1.3. Hướng tiếp cận cải tiến tuyến hình tàu container nhằm giảm sức cản dựa trên giải thuật tối ưu
1.3.2 Tiếp cận đồ họa máy tính để xây dựng mơ hình tốn tuyến hình
Phương pháp tiếp cận xây dựng hình dáng tàu dựa trên hàm ẩn và hàm tường minh dựa trên đặc tính đường cong kín hoặc mở [46], [47], được tóm tắt tại Hình 1.11.
Theo đó, việc xây dựng các đường cong hình dáng tuyến hình tàu bao gồm họ đường
nước, đường sườn được mô tảthơng qua các phương trình tốn học như sau.
• Hàm phi tham số hóa
• Hàm tường minh y = f (x, z); x = f (y, z) • Hàm ẩn f (x, y, z) = 0
• Hàm tham số hóa r(t) = (x(t), y(t), z(t))
Đối với hàm ẩn, theo các nghiên cứu của Farin và các cộng sự [48]–[50], việc tìm nghiệm trị số tuyến hình trên đường cong yêu cầu các bước giải lặp hoặc phương pháp
số phù hợp, dẫn đến tốn kém về thời gian tính tốn. Tương tự, cách tiếp cận theo hàm
tường minh sử dụng cho các mẫu tàu có hình dáng đặc thù vì tính đơn giản và hiệu quả
trong hàm toán. Tuy nhiên, hàm tường minh bị giới hạn trong thiết kế hình dáng tàu vì chỉ có thể xây dựng được cho mặt cắt sườn đơn giản [51] , như Hình 1.12, nhưng khơng tai lieu, luan van41 of 98.
thể áp dụng cho tất cảđường sườn tồn tàu vì cách thức xây dựng phương trình đường cong tuyến hình đa dạng và phức tạp.
Hình 1.11 Phân loại mơ hình tốn tuyến hình tàu
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 sốt nhưng đã từng là phép tốn 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 mơ 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 toàn 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 toán 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 tốn tham số tàu tham số tàu
NHĨM
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 tốn 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 tốn 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 toán 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
NHĨM
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
Mơ phỏng tơi 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