liệu mô phỏng chuyển động trên Matlab được trình bày chi tiết trong Phụ lục 2 bao gồm các mã nguồn chính, các biến cơ bản để xây dựng mơ hình tàu.
3.3.2. Các giao diện chính của phần mềm
3.3.2.1. Cửa sổ đồ giải mơ phỏng 2D
Cửa sổ này đồ giải hình ảnh chuyển động 2D của tàu (bao gồm tọa độ trọng tâm tàu và hướng tàu) trên hệ trục Descartes có tỉ lệ xích tương ứng tính theo đơn vị mét (m).