nghiên cứu thuật toán tính toán chính xác tay đòn ổn định tàu thủy theo phương pháp của pgs nguyễn quang minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY SẢN
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN TÀU THUYỀN
b


PHÙNG TẤN ĐẠT



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN CHÍNH XÁC
TAY ĐÒN ỔN ĐỊNH TÀU THỦY THEO PHƯƠNG PHÁP
CỦA PGS NGUYỄN QUANG MINH


CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ TÀU THUYỀN



GVHD: PGS.TS NGUYỄN QUANG MINH
KS HUỲNH LÊ HỒNG THÁI





NHA TRANG, 06 - 2006
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ, tên SV : Phùng Tấn Đạt Lớp 43TT
Ngành : Cơ khí tàu thuyền Mã ngành : 18.06.10
Tên đề tài : Nghiên cứu thuật toán tính toán chính xác tay đòn ổn định
tàu thủy theo phương pháp của PGS Nguyễn Quang Minh.
Số trang : 65 Số chương : 03 Số tài liệu tham khảo : 06
Hiện vật :


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN










Kết luận :

Nha trang, ngày tháng năm 2006
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
( Ký, ghi rõ họ tên)


PGS.TS NGUYỄN QUANG MINH
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG LVTN

Họ, tên SV : Phùng Tấn Đạt Lớp 43TT

Ngành : Cơ khí tàu thuyền Mã ngành : 18.06.10
Tên đề tài : Nghiên cứu thuật toán tính toán chính xác tay đòn ổn định
tàu thủy theo phương pháp của PGS Nguyễn Quang Minh
Số trang : 65 Số chương : 03 Số tài liệu tham khảo : 06
Hiện vật :


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN








Điểm phản biện :

Nha trang, ngày tháng năm 2006
CÁN BỘ PHẢN BIỆN
( Ký, ghi rõ họ tên)


Nha trang, ngày tháng năm 2006
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
( Ký, ghi rõ họ tên)
ĐIỂM CHUNG
Bằng số Bằng chữ

LỜI CÁM ƠN

Sau hơn 3 tháng tích cực tìm hiểu, xây dựng đề tài: “Nghiên cứu thuật toán
tính chính xác tay đòn ổn định tàu thủy theo phương pháp của PGS.TS Nguyễn
Quang Minh” cho đến nay đề tài đã được hoàn thành.
Em xin chân thành cảm ơn: Ban chủ nhiệm khoa cơ khí – Trường Đại Học
Thủy Sản; các thầy cô trong Bộ môn tàu thuyền đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để đề
tài được triển khai.
Đặc biệt em xin cảm ơn thầy PGS Nguyễn Quang Minh, người đã trực tiếp
hướng dẫn tận tình em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Cảm ơn KS Huỳnh Lê Hồng Thái, người đã đóng góp những ý kiến giúp em
hoàn thành đề tài.
Một lần nữa, em xin cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của bố mẹ, anh, chị, em
cùng tất cả các bạn bè đã dành những tình cảm động viên em vượt qua khó khăn để
hoàn thành đề tài.
Em thành thật biết ơn!













Đ

Đ
Ề
Ề


C
C
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


L
L
U
U
Ậ
Ậ
N
N


V
V
Ă

Ă
N
N


T
T
Ố
Ố
T
T


N
N
G
G
H
H
I
I
Ệ
Ệ
P
P



Họ và tên sinh viên: PHÙNG TẤN ĐẠT Lớp: 43TT
Địa chỉ liên hệ: 10A Nguyễn Đình Chiểu, Nha Trang, Khánh hòa.

Tên đề tài: Nghiên cứu thuật toán tính toán chính xác tay đòn ổn định tàu thủy
theo phương pháp của PGS.TS Nguyễn Quang Minh.
Ngành: Cơ khí Tàu thuyền Mã ngành: 18.06.10
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN QUANG MINH
KS. HUỲNH LÊ HỒNG THÁI
I. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1. Đối tượng nghiên cứu: Bài toán ổn định tàu thủy.
2. Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng thuật toán tính tay đòn ổn định theo
phương pháp của PGS Nguyễn Quang Minh
3. Mục tiêu nghiên cứu: Giải quyết vấn đề tính toán chính xác tay đòn ổn
định theo phương pháp của PGS Nguyễn Quang Minh và hướng đến tự động hóa
việc tính toán bằng chương trình máy tính.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tổng quan về lý thuyết ổn định tàu thủy.
1.2. Cơ sở lý thuyết tính tay đòn ổn định tàu thủy.
1.3. Giá trị ứng dụng và nhu cầu hoàn thiện.
1.4. Giới hạn nội dung và phương pháp nghiên cứu.
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP VÀ
THUẬT TOÁN
2.1. Phương pháp tính tay đòn ổn định theo PGS Nguyễn Quang Minh.
2.2. Phương pháp Spline ứng dụng trong bài toán xấp xỉ.
2.3. Thuật toán Spline ứng dụng trong tính toán các đại lượng hình học hình
cong.
Chương 3. TÍNH TAY ĐÒN ỔN ĐỊNH THEO PHƯƠNG
PHÁP CỦA PGS NGUYỄN QUANG MINH
3.1. Qui trình tính tay đòn ổn định tàu thủy theo phương pháp của Pgs
Nguyễn Quang Minh.
3.2. Quá trình và kết quả tính toán tay đòn ổn định trên một tàu cụ thể.

NHẬN XÉT – KẾT LUẬN
ĐỀ XUẤT Ý KIẾN

III. KẾ HOẠCH THỜI GIAN
1. ĐI THỰC TẾ:
2. KẾ HOẠCH HOÀN THÀNH BẢN THẢO:
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ.
Từ: 15/03/2006 Đến: 30/03/2006
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁPVÀ
THUẬT TOÁN
Từ: 31/03/2006 Đến 30/04/2006
Chương 3: TÍNH TAY ĐÒN ỔN ĐỊNH THEO PHƯƠNG PHÁP CỦA
PGS NGUYỄN QUANG MINH
Từ:01/05/2006 Đến: 31/05/2006
NHẬN XÉT – KẾT LUẬN
ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
Từ: 01/06/2006 Đến: 7/06/2006
Hoàn thành bản thảo: Trước ngày 14/06/2006.
Nha Trang, ngày 10 tháng 03 năm 2006
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ, tên)


PGS NGUYỄN QUANG MINH
SINH VIÊN
(Ký và ghi rõ họ, tên)


PHÙNG TẤN ĐẠT

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN Trang
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 01
1.1. Tổng quan về lý thuyết ổn định tàu thủy 02
1.2. Cơ sở lý thuyết tính tay đòn ổn định tàu thủy 03
1.2.1. Một số vấn đề về đường hình lý thuyết tàu 03
1.2.2. Biểu thức tính mômen hồi phục và tay đòn ổn định tàu thủy 07
1.2.3. Tiêu chuẩn ổn định 11
1.2.4. Cơ sở tính toán tay đòn ổn định theo các phương pháp truyền
thống 13
1.3. Giới hạn nội dung và phương pháp nghiên cứu 21
1.4. Giá trị ứng dụng và nhu cầu hoàn thiện 22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ CỦA LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP VÀ
THUẬT TOÁN 24
2.1. Phương pháp tính tay đòn ổn định tàu thủy của PGS Nguyễn Quang Minh 25
2.2. Phương pháp Spline ứng dụng trong bài toán xấp xỉ 29
2.1.1. Khái niệm về đường cong bậc ba Spline 29
2.1.1. Phương pháp Spline ứng dụng trong bài toán xấp xỉ 30
2.3. Thuật toán Spline ứng dụng trong tính toán các đại lượng hình học hình cong.34
CHƯƠNG 3: TÍNH TAY ĐÒN ỔN ĐỊNH TÀU THỦY THEO PHƯƠNG
PHÁP CỦA PGS NGUYỄN QUANG MINH 40
3.1. Qui trình tính tay đòn ổn định tàu thủy theo phương pháp của Pgs
Nguyễn Quang Minh 41
3.1.1. Đọc bản vẽ đường hình và các thông số hình học của tàu 41
3.1.2. Xác định và vẽ đường hình qui đổi phần trên boong 41
3.1.3. Hàm hóa MCN giữa của tàu trên cơ sở của thuật toán Spline 41

3.1.4. Tính chính xác diện tích MCN giữa (ω) và mômen tĩnh của chúng

đối với trục oy (M
ωoy
) 42
3.1.5. Hàm hóa MCN giữa tàu theo phương pháp của PGS Nguyễn
Quang Minh 42
3.1.6. Xác định và vẽ những đường thẳng biểu diễn các MĐN đẳng tích
ứng với từng góc nghiêng tính toán 43
3.1.7. Tính diện tích và mômen tĩnh diện tích đối với các trục oy, oz theo
các mớn nước đẳng tích 44
3.1.8. Tính tọa độ tâm nổi tại các góc nghiêng 44
3.1.9. Tính tay đòn ổn định của tàu l
θ
theo các giá trị Y
C
, Z
C
, Z
g
tính
được 45
3.1.10. Biểu diễn đồ thị tay đòn ổn định tàu thủy l
θ
trên hệ trục (θ, l
θ
) từ
kết quả trên 45
3.2. Quá trình và kết quả tính tay đòn ổn định trên một tàu cụ thể 46
3.2.1. Đọc bản vẽ đường hình của tàu được chọn 46
3.2.2. Hàm hóa đường hình MCN giữa tàu theo thuật toán Spline 48
3.2.3. Hàm hóa đường hình MCN giữa tàu theo phương pháp của Pgs

Nguyễn Quang Minh 50
3.2.4. Xác định và vẽ những đường thẳng biểu diễn các mặt đường nước
đẳng tích 52
3.2.5. Tính tọa độ trọng tâm MCN giữa Y
E
, Z
E
ứng với các góc nghiêng 53
3.2.6. Tính tay đòn ổn định của tàu Bth 400 – BTS 58
3.2.7. Kết quả tính theo phương pháp của GS Vlaxov
NHẬN XÉT - KẾT LUẬN 63
ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 65





LỜI NÓI ĐẦU

Công nghiệp tàu thủy là một ngành đang phát triển rất mạnh ở nước ta trong
những năm gần đây, rất nhiều tập đoàn nước ngoài đã đến và đầu tư xây dựng các
nhà máy đóng tàu rất lớn. Riêng đối với nước ta cũng đã thiết kế và đóng thành
công nhiều chiếc tàu trọng tải lên đến 65000 tấn và cũng đã nhận được nhiều đơn
đặc hàng từ nước ngoài đóng những con tàu với trọng tải hàng chục nghìn tấn.
Mặc dù vậy, như chúng ta đã biết nước ta có điều kiện địa lý rất thuận lợi với
bờ biển dài trên 3200 km, chiếm phần lớn bờ phía Tây của Biển Đông cùng với một
tiềm năng thủy sản khá phong phú, góp phần rất lớn vào việc phát triển nền kinh tế
đất nước, đem lại nhiều nguồn thu có giá trị. Để đạt được điều đó thì một phương
tiện không thể thiếu đó chính là đội tàu cá Việt Nam. Ta phải phát triển chúng thành
một đội quân hùng mạnh phục vụ ngày càng nhiều hơn cho nhu cầu đánh bắt xa bờ

của nhân dân ta nói riêng và đất nước ta nói chung.
Một điều quan trọng hơn nữa cần nói đến đó là sự an toàn của con tàu cũng
như thủy thủ khi hoạt động trong điều kiện hải dương khắc nghiệt .
Lý thuyết hóa hiện tượng trên, trong mục đích phòng tránh càng nhiều càng
tốt các tai nạn lật tàu, một trong những tai nạn triệt để và khủng khiếp nhất, diễn ra
chỉ trong giây lát và kéo theo những hậu quả to lớn vô phương khắc phục. Lý thuyết
tàu thủy định nghĩa tính năng ổn định là khả năng con tàu có thể chống lại các
mômen ngoại lực để không bị lật trong các điều kiện nhất định, hình thành cả một
chiến lược nghiên cứu đảm bảo ổn định cho tàu và thủy thủ nói chung.
Đã có nhiều phương pháp tính toán ổn định tàu thủy do nhiều nhà khoa học
nổi tiếng trên thế giới đề xuất nhưng vẫn chưa đem lại sự thỏa mãn trong giới
chuyên môn, còn tồn tại nhiều nhược điểm. Phương pháp của PGS.TS Nguyễn
Quang Minh áp dụng kết quả hàm hóa bề mặt lý thuyết tàu trong bài toán ổn định
đã cho nhiều kết quả rất khả quan, khắc phục được nhiều nhược điểm của các
phương pháp trước đây.

Để tăng thêm độ chính xác cho phương pháp, ở đây chúng tôi đã đưa ra một
thuật toán mới đó chính là thuật toán Spline với những đường cong xấp xỉ bậc ba
ứng dụng trong tính toán các đại lượng hình học hình cong phẳng áp dụng trực tiếp
trong bài toán ổn định tàu thủy.
Phương pháp của PGS Nguyễn Quang Minh cùng với thuật toán mới này
chúng tôi hy vọng sẽ giúp các bạn trong ngành có một cái nhìn mới về tính ổn định
tàu thủy để từ đó có thể đi tính toán một cách chính xác tay đòn ổn định đồng thời
mở ra một hướng mới trong bài toán thuận và nghịch cũng như bài toán thiết kế tàu,
đem lại sự an toàn cho tàu và thủy thủ khi hoạt động ngoài biển khơi, góp phần vào
việc thúc đẩy chiến lược phát triển nền kinh tế biển nước ta trong tương lai.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn cùng với lượng kiến thức còn hạn chế
nên đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến
của quý Thầy giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Nha Trang, tháng 06 năm 2006

Sinh viên thực hiện:


Phùng Tấn Đạt



-1-

Chương I
ĐẶT VẤN ĐỀ

-2-
1.1. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH TÀU THỦY:
Tàu thủy là một công trình hoạt động trên biển, trong những điều kiện rất
phức tạp.Vì thế vấn đề là phải đảm bảo cho con tàu một số các tính năng đặc biệt
nhất định trước khi cho con tàu ra biển gọi chung là các tính năng hàng hải bao
gồm: tính nổi, tính ổn định, tính chống chìm, tính lắc, tính giữ hướng và quay trở,
tốc độ …
Lý thuyết tàu thuộc về khoa học các tính năng của con tàu, là môn khoa học
nổi của tàu thủy trong thời gian đứng yên cũng như chuyển động, là một bộ phận
của thủy khí ứng dụng. Chuyên khảo sát các tính năng hàng hải của tàu thủy, nó
không những giải quyết những câu hỏi đặt ra cho thế giới tàu thuyền mà còn đáp
ứng nhu cầu của con người với biển cả.
Và một vấn đề rất quan trọng trong mục đích phòng tránh được càng nhiều
càng tốt các tai nạn lật tàu, một trong những tai nạn triệt để và khủng khiếp nhất,
diễn ra trong giây lát và kéo theo hàng loạt các hậu quả to lớn vô phương khắc
phục, đó chính là tính năng ổn định của tàu thủy. Và đây cũng là cả một quá trình
nghiên cứu hàng trăm năm nay của các nhà khoa học trên thế giới.
Tính ổn định là khả năng tàu có thể khôi phục lại vị trí cân bằng ban đầu khi
mômen ngoại lực tác dụng lên tàu làm nghiêng tàu ra khỏi vị trí cân bằng. Lý thuyết
ổn định đi nghiên cứu các ngoại lực tác dụng lên tàu dưới dạng mômen nghiêng làm
tàu nghiêng ngang hoặc nghiêng dọc trên nước trong phạm vi lượng nước giãn của
tàu không đổi (nghiêng đẳng tích), từ đó có thể tính một cách chính xác các thông
số ảnh hưởng đến vị trí cân bằng của tàu, đặc biệt là yếu tố tâm nổi cùng với các tọa
độ hình học của nó.

Tính ổn định là một trong những tính năng hàng hải quan trọng của tàu thủy,
đặc biệt là đối với tàu cá. Giữ gìn và duy trì nó là nhiệm vụ quan trọng bậc nhất của
các thủy thủ trên tàu. Hiện nay với trình độ và năng lực đóng tàu của nước ta thì
việc đảm bảo cho con tàu có thể nổi được trên mặt biển không còn là vấn đề khó
khăn nữa, nhưng việc đóng một con tàu để cho nó đảm bảo tính ổn định thì không
đơn giản chút nào. Nếu tàu mất ổn định sẽ dẫn đến nguy cơ lật tàu, gây nhiều thiệt
-3-
hại về người và của. Còn nếu tàu có tính ổn định thấp nghĩa là không đạt được yêu
cầu của các tiêu chuẩn ổn định hoặc là không đáp ứng hoàn toàn các yêu cầu đó sẽ
làm cho tàu không thể hoạt động an toàn trên biển trong những điều kiện thời tiết
phức tạp hơn, làm giảm thời gian hành hải trên biển. Ngược lại, nếu tàu có tính ổn
định quá cao (cao hơn nhiều so với các định mức ổn định ban đầu hoặc ở các góc
nghiêng lớn) sẽ ảnh hưởng đến một số đặc tính khác của tàu, làm cho thủy thủ trên
tàu khó có thể thao tác thuận tiện trên boong, trong các khoang trong điều kiện tàu
lắc lớn, phủ sóng mạnh, mặc dù không có nguy cơ lật tàu.
Vì vậy, đảm bảo ổn tính cho tàu đi biển trước hết không những phải làm sao
cho tàu không bị lật và tránh dẫn đến nguy cơ lật tàu, mà còn đảm bảo cho tàu và
đội thủy thủ làm việc an toàn, thuận tiện trong những điều kiện sóng gió nhất định.
Ổn tính cho tàu đi biển mang tính lý thuyết cao và tính thực tiễn lớn. Vấn đề
này chưa được giải quyết toàn diện và còn nhiều tồn tại trong lĩnh vực tàu thuyền
nói chung và đặc biệt là trong nghề cá nước ta hiện nay.
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TAY ĐÒN ỔN ĐỊNH TÀU THỦY:
1.2.1. Một số vấn đề về đường hình lý thuyết tàu
1.2.1.1. Các kích thước chủ yếu của thân tàu:
+ Chiều dài mớn nước L
mn
: Là khoảng cách giữa sống mũi và mép sau của
sống lái tính trên đường nước chở hàng.
+ Chiều rộng lớn nhất B
max

: là khoảng cách lớn nhất đo trong mặt cắt ngang
giữa tàu tính từ điểm tận cùng bên phải đến điểm tận cùng bên trái của tàu.
+ Chiều rộng B: là khoảng cách đo từ mạn trái đến mạn phải của tàu trên mặt
đường nước tại MCN rộng nhất của tàu.
+ Chiều cao H: là khoảng cách được đo tại MCN của tàu, tính từ đường cơ
bản đến mặt mép boong.
+ Mớn nước T: là khoảng cách thẳng góc tính từ đường cơ bản đến mặt
đường nước hiện hành.
+ Thể tích phần chìm V: là thể tích thân tàu, phần nằm trong nước.
-4-
1.2.1.2. Các hệ số hình dạng thân tàu:
Các chỉ số hình dạng thường được dùng để biểu thị đặc trưng hình dạng phần
chìm của thân tàu, các hệ số hình dáng bao gồm: Hệ số thể tích nước chiếm (δ), hệ
số diện tích MĐN (α), hệ số diện tích MCN(β).
+ Hệ số thể tích nước chiếm (δ): Là tỉ số giữa thể tích chiếm nước và thể tích
hình hộp ngoại tiếp thân tàu (kích thước LxBxT), δ biểu thị độ béo gầy của thân tàu.
LXBXT
V
=δ

Trong đó: - L : Chiều dài giữa hai đường vuông góc.
- B : Chiều rộng thân tàu
- T : Mớn nước
- V : Thể tích nước chiếm tương ứng với mớn nước
+ Hệ số diện tích MĐN (α): Là tỷ số giữa diện tích MĐN và diện tích hình
chữ nhật ( kích thước LxB ) ngoại tiếp MĐN đó.
LXB
S
n
=α

Trong đó: - S
n
: Diện tích MĐN.
- L : Chiều dài giữa hai đường vuông góc.
- B : Chiều rộng thân tàu.
+ Hệ số diện tích MCN (β): Là tỷ số giữa diện tích MCN giữa tàu và hình
chữ nhật ( kích thước BxT ) ngoại tiếp MCN đó.

BXT
ω
β =

Trong đó: - ω : Diện tích MCN giữa tàu.
- B : Chiều rộng thân tàu.
- T : Mớn nước.
-5-
1.2.1.3. Các yếu tố về MĐN:
Các yếu tố quan trọng của mặt đường nước là:
+ Diện tích MĐN:
Chia nhỏ MĐN dọc theo chiều dài tàu thành n khoảng cách đều nhau ΔL với
ΔL = L/2.
Khi đó:








+
−∆==
∑
∫
=
−
n
i
n
i
l
l
n
yy
yLdxyS
0
0
2/
2/
2
.2 2








+

−∆=
∑
=
n
i
n
in
yy
yLS
0
0
2
.2

+ Hệ số diện tích MĐN (α):
Diện tích MĐN là tỷ số giữa diện tích đường nước S
n
và diện tích hình chữ
nhật ( kích thước LxB ) ngoại tiếp MĐN đó.

LXB
S
n
=α

+ Trọng tâm diện tích mặt đường nước F(x
f ,
y
f
):

Do MĐN đối xứng qua trục Ox nên y
f
= 0 (y
f
là tọa độ ngang của trọng tâm
diện tích MĐN).
Mômen tĩnh của trọng tâm diện tích MĐN đối với trục Oy:

( ) ( )






−−−∆==
∑
∫
=
−
m
ki
nđimi
l
l
Soy
yy
m
yyiLdxyxM
0

2
2/
2/
2
.2 2

( ) ( )






+
−






−−−
∆==
∑
∑
=
=
n
i
n

i
m
ki
nđimi
n
Soy
f
yy
y
yy
m
yyi
L
S
M
X
0
0
0
2
2


-6-
1.2.1.4. Các yếu tố về MCN:
Các yếu tố quan trọng của MCN là:
+ Diện tích MCN
Chia nhỏ MCN theo chiều cao tàu thành k khoảng cách đều nhau ΔT (k là số
MĐN )
Khi đó:













+
−∆==
∑
∫
=
2
.2.2
0
0
0
k
k
i
i
T
yy
yTdzyω

+ Hệ số diện tích MCN:
Là tỷ số giữa diện tích MCN giữa tàu và hình chữ nhật ( kích thước BxT )
ngoại tiếp MCN đó.
TBΧ
=
ω
β

+ Tọa độ trọng tâm diện tích MCN:







+
−






+
−
∆===
∑
∑

∫
∫
=
=
2
22
.

0
0
0
0
0
0
k
k
i
i
k
k
i
i
T
T
oy
yy
y
yy
k
iy

T
dzy
dzzy
M
Z
ω
ω
ω

1.2.1.5. Thể tích chiếm nước của tàu (V):
Ta có thể tìm diện tích MĐN, diện tích MCN; diện tích MCD làm tọa độ để
tính toán các yếu tố thể tích chiếm nước. Ở đây chọn diện tích chiếm nước MĐN
làm tọa độ tính toán cho các yếu tố thể tích của tàu:







+
−∆==
∑
∫
=
k
i
k
i
T

n
SS
STdxSV
0
0
0
2
.

Trong đó:
• S
i
: Diện tích MĐN thứ i.
• ΔT : Khoảng cách giữa các đường nước.
• k : Số mặt đường nước.
-7-
1.2.2. Biểu thức tổng quát tính mômen hồi phục và tay đòn ổn định tàu
thủy:
Ở đây ta chỉ xét đến ổn định ngang .
Tại vị trí cân bằng góc nghiêng θ = 0
o
÷ 90
0
thì tổng các mômen bằng 0
∑
= 0
0
M
Suy ra: M
ng

+ P.sinθ.Zg – D.cosθ.Yc – D.sinθ.Zc = 0
Vì cân bằng nên: P = D
⇒
M
ng
= P( cosθ.Yc + sinθ.Zc – sinθ.Zg )
⇒
M
ng
= M
hp
= P.l
hp
= P( cosθ.Yc + sinθ.Zc – sinθ.Zg )
Suy ra biểu thức tính tay đòn ổn định là:
L
hp
= cosθ.Yc + sinθ.Zc – sinθ.Zg
Trong đó:
• L
hd
= cosθ.Yc + sinθ.Zc : Là cánh tay đòn ổn định hình dáng,
phụ thuộc vào hình dáng con tàu.
• L
tl
= sinθ.Zg : Là cánh tay đòn ổn trọng lượng, phụ thuộc vào
sự phân bố tải trọng trên tàu.

v Cánh tay đòn ổn định tĩnh:
Những công thức ổn tính ban đầu chỉ được áp dụng khi góc nghiêng nhỏ. Vì
vậy, trong nhiều trường hợp thực tế quan trọng khác không thể dùng chúng để xác
định góc nghiêng, đặc biệt khi cần giải thích tàu có nguy cơ bị lật hay không, tức là
C
G
E
N
C1
K
D
W1
L1
W0
L0

-8-
khi đánh giá mức độ an toàn đi biển.
Độ nghiêng dọc lớn thường ít xảy ra, do đó để xác định độ nghiêng dọc của
tàu chỉ cần dùng công thức tính ổn tính ban đầu.
Chúng ta cố gắng giải thích vì sao những công thức tính ổn tính ban đầu
không thể áp dụng được cho những góc nghiêng lớn.
Một trong những nguyên nhân cơ bản của lý thuyết ổn tính là thể tích bằng
nhau của góc nghiêng: khi nghiêng thể tích phần dưới nước của tàu không thay đổi,

mặc dù hình dáng của nó thay đổi. Trong trường hợp nghiêng cân bằng thể tích nhỏ,
những đường cắt nhau theo trục đi qua trọng tâm F của đường ban đầu. Trong
trường hợp đó tâm đẩy dịch chuyển theo cung đường tròn với tâm tại điểm gọi là
tâm ổn định.
Ở những góc nghiêng lớn, những đường nước cân bằng thể tích không đi qua
trọng tâm của đường nước ban đầu. Điều đó được thấy rõ trên đường nước W
2
L
2

miêu tả ở hình sau và ứng với góc nghiêng 90
0
.









Từ đó ta rút ra rằng: khi tàu nghiêng tâm đẩy không dịch chuyển theo đường
tròn mà theo đường cong phức tạp hơn (CC
1
C
2
). Tức là những công thức ổn tâm
ban đầu chỉ đúng với các góc nghiêng nhỏ.
Để nghiên cứu ở những góc nghiêng lớn, ta phải đứng ở gốc độ khác để xem

xét vấn đề một cách thiết thực hơn. Tàu chịu tác dụng của trọng lượng D và lực đẩy
γ.V. Lực đẩy đó không thay đổi do nghiêng cân bằng thể tích. Những lực có giá trị
C
C1
W1
L1
W0
L0
F
C2
L2
W2

-9-
bằng nhau và hướng ngược chiều nhau đó tác dụng vuông góc với đường nước và
tạo ra ngẫu lực phục hồi với mômen: M
0
= D.l
0
Trong đó: l
0
là cánh tay đòn ổn tính tĩnh

Từ hình vẽ ta thấy rõ cánh tay đòn ổn tính tĩnh bằng hiệu hai đoạn thẳng CN
và CE. Đoạn thẳng CN là đường vuông góc hạ từ tâm đẩy khi tàu thẳng đứng đến
đường tác dụng của lực đẩy khi tàu nghiêng. Giá trị của đoạn thẳng đó, ngoài góc
nghiêng ra còn phụ thuộc vào hình dáng và kích thước của con tàu. Do đó nó được
gọi là tay đòn hình dáng l
hd
. Giá trị đoạn thẳng CE là cánh tay đòn trọng lượng l
tl

phụ thuộc vào vị tương quan giữa trọng tâm và tâm đẩy. Từ tam giác CEG rút ra
được: l
tl
= a.sin θ
Trong đó: a – chiều cao trọng tâm so với tâm đẩy khi tàu thẳng đứng. Sau khi
ký hiệu tung độ của chúng tương ứng là Zc và Zg ta có:
a = Zg – Zc
Khi sử dụng các ký hiệu đưa ra đối với các cánh tay đòn ổn tính hình dáng và
ổn tính trọng lượng ta viết: l
θ
= l
hd
- l
tl

Cùng một lượng nước đẩy, vị trí trọng tâm của tàu ( phụ thuộc vào sự sắp
xếp hàng hóa ) có thể thay đổi theo chiều cao. Và vì vậy ổn tính của tàu sẽ khác
nhau. Trọng tâm của tàu càng nâng cao thì cánh tay đòn ổn định tĩnh sẽ thấp đi.
C

G
E
N
C1
K
D
W1
L1
W0
L0

-10-
v Giản đồ ổn tính tĩnh:
Giản đồ ổn tính tĩnh là đồ thị biểu thị mối quan hệ phụ thuộc của cánh tay
đòn ổn tính tĩnh vào góc nghiêng θ. Đồ thị cũng được mang tên là đồ thị Rid ( tên
nhà bác học về tàu thuyền nổi tiếng của Anh ). Để đạt được một kết quả như nhau
người ta có thể thay thế trên giản đồ ổn tính tĩnh bằng mômen phục hồi ( sau khi đã
đổi tỷ lệ cho tương ứng ):











Chúng ta sẽ đánh dấu những đặc trưng của giản đồ ổn tính tĩnh. Điểm A

tương ứng với cánh tay đòn ổn tính tĩnh lớn nhất l
max
, góc nghiêng ứng với nó ký
hiệu là θ
max
.
Tại điểm B giản đồ cắt trục hoành và cánh tay đòn ổn tính tĩnh bằng 0. Điểm
B gọi là điểm lặn của giản đồ ổn tính tĩnh và góc θ được gọi là góc lặn.
Phần đầu của giản đồ dễ dàng gắn liền với công thức ổn tâm mà tương ứng
với nó mômen hồi phục bằng: M
θ
= D.h. θ
Từ đó cánh tay đòn ổn tính tĩnh có thể xác định theo công thức: l
θ
= h. θ. Đồ
thị cánh tay đòn ổn tính tĩnh được biểu thị bằng công thức là đường thẳng ở những
góc nghiêng nhỏ trùng với giản đồ tính khi công thức ổn tâm còn đúng, hay chính
xác hơn đường thẳng đó là tiếp tuyến OC với đoạn đầu của giản đồ. Đường thẳng
OC có thể dựng được dễ dàng nếu như từ điểm D trên trục góc nghiêng ứng với góc
1rad
A
C
O
D B
0m
0
0
l
0

lặn
-11-
bằng 1 radian (tức là 57,3
0
) ta đặt đoạn DC thẳng đứng bằng độ cao ổn tâm theo tỷ
lệ của giản đồ. Xuất phát từ công thức việc dựng đó là đúng.
Thật vậy, nếu coi θ = 1 thì cánh tay đòn ổn tính tĩnh sẽ bằng độ cao ổn tâm.
Đặc tính phần đầu của giản đồ ổn tính tĩnh của giản đồ có thể khác nhau.
Dạng phổ biến nhất giản đồ với nhánh lồi ban đầu được chỉ trên hình.
1.2.3. Tiêu chuẩn ổn định:
Tiêu chuẩn ổn định là những chỉ tiêu hoặc những định mức nhằm đảm bảo
an toàn tối đa cho con tàu về phương diện ổn định.
Tất cả các loại tàu phải thỏa mãn yêu cầu cơ bản về ổn định chung cho tất cả
các loại tàu, ngoài ra còn phải thỏa mãn các yêu cầu khác ứng với từng loại tàu.
Tùy theo cách đặt vấn đề, cho đến nay có hai hệ thống tiêu chuẩn về ổn định.
a. Tiêu chuẩn vật lý:
Tiêu chuẩn này được xây dựng trên cơ sở giải bài toán cân bằng của tàu dưới
tác dụng của tất cả các mômen ngoại lực.
Với cách đặt vấn đề như vậy nên tiêu chuẩn vật lý có tính khoa học cao, sáng
tạo và nó tạo điều kiện để tìm kiếm và áp dụng các sáng kiến, nhưng rất phức tạp và
khó thực hiện, đặc biệt nó đòi hỏi phải nghiên cứu thực nghiệm.
Vì những lý do nói trên, nên tiêu chuẩn ổn định có bản chất vật lý chỉ có đối
với một số nước như: Nga, Mỹ, Nhật, Trung Quốc…
Ở đây lấy ví dụ là tiêu chuẩn của Nga.
Tàu được coi là ổn định nếu: K =
ng
gh
M
M
> 1

Trong đó:
- M
ng
: Mômen giới hạn, giá trị mômen lớn nhất mà tàu có thể
chịu được mà không bị lật.
- M
ng
: Mômen nghiêng tác dụng lên tàu tại thời điểm đang xét.
Mômen nghiêng được theo công thức:
M
ng
= 0,001.p
g
.s.z
pg
-12-
Trong đó:
- P
g
: Áp suất của gió ở cấp cho trước .
- S : Diện tích mặt chịu gió của tàu.
b. Tiêu chuẩn thống kê:
Hệ tiêu chuẩn thống kê được xây dựng dựa trên cơ sở :
- Thống kê những vụ đắm tàu do thiếu ổn định.
- Xác định những yếu tố thiếu ổn định là nguyên nhân gây tai nạn đắm tàu.
- Xác định giới hạn của các yếu tố đó và đưa ra thành tiêu chuẩn.
Với cách đặt vấn đề như vậy nên hệ thống tiêu chuẩn thống kê rất phù hợp
với thực tế và có thể thiết lập được. Tuy nhiên hệ tiêu chuẩn này khá bảo thủ và hạn
chế việc sáng tạo những mẫu đóng tàu mới.
Với Việt Nam hiện nay chúng ta thường sử dụng một hệ tiêu chuẩn ổn định

do tổ chức IMO đề xuất. Tiêu chuẩn này được xây dựng dựa trên cơ sở phương
pháp của nhà khoa học Rakhale.
Tiêu chuẩn này gồm một hệ với 6 điều kiện sau:
+ h
0
≥ 0,35 (m)
+ l
θ30
≥ 0,20 (m)
+ θ
m
≥ 25
0
÷ 30
0

+ l
d30
≥ 0,055 (m)
+ l
d40
≥ 0,090 (m)
+ l
d40
- l
d30
≥ 0,030 (m)
Kiểm nghiệm thực tế cho thấy đối với tàu cá ven biển Việt Nam thì tiêu
chuẩn IMO khá thích hợp. Trong kết quả nghiên cứu của mình PGS.TS Nguyễn
Quang Minh cũng đã chứng minh được rằng, đối với tập hợp tàu nghề cá ven bờ các

tỉnh phía nam Việt Nam tiêu chuẩn l
θ30
≥ 0,20 (m) có thể coi là tiêu chuẩn tương
đương với cả hệ 6 tiêu chuẩn IMO 1974.
Từ tiêu chuẩn tương đương đó, với tàu nghề cá Việt Nam có thể thiết lập tiêu
chuẩn đơn giản, dễ áp dụng dưới dạng như sau:
-13-

10
229 B
H
B
H
B −
=






≥

1.2.4. Cơ sở tính toán tay đòn ổn định theo các phương pháp truyền
thống:
1.2.4.1. Phương pháp trực tiếp:
Trên cơ sở số liệu đã cho tính trực tiếp tay đòn ổn định theo biểu thức sau:
l
θ
= y

c
.cosθ + (z
c
– z
co
)sinθ – (z
g
- z
go
)sinθ
Trong đó:

V
M
y
Vxoz
c
=


V
M
z
Vxoy
c
=


∫
=

lm
lđ
dxV .ω


∫
=
lm
lđ
ozVxoz
dx
MM .
ω


∫
=
lm
lđ
oyVxoy
dxMM .
ω

Ngoài các ký hiệu đã rõ ở phần trên ta còn có một số ký hiệu sau:
+ M
Vxoy
; M
Vxoz
: Mômen tĩnh của thể tích V ứng với mặt tọa độ xoy, xoz theo
góc nghiêng đang xét.

+ W: Diện tích phần chìm của mặt cắt ngang trên góc nghiêng θ đang xét.
+ M
Woy,
M
Woz
: Các mômen tĩnh của diện tích đối với các trục oy, oz
Theo hình dưới đây, các đại lượng w,M
Woy
, M
Woz
có thể tính theo các biểu
thức trực tiếp:
-14-
















−++=

−++=
++=
ozozozozoz
oyoyoyoyoy
MMMM
MMMM
4321
4321
4321
M
M
w- w w w w
ωωωωω
ωωωωω

Tuy nhiên ở đây không thể khắc phục được sai số do phải đo đạc quá nhiều
điểm trên đường hình lý thuyết tàu.
1.2.4.2. Phương pháp của viện sĩ Crưlop:
Phương pháp của viện sĩ hàn lâm khoa học người Nga Crưlov được coi là
phương pháp tính dựa trên các số liệu đo trực tiếp từ ĐHLT tàu, hoàn thiện nhất về
mặt lý thuyết đồng thời đảm bảo độ chính xác cao nhất.
Khi nghiên cứu ổn định của lý thuyết tàu thủy ông nhận thấy ,khi tàu
nghiêng đến một góc θ thì tọa độ trọng tâm thể tích chiếm nước cũng sẽ thay đổi
theo một cung C
0
C.
1
W1
L3
W0

L0
1
4
3
2
2
0

-15-









Và như chúng ta đã biết, việc đi tính tay đòn ổn định tàu thủy chẳng qua là đi
xác định cho được hai thông số: (Z
c
– Z
co
) và Y
c
tại các góc nghiêng đang khảo sát.
Ông đã nghĩ ra việc chia nhỏ cung C
0
C thành nhiều cung theo góc nghiêng ngang θ.
Vì góc nghiêng ngang θ đủ nhỏ nên các cung C

i
C
i+1
sau khi được chia cũng được
xem là đủ nhỏ và có thể xem là đoạn thẳng. Sau đó ông chiếu các đoạn thẳng này
lên 2 trục tọa độ. Và việc tính đoạn C
i
C
i+1
này thì đơn giản, được tính theo công
thức sau:
C
i
C
i+1
= r
θ
.dθ
Với r
θ
= Jx/V

dxyyJ
m
đ
x
x
phtrx
∫
+=

33
3
1

J
x
: mômen quán tính của diện tích MĐN đẳng tích đối với thể tích chiếm
nước V.
Để vẽ được các đường nước đẳng tích theo các góc nghiêng θ nhỏ, ta vẽ
chúng song song với tiếp tuyến tại các điểm Ci nhưng còn đường thẳng biểu diễn
đường nước đẳng tích này nằm ở đâu thì chúng ta chưa thể xác định được.
Do vậy việc tính y
c
và (z
c
– z
co
) đơn giản hơn thông qua công thức:
∫
=
θ
θ
θθ
0
.cos. dry
c

C
W1
L1

W0
L0
Ci
C2
C1
C0
M
Mi
M2
M4
d(zc-zco)=ro.d0.sin0
d(zc-zco)=ro.d0.sin0
dyc=ro.d0.cos0