BTL Lý thuyết tàu 1 - Tính toán thủy tĩnh tàu kéo

Trường đại học Bách KhoaTPHCM
KHOA GIAO THÔNG
oOo

BÀI TẬP LỚN LÝ THUYẾT TÀU THỦY 1

Giảng viên hướng dẫn: Trần Văn Tạo
Người thực hiện: Lý Thành Tiến
MSSV: 2112432
NHÓM :

15


MỤC LỤC
I. GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................................1
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 1
1. Thông số thủy tĩnh và đồ thị Hydrostatic ....................................... 1
1.1 Đại lượng hình học vỏ tàu .................................................... 1
1.2 Các hệ số béo ........................................................................ 2
1.3 Công thức simpson ................................................................3
2. Đồ thị Bonjean ................................................................................ 4
3.Đồ thị Pantokaren .............................................................................4
4. Trọng lượng và trọng tâm từng trạng thái ...................................... 4
5. Thông số ổn định .............................................................................5
III. TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TÀU ..............................................................5
1. Bản vẽ tuyến hình ............................................................................5
2. Hydrostatic ...................................................................................... 7
3. Bonjean ............................................................................................9
4. Pantokaren .....................................................................................12
5. Các trạng thái tải trọng và bố trí chung ........................................ 14

6. Tính ổn định cho từng trạng thái tải trọng ....................................17
6.1. Momen nghiêng do gió ...................................................... 17
6.2. Momen cho phép tới hạn ................................................... 19
6.3. So sánh điều kiện ổn định .................................................. 23
IV. KẾT LUẬN .........................................................................................23
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................24


I. GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay, tàu thủy đang đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong nền
kinh tế thế giới. Là phương tiện chủ yếu trong việc vận chuyển hàng hóa,
xăng dầu,... nội địa và quốc tế. Cũng vì mức độ quan trọng và phổ biển
của tàu thủy, nên tính an toàn và ổn định của tàu thủy phải được tính tốn
thật kỹ lưỡng thơng qua các số liệu tính toán như thủy tĩnh, trọng lượng,
ổn định khi tàu nghiêng ở các trạng thái khác nhau... Và sau đây, chúng ta
cùng khảo sát tính ổn định của tàu và kiểm tra xem nó có đủ tiêu chuẩn
để vận hành hay khơng.
Tàu khảo sát là loại tàu kéo cấp SI, có các thông số cơ bản như sau:
chiều dài 21.6m, chiều rộng 6,52m, chiều cao mạn 3.3m, chiều cao cả tàu
12.3m, trọng lượng tàu khơng 78t và trọng lượng tàu tồn tải là 158t.Với
tối đa 5 thuyền viên, tàu có thể chứa nhiên liệu và lương thực để ra khơi
trong vòng 10 ngày.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Để tính tốn độ ổn định và cân bằng tàu, ta sẽ thực hiện các bước sau:
- Tính tốn các thơng số thủy tĩnh và lập đồ thị Hydrostatic.
- Tính tốn trọng lượng và trọng tâm của tàu ứng với từng trạng
thái tải trọng.
- Tính tốn các thơng số ổn định tĩnh và ổn định động.
1. Thông số thủy tĩnh và đồ thị Hydrostatic

1.1 Đại lượng hình học vỏ tàu
Ta có thể tính các thơng số thủy tĩnh theo cơng thức sau:
�
Diện tích mặt đường nước Aw: �� = � ���
1


Momen tĩnh so với trục Ox: ��� =

Tọa độ trọng tâm đường nước: ���

�
����
�
�
���
� ����
=
= �
��
���
�

� 2
� ���
�

Momen quán tính so với trục Oy: �� =
Momen quán tính mặt đường nước so với trục O’y’ cách Oy
một khoảng LCF tính theo công thức: �'� = �� − ���2 ��

Momen quán tính mặt đường nước dọc tàu Ox được gọi là
2 �
momen qn tính ngang tính theo cơng thức: �� = � �3 ��
3

�

Diện tích mặt cắt ngang tại vị trí đang xét Am: �� = 0 ���
Trong các biểu thức trên y mang giá trị ½ chiều rộng vỏ tàu tại
vị trí đang xét.
Thể tích phần chìm, ta có thể tính theo 2 cách:
�
 Theo chiều cao: � = 0 �� (�)��
 Theo chiều dọc: � =

�
� (�)��
� �

Lượng chiếm nước D: � = ��
với
� = 1 �/�3 nếu tàu chạy trong vùng sông
� = 1.025 �/�3 nếu tàu chạy trong vùng biển.
Momen thể tích phần chìm so với mặt phẳng qua đáy tàu:
�
���� = 0 �� (�)���
Do tàu thường được thiết kế đối xứng qua mặt cắt dọc giữa nên
tung độ của tâm nổi thường bằng 0, ta chỉ tính cao độ và hồnh độ
của tâm nổi.
Tọa độ tâm nổi của phần chìm tính theo cơng thức:

 Cao độ: �� =

����
�

 Hoành độ: ��� =

=

�
0 �� (�)���
�
0 �� (�)��

�
� �� (�)���
�
� �� (�)��

�'

Bán kính tâm nghiêng ngang BML: ��� = ��
Cao độ tâm nghiêng ngang KML: ��� = �� + ���
�
Bán kính tâm nghiêng dọc BMt: ��� = ��
Cao độ tâm nghiêng ngang KMt: ��� = �� + ���
Độ chìm tàu TPc (t/cm): ��� = ��� /100
Momen chúi của tàu MTc (t.m): ��� = ���

1.2 Các hệ số béo

Các hệ số béo có cơng thức như sau:
�
o Hệ số béo mặt đường nước Cw: �� = �
��

2


��

o Hệ số béo mặt cắt ngang Cm: �� =

��

chiều cao mớn nước đang xét.
�
o Hệ số béo thể tích Cb: �� =

với d là

���
��

o Hệ số béo lăng trụ Cp: �� = �

�

1.3 Công thức simpson
Đối với các thông số có cơng thức liên quan đến tích phân và
khơng thể tính chính xác 100%, vì vậy ta có thể áp dụng cơng thức

Simpson cho các trường hợp đó.

Có 2 dạng công thức Simpson được sử dụng phổ biến:
 Dạng 1: Áp dụng nếu ta có 3 vị trí.

�=

�2�

�0

�=

��� =

�2

�0

1
��� ≈ ∆� �0 + 4�1 + �2
3

1
��� = ∗ ∆� ∗ (�0 + �2� + 4 ∗
3

�−1
�=1

� 2� + 2 ∗

 Dạng 2: Áp dụng nếu ta có 4 vị trí.
 ��� =
�3�

�0

�3
���
�0

3

�
�=1

≈ 8 ∆� �0 + 3�1 + 3�2 + �3

3
��� = ∗ ∆� ∗ (�0 + �3� + 3 ∗
8

�−1
�=1

�� −

�−1
�=1

�(2�−1) )

�3� )

3


2. Đồ thị Bonjean
Thể tích phần chìm , tính đến mớn nước Z
z

V  z    Aw  z  dz
0

Nếu sử dụng tỉ lệ Bonjean khi tính thể tích phần chìm , cơng thức
tính như sau V  z  

L /2



S (x )dx

, trong đó S(x) diện tích sườn thứ

 L /2

j,j=0,1,2n đã nhận được từ bảng tính các đường Bonjean. Đặt y(x) = S(x),
tích phân trên trở về dạng V  z  

nêu trên để tính.

L /2



y(x )dx ,có thể sử dụng cơng thức (a)

 L /2

3.Đồ thị Pantokaren
Đồ thị ổn định được dựng dưới dạng GZ  f ( ) ; moomen ổn định
dựng dưới dạng moomen phục hồi bằng tích số của GZ ( ) với lượng
chiếm nước D  const .
GZ  KN  KG sin 
4. Trọng lượng và trọng tâm từng trạng thái
Theo Quy phạm, tùy vào loại tàu mà ta đang xét mà sẽ có những
trạng thái tải trọng khác nhau.
Đối với các loại tải trọng trên tàu, ta sẽ phân chia tàu thành các
thành phần tải trọng như sau:
- Tàu không gồm vỏ tàu, thượng tầng và máy tàu.
- Hàng hóa có nhiều loại như: với tàu khách là khách hàng, với
tàu hàng là container, dầu thô, chất đốt, …
- Nhiên liệu thường là dầu nằm trong két có khối lượng riêng
0.00083 t/m3.
- Thuyền viên tùy từng loại tàu, mỗi người có trọng lượng trung
bình 60kg.
- Lương thực tùy từng loại tàu, trung bình mỗi người tiêu thụ
3.75kg lương thực mỗi ngày.
- Nước ngọt dự trữ cho sinh hoạt ở két nước ngọt.

- Dằn chủ yếu là nước nằm ở các khoang dằn.

4


5. Thông số ổn định
Đối với việc kiểm tra đánh giá ổn định của tàu, ta sẽ đánh giá qua 2
phần: Tiêu chuẩn ổn định cơ bản và tiêu chuẩn ổn định bổ sung cho
từng loại tàu.
Khi đánh giá ổn định, ta sẽ xét đến momen ngoại lực có tác động
lên tàu như gió, sóng, dây giật, … có vượt quá momen giới hạn cho
phép hay không.
Công thức chung của momen giới hạn cho phép là: Mchp = ∆lchp với
∆ (kN) là trọng lượng lượng chiếm nước, lchp là cánh tay đòn được xác
định dựa vào đồ thị ổn định.
Để xây dựng đồ thị ổn định dễ dàng và nhanh chóng, ta sẽ sử dụng
phần mềm Maxsurf Stability.
Sử dụng thơng tin cung cấp trong Quy phạm, ta sẽ tính được các
momen ngoại lực tác động ứng với từng trường hợp.
III. TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH TÀU
1. Bản vẽ tuyến hình
Bản vẽ tuyến hình cho ta thấy khái quát về hình dáng thiết kế, bảng
trị số tuyến hình và thơng số cơ bản của một con tàu. Đối với tàu đang
khảo sát, dựa vào tuyến hình có thể thấy đây là tàu thân bẻ góc, phần mũi
tàu có thêm be gió cao 0.972m và mép boong chính cao 3,3m.

5


6

2. Hydrostatic
Đồ thị Hydrostatic giúp ta có thể xác định được một cách nhanh
chóng các thơng số liên quan đến tính nổi của vỏ tàu thủy như lượng
chiếm nước, tạo độ tâm nổi, momen nghiêng dọc tàu và các hệ số béo...
Dựa vào bản vẽ tuyến hình và bảng trị số tuyến hình ta tiến hành
tính tốn các thơng số tại các đường nước khác nhau bằng các công
thức đã trình bày ở trên, ta được bảng tính đường cong thủy lực và đồ
thị như sau:

7


8


3. Bonjean
Bonjean là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của “họ
đường cong diện tích sườn và moment diện tích sườn đối với đáy tàu”
vào cao độ đường nước. Dựa vào đồ thị này, ta có thể tính được lượng
chiếm nước và tâm nổi của tàu khi tàu ở tư thế chúi nhưng không
nghiêng, đặc biệt áp dụng khi hạ thủy tàu theo phương dọc.
Sử dụng công thức symson để tính các diện tích sườn tại các
đường nước khác nhau. Ta có bản tính và đồ thị Bonjean như sau:

9


10

11


4. Pantokaren
Đồ thị Pantokaren là các đường cong thể hiện giá trị của tay địn ổn
định hình dáng KN trong các góc nghiêng ngang khác nhau tại các lượng
chiếm nước khác nhau. Từ cơ sở đó giúp xác định được đồ thị ổn định
tĩnh và động ở phần sau.

12


13


5. Các trạng thái tải trọng và bố trí chung
Theo QCVN 72: 2013/BGTVT áp dụng phương tiện thủy nội địa, đối với
tàu kéo chạy trong vùng nước SI, ta chỉ xét các trạng thái tải trọng tiêu
chuẩn gồm:
- Trạng thái 1: tàu có 100% lượng hàng, 100% dự trữ và nhiên liệu.
- Trạng thái 2: tàu không hàng, 10% dự trữ và nhiên liệu, có dằn.
- Trạng thái 3: tàu không hàng, 10% dự trữ và nhiên liệu, không dằn.
Dựa vào bản vẽ bố trí chung bên dưới, ta xác định trọng lượng và vị trí
của các thành phần tương ứng với các trạng thái.

14

15


16


6. Tính ổn định cho từng trạng thái tải trọng
Tất cả phần tính tốn và đánh giá trong mục “6. Tính ổn định cho
từng trạng thái tải trọng” sau đây được đánh giá dựa trên cơ sở của
“QCVN 72: 2013/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về quy phạm
phân cấp và đóng phương tiện thủy nội địa”.
Theo tiêu chuẩn cơ bản, các tàu được coi là đủ ổn định nếu khi hoạt
động trên nước lặng hoặc trên sóng tàu chịu được tác dụng động của gió,
thỏa mãn điều kiện:
��ℎ�
>1
(1)
���

Trong đó: ��ℎ� là momen cho phép giới hạn, ��. �;
��� là momen nghiêng bởi gió, ��. �.

6.1. Momen nghiêng do gió

Moment nghiêng động tác dụng lên tàu, kN.m, được xác định theo
cơng thức:
��� = 0,001���
Trong đó:
A - diện tích mặt hứng gió, m 2
z - cánh tay địn nghiêng quy đổi khi tàu xảy ra đồng thời nghiêng

và dạt, m
P - Áp suất gió giật, Pa,
A) Diện tích mặt hứng gió A
Diện tích mặt hứng gió bao gồm các hình chiếu lên mặt phẳng đối
xứng của tàu ở tư thế thẳng của tất cả các bề mặt của thân tàu, thượng
tầng, gồm: lầu lái, ống khói, ống thơng gió, các máy trên boong, hàng
trên boong và những mái che không tháo được.
Diện tích mặt hứng gió của các trạng thái được xác định qua các
bảng sau:

17


B) Cánh tay đòn nghiêng z
Cánh tay đòn gây nghiêng qui đổi do gió động tác dụng, m, được xác
định theo cơng thức:
� = �� + �1 �2 �

Trong đó:
ZT - Khoảng cách thẳng đứng từ tâm của diện tích hứng gió tới mặt
phẳng cơ bản của tàu
a1 - Hệ số ảnh hưởng của lực cản nước do nghiêng ngang
a2 - Hệ số ảnh hưởng của lực quán tính tới cánh tay địn nghiêng Z
d - Chiều chìm trung bình của tàu tương ứng với đường nước đang
xét, m.

18


C) Áp suất gió giật P

Áp suất P được xác định theo chiều chìm trung bình theo từng
trạng thái. Momen nghiêng do gió được tính trong bảng sau:

6.2. Momen cho phép tới hạn
Moment cho phép tới hạn xác định theo đồ thị ổn định động
��ℎ� = �. ��ℎ�

Trong đó:
D - Lượng chiếm nước trọng lượng của tàu, kN;
lchp - Cánh tay địn cho phép, m.
Mơ men cho phép tới hạn được xác định theo góc nghiêng cho
phép tới hạn. Góc nghiêng đó được lấy bằng góc lật θl. Đối với tàu có cấp
VR-SB, VR-SI và những tàu có cấp VR-SII được hoạt động ở vùng SI
với hạn chế thời tiết thì mơ men cho phép tới hạn xác định theo đồ thị có
tính đến ảnh hưởng của lắc ngang. Đồ thị ổn định tĩnh hoặc động đó phải
có thêm một đoạn bằng biên độ lắc ngang θm.

A) Biên độ lắc ngang θm
Đối với tàu hơng bẻ góc và tàu guồng, biên độ lắc tính tốn tương
ứng được lấy bằng 0,75 của biên độ lắc ngang của tàu hơng trịn khơng có
thiết bị giảm lắc phụ thuộc vào chỉ số m được xác định bởi công thức:
� = �1 �2 �3
Trong đó
1/ Hệ số m1, 1/s, đặc trưng cho tần số của dao động bản thân của tàu
�
trên nước lặng được xác định theo công thức �1 = 0
ℎ0

Với:
ho - chiều cao tâm nghiêng, m, ứng với tải trọng đang xét nhưng

khơng tính ảnh hưởng mặt thống của hàng lỏng
mo - trị số lấy theo phụ thuộc vào trị số:
ℎ� �
�1 = 3
�� �
19


Với:
V - thể tích chiếm nước của tàu ở chiều chìm trung bình
ứng với đường nước
đang xét, m3;
Zg - chiều cao trọng tâm của tàu tính từ mặt phẳng cơ bản
ở trạng thái tải trọng
đang xét, m;
B - chiều rộng của tàu tại đường nước đang xét, m.
2/ Hệ số m2, m3 - hệ số không thứ nguyên, xét tới ảnh hưởng của
hình dáng thân tàu đối với biên độ lắc ngang

Biên độ lắc ngang của tàu có vây giảm lắc hoặc có sống đáy đứng,
được xác định theo cơng thức:
θm = kθmo
Trong đó:
θmo - biên độ lắc ngang của tàu khơng có vây giảm lắc hoặc sống
đáy đứng, độ;
k - hệ số điều chỉnh, phụ thuộc vào q, biểu thị lượng giảm lắc khi
có vây giảm lắc:
q = rCw B
Trong đó:
B - chiều rộng đường nước, m;

Cw - hệ số béo diện tích đường nước thực tế của tàu;
r - hệ số,
20


r = r1 + r2 + r3

Trong đó:
r1 - biểu thị hiệu quả của vây giảm lắc và ky hộp (sống đáy đứng),
phụ thuộc vào tỷ số 100Sk/LB%, (L và B là chiều dài, chiều rộng
đường nước đang xét, m);
Sk - tổng diện tích vây giảm lắc và hình chiếu sống đáy đứng lên
mặt phẳng đối xứng của tàu, m2 .
r2, r3 - là các hệ số xét tới ảnh hưởng của hình dạng thân tàu đối
với hiệu quả của vây giảm lắc, phụ thuộc vào hệ số béo thể tích
CB và tỷ số B/d (d - chiều chìm trung bình theo đường nước thực
tế của tàu, m).

21


B) Xác định tay đòn cho phép ����
Khi xác định mô men cho phép tới hạn ��ℎ� tương ứng với góc lật
θl, từ điểm A kẻ tiếp tuyến với nhánh phải của đường cong ổn định động
d nhận được tiếp điểm là K. Hồnh độ của K chính là góc lật θl. Từ A kẻ
đường song song với trục hoành. Trên đường thẳng này đặt đoạn AB = 1
radian (57,3 độ ). Từ B dựng đoạn thẳng vng góc với trục hoành và cắt
tiếp tuyến AK tại E. Đoạn BE là tay địn cho phép tới hạn lchp cần tìm của
mơ men cho phép tới hạn ứng với θl.
Hình dưới đây xác định ��ℎ� của trạng thái 1: ��ℎ� =0.9m

Tương tự với trạng thái 2 và 3, ta tính được Momen cho phép tới
hạn như sau:

22


6.3. So sánh điều kiện ổn định
- TT1:

��ℎ�
���

141.3

= 71.78 = 1.97 > 1

Trạng thái 1 (100% hàng hóa và nhiên liệu) thỏa điều kiện ổn định
- TT2:

��ℎ�
���

=

130.52
73.58

= 1.77 > 1

Trạng thái 2 (10% hàng hóa và nhiên liệu, có dằn) thỏa điều kiện ổn
định
TT3:

��ℎ�
���

=

117.23
75.02

= 1.56 > 1

Trạng thái 3 (10% hàng hóa và nhiên liệu, khơng dằn) thỏa điều kiện ổn
định
IV. KẾT LUẬN

Từ các dữ liệu về ổn định qua các trạng thái tải trọng khác nhau nói trên,
ta thấy rằng các thơng số ổn định tàu khơng có thay đổi nhiều ở các điều
kiện khác nhau.Ta có thể kết luận rằng tàu ổn định và đủ điều kiện để đưa
vào vận hành.

23