Đặc điểm hình học tàu gồm các kích thước chính và các hệ số hình dáng, các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến các tính năng hàng hải, giá thành, vùng hoạt động… Do đó tàu thiết kế phải được xác định hợp lý các đặc điểm hình học để phát huy tốt nhất nhất những tính năng của tàu. Hiện nay, có 3 phương pháp chính xác định các đặc điểm hình học của tàu là: Phương pháp giải tích, phương pháp thống kê, phương pháp tối ưu.
Mỗi phương pháp có ưu điểm, nhược điểm riêng và phạm vi áp dụng riêng. Nếu như phương pháp giải tích cho ra kết mới quả giải quyết được yêu cầu của bài toán thiết kế tàu, phương pháp thống kê cho ra kết quả gần đúng dựa vào việc phân tích các số liệu thống kê. Còn với phương pháp tối ưu ta có thể xác định được hợp lý các đặc
điểm hình học của tàu thiết kế dựa trên cơ sở hài hòa các mối quan hệ về tính năng của tàu.
Đa số tàu đánh cá truyền thống của nhân dân ta được đóng theo kinh nghiệm không có hồ sơ thiết kế ban đầu. Vì thế, việc sử dụng phương pháp tối ưu sẽ cho ra kết quả sát với yêu cầu thực tế nhất. Kết quả cho ra được con tàu tốt nhất ứng với từng ngành nghề, đặc điểm khai thác của từng địa phương.
2.1.2 Cơ sở lý thuyết thiết kế tối ưu
Đối với tàu đánh cá thì tính ổn định được quan tâm hàng đầu nhằm bảo vệ tính mạng cho ngư dân hoạt động trực tiếp trên biển. Tuy nhiên tồn tại vấn đề tàu càng ổn định thì tàu càng lắc làm cho thao tác, sinh hoạt của ngư dân gặp khó khăn, phương pháp tối ưu thiết kế tàu đánh cá Việt Nam được PGS.Ts Nguyễn Quang Minh đưa ra dựa trên các đặc điểm hình học của tàu đánh cá Việt Nam và giải quyết hài hòa quan hệ giữa tính ổn định và tính lắc của tàu.
Phương pháp này được trình bày như sau: Ngoài 4 phương trình thiết kế truyền thống
Phương trình trọng lượng: P=γCBLBT Phương trình ổn định: h0 =2B q1q2 −ξD Phương trình dung tích: = B W tt C C T H D V γ 1 32 . 1 Phương trình tốc độ: e t e C V D N 3 3 / 1 =
PGS.Ts Nguyễn Quang Minh đã bổ sung 2 phương trình mới đặc trưng cho tính ổn định và tính lắc sau: Phương trình ổn định: 10 2 29 B H B H B = − ≥ Phương trình lắc Tgh h CB T = ≥ 0 0
Hệ phương trình trên có thể giải quyết bằng cách tìm phương pháp biến đổi phương trình ổn định và phương trình lắc về dạng hàm số f( )T
H
B = . Biểu diễn lên cùng hệ trục tọa độ, trong đó trục tung là tỷ số B/H và trục hoành là mớn nước của tàu T. Kết hợp với số liệu thống kê của của tàu đánh cá Việt Nam sẽ xác định được vùng lựa chọn các đặc điểm hình học tối ưu của tàu thiết kế.
2.1.3 Phương án thực hiện
Trong đề tài này tôi sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu dựa do PGS.TS Nguyễn Quang Minh đề xuất kết hợp với các số liệu thống kê về đội tàu lưới rê Quãng Ngãi để xác định các đặc điểm hình học của tàu thiết kế.
2.2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TUYẾN HÌNH TÀU
Thiết kế đường hình tàu là giai đoạn tiếp theo sau khi xác định các đặc điểm hình học của tàu, nhằm mục đích mô tả đặc điểm hình dáng bên ngoài của bề mặt vỏ tàu và là cở sởđể tính toán các tính năng của tàu thiết kế.
Trên cơ sở kế thừa kinh nghiệm kế thừa kinh nghiệm đóng tàu của ngư dân tĩnh Quãng Ngãi và kết hợp với việc điều chỉnh đảm bảo các tính năng hàng hải cho tàu tôi sử dụng phương pháp kết hợp tuyến hình tàu khảo sát và điều chỉnh tuyến hình trong phần mềm chuyên dụng.
Phương án thiết kế đường hình cơ bản được thực hiện như sau: Khảo sát thực tế và đo đạc tuyến hình mẫu của một tàu làm nghề lưới vây tỉnh Quãng Ngãi, sau đó dựng lại tuyến hình đo được bằng phần mềm Autocad rồi chuyển vào phần mềm Autoship để chỉnh trơn, mô phỏng 3D và tính toán các tính năng của tàu. Cuối cùng phóng tàu (Scale) theo các kích thước đã chọn và xuất bản vẽđường hình tàu.
2.3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU
Hầu hết tàu đánh cá Việt Nam nói chung và Quãng Ngãi nói riêng là tàu vỏ gỗ. Gỗ dùng để đóng tàu là các loại gỗ tốt ở nhóm I, II, III như: sao, chò chỉ, bằng lăng….Kết cấu tàu theo hệ thống kết cấu ngang nhằm tạo thuận lợi cho quá trình thi công và tận dụng ưu điểm của hệ thống kếu cấu ngang cho tàu cỡ vừa và nhỏ. Kết cấu tàu gồm 2 phần chính là phần khung xương bên trong và vỏ là các tấm gỗ bên ngoài.
Quy cách kết cấu được lựa chọn khác nhau tại mỗi vùng miền, có khi thi dư bền so với yêu cầu của Đăng kiểm gây lãng phí, có khi lại thiếu bền làm ảnh hưởng tới các kếu cấu tàu xung quanh cũng như làm cho con tàu không còn được an toàn.
Trong đề tài này con tàu được thiết mới hoàn toàn đểđảm bảo sự hoạt động hợp pháp của tàu dưới sự chấp thuận của Đăng kiểm cũng như tính an toàn cho tàu tôi chọn phương pháp thiết kế tàu theo Quy phạm với cách lựa chọn kết cấu theo kinh nghiệm của ngư dân Quãng Ngãi.
Hình 2.2: Kết cấu tàu ngoài thực tế.
2.4 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG
Tàu thủy không chỉ làm nhiệm vụ giao thông vận tải, đánh bắt cá… mà còn là công trình nổi trên mặt nước, thiết kế bố trí chung có ảnh hưởng trực tiếp đến yêu cầu sử dụng, các tính năng hàng hải và tính kinh tế. Do đó việc thiết kế bố trí chung toàn tàu ngoài việc đảm bảo an toàn, công dụng… còn phải tính đến tính thẩm mĩ, phù hợp với tâm sinh lý người sử dụng. Khi thiết kế bố trí chung cần chú ý những nguyên tắc sau:
• Ảnh hưởng bố trí các khoang tới nghiêng ngang, nghiêng dọc và chiều cao trọng tâm tàu.
• Đảm bảo điều kiện thuận lợi trong thao tác đánh bắt và sinh hoạt trên tàu.
• Lắp đặt các thiết bị hợp lý, an toàn, thao tác dễ dàng.
• Tuân theo các quy đinh của Qui phạm.
Qua thực tế tìm hiểu thực tế của tàu làm nghề lưới rê của tỉnh Quãng Ngãi việc bố trí chung toàn tàu như vậy là đảm bảo các yêu cầu trên và phù hợp với tâm sinh lý của ngư dân ở đây. Do đó tôi chọn phương án thiết kế bố trí chung theo mẫu của tàu làm nghề lưới rê tỉnh Quãng Ngãi.
2.5 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN CÁC TÍNH NĂNG TÀU THIẾT KẾ TÀU THIẾT KẾ
2.5.1. Lý thuyết cơ bản về ổn định
Ổn định là khả năng tàu có thể quay trở về vị trí cân bằng sau khi bị ngoại lực gây nghiêng ngừng tác dụng.
Lý thuyết ổn định tày thủy nghiêng cứu ngoại lực dưới dạng mômen nghiêng làm nghiêng tàu trên nước. Dưới tác dụng của mômen này tàu có thể bị nghiêng ngang hay nghiêng dọc hoặc đồng thời cùng nghiêng dọc và nghiêng ngang. Tuy nhiên ở đây ta chỉ quan tâm đến mômen làm tàu nghiêng ngang vì tàu thường chỉ bị mất ổn định khi chịu tác dụng của mômen này.
Tại hình 2.2a khi tàu bị tác dụng của ngoại lực làm tàu nghiêng khỏi vị trí cân bằng một góc (θ > 0) thì tâm nổi tàu sẽ dịch chuyển về phía có thể tích chiếm nước tăng, trong khi đó trọng tâm tàu vẫn không thay đổi. Kết quả lực nổi F và trọng lượng tàu W tác dụng ngươc chiều tạo ta mômen ngẫu lực có xu hướng chống lại mômen nghiêng đưa tàu về vị trí cân bằng.
Tại hình 2.2b thì mômen ngẫu lực tạo ra có hướng cùng với mômen nghiêng làm cho tàu nghiên nhiều hơn. Có thể coi tàu không ổn định.
2.5.2 Tiêu chuẩn ổn định
Người sử dụng tàu không biết được giới hạn ổn định của tàu là bao nhiêu cho đến khi tai nạn lật tàu xảy ra và gây hậu quả to lớn. Để xác định khả năng ổn định của tàu hiện nay các tiêu chuẩn ổn định được xem là những giải pháp duy nhất trong công tác quản lý an toàn tàu thuyền nhưng hiệu quả của nó vẫn chưa cao. Hiện nay, tùy theo cách đặt vấn đề mà hình thánh nên các hệ tiêu chuẩn khác nhau. Trong đó tồn tại hai hệ tiêu chuẩn chính.
2.5.2.1 Tiêu chuẩn vật lý
Tiêu chuẩn được hình thành từ việc giải bài toán lật tàu trên nguyên tắc vật lý và toán học bằng mô hình hóa tải trọng tác dụng lên tàu sau đó thiết lập các phương trình vật lý, toán với các đại lượng có ý nghĩa quyết định tàu có bị lật hay không và dựa vào đó để xác định mức độ ổn định của tàu. Về mặt lý luận tiêu chuẩn vật lý được xem là khoa học, sáng tạo và nó là điều kiện thuận lợi cho những sáng kiến mới, tuy nhiên việc thực hiện rất khó khăn phức tạp buộc phải sử dụng những giải pháp gần đúng.
Một trong những tiêu chuẩn được xây dựng trên cơ sở lý thuyết là tiêu chuẩn thời tiếc của Nga được định nghĩa như sau:
Tàu được xem là ổn định nếu: 0 . 1 ≥ = ng c M M k Trong đó:
Mc: là mômen giới hạn lật tàu, là mômen nghiêng lớn nhất là tàu có thể chịu được mà không bị lật tại tải trọng đang xét.
Mng: là mômen nghiêng do gió tác dụng làm nghiêng tàu tại tải trong đang xét. Với Mng =0,001.P.Ak.Z
P: là áp suất gió xác định theo cấp gió cho trước. Ak: Diện tích mặt hứng gió của tàu.
Z: Tay đòn hứng gió.
2.5.2.2 Tiêu chuẩn thống kê
Tiêu chuẩn này được xây dựng trên cơ sở thống kê những vụ tai nạn đắm tàu do thiếu ổn định và tìm ra những đại lượng đặc trưng quyết định khả năng ổn định hoặc ngược lại xác định giới hạn của các đại lượng này và thành lập tiêu chuẩn. Tiêu chuẩn thống kê tỏ ra khá đơn giản, dễ sử dụng và phù hợp với thực tế. Điểm hạn chế của tiêu chuẩn này là khá bảo thủ làm hạn chế sáng tạo và tồn tại nhiều mâu thuẫn.
Hiện Việt Nam đang sử dụng hệ tiêu chuẩn do tổ chức IMO đề xuất năm 1974 và thực tế cho thấy khá phù hợp với những mẫu tàu cá Việt Nam. Tiêu chuẩn này gồm một hệ sáu tiêu chuẩn sau:
m h0 ≥0,35 m lθ30≥0,22 0 30 25− ≥ m θ m ld30 ≥0,03 m ld40 ≥0,09 m l ld40− d30≥0,05 2.5.3 Phương án thực hiện
Với sự trợ giúp của máy tính mà đặc biệt là môđun AutoHydro của phần mềm Autoship thì việc tính toán ổn định trở nên dễ dàng, kết quả nhận được chính xác và nhanh chóng. Trong đề tài này tôi sử dụng phương pháp trên để tính toán các tính năng của tàu thiết kế. Công việc trải qua các bước chính sau: Từ số liệu trong Autoship được nhập sang môđun AutoHydro – Tính toán tính nổi – Tính ổn định tàu theo 4 trường hợp tải trọng nguy hiểm mà Đăng kiểm quy định – Kiểm tra ổn định tàu theo tiêu chuẩn thời tiết.
CHƯƠNG 3: QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 3.1 XÂY DỰNG NHIỆM VỤ THƯ THIẾT KẾ
Xây dựng nhiệm vụ thư thiết kế là bước đầu tiên trong trình tự thiết kế. Nó là tài liệu gốc chủ yếu trong công tác thiết kế tàu, có tính chất quyết định đến chất lượng của con tàu thiết kế. Để lập nhiệm vụ thiết kế ta dựa chủ yếu vào các yêu cầu sau:
- Dựa trên cơ sở mục đích công tác thiết kế. - Căn cứ vào các yêu cầu khách hàng .
- Căn cứ vào đặc điểm ngư trường, nguồn lợi và đối tượng đánh bắt. - Căn cứ vào công dụng, cỡ loại.
- Căn cứ vào yêu cầu quy phạm hiện hành.
Như vậy ta có thể xây dựng nội dung nhiệm vụ thư thiết kế như sau:
- Công dụng và loại hình: Tàu được thiết kế là loại tàu đánh cá lưới rê, vỏ gỗ, hoạt động xa bờ và thiết kế theo mẫu ngư dân tỉnh Quãng Ngãi.
- Vùng hoạt động: Hoạt động xa bờ và thuộc vùng hạn chế II, cách nơi trú ẩn không quá 50 hải lý, trong điều kiện sóng gió cấp 6 ÷ 7.
- Sức chở: 30 tấn ( kể cảđá và muối) - Tốc độ hàng hải tự do: 10 (hải lý/giờ).
- Qui phạm: tàu thiết kế theo Quy phạm phân cấp và đóng tàu cá biển cỡ nhỏ (TCVN 71111:2002).
- Biên chế thuyền viên: 10 người. - Thời gian một chuyến biển: 15 ngày. - Bố trí buồng máy: Phía đuôi tàu.
- Trang thiết bị khai thác: Phù hợp với nghề đánh cá lưới rê của ngư dân tỉnh Quãng Ngãi.
3.2 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC CỦA TÀU 3.2.1 Lựa chọn mớn nước T 3.2.1 Lựa chọn mớn nước T
Mớn nước T là một trong những kích thước cơ bản của tàu. Mớn nước T phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó điều kiện tự nhiên nơi mà tàu sẽ hoạt động là yếu tố
quan trọng nhất. Qua thực tế tìm hiểu được biết hầu hết các luồng lạch, cảng cá tại Quãng Ngãi có độ sâu khá lớn.
Theo số liệu thống kê được từ thực tế các tàu lưới rê Quãng Ngãi có mớn nước T nằm trong khoảng 1÷2.01(m).
Như vậy, để phù hợp với nhiệm vụ thư thiết kế là tàu đánh cá lưới rê, hoạt động xa bờ thì chọn mớn nước T nằm trong khoảng 1≤T≤2.01(m).
Chọn T=1.6m
3.2.2 Lựa chọn tỷ số H/T
Tỷ số H/T có ảnh hưởng đến tính ổn định và sức cản của tàu. Khi lựa chọn tỷ số này cần chú ý đến một số điểm sau:
• Bảo đảm đủ mạn khô thoả mãn yêu cầu quy phạm.
• Đủ lực nổi dự trữ.
• Đủ dung tích của tàu.
• Chú ý đến tính ổn định của tàu.
* Nếu giữ nguyên mớn nước T, tăng chiều cao mạn tàu H thì:
• Tính ổn định của tàu tăng.
• Giảm bớt tình trạng nước phủ boong tàu.
• Chiều cao mạn khô tăng, lực cản do gió tác dụng vào tàu tăng không có lợi cho tàu về mặt tốc độ và ổn định.
• Trọng tâm của tàu bị nâng cao, ảnh hưởng đến tính ổn định ban đầu của tàu.
• Gây khó khăn trong thao tác khai thác.
* Nếu giữ nguyên mớn nước T, giảm chiều cao mạn H:
• Trọng tâm của tàu tương đối thấp, ổn định ban đầu của tàu được tăng lên.
• Lực cản do gió tác dụng vào tàu giảm.
• Thuận tiện trong khai thác đánh bắt.
• Chiều cao mạn khô thấp nên nước phủ boong tàu. Điều này rất nguy hiểm vì tàu hoạt động xa bờ trong điều kiện sóng gió hết sức phức tạp.
* Nếu giữ nguyên H, giảm mớn nước T của tàu:
• Sức cản tác dụng vào tàu giảm, tốc độ của tàu tăng lên. Tuy nhiên tính ổn định cũng như tính lắc của tàu sẽ giảm mạnh. Điều này rất nguy hiểm không thể chấp nhận được.
* Nếu giữ nguyên H, tăng mớn nước T của tàu:
• Sẽ có lợi về cả hai mặt ổn định và lắc. Tuy nhiên mớn nước T của tàu bị khống chế bởi điều kiện tự nhiên nơi mà tàu hoạt động.
Theo số liệu thống kê một số tàu mẫu ở Quãng Ngãi tỷ số H/T có giá trị nằm trong khoảng 1.30≤H/T≤1.80
Chọn tỷ số H/T = 1.30
3.2.3 Lựa chọn hệ số thể tích nước chiếm CW
Hệ số δđược xác định:
LBT V
CW = . (4.1)
Trong đó:
V: thể tích chiếm nước của con tàu (m3).
L,B,T: chiều dài, chiều rộng và chiều chìm của tàu (m).
• Cũng như hệ số CW, hệ số CB có ảnh hưởng lớn đến các tính năng của tàu, đặc