Hình 1.12 Mặt cắt sườn theo hệ tọa độ Descart
Năm 1960, Ferguson đã công bố phương pháp mô tả đường cong theo tham số
với điều kiện biên cho trước bao gồm vị trí tọa độ và vector tiếp tuyến tại 2 điểm đầu và cuối P0, P1, t0 & t1. Ý tưởng mô tả tham số đường cong theo mơ hình tốn và hàm
cơ sở Hermite này khó kiểm soát nhưng đã từng là phép toán tiêu chuẩn cho mơ hình
đường cong. Sau đó, Pierre Bezier, một trong những người tiên phong áp dụng thiết kế
hình dáng với sự hỗ trợ của máy tính (CAD) tại Renault vào đầu những năm sáu mươi.
Vấn đề kiểm soát chất lượng đường cong được khắc phục khi Bezier đưa ra khái niệm
điểm kiểm soát (vertices) và hàm cơ sở đa thức Bernstein [52], được mơ tả theo Hình 1.13.
25
Sau đó, Gordon và Riesenfeld lần đầu tiên giới thiệu B-spline thay cho Bezier nhằm cải thiện kiểm soát cục bộ chất lượng đường cong. Các nghiên cứu của Bohm [53], Piegl [54]–[56] tiếp cận hàm tham sốr(t) được sử dụng phổ biến trong các phần mềm đồ họa máy tính CAD do có thể khắc phục được các nhược điểm trên của hàm ẩn
và hàm tường minh. Trong thiết kế hình dáng tàu với sự hỗ trợ của đồ họa máy tính, các nghiên cứu xây dựng hình dáng tàu dựa trên hàm B-Spline và NUBRS được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ. Năm 1976, Rogers [57] giới thiệu giải thuật Non-uniform rational B-spline (NUBS) được dùng phổ biến trong thiết kế tuyến hình tàu có sự hỗ
trợ của máy tính. Trong các nghiên cứu này, hàm B-Spline và NUBRS được xây dựng từcác đường cong cơ bản, độc lập với tuyến hình tàu mẫu [58], [59].
Dựa trên thuật toán Spline áp dụng cho đường cong diện tích sườn SAC, nhóm nghiên cứu của Han [40] tiến hành tối ưu phần mũi quả lê tàu container 14,000 TEU, cải thiện giảm 5.7% về sức cản toàn tàu trong ràng buộc cho phép về thay đổi ±3%
lượng chiếm nước, được mô tả theo Hình 1.14. Tương tự, Cheng và cộng sự sử dụng
các điểm điều khiển NURBS đểthay đổi trực tiếp hình dáng tàu container 1300 TEU giúp sức cản tồn tàu giảm xấp xỉ 12% trong ràng buộc cho phép vềthay đổi ±0.17%
lượng chiếm nước [60]. Các phương pháp này sử dụng trực tiếp các điểm điều khiển NURBS nên thuận lợi khi thiết kế mới hình dáng tàu, nhưng khơng phù hợp với các
phương pháp thiết kế dựa trên tàu mẫu sau hiệu chỉnh thơng số hình dáng đang được áp dụng phổ biến hiện nay [61]–[63].
Hình 1.14 Hàm tốn Spline biểu diễn tuyến hình tàu
Tại Việt Nam, thiết kế hiệu chỉnh hình dáng dựa trên tuyến hình mẫu là cách tiếp cận phổ biến hiện nay cho phương tiện thủy nội địa và tàu container SB. Trong luận án này, nhằm đảm bảo chất lượng hình học của tàu container, tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu phát triển các giải thuật về hàm tốn tham số B-spline cho tuyến hình tàu sau tối
ưu hệ số hình dáng bằng giải thuật di truyền. Bảng thống kê các tiếp cận hướng nghiên
tai lieu, luan van43 of 98.
cứu liên quan đến hàm toán tham số và giải thuật tối ưu hình dáng tàu được tổng hợp, so sánh tại Bảng 1.21 – 1.22.
Bảng 1.21: Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan đến hàm toán tham số tàu tham số tàu
NHÓM
NGHIÊN CỨU
QUỐC
GIA NĂM HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
D. Taylor Mỹ 1915 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm tốn đa thức Benson Anh 1940 Xây dựng hình dáng Hàm toán đa thức Lackenby Anh 1950 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm tốn đa thức Taggart Mỹ 1955 Xây dựng hình dáng Hàm toán đa thức F. Taylor Anh 1962 Xây dựng hình dáng tàu Hàm toán đa thức Kaiser et al. Đức 1968
Xây dựng hình dáng tàu, xử lý mất liên tục tuyến hình
Hàm tốn đa thức Hoshino et al. Mitsubishi,
Nhật 1966 Xây dựng và Hiệu chỉnh hình dáng Hàm tốn đa thức Breitung TU Berlin, Đức 1969 Xây dựng và Hiệu chỉnh hình dáng Hàm tốn đa thức Rogers et al. Mỹ 1976 Xây dựng hình dáng Hàm tốn tham số
Ventura Anh 1996 Xây dựng hình dáng Hàm tốn tham số
Perez et al. Tây Ban
Nha 2008 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm tốn tham số
Khai et al. Vietnam 2009 Xây dựng hình dáng Hàm tốn đa thức Kim et al. Hàn Quốc 2009 Xây dựng hình dáng Hàm tốn tham số
Herbert et al. Hà Lan 2013 Xây dựng hình dáng Hàm tốn tham số
Wang et al. Trung
Quốc 2019 Xây dựng hình dáng Hàm tốn tham số
Bảng 1.22 : Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan liên quan đến giải thuật tối ưu hình dáng tàu
NHÓM
NGHIÊN CỨU QUỐC GIA NĂM HƯỚNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP
T. Ray Mỹ 1995
Hỗ trợ thiết kế hình dáng tàu container 1336 TEU,
đề xuất thơng số kích
thước cơ bản
Mô phỏng tôi luyện (simulated
27
Jun et al. Nhật 2004
Tối ưu hình dáng giảm sức cản sóng tàu 2 thân theo Mitchell
Thuật tốn tiến hóa Gregory et al. Hi Lạp 2010
Tối ưu hình dáng giảm sức cản sóng tàu theo lý thuyết mặt cắt
Thuật tốn tiến hóa Tahara et al. Nhật 2006 Tối ưu hình dáng dựa trên
phân tích CFD Thuật tốn tiến hóa Saker et al. Banglades 2011 Tối ưu hình dáng theo
hướng tiết kiệm nhiên liệu
Thuật tốn tồn
phương tuần tự
(SQP)
Sun et al. Trung Quốc 2012
Tối ưu hình dáng giảm sức cản sóng theo Mitchell phần mũi quả lê
Thuật tốn tiến hóa Guha et al. Mỹ 2015 Tối ưu hình dáng giảm
chịng chành tàu Thuật tốn tiến hóa Ang et al. Anh 2017 Tối ưu hình dáng theo kinh
nghiệm chun gia Thuật tốn tiến hóa Priftis et al. Strathclyde,
Anh 2018
Tối ưu hình dáng theo hướng tiết kiệm nhiên liệu và ổn định
Thuật tốn tiến hóa Kim et al. Hàn Quốc 2019 Tối ưu hình dáng giảm sức
cản sóng theo Mitchell Thuật tốn tiến hóa
1.4. Kết luận chương 1
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu hình dáng tàu vận tải container SB đa phần dựa trên kinh nghiệm của đơn vị thiết kế và tập hợp dữ liệu tàu mẫu. Tuy nhiên, đểđề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển cần dựa trên những nghiên cứu
chuyên sâu và cơ sở lý thuyết vững chắc, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các phương pháp
thực nghiệm và tập trung giải quyết một số vấn đềtrong giai đoạn thiết kếsơ bộ. Theo các khảo sát phân tích trong chương này, các tàu SB có thểđi qua các cửa sông với mớn nước đầy tải của tàu được xem xét phù hợp với độ sâu luồng phải đạt tối thiểu từ2,5 đến 4,5m để các tàu có trọng tải từ600 đến 5000DWT có thể ra vào cảng. Dựa trên giới hạn về chiều sâu luồng lạch trên tuyến pha sơng biển Việt Nam và cơ sở phân tích đội tàu mẫu, phạm vi kích thước hình dáng gồm chiều dài, chiều rộng, mớn
nước đầy tải phương tiện thủy container cần lựa chọn phù hợp. Đâycũng là các ràng
buộc trong hàm mục tiêu cải tiến hình dáng thân tàu trên cơ sởcó xét đến ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch.
tai lieu, luan van45 of 98.
Trên cơ sở phân tích các cách tiếp cận trong cải tiến tuyến hình tàu ở trên, NCS sẽ sử dụng phương pháp tối ưu kết hợp phương pháp tham số hóa trong hiệu chỉnh tuyến hình và mơ phỏng CFD làm phương pháp nghiên cứu và kiểm chứng cải tiến hình dáng thân tàu container trong luận án này.
29
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU SỨC CẢN TÀU CONTAINER SB
Trong giai đoạn thiết kếsơ bộ, nghiên cứu xây dựng hàm sức cản tàu có ý nghĩa đặc biệt quan trọng nhằm đảm bảo cho tàu có được hình dáng tối ưu với sức cản là nhỏ nhất,
hướng đến tiết kiệm nhiên liệu cho tàu trong q trình khai thác. Trong chương này, cơng
thức thực nghiệm và các phương pháp tính tốn số trong các thành phần sức cản được xây dựng, tích hợp vào hàm mục tiêu sức cản tàu.
2.1. Cơ sở phương pháp luận trong thiết kế hình dáng tàu container SB
Các giai đoạn thiết kế và sản xuất của tàu được giới thiệu tuân theo quy trình xoắn
ốc Evans, được mơ tả Hình 2.1 [64], [65]. Quy trình thiết kế tàu, với các vịng lặp đểđáp ứng nhiệm vụthư thiết kế. Trong giai đoạn thiết kếcơ bản, nghiên cứu hình dáng tàu là nhiệm vụđầu tiên và ảnh hưởng quan trọng đến tính tốn thiết kế kỹ thuật và chế tạo bao gồm tính năng hàng hải, kết cấu, hệđộng lực, giải pháp thi cơng đóng mới của phương
tiện thủy. Thiết kế tàu với sự hỗ trợ của máy tính là lựa chọn hình dáng tàu phù hợp và tích hợp mơ hình hóa vào tồn bộ quy trình thiết kế nhằm giảm sai sót trong giai đoạn thiết kế thi công. Cụ thể, việc tích hợp các giải thuật tối ưu giúp đề xuất hình dáng tàu phù hợp trong giai đoạn thiết kếcơ bản hướng đến cải thiện sức cản qua đó giúp tiết kiệm chi phí nhiên liệu trong q trình khai thác. Kếđến, trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật, việc xây dựng các giải thuật mơ hình hóa sẽđảm bảo chất lượng tuyến hình, cải thiện thời gian và cơng sức tính tốn trong q trình hạ liệu, triển khai sườn thực phục vụ sản xuất.
Hình 2.1 Vai trị của thiết kế hình dáng tàu với sự hỗ trợ của máy tính theo quy trình xoắn ốc Evans
tai lieu, luan van47 of 98.
Hiện nay có hai cách tiếp cận để thiết kếhình dáng tàu, được liệt kê như sau:
- Thiết kế mới, yêu cầu người thiết kế phải có kiến thức và kinh nghiệm tồn diện
trong cơng tác thiết kế tàu. tuyến hình tàu mới cần thử nghiệm thực tế về các tính năng hàng hải như ổn định tàu, động lực học tàu nhằm đảm bảo độ tin cậy.
- Thiết kế theo tàu mẫu, trong thực tế, u cầu những mẫu tàu đã có tính năng tốt theo đặc trưng tuyến luồng làm cơ sở chọn đường hình dáng
Trên thực tế, phương pháp thiết kế theo mẫu được ưa chuộng hơn vì tính hiệu quả và độ tin cậy đã được kiểm chứng, minh họa tại Hình 2.2. Thiết kế theo mẫu dựa trên phân tích thực nghiệm tập hợp dữ liệu tàu mẫu, theo đó, thể hiện mối quan hệ tốn học giữa các thơng số kích thước cơ bản của nhóm tàu được chỉ định. Trong giai đoạn thiết kếsơ bộ, các phương pháp xác định kích thước cơ bản tàu thường dựa vào phân tích hồi quy và hệ số thực nghiệm cho từng loại tàu. Độ chính xác của phương pháp thiết kế theo mẫu phụ thuộc vào sốlượng và chất lượng cơ sở dữ liệu tàu mẫu, phạm vi áp dụng của các công thức thống kê và các ràng buộc kỹ thuật. Kích thước tàu liên quan đến việc bố
trí container theo các chiều tương ứng (vì container có kích thước tiêu chuẩn).
Hình 2.2 Quy trình nghiên cứu, thiết kế hình dáng tàu theo mẫu [66]
31
2.2. Phân tích lựa chọn phương pháp xác định sức cản tàu
Việc xác định sức cản tàu với độ chính xác cần thiết ứng với các giai đoạn thiết kế
khác nhau là bài toán hết sức quan trọng trong thiết kế hình dáng thân tàu bởi nó liên quan
đến việc lựa chọn được đúng phương án hình dáng tàu có sức cản nhỏ nhất; thiết kếđúng
hệ thiết bịđẩy, lựa chọn đúng công suất máy cần thiết để tàu đạt được tốc độđề ra.
Để xác định sức cản tàu, hiện nay có 03 nhóm phương pháp sau: - Phương pháp thử mơ hình;
- Phương pháp số CFD;
- Phương pháp bán thực nghiệm.
- Phương pháp thử nghiệm mơ hình
Phương pháp thử mơ hình là phương pháp thực hiện việc chế tạo mơ hình tàu theo tỷ lệ nào đó so với tàu thật sau đó tiến hành thử trong bể thử. Từ kết quảđo đạc lực cản tàu trong bể thửngười ta sẽ tính chuyển ra lực cản của tàu thực.
Ưu điểm: Đây là phương pháp cho kết quả tin cậy nhất.
Nhược điểm: phương pháp này có giá thành rất cao, mất nhiều thời gian do phải chế
tạo mơ hình vật lý để thử. Chính vì vậy mà phương pháp này chỉđược áp dụng sau khi đã hoàn thành xong giai đoạn thiết kếphương án.
- Phương pháp số (CFD)
Ưu điểm: đây là phương pháp đang được áp dụng khá phổ biến trên thế giới trong việc giải quyết các bài tốn thủy động lực học nói chung và lực cản tàu nói riêng bởi nó cho kết quảtương đối chính xác, tiết kiệm thời gian hơn so với phương pháp thử mơ hình trong bể thử và tiền bạc hơn so với việc thử mơ hình. Ngồi ra ưu điểm nữa của CFD là khả năng đảm bảo cả đồng dạng theo số Froude và số Reynold (nghĩa là ta có thể tính tốn bài tốn lực cản tàu cảở dạng mơ hình và tàu thực); CFD có thể phân tích được ảnh
hưởng dù rất nhỏ sựthay đổi hình dáng tàu đến lực cản. Ngồi ra việc xử lý sau tính tốn CFD cịn cung cấp rất nhiều thơng số chi tiết về dịng chảy bao quanh tàu, phân bố áp suất dọc thân tàu, hình dạng sóng do tàu tạo ra khi chạy trên mặt nước… phục vụ cho việc
tai lieu, luan van49 of 98.
quan sát các hiện tượng vật lý khi tàu chuyển động cũng như phục vụ cho bài tốn tối ưu
hóa hình dáng tuyến hình tàu trong giai đoạn thiết kếphương án.
Nhược điểm: Kết quả tính tốn CFD phụ thuộc rất nhiều vào việc chia lưới, sốlượng
lưới, lựa chọn mơ hình vật lý. Chính vì vậy mà độ chính xác của kết quả thu được phụ
thuộc rất nhiều vào kỹnăng của người tính tốn. - Phương pháp bán thực nghiệm
Cơ sở của phương pháp bán thực nghiệm là dựa trên kết quả hồi quy các số liệu thực nghiệm các mơ hình tàu đã có kết quả thử, từđó đưa ra các cơng thức giải tích gần đúng
để xác định lực cản tàu. Có thể kểra đây một sốphương pháp như: Phương pháp Holtrop-
mennen, phương pháp Series 60, Series BSRA…
Ưu điểm: Đây là phương pháp đơn giản nhất do sốlượng các thông sốđầu vào để
tính tốn là rất ít, thời gian tính tốn nhanh rất nhiều so với hai phương pháp trên. Ngoài ra phương pháp bán thực nghiệm cịn có thể tích hợp vào trong các mơ hình tốn tối ưu
hố hình dáng thân tàu.
Nhược điểm: Đây là phương pháp có độ chính xác khơng bằng phương pháp thử mơ
hình và phương pháp số CFD nên thường nó chỉ được áp dụng trong giai đoạn thiết kế ban đầu, khi các thơng sốhình dáng cịn chưa đầy đủ.
Trên cơ sởphân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp xác định lực cản tàu nêu trên, ta thấy phương pháp nào cũng có ưu và nhược điểm. Ởđây xét dưới góc độ mục tiêu của đề tài là xây dựng được thuật tốn tối ưu thơng số hình dáng tàu thì việc áp dụng
phương pháp bán thực nghiệm là hợp lý hơn cả vì nó có thể tích hợp được vào trong mơ hình tốn tối ưu thơng số hình dáng mà NCS xây dựng. Để đánh giá độ tin cậy của kết quảthu được khi sử dụng phương pháp bán thực nghiệm đểxác định lực cản tàu, NCS sẽ
so sánh kết quả này với kết quảtính tốn thu được khi sửphương pháp số CFD.
Trong sốcác phương pháp bán thực nghiệm thì phương pháp Holtrop- mennen là
phương pháp hiện đang được áp dụng phổ biến nhất do phương pháp này có tính đến ảnh
hưởng của rất nhiều các thơng số hình học thân tàu đến lực cản tàu. Do vậy, để so sánh lực cản tàu giữa các phương án, trong nghiên cứu này NCS sẽ sử dụng phương pháp
33
Holtrop- mennen. Nội dung của phương pháp này cũng như độ tin cậy trong tính tốn lực cản tàu container được NCS trình bày ở nội dung tiếp theo.
2.3. Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêusức cản theo phương pháp Holtrop