Tự động hóa trong đóng tàu

Lời nói đầu
Tự động hóa trong đóng tàu là mơn học cung cấp cho sinh viên ngành cơng
nghệ đóng tàu thủy một số kiến thức cơ bản và cần thiết nhất về triển khai cơng nghệ
đóng mới tàu thủy có sự hỗ trợ của máy tính điện tử và các phần mềm chuyên ngành
hiện đang được áp dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam.
Nội dung của mơn “Tự động hóa trong đóng tàu” bao gồm 2 phần và chia ra làm 6
chương:
- Phần A: Tự động hóa trong đóng tàu tại Việt Nam.
+ Chương I. Khái quát về tự động hóa trong đóng tàu.
+ Chương II. Cơ sở lý thuyết về tự động hóa trong đóng tàu.
+ Chương III. Phần mềm tự động hóa trong đóng tàu
- Phần B. Ứng dụng phần mềm Shipcontructor vào quá trình phóng dạng, khai
triển tơn và cơ cấu.
+ Chương IV. Phóng dạng
+ Chương V. Khai triển tơn
+ Chương VI. Dựng bản vẽ kết cấu (structure)
Để học tốt môn học này các em sinh viên cần phải dành thời gian để ôn tập lại
các kiến thức liên quan sau: Cơ học kết cấu, kết cấu tàu, Cad/CAM…
Do thời gian biên soạn giáo trình, cũng như khả năng cịn hạn chế nên khơng
thể tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình được hồn thiện hơn.

1


PHẦN A: TỰ ĐỘNG HÓA ĐÓNG TÀU TẠI VIỆT NAM
CHƯƠNG I . KHÁI QUÁT TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐÓNG TÀU.
1.1. Khái qt về tự động hóa.
1.1.1. Vai trị của tự động hóa.
Ngày nay tự động hóa với những thành tựu của cơng nghiệp điện tử, vi
mạch tích hợp và kỹ thuật số đã thâm nhập và đóng vai trị quan trọng trong hầu

hết các lĩnh vực của nền kinh tế và đang là một động lực tích cực trong việc thay
đổi hàng ngày bộ mặt cuộc sống hiện đại. Sở dĩ như vậy là vì tự động hóa ngày
nay đã kết hợp được rất nhiều thành tựu về trí thức của con người trong lĩnh các
lĩnh vực toán học, vật lý … đặc biệt là công nghệ thông tin để thay thế sức lao
động của con người nhằm mục đích phục vụ có hiệu quả hơn nữa vấn đề phức
tạp của cuộc sống. Chúng ta đã thấy những sản phẩm như rôbôt tự động thám
hiểm mặt trăng, các siêu máy tính có thể thực hiện hàng tỷ phép tính trong một
giây… Có thể nói tự động hóa hiện đại là một trong những đòn bẩy hữu hiệu đối
với các nước có nền kỹ thuật tiên tiến, như là một cơng cụ đắc lực nhằm hoàn
thiện, phát triển và tiến tới những đột phá mới về công nghệ.
Phương pháp quản lý và xử lý dữ liệu bằng máy tính cho phép truy xuất,
liên kết, cập nhật, tích hợp dữ liệu thiết kế và công nghệ giữa các thành phần của
hệ thống sản xuất. Cơ chế quản lý thơng tin tích hợp và cho phép xử lý nhanh
chóng, chính xác khối lượng thơng tin phức tạp từ đó rút ngắn quy trình thiết kế
- chế tạo, có khả năng chọn ra phương án với tính năng tốt nhất trong nhiều
phương án và trong thời gian ngắn.
1.1.2. Tự động hóa trong ngành cơng nghiệp đóng tàu ở Việt Nam.
Đối với Việt Nam, cơng nghệ tự động hóa trong hầu hết các lĩnh vực tuy
khơng cịn mới nhưng những bước tiến và những thành quả thực sự mới mẻ vẫn
còn hạn chế đặc biệt trong ngành công nghiệp tàu thủy. Trong thời gian gần đây,
tự động hóa được nhìn nhận như một yếu tố quan trọng thúc đẩy sự phát triển
của nền kinh tế và trở thành một trong những chương trình nghiên cứu trọng
điểm được Nhà nước đặc biệt quan tâm. Chính từ sự hỗ trợ này đồng thời với cơ
hội có được nhờ sự chủ trương tạo các bước đột phá về năng lực thiết kế, đóng
mới, đa dạng chủng loại tàu, tăng tỷ lệ nội địa hóa về trang bị nhiều con tàu với
trọng tải lớn đã được đóng và hồn thiện tại Việt Nam như các serri tàu 6500T,
11500T, các tàu container cỡ lớn và hiện nay là các tàu 53,000T và dự án đóng
tàu chở dầu 100,000T…
Tuy nhiên đây là thời điểm chúng ta đang gặp khơng ít trở ngại bởi sự
cạnh tranh của cơ chế thị trường. Sự mở của hợp tác toàn diện đã tạo cơ hội cho

những hãng chuyên về lĩnh vực tàu thủy nổi tiếng trên thế giới tiếp cận được dễ
2


dàng với thị trường đóng và sửa chữa tàu Việt Nam. Với kinh nghiệm và tính
chuyên nghiệp từ vài chục đến vài trăm năm, với nhiều thương hiệu và sản phẩm
nổi tiếng đã trở nên quen thuộc với khách hàng trong ngành cơng nghiệp đóng
tàu thủy, uy tín về chất lượng sản phẩm tự động hóa trong q trình đóng tàu
của họ đối với khác hàng trong nước còn rất lớn, Trong khi đó đối với nước ta
hiện nay việc nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa đóng tàu mới dừng lại ở
một số nơi và một số lĩnh vực như Viện khoa học và công nghệ tàu thủy, cơ
quan Đăng kiểm, một số nhà máy đóng tàu, các đề tài khoa học và các tác giả
tiến hành làm đề tài nghiên cứu sinh, tuy nhiên phạm vi nghiên cứu và mức độ
ứng dụng được của đề tài còn hạn chế.
Từ thực tế trên, mặc dù còn nhiều hạn chế và khó khăn nhưng chúng ta
cũng có những thuận lợi nhất định. Sự hợp tác toàn diện về nhiều mặt của khoa
học công nghệ với các quốc gia tiên tiến là cơ hội cho chúng ta học hỏi những
kinh nghiệm, nắm bắt và làm chủ được công nghệ. Một trong những yếu tố then
chốt, quan trọng có tính quyết định để phát triển được lĩnh vực này là cần có sự
đầu tư lớn về tài chính và có những chính sách phù hợp của Nhà nước để
khuyến khích động viên thu hút được đông đảo các nhà khoa học trong nước và
ngoài nước cùng tham gia nghiên cứu, hợp tác đào tạo và chuyển giao cơng
nghệ với nước ngồi để tạo ra bước đột phá nhằm chiếm lĩnh được thị trường
tiềm năng này.
1.2. Ứng dụng tự động hóa trong đóng tàu.
1.2.1. Các lĩnh vực trong đóng tàu đã ứng dụng tự động hóa
Sơ đồ các bước tiến hành khi đóng tàu:
Basic design
ThiÕt kÕ s¬ bé

Technical design
Tk kü tht

Production design
TK thi công

Production
Đóng tàu

1.2.1.1. Trong lnh vc thit k :
- Cỏc tác giả trong nước đã xây dựng được một số chương trình tự động
hóa q trình xác định các kích thước chủ yếu, xây dựng tuyến hình tàu tính
tốn các tính năng của tàu như tính nổi ổn định, tự động hóa q trình tính tốn
sức cản và thiết kế chong chóng.
- Áp dụng các phần mềm tính tốn của các hãng thiết kế nước ngoài như
Autoship, Tribon, Fastship, Maxsulf…. trong việc xây dựng tuyến hình tàu, tính
tốn dung tích , tính nổi thủy lực, cân bằng ổn định, tính tốn sức cản và thiết kế
chong chóng.
1.2.1.2. Trong lĩnh vực cơng nghệ:
- Đã viết được một số chương trình tính tốn kết cấu, phóng dạng và khai
triển tơn phục vụ q trình triển khai cơng nghệ đóng tàu, tuy nhiên phạm vi ứng
3


dụng được cịn hạn chế. Cơng nghệ hàn tự động, cắt tự động bằng máy cắt CNC
đã được ứng dụng một cách phổ biến tại đa số các nhà máy đóng tàu .
- Tiến hành chuyển giao kỹ thuật trong một số lĩnh vực của q trình cơng
nghệ như sử dụng phần mềm Autoplate, Autostructure của hãng Autoship,
ShipConstructor, Hullform…và một số phần mềm của Nhật, Nga, Trung Quốc
… trong việc tính tốn kết cấu, tính tốn độ bền dọc chung thân tàu và triển khai

công nghệ.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết áp dụng tự động hóa trong đóng tàu .
- Triển khai các thành tựu của công nghệ “ Thiết kế với sự trợ giúp của
máy tính điện tử’’(Computer Aided Design –CAD), và “ Sản xuất với sự trợ
giúp của máy tính điện tử’’(Computer Aided Manufacturing –CAM) mang một
tên gọi chung là “ Công nghệ CAD/CAM’’ là xu thế phát triển tất yếu để đạt
được các thành tựu trong áp dụng tự động hóa vào q trình thiết kế và thi cơng.
- Dựa vào việc hàm hóa các đường cong , mặt cong vỏ bao thân tàu,
nghiên cứu đưa bài toán hàm hóa đường cong vỏ bao thân tàu về dạng bào tốn
tìm đường thẳng đàn hồi của dầm bằng các chương trình phần mềm như
AutoCAD và các ngơn ngữ lập trình như Pascal, Autoship, VisuaBasic…

4


1.2.3. Quy trình cơng nghệ đóng mới tàu .
Phãng d¹ng tuyến hình

Làm d ỡng, khai triển tôn và cơ cấu

Chế tạo khung dàn,
bệ lắp ráp

Gia công chi tiết

Lắp ráp và hàn
phân đoạn

Lắp ráp và hàn
tổng đoạn

Lắp ráp và hàn
thân tàu trên triền

Lắp ráp phần hệ
thống động lực
Lắp ráp và trang trí
nội thất

Sơn toàn bộ tàu

Hạ thủy

Thử tại bến và thử
đ êng dµi
Bµn giao cho chđ
tµu

1.2.4. Các nội dung tự động hóa trong cơng nghệ đóng tàu .
- Phóng dạng tuyến hình tàu: Tiến hành phóng dạng tàu trên máy tính từ
bản vẽ và trị số tuyến hình lý thuyết, số liệu sau khi phóng dạng bằng máy tính
có thể sử dụng trực tiếp cho các bước công nghệ tiếp theo hoặc dùng để vẽ trên
sàn phóng với độ chính xác rất cao.
5


-Khai triển tôn và chi tiết kết cấu : Tiến hành khai triển kích thước thật
của các tờ tơn và các chi tiết kết cấu để làm dưỡng và gia cơng phục vụ q trình
đóng tàu.
-Gia cơng các chi tiết trên máy cắt CNC: Chuyển các bản vẽ hay giá trị

khai triển tôn và các chi tiết kết cấu sang ngơn ngữ máy CNC để phục vụ việc tự
động hóa quá trình cắt chi tiết.

6


Câu hỏi ôn tập chương 1
Câu 1. Em hãy nêu các ứng dụng tự động hóa trong đóng tàu?
Câu 2. Em hãy nêu các nội dung tự động hóa trong đóng tàu?

7


CHƯƠNG II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG HÓA TRONG
ĐĨNG TÀU
2.1. Đặt vấn đề.
Mặt ngồi thân tàu, hay cọn gọi mặt vỏ tàu trong thực tế là mặt cong 3D.
Miêu tả mặt cong 3D này bằng cơng thức tốn và dựng mặt cong này trong thực
tế là việc phức tạp. Hiện tại chúng ta đủ khả năng xử lý những bài tốn hình học
vỏ tàu dạng 3D bằng các công cụ tin học , tuy nhiên công việc này địi hỏi rất
nhiều thời gian và cơng sức. Cách làm được áp dụng rộng rãi từ lâu trong ngành
đóng tàu là hạ bậc bài tốn hình học khi vẽ tàu. Tàu được chia ra nhiều khoảng
sườn, tại mỗi vị trí của sườn thân tàu bị cắt bằng mặt phẳng song song với mặt
cắt giữa tàu, vng góc với trục dọc tàu .Vết cắt của vỏ tàu trên mặt cắt tại vị trí
các sườn gọi là sườn tàu . Tiến hành xác định đặc tính hình học của sườn đó
theo khơng gian2D. Theo chiều cao, tàu được chia bằng nhiều đường nước , mỗi
mặt đường nước cắt thân tàu theo một vết gọi là đường nước. Hình dáng mỗi
đường nước chỉ nằm trong một lát cắt phẳng 2D.Theo chiều rộng được chia
bằng nhiều đường cắt dọc, mỗi mặt cắt dọc cắt thân tàu theo một vết gọi là
đường cắt dọc.

-Chính vì vậy khi viết các chương trình khai triển vỏ bao thân tàu trong
những vấn đề quan trọng đặt ra là phải hàm hóa được các đường hình dáng thân
tàu như đường sườn đường nước, đường cắt dọc đường mép trên , mép dưới hay
đường chuẩn của các tấm tôn bằng các đường cong , mặt cong được biểu diễn
dưới dạng biểu thức giải tích . Sau đó sử dụng các phép tốn cho phép đánh giá
sự thống nhất về hình chiếu độ cong trơn, sự biến đổi đồng đều của đường cong
( sự hài hòa của đường cong ) để đảm bảo vỏ bao thân tàu sau khi phóng dạng sẽ
cong trơn , cải thiện các tính năng của tàu như sức cản và thuận lợi cho q trình
cơng nghệ .
2.2. Hàm hóa đường cong theo phương pháp xấp xỉ.
2.2.1. Khái niệm về hàm xấp xỉ
Xấp xỉ là sự thay thế hàm F(x) bằng hàm f(x) nào đó . Sự thay thế này là
cần thiết khi hồn tồn khơng biết gì về hàm F(x) hoặc chỉ có thơng tin hạn chế
về nó như chỉ biết giá trị của F(x) tại một số mốc nhất định.
Trong thực tế nghiệm của nhiều bài tốn cần viết dưới dạng bài tốn giải
tích vì vậy hàm F(x) được biếu diễn dưới dạng biểu thức giải tích gần
đúng( trong nhiều trường hợp là chính xác) là rất cần thiết.
Có thể đề ra những yêu cầu khác nhau về hàm f(x) qua đó ta có các dạng
hàm xấp xí sau:

8


2.2.2. Các dạng xấp xỉ.
2.2.2.1. Theo tiêu chuẩn gần đúng
- Xấp xỉ chính xác tại các mốc ( cịn gọi là nội suy ) : được dùng khi có
yêu cầu tại các mốc nội suy nhất định ( x0, x1…..xn) hàm gốc F(x) và hàm xấp xỉ
f(x) là bằng nhau.
y
F(x)

f(x)

Víi i=0n
x0

0

x1

x

xn

x

Xấp xỉ theo phương pháp bình phương tối thiểu : Được dùng khi có
u cầu như sau.
y
F(x)

f(x)



Víi i=0n
0

x0

x1

x

xn

x

Xấp xỉ với sai số nhỏ nhất: Được dùng khi có yêu cầu cần chênh lệch
lớn nhất giữa hai làm là nhỏ nhất.
2.2.2.2. Theo dạng hàm xấp xỉ
- Đa thức đại số bậc n (parabol bậc n).
f(x)= a0+a1x+a2x2+……….+an.xn trong đó an# 0.
Biểu thức này được gọi là parabol bậc n. Nó có n+1 hệ số và có thể
chọn một cách thích hợp để thỏa mãn n+1 điều kiện. Từ đó nhận thấy rằng
muốn viết đa thức xấp xỉ cho hàm F(x) với giả sử 3 mốc nội suy x 0,x1,x2 thì
các điểm này f(x) và F(x) trùng nhau , điều này chỉ có thể thực hiện bằng một
parabol bậc 2.
Một cách tổng quát với n tọa độ( n điểm xác định ) thì ta có thể xây
dựng được một đa thức bậc n-1
m

Đa thức lượng giác:

f ( x) a 0   ( a k cos kx  bk sin kx)
k 1

a 0  a1 x  a 2 x 2  ....a n x n
Phân thức từ hai đa thức bậc m và n: f ( x) 
b0  b1 x  b2 x 2  .......bn x n

9


2.2.3. Xây dựng đa thức xấp xỉ .
2.2.3.1. Xây dựng đa thức xấp xỉ với các điểm mốc bất kỳ .
Cho hàm F(x) nào đó với n+1 mốc nội suy bất kỳ x 0, x1, x2……,xn.
Chắc chắn có thể xác định được một đa thức nội suy f(x) bậc n mà tại điểm
mốc đó hai giá trị hàm số bằng nhau
f ( xi )  F ( xi )  y i
Nghĩa là :
Trong đó i=0,1…….,n
Để nhận được hàm f (x) thường áp dụng các phương pháp sau đây: Với
n+1 mốc cho trước ta viết được một đa thức tổng quát bậc n:
f ( x ) a 0  a1 x  a 2 x 2  ............. a n x n

Và sau đó lập hệ (n+1) phương trình đại số bằng các điều kiện :
f 0  F ( x 0 ) a 0  a1 x 0  a 2 x02  .............  a n .x0n
f1  F ( x1 ) a 0  a1 x1  a 2 x12  ...............  a n x1n
........................................
f n  F ( x n ) a 0  a1 .x n  a 2 x n2  ...............  a n x nn

Giải hệ này ta xác định được các hệ số a0 , a1 …..an nghĩa là bài tốn đã
được giải và ta có đa thức xấp xỉ bậc n là hàm giải tích f ( x).
2.2.3.2. Biểu thức Lagrange.
Một cách hiệu quả hơn biểu thức cần tìm có thể nhận được từ biểu thức
Lagrange.
f ( x)  0 ( x ). f 0   1 ( x). f 1  ..............   n ( x). f n
n

Hoặc

f ( x)   i ( x). f i
i 0

Trong đó:
 i ( x) 

 i ( x)
 i ( x)

n

 i ( x) i ( x  x j )

với

j 0

Ký hiệu  ở đây nghĩa là tích liên tục các hàm (x-x0)(x-x1)…….(xxn). Chỉ số I chỏ rõ trong tích  i của các hàm (x-xj) khơng có giá trị (x-xi).
Bản chất của cơng thức Lagrange là hàm f (x) cần được biểu diễn như
một tổ hợp tuyến tính của các hàm i ( x) có mang tính chất sau:
- ở mốc I giá trị i ( xi) 1 , còn tất cả các mốc còn lại i ( xj ) 0 với j#i
2.2.3.3. Ví dụ việc xây dựng hàm xấp xỉ.
Bài tốn :
Qua ba mốc có tọa độ (0,-1); (1,0)và (2,3) xác định hàm xấp xỉ bậc hai
Phương án 1 : Xây dựng đa thức bậc n
Thay ba tọa độ vào phương trình đường parabol bậc hai có dạng
f ( x) a0  a1 .x  a 2 x 2

10


Ta có các giá trị cần thiết a0=-1; a1=0 ; a2=1
Hàm xấp xỉ bây giờ như sau f ( x) x 2  1
Phương án 2: Xác định theo biểu thức Lagrange
f ( x )  0 ( x). f 0   1 ( x ). f 1   2 ( x). f 2

Xác định i ( x) :


0

( x)

 1 ( x)



2

( x)

 0 ( x)
(x

 i 0 ( x0 )
( x0
1 ( x )  ( x 


1 ( x1 )
( x1 




 2 ( x)
 2 ( x2 )






(x 
( x2 

x1 )( x 
x2 )
x1 )( x 0 
x2 )

x 0 )( x 
x2 )
x 0 )( x1 
x2 )





x 0 )( x 
x1 )
x 0 )( x 2 
x1 )

(x 
(1 



f ( x ) (  1)( x  1)( x  2) / 2  (0)( x )( x  2)  (3) x( x  1) / 2  x 2  1

2.3. Xác định các giá trị trung gian của đường cong theo phương
pháp nội suy.
2.3.1. Khái niệm về nội suy.
Trong tính tốn có nhiều trường hợp người ta sử dụng những hàm y=F(x)
mà không biết biểu thức giải tích cụ thể của nó mà chỉ biết các giá trị hàm F(x)
tại các mốc x0, x1,……….xn của đoạn [a,b] nào đó .Các giá trị này có thể nhận
được bằng đo đạc, thực nghiệm nhưng khi tính tốn lại cần đến giá trị của hàm
số tại các điểm trung gian khác, khi đó ta phải dựa vào các giá trị đã biết để xác
định chúng.
Để giả quyết bài toán này ta xây dựng f (x) có dạng đơn giản sao cho nó
có giá trị trùng F(x) tại các mốc x 0, x1,……..xn cịn tại các điểm khác trên đoạn
[a,b] thì f (x) cũng trùng hoặc có giá trị gần sát với F(x) .
Bài toán như vậy gọi là bài toán nội suy , hàm f (x) gọi là hàm nội suy
của F(x) trên đoạn [a,b] và x0 ,x1,………………xn gọi là các mốc nội suy.
2.3.2. Nội suy tuyến tính ( Nội suy cấp 1).
Phép nội suy tuyến tính được thực hiện qua cơng thức sau;
Trong đó :

f  f 1  f 0
 x / 

gọi là bước .

  x1  x 0

Thực vậy
f ( x )  f ( x 0 )  f ( x )

Hay
Như vậy:

f ( x )
x

f ( x1 )  f ( x0 ) x1  x0
f ( x )  f .

x
f


11

1
1

0)(
0)(

(x 
(2 

Thay vào biểu thức ban đầu tính được :

f ( x)  f ( x 0 )  f .

(x 
(0 

0
0


Ví dụ ;
Tính giá trị nội suy của hàm F(x) đi qua các điểm (2;5);(4;7) tại mốc
x=2,4
f  f (4)  f (2) 7  5 2
f ( 2,4) 5  2.0,4 / 2 5,4

2.3.3. Nội suy cao cấp ( Nội suy cấp 2 của Bensen).
2.3.3.1. Khái niệm sai phân :
Sai phân cấp một của giá trị một hàm số tại hai mốc liên tiếp i và
i+1 cách nhau một khoảng  được hiểu là:
f ( xi )  f ( xi 1 )  f ( xi )

Sai phân cấp hai là sai phân của sai phân cấp một . Một cách tổng quát sai
phân cấp n là sai phân của sai phân cấp n-1.
2 f ( xi ) f ( xi 1 )  f ( xi )

........................
.......................
n f ( xi ) n  1 f ( xi 1 )  n  1 f ( xi )

2.3.3.2.Công thức nội suy của Bensen:
f ( x )  f ( x0 )  f ( x 0 ). 

Trong đó :

f
2



1 2
 f ( x 0 ). . '
2

: sai phân cấp 1
f : sai phân cấp 2

 x /  1   , .
 ' x ' / 

với x’=   x

f ( x0 )  f ( x1 )  f ( x 0 )
2 f ( x0 ) f ( x1 )  f ( x 0 ) [ f ( x 2 )  f ( x1 )]  [ f ( x1 )  f ( x0 )
 f ( x 2 )  2 f ( x1 )  f ( x0 )

Ví dụ:
Cho hàm y=x2+1 đi qua các mốc (1;2);(2;5) và (3;10) . Tính giá trị của
hàm số tại mốc nội suy x=1,5.
-Tính theo hàm nội suy tuyến tính :
f (1,5)  f ( x0 )  f . 2  (5  2).(1,5  1) / 1 3,5

- Tính theo nội suy cấp hai của Bensen:
f ( x0 )  f ( x1 )  f ( x 0 ) 5  2 3
2 f ( x0 )  f ( x 2 )  2 f ( x1 )  f ( x 0 ) 10  2.5  2 2

  x /  (1,5  1) /( 2  1) 0,5
 ' 1   1  0,5 0,5
f (1,5) 2  3.0,5  0,5.2.0,5.0,5 3,25

-Đánh giá :
Thay giá trị x=1,5 vào hàm y=x2+1 được
12

f (1,5) (1,5) 2  1 3,25


+ Sai số của hàm nội suy tuyến tính là  3,5  3,25 0,25
+Sai số của hàm nội suy cấp hai Bensen là  3,25  3,25 0
Như vậy hàm nội suy cấp hai có độ chính xác cao hơn hàm nội suy
tuyến tính cấp một.
2.4. Hàm hóa đường cong bằng hàm spline bậc 3 (Cubic spline).
2.4.1. Giả thiết ;
Ta đã biết khi phóng dạng , người thợ phóng dạng phải dùng các lát gỗ
( hoặc lát nhựa ) mỏng uốn theo các điểm đã biết theo bảng trị số tuyến hình để
vẽ được tuyến hình tàu. Lát gỗ ( hay lát nhựa ) đó được giữ tại một điểm bởi các

vật đè gọi là “cóc”. Bằng việc điều chinh số lượng và trọng lượng của các “cóc”
lát gỗ sẽ được uốn đi qua các điểm cho trước sao cho đường cong nhận được
phải trơn , thuôn đều.
Giả thiết lát gỗ như một dầm đàn hồi mỏng, khi đó đường cong lát gỗ sẽ
tương ứng với độ võng y của dầm nhận được từ công thức Ole, với moomen uốn
dọc theo chiều dài dầm được tính theo cơng thức;
M ( x) 

E .I
R( x )

Trong đó:
-E: Mơ đun đàn hồi của vật liệu
-I: Mơ men qn tính mặt cắt ngang của dầm
- R(x): Bán kính cong của dầm
Với độ võng nhỏ bán kính cong có thể được tính xấp xỉ theo công thức :
1
y ''

 y ''
R( x ) (1  y ' 2 ) 3 / 2

Công thức Ole trở thành :
Giả thiết rằng các vật đè ( cóc) đóng vai trị như tải trọng tập trung, khi đó
mơ men M(x) sẽ là hàm bậc nhất có dạng M(x)=A.x+B và khi đó cơng thức Ole có
dạng:
y '' 

A.x  B
E .I

Tích phân hai lần cơng thức trên ta sẽ được độ võng của dầm:
y  A1 x 3  B1 x 2  C1 x  D1

Công thức trên chỉ ra rằng dạng của đường cong lát gỗ giữa các vật đè
(cóc) có thể được mơ tả tốn học bằng các hàm đa thức bậc 3.
2.4.2 Hàm hóa đường cong vỏ bao tàu bằng hàm Spline bậc 3.
Hàm đa thức bậc 3 tổng quát cho một đoạn đường cong giữa các cóc có
dạng :

13


4

P( t )  Bi t i  1  B1  B2 t  B3t 2  B4 t 3
i 1

Trong đó :
- t1, t2 : là các giá trị tham số tại các mút của đường cong.
P(t) : là vec to vị trí của các điểm thuộc đoạn đường cong , biểu diễn
thông qua các tọa độ Đề các ta có :
P( t ) [ x ( t ) , y ( t ) , z ( t ) ]

-Bi : các hệ số chưa biết của đường cong cần xác định .
Gọi P1, P2 là các vec tơ vị trí tại các mút của đoạn đường cong ,P 1’, P2’
( các đạo hàm theo t của vec tơ P (t)) là các vec tơ tiếp tuyến tại các mút của đoạn
Spline , khi đó ta có :
4

P('t ) [ x (' t ) , y (' t ) , z (' t ) ]  Bi t i  2  B2  2 B3t  3B4 t 2
i 1

Khơng làm mất tính tổng qt giả thiết t1=0 sử dụng 4 điều kiện biên:
P(0)=P1
P’(0)=P’1
P(t2)=P2
P’(t2)=P’2
Ta có :
P(0)=B1=P1
P’(0)=B2=P’1
P(t2)=B1+B2t2+B3t22+B4t23
Thay các giá trị B1 , B2 vào công thức trên ta có được :
B3 

3( P2  P1 )
P1' P2'

2

t2 t2
t 22

B4 

2( P1  P2 ) P1' P2'
 2  2
t 23
t2 t2

Vậy hàm biểu diễn đoạn đường cong khi biết tọa độ 2 mút và vec tơ tiếp
tuyến tại 2 mút là
 3( P2  P1 )
P1' P2'  2  2( P1  P2 ) P1' P2'  3
P(t )  P1  P .t  
 2  t  
 2  2 t
t2 t2 
t 22
t 23
t2 t2 


'
1

Trong thực tế xây dựng đường cong đi qua nhiều nút , khi đó đường cong
nhận được do nhiều đoạn cong liên kết lại với nhau . Khi đó các véc tơ tiếp
tuyến tại các nút liên kết ở giữa thường là không biết, ta phải xác định chúng
thông qua điều kiện liên tục tại các nút.
Xét 2 đoạn đường cong liên tiếp thứ k và thứ k+1 như hình vẽ :

14


Pk+1(t)

Pk+2(t),Pk+2'(t), t k+2

Pk (t),

Pk+1(t),Pk+1'(t), t k+1
Pk (t),Pk' (t), t k

Hàm biểudiễn đoạn cong thứ k là:
Pk ( t )

 3( Pk 1  Pk )
Pk' Pk' 1  2  2( Pk  Pk 1 ) Pk' Pk' 1  3
 Pk  P .t  
2

 2  2 t
t  
t k 1 t k 1 
t k21
t k31
t k 1 t k 1 


'
k

Trong đó 0 t t k 1
Hàm biểu diễn đoạn cong thứ k+1 là :
Pk 1(t )

 3( Pk 2  Pk 1 )
Pk'1 Pk'2  2  2( Pk 1  Pk 2 ) Pk'1 Pk'2  3
 Pk 1  P .t  
 2


 2  2 t
t  
t k 2 t k 2 
t k22
t k32
t k 2 t k 2 


'
k 1

Trong đó 0 t t k 2
Sử dụng điều kiện liên tục về mô men tại điểm Pk+1:
Thay các giá trị và biến đổi ta có:
t k 2 .Pk'  2(t k 1  t k 2 ).Pk'1  t k 1 .Pk' 2 

3
[t k21 .( Pk 2  Pk 1 )  t k22 .( Pk 1  Pk )]
t k 1 .t k 2

Đây là công thức xác định các vec tơ tiếp tuyến tại các nút trung gian.
Viết lại công thức cho tất cả các đoạn đường cong ( 2 k n  1) dưới dạng ma
trận ta được :
Hệ phương trình tuyến tính được trình bày tổng qt dưới dạng ma trận:

hay [M].[P’]=[R]
Bằng phép biến đổi ma trân dựa vào các điều kiện biên ta sẽ xác định được
ma trận nghịch đảo [M’] từ đó xác định được ma trận
Khi đó giá trị Pk’đã biết ta sẽ tính được các hệ số Bik 1 i 4 của mỗi đoạn

đường cong spline thứ k
B1k=Pk
15


B2k=Pk’
B3k 

3( Pk 1  Pk ) 2 Pk' Pk'1


t k 1 t k 1
t k21

B4 k 

2( Pk  Pk 1 ) Pk'
Pk' 1


t k31
t 2 k 1 t 2 k 1

Đến đây ta xác định các hàm Spline bậc 3 biểu diễn các đoạn đường cong
giữa các cóc.

2.4.3 Mơ hình thuật tốn chương trình hàm hóa bằng hàm Spline bậc
3.

16

Begin

Nhập điểm n, tọa độ các điểm x i ,yi (i=1n)

Tính các giá trị t (i=1n-1

Tính ma trận [M] và [R]

-1

TÝnh ma trËn [P]=[M] .[R]

TÝnh ma trËn hÖ sè [B]

VÏ ® êng cong Cubic spline qua
c¸c ®iĨm ®· cho

End

Câu hỏi ôn tập cuối chương 2.
Câu 1. Em hãy nêu và xây dựng các dạng sấp xỉ thường dùng?
17


Câu 2. Em hãy nêu và xây dựng hàm nội suy tuyến tính cấp 1 và cấp 2?
Câu 3. Em hãy nêu phương pháp hàm hóa đường cong bằng hàm Spline bậc 3?

CHƯƠNG III. PHẦN MỀM TỰ ĐỘNG HÓA TRONG ĐÓNG TÀU

3.1. Tổng quan chung.
18


- Theo lý thuyết hiện đại của thiết kế công nghệ trong ché tạo cơ khí nói
chung thì có 3 điều kiện cần quan trọng, đó là:
1) Organization: tổ chức công việc.
2) Design rules : qui phạm, tiêu chuẩn thiết kế .
3) CAD tools : phần mềm trợ giúp thiết kế .
- Thực tế cũng đã khẳng định rằng phần mềm là công cụ đắc lực nhất của
nhiều thiết kế cơng nghệ, phần mềm giúp cho q trình thiết kế rút ngắn đáng kể
về mặt thời gian , giảm chi phí nhưng lại tăng độ chính xác rất nhiều.
- Trong đó ngành đóng tàu hiện nay có rất nhiều phần mềm chuyên ngành
được sử dụng và trong số đó, một số phần mềm tiêu biểu đã được du nhập vào
Việt Nam trong thời gian gần đây như: Autoship , Ship Constructor, NupasCadmatic , Tri bon.
3.2. Phần mềm Autoship.
- Trong các phần mềm kể trên thì Auto Ship là phần mềm đến với ngành
đòn tàu Việt Nam đầu tiên . Auto Ship bao gồm 5 mô đuyn sau :
+ Auto Ship
: xây dựng tuyến hình và phóng dạng.
+ Auto Plate
: chia tơn và khai triển tơn vỏ .
+ Auto Hydro
: tính tốn yếu tố thủy lực, tính năng.
+ Auto Power
: tính tốn sức cản , cơng suất máy .
+ Auto Structure : mơ hình hóa kết cấu, xuất ra bản vẽ thi công kết cấu .
3.2.1 Auto Ship:
+ Cung cấp cho người dùng cơng cụ để tự xây dựng tuyến hình . Cơng cụ
này rất hữu ích đối với việc thiết kế tàu cỡ nhỏ như xuồng, tàu cao tốc có chiều

dài nhỏ hơn 50m và có hình dáng vỏ bao đơn giản .
+ Cung cấp công cụ để dựng tuyến hình theo mẫu có sẵn, nhờ cơng cụ
này người cùng có thể dựng tuyến hình theo số liệu sẵn có từ bảng trị số trên
Excel.
+ Cung cấp công cụ hỗ trợ người dùng trong việc chỉnh trơn tuyến hình.
Phần mềm sẽ mơ hình hóa vỏ bao dưới dạng mặt cong 3 chiều, nhờ đó có thể tạo
ra các giao tuyến giữa vỏ bao với các mặt phẳng ( theo 3 mặt chiếu cơ bản) hay
với các mặt cong ( ống bao chân vịt mũi ) .
+ Số liệu đầu ra mà chương trình cung cấp cho người dùng bao gồm cả
dạng bản vẽ: các mặt cắt, hình chiếu và dạng số liệu : bảng trị số tuyến hình theo
sườn thực, cắt dọc thực, đường nước thực .
3.2.2. Auto Plate :

19


Căn cứ trên bề mặt vỏ bao được tạo bởi Auto Ship, phần mềm cung cấp
công cụ để tạo các tờ tơn với kích thước xác định, phần mềm tự động khai triển
các tấm tôn.
+ Dữ liệu đầu ra bao gồm bản vẽ đầy đủ cho từng tấm tôn ( 3 hình chiếu
và hình khai triển ) . Ngồi ra, trên các hình cịn có đầy đủ các vết sườn , vết cắt
dọc hay vết đường nước .
+ Để phục vụ cho q trình gia cơng, phần mềm tự động xuất ra bản vẽ
dưỡng mẫu bao gồm cả hình dáng và trị số để gia công dưỡng .
+ Một công cụ tương đối mạnh của phần mềm đó là cung cấp cho người
dùng trị số bệ khuôn khi sử dụng bệ khuôn xoay.
3.2.3. Auto Hydro :
+ Cung cấp công cụ để tính tốn một cách nhanh chóng và chính xác yếu
tố thủy lực , ổn định của tàu ở mọi trạng thái tải trọng của tàu. Bên cạnh đó là
cơng cụ để tính tốn dung tích khoang két .

+ Cung cấp cơng cụ để tính tốn mơ men uốn và ứng suất do uốn dọc
chung toàn tàu ở trạng thái tải trọng do áp lực thủy tĩnh gây ra .
3.2.4. Auto Power ;
+ Tự động tính tốn sức cản cho tất cả các loại tàu dựa trên thơng số kích
thước chủ yếu của thân tàu , dạng tuyến hình .
+ Trên cở sở kết quả thu được về sức cản tồn bộ, phần mềm cung cấp
cơng cụ hỗ trợ tính tốn cơng suất máy và đường kính chân vịt tối ưu.
+ Phần mềm tự động xuất ra các đồ thị : đường cong sức cản, công suất
máy theo tốc độ
3.2.5. Auto Structure:
+ Cung cấp cơng cụ để mơ hình hóa kết cấu thân tàu dạng mơ hình 3
chiều một cách nhanh chóng chính xác.
+ Kết quả đầu ra là bản vẽ kết cấu, dạng hình chiếu và mặt cắt , bản vẽ lắp
ráp dạng không gian ba chiều , bảng tổng hợp khối lượng vật tư và tọa độ trọng
tâm các phân , tổng đoạn. Ngồi ra, chương trình cịn tự động xuất ra bản vẽ các
chi tiết kết cấu phục vụ cho việc hạ liệu , chế tạo các chi tiết .
3.2.6. Auto Nest:
+ Cung cấp cho người dùng công cụ để sắp xếp tối ưu các chi tiết dạng
nẹp và các chi tiết dạng thép hình với mục đích sử dụng vật tư tiết kiệm nhất.
+ Chương trình có thể tự động sắp xếp hàng nghìn chi tiết lên những khổ
tôn cho trước trong vài phút .

20