Tin học ứng dụng trong thiết kế và đóng tàu trần công nghị (chủ biên), võ trọng cang

CÔNG NGHỊ (Chủ biên) - VÕ TRỌNG CANG
V

■1

'

"ùìứUỷ íạ n ¿ã ¿¿K ^
t&cc’ (ACCtt CiCd C&CCềUp tdí
\in vui lòng:

•

Không xé sách

•__ Khỏnp t>:irh vLÌ^t

---


Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ M IN H
TRƯ Ờ NG Đ Ạ I HỌC BÁCH KHOA

T rầ n C ôn g N g h ị (Chủ biên) - Võ T rọ n g C an g

TIN HỌC ỨNG DỤNG
TRONG THIẾT KÊ

VÀ

ĐÓNG TÀU

’ T tn ív iạ ĩ' }
’RỉiCiìOíiìi:^: h

N H À X U Ấ T B Ả N ĐẠI HỌC QUÔC GIA
T P HỒ CHÍ M INH - 2002

i

.


GT .01. TH(V)
15/1664
ĐHQG.HCM-02

TH.GT.386-0KT)


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU
Chương 1. CÔNG TÁC THIẾT KỂ TÀU
1.1. Thiết kế tàu
1.2. Các phương pháp thiết kế tàu
1.3 Ngôn ngữ lập trình và tự động hóa thiết kế
Chương 2. TÍNH N ổ i VÀ TÍNH Ổn ĐỊNH TÀU
2.1. Phương pháp số dùng trong tự động hóa tính toán tính nổi tàu
2.2. Tính nổi tàu
2.3. Ổn định tàu
Chương 3. SÚC CẢN v ỏ TÀU - THIẾT BỊ ĐẨY t à u

3.1. Phương pháp tính áp dụng tính sức cản và chân vịt
3.2. Sức cản vỏ tàu
3.3. Các phương pháp kinh nghiệm tính sức cản vỏ tàu
3.4. Quan hệ giữa vỏ tàu - máy chính - chân vịt tàu
Chương 4. QUI HOẠCH TUYÊN TÍNH VÀ QUI HOẠCH PHI TUYẾN
4.1. Qui hoạch tuyến tính
4.2. Qui hoạch phi tuyến
Chương 5. THIẾT KẾ T ố l Ư u TÀU
5.1. Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của tàu
5.2. Sơ đồ tính hiệu quả kinh tế tàu
5.3. Tự động thiết kế tàu vận tải
5.4. Thiết kế tàu chở congtenơ
5.5. Thiết kế tàu đánh cá
5.6. Tài liệu tham khảo về hệ thống chương trình thiết kế tàu
Chương 6. SPLINE VÀ VẺ ĐƯỜNG HÌNH TÀU
6.1. Spline
6.2. Vẽ đường hình tàu
6.3. Tự động hóa quá trình vẽ tàu
6.4. Sử dụng hàm spline vẽ đường hình tàu
Chương 7. ƯNG DỤNG CAD TRONG THIÊT KẾ MÔ PHỎNG HÌNH DẠNG
VÀ KẾT CẤU TÀU

5
7
7
21
26
43
43
52

62
82
82
88
93
108
162
162
169
194
194
196
197
206
209
213
228
228
235
240
252
291

7.1. Giới thiệu nhiệm vụ của bài toán
7.2. Thiết kế hình dáng (tuyến hình)

291
293

7.3. Thiết kế mô phỏng kết cấu tàu

296

7.4. Xuất kết quả ra dạng file .DXF
Chương 8. PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG CÁC PHAN m e m THIET k ế t à u
TRONG ĐÀO TẠO
T À I LIỆU THAM KHẢO

302
304
306


LỜI M Ở ĐẦU
Công việc tính toán chọn thông số tàu từ giai đoạn thiết kế ban đầu, tính toán các
tính năng tàu dong thiết kế hnợc tàu sau thiết kế, chọn máy, tính giá thành sản phẩm . .
chiếm lượng lớn trong toàn bộ thiết kế tàu. Từ khi ra đời, thiết kế tàu không ngừng phát
triển, trong chừng mực nhất định nhờ sự hỗ trợ có hiệu quả của các phương pháp tính.
Những phương pháp số được đưa vào giải quyết các bài toán thiết kế tàu làm cho kết quả
chính xác hơn, tốc độ xử lý công việc nhanh hơn. Tiến tiếp trên con đường phát triển này,
tự động hóa tính toán làm cho tốc độ xử lý nhanh một cách đột biến. Tự động hóa thiết
kế tàu làm cho công việc thiết kế dễ dàng hơn và thời gian giải quyết công việc rút ngắn
lại nhiều lần so với cách làm trước nay.
Các phương pháp thiết kế trình bày trong giáo trình TIN HỌC ỨNG DỤNG TRONG
THIÊT KẺ VÀ ĐÓNG TÀU được trình bày theo cách nhìn từ các phương pháp tính. Trên
cơ sở các phương pháp tính, những phép tính đặt ra sẽ được giải quyết bằng chương trình
do chúng ta viết, hay nói cách khác, được “tự động”giải quyết. Giáo trình bao gồm những
nội dung sau:
- Nhừng vấn đề liên quan thiết kế tàu và công trình nổi.
- Những vấn dề liên quan tự động hóa thiết kế tàu, công trình nổi: phương pháp số,

thuật toán, chương trình hóa.
- Những mô hình tính trong thiết kế vỏ tàu, những thuật toán xử lý những bài toán
thường gặp trong thiết kế thăn tàu.
- Những cách vẽ vỏ tàu và công tác chuẩn bị sản xuất tàu.
Công việc xoay quanh các vấn đề thiết kế vỏ tàu và tính toán tính năng bằng những
phương pháp kinh điển hoặc phương pháp mới có trợ giúp của phương tiện tính thích hợp,
vẽ tàu, phóng dạng, khai triển tôn bao theo nghĩa tổng quát. Các đặc trưng tính nổi tàu
một thân, tính ổn định, tính chịu sóng, tính đi biển, tính toán sức cản vỏ tàu, thiết kế
máy đẩy tàu... là những đặc trưng không thể thiếu cho thiết kế tàu, được chuyển về mô
hình tính và chương trình hóa.
Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý dộc giả và các bạn đồng
nghiệp. Xin chân thành cảm ơn.
Địa chỉ liền hệ: Bộ môn Tàu thủy - Khoa Kỹ thuật Giao thông - Trường Đại học
Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh - 268 Lý Thường Kiệt - Q10.
Điện thoại: (08) 8645643 - (08) 8216910

Tiến sĩ TRẦN CÔNG NGHỊ


Chương 1

CÔNG TÁC THIẾT KẾ TÀU
1.1. THIẾT KỂ TÀU
Đê CÓ được một con tàu thực hiện một nhiệm vụ nhất định phải trải qua hai giai
đoạn chính gồm thiết kế tàu và chế tạo theo thiết kê ấy. Thiết kế tàu thủy có vị trí vô
cung quan trọng trong công nghiệp đóng tàu.
Thông thường thiết kế tàu phải tiến hành giải quyết những việc gắn liền với sự
hình thành con tàu và đề cập toàn bộ tính năng tàu. Những nhiệm vụ đầu tiên với tàu
thương mại làm nhiệm vụ vận chuyển mà bộ môn thiết kế phải giải quyết là xác định
kích thước chính, quan hệ giữa các kích thước chính, các hệ sô' đầy thân tàu, lượng chiếm

nước, dung tích hầm hàng ... Đi liền với các thông số đó là các đặc trưng hình học thân
tàu gồm hình dáng theo chiều dọc, hình dáng các sườn, hình dáng phần đuôi, hình dáng
phần mũi tàu ... cũng là đối tượng tìm kiếm của thiết kế tàu.
Mỗi tàu có nhiệm vụ cụ thể, làm một số việc cụ thể song tấ t cả tàu thương mại đều
có mục đích chung la mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất và tàu phải được làm việc
trong những diều kiện an toàn nhất.
Chính vì lè phái giải bài toán kỷ thuật - kinh tế với những đòi hỏi khó thực hiện
đồng thời và nhiều khi khỏng thể thực hiện trọn vẹn, bộ môn thiết kế tàu được những
nhả đóng tàu quan tâm rất sớm. Từ thế kỷ XVIII những người đóng tàu đã cố gắng tổng
kết kinh nghiệm, rút ra những bài học xác định trọng tải, hình dáng, kích thước tàu cho
hạm tàu đang ngày càng phát triển. Những nhà toán, vật lý đã tích cực góp phần đưa bộ
môn lý thuyết tàu và đi liền theo nó là thiết kế tàu đến chỗ ngày càng hoàn thiện.
Lịch sử phát triến bộ môn thiết kế tàu đã ra đời sớm song giai đoạn phát triển
mạnh mẽ nhất phải kế từ thế kỷ XVII - XVIII. Trong tài liệu “Traité du navire, de sa
construction et de ses mouvements” xuất bản tại Paris năm 1746 của tác giả người Pháp
Bouguer đã khái quát lý thuyết tàu thủy, khái quát cách chọn thông số chính cho tàu, đề
cập ứng dụng các phương pháp toán học khi nghiên cứu tàu thủy và đặc biệt khi xác định
các kích thước cho tàu sắp đóng. Tại đây cần nói thêm một ít về thuật ngữ dùng cho bộ
môn lý thuyết tau thủy và thiết kế tàu. Có thể những nhà đóng tàu người Pháp, người
Anh như: Sir Anthony Dean (1638 - 1724), Monceaux ... từ những năm đầu của thế kỷ
XVIII đã đưa ra công luận những cuốn sách trình bày những hiểu biết về tàu trong đó đã
sử dụng thuật ngữ “architecture navale”, là những người mở đầu một cách chính thức đưa
cụm từ “kiến trúc tàu“, (tương đương tiếng Anh là: naval architecture) làm tên gọi cho
ngành mới: lý thuyết tàu \ Theo đó những người sử dụng “kiến trúc tàu” để vẽ ra những
tàu mới được gọi là “kiến trúc sư tàu thủy - từ tiếng Anh: naval architecf\ ngày nay
chúng ta gọi là kỹ sư th iết kế tàu. Trong phạm vi “architecture navale” Monceaux đã
trình bày các công thức toán nhằm xác định chiều dài, chiều rộng, chiều cao, các quan hệ

' theo “Eléments de l ’A rchitecture navale" của Dulamel de Monceaux.

7


giữa chúng dùng cho tàu chiến, nhằm đảm bảo yêu cầu tác chiến đặt ra thời đó. Trong
giai đoạn này lượng chiếm nước chưa được lưu V giải quyết.
Người có công rấ t lớn trong việc phát triển lý thuyết tàu và cơ sở thiết kế tàu của
thế kỷ XVIII là nhà toán học, cơ học gốc Thụy Sĩ L.p. Euler (1707 - 1783), viện sĩ thuộc
Viện Hàn lâm Khoa học St Peterbourg. Euler đã xác định rõ bằng công thức toán học
quan hệ giữa kích thước chính của tàu với các hệ số đầy thân tàu, cùng tính ổn định của
tàu trên nước. Công thức tính chiều cao ổn định ban đầu trong quan hệ với chiều rộng,
chiều chìm, các hệ số đầy hình thành dưới thời Euler, vẫn còn được sử dụng như cơ sở lý
luận cho thiết kế tàu trong tấ t cả các Viện nghiên cứu tàu bè cho đến tận ngày nay.
Những công thức thực nghiệm do Euler tìm ra trở thành công thức đa năng, dùng chung
cho tấ t cả kiểu dáng tàu. Tài liệu của Euler được trình bày trong đủ các tiếng chuẩn của
châu Âu gồm Pháp, Anh, Đức, Ý.
Trong th ế kỷ này nhà đóng tàu người Thụy Điển F.H. Chapman (1721 - 1808) từ
hoạt động thực tế tại các xưởng đóng tàu Bắc Âu đã góp phần hoàn chỉnh những cơ sở lý
luận của bộ môn thiết kế tàu thủy. Trong những công trình khoa học công bố tại
Stockholm từ 1775, 1806, Chapman đã trình bày cách giải quyết vấn đề quan hệ giữa
lượng chiếm nước và kích thước chính của tàu theo yêu cầu thiết kế. Chapman đã xác lập
phương trình trọng lượng trong khuôn khổ hàm của lượng chiếm nước. Quan hệ giữa
lượng chiếm nước và các nhóm trọng lượng được xử lý bằng môn toán học thông kê.
Cũng chính Chapman đã tìm cách trình bày quan hệ giữa sức chở của tàu với lượng
chiếm nước, với kích thước chính của tàu và ảnh hưởng của các thông số trên đến ổn
định tàu. Từ sáng kiến của Chapman, cách vẽ tàu sơ khai, cách biểu diễn tàu trên các
mặt cắt, cách tạo lưới cho đồ họa, nghĩa là những yêu cầu cần thiết cho một bản vẽ thiết
kế vỏ tàu đã ra đời từ th ế kỷ XVIII. Trong các phần tiếp của tài liệu, chúng ta còn có dịp
làm quen với công thức vẽ vỏ tàu mang tên Chapman. Ngày nay cách làm của tác giả từ
thế kỷ XVIII đang được dùng có hiệu quả trong tự động hóa thiết kế vỏ tàu.
Thế kỷ XIX là thời kỳ phát triển ở trình độ cao của ngành chế tạo máy tàu, đóng

tàu vỏ kim loại. Từ đầu thê kv XIX những nhà đóng tàu tại các nước có nền công nghiệp
đóng tàu phát riển tiếp tục hoàn chỉnh cơ sở lý luận thiết kế tàu chiến và tàu thương
mại. Phương trình trọng lượng đã có từ thời Chapman được xem xét kỹ và hoàn thiện
lại. Thực tế, phương trình trọng lượng các nhà đóng tàu dùng từ đầu thế kỷ XIX đang
còn hữu ích đến ngày nay. Nhà đóng tàu J.A. Normand (1839 - 1906) tìm cách loại dần
các cách thiết kế “mò mẫm”, thay vào đó bằng những công thức gần đủng rút ra từ thực
tế làm việc. Mối liên hệ giữa máy tàu và vỏ tàu đã được Normand đưa vào thiết kế. Cũng
cần kể thêm ý tưởng dùng phương pháp toán gọi là phương pháp vi phân để xác định
lượng chiếm nước tàu đã xuất hiện trong các tác phẩm của Normand vào nửa sau của thế
kỷ XIX.
Thế kỷ XX thiết kế tàu được đánh dấu bằng các tiến bộ lớn. Trong lĩnh vực lý luận
thiết kế những năm đầu của thế kỷ các nhà đóng tàu lần lượt đưa ra những tổng kết
hoàn chỉnh giúp cho bộ môn phát triển vững chắc. Một điều có thể ghi nhận được, những
tài liệu làm cơ sở cho th iế t kế tàu công bố vào những năm dầu thế kỷ này đang còn đầy
đủ giá trị khoa học cho đến thiên niên kỷ mới mà chúng ta đang sống. Một số rất nhỏ
trong kho tàng lý luận th iết kế đầu thế kỷ XX có thể kể ra đây:
- “The design and construction of ships”, vol I, II, London, 1923 của J.H. Biles.
8


- “Ship design, résistance and screw propulsion”, London, 1948 của G. Backer.
- “General design of warships”, London 192G của

w. Hovgaard.

- “Approximate rules for the détermination of the displacement and dimensions of a
ship in accordance with a given programme of Requirements”, 1901, J.A. Normand.
- “Some approximative formulae useful in ship design”, Shipbuilder, 1925 của tác
giả người Nga V. Posdunine.
- “Das berichtigungsverfahren als hilfsmittel fur den enwurf der schiffe”, Jahrhuch

des Schiffbautechnische Gesellschaft, 1924 của w. Smidt.
- “Sostavlenie tieoreticheskich tchertiejei pri pomoshy progressiki” 1908 - 1908, “Ob
odnom metodie opredelienia glavnych razmierov proektiruiemnovo sudna”, 1916, I.G.
Bubnou.
Nhìn chung cơ sở lý luận thiết kế tàu tại đầu thế kỷ XX đã được hoàn thiện. Từ
những năm hai mươi, ba mươi trở đi nhiều nhà khoa học trẻ đã đóng góp cho lĩnh vực
này những công trình quí giá nhưng khó có thể vượt xa những cơ sở đã hình thành suốt
hai thê kỷ qua.0
Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, của tự động hóa, lý luận thiết kế
tàu cũng phát triển theo hướng cô" gắng bắt kịp tiến bộ mới. Những vấn đề đã được giải
quyết bằng các phương pháp kinh điển, nhờ vào công cụ tính toán của thế kỷ trước, ngày
nay được xem xét kỹ hơn và những người đóng tàu tìm cách giải bằng phương pháp mới
hơn với sự trợ giúp của công nghệ thông tin, tự động hóa.
Trong tài liệu chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp thiết kế đã hoàn thiện cho
đến đầu thê kỷ XX, đồng thời tìm hiểu và nắm bắt các cách làm phù hợp với trình độ
hiện nay của công nghệ tính toán.
1. Các giai đ o ạ n th iế t k ế
Thông thường, theo truyền thống, thiết kế cần trải qua các giai đoạn:

0

Những nhà kiến trúc sư lớn của bộ môn thiết kế tàu trong thế kỷ XX đà phát triển bộ môn khoa học này đến những
đỉnh cao. Hệ thống các phương pháp hữu hiệu cùng ứng dụng của chủng trong thiết kế tàu, tén tuổi các nhà đóng tàu
cùng tài liệu tham khảo được trình bày tại tài liệu chuyên dể. Tài liệu tham khảo biên soạn phẩn mở đầu tìm thấy trong
các sách hoặc tạp chỉ sau:
R. MunrO’ Smith, "Early Estimation of Principal Dimensions and other Technical Data", Shipbuider and Marine Enginer
Builder, 1956. Từ loạt bài đăng trên tạp chí Shipbuider and Marine Enginer Builder trong rất nhiều kỳ, Munro-Smith dà
viết thành sách dạy thiết kế dưới tên gọi "Lý thuyết tàu ứng dụng - The Applied Naval Architecture".
D.G.M. Watson, "Estimating Preliminary Dimensions in Ship Design", TIESS, 1961/1962
E Nonnecke, "Die Wahl der Hauptdaten Trockenfrachter", Schiffbautechnik, 1956.

R.p. Johson, H.p. Rumble, "Weight, Cost and Design Chararcteristics of Tankers and Dry Cargo Ships", ISP, 1964
D. Arnott, "Design and Construction of steel Merchant Ship", N.Y., 1955, Tr. SNAME
p. Mandel, R. Leopold, "Optimization Methods Applied to Ship Design", Tr SNAME, 1966.
T. Kuniyatsu, "Application of Computer to Optimization of Principal Dimensions of Ships by Parametric Study", Japan
SME, 1968.
H Nowacki, "Computer Aided Ship Design", University of Michigan, 1969.
H. Flecken, K. Vogt, "Das rechnerische Verzerren von Schiffslinien”, Hansa, 1971.
G.c. Manning, "The theory and Technique of Ship Design", N Y, London 1957.
và các sách viết bàng tiếng Nga sau:
L.M. Nogid, "Proektirovanie morskich sudov", Leningrad 1964.
v.v. Ashyk, " Proektirovanie sudov", Leningrad 1975.
A I. Rakov, N.B Sevasỉianov, "Proektirovanie promyslovych sudov", Leningrad 1981.

9


Xây dựng yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế
Công việc mở đầu này thường do người chủ phương tiện đật ra, người thiết kế phải
thực hiện đúng và đủ. Trong nhiệm vụ thiết kế cần thiết phải đề cập đến công dụng, loại
hình, khu vực hoạt động của tàu. Những tính năng kỹ thuật chủ yếu của tàu tương lai
được trình bày rõ trong yêu cầu thiết kế. Trong điều kiện Việt Nam những vấn đề được
đề cập trong nhiệm vụ thiết kế có thể như sau:
- Hạn chế về kích thước chính.
- Trọng tải, dung tích chở dùng cho tàu vận tải, sức kéo dùng cho tàu kéo, khả
năng khai thác dùng cho tàu cá, các tính năng sử dụng đặc trưng cho loại tàu cụ thể.
- Máy chính: kiểu máy, hạn chế về công suất, vòng quay ...
- Vận tốc tàu cần thiết
- Khả năng chuyên đi biển
- Tính ổn định, tính chịu sóng gió, tính chống chìm.
- Vật liệu làm vỏ tàu

- Thiết bị sinh hoạt
. - Thiết bị trên tàu (thiết bị boong): thiết bị lái, neo, buộc, phương tiện cứu sinh,
phương tiện an toàn, cần cẩu.
- Thiết bị buồng máy
- Hệ thống ông
- Hệ thống thông tin
- Hệ thống điện
- Các thiết bị chuyên ngành và thiết bị đặc biệt.
Thiết k ế sơ bộ
Trong giai đoạn này thực hiện các công việc gắn liền với xác định dặc tính tàu
tương lai. Những nhóm việc chính có thể là:
- Xác định lượng chiếm nước của tàu thỏa mãn phương trình cân bằng D = yV,
trong đó lực nổi tính theo định luật Archimedes đúng bằng trọng lượng toàn tàu.
- Xác định sơ bộ kích thước chính và các hệ số đầy thân tàu. Kích thước chính thân
tàu được hiểu trước tiên là chiều dài, chiều rộng, chiều cao, chiều chìm trung bình của
tàu. Từ kích thước chính có thể nhận thấy chiều cao mạn khô cũng đã được đề cập trong
giai đoạn này.
- Trên cơ sở kích thước chính, các hệ số đầy, bắt dầu triển khai việc xác dịnh hình
dáng hay là dạng vỏ tàu, lập bản vẽ đường hình tàu.
- Với tàu tự chạy, bắt đầu tính sức cản vỏ tàu, công suất máy cần thiết để tàu có
thể hoạt động đạt yêu cầu đề ra.
- Xác định lần nữa lượng chiếm nước và tính ổn định tàu, trên cơ sở đường hình
vừa tạo ra.
- Kiểm tra tính nổi của tàu trên cơ sở đường hình mới tạo.
- Chuẩn bị bô" trí chung, có tính sơ bộ.

10


- Tính trọng lượng, trọng tâm tàu trên cơ sở bố trí chung và các bản vẽ kết cấu ban

đầu.
Thiết kè kỹ thuật
Trong phần thiết kế kỹ thuật chỉ sử dụng kết quả của một trong rấ t nhiều phương
án từ thiết kế sơ bộ và kết quả ấy đã được thừa nhận. Trên cơ sở đường hình tàu đã có,
bố trí chung đã ổn định cho đến thời điểm đang kể, thiết bị máy móc đã được chọn, các
bộ phận thiết kế tiến hành các công việc hợp tác, thiết kế chi tiết hơn, bô" trí chi tiết và
cụ thể hơn, mối liên hệ giữa các bộ phận trên tàu trở thành hiện thực hơn. Trong giai
doạn này các sơ đồ lắD ráp được hoàn thiện, các thiết kế kết cấu được triển khai đến chi
tiết. Từ các bản vẽ chi tiết đã có thể tiến hành tính toán giá thành sản phẩm một cách
cụ thể.
Trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật, các Viện thiết kế có thể tiến hành phân việc
theo nhóm. Các nhóm công tác có thể theo dạng sau:
- Bộ phận chuyên về vỏ tàu
Khai triển tôn vỏ, chia tôn
Tính các tính năng tàu
Bố trí toàn tàu
Triển khai thiết kế kết cấu các chi tiết trên vỏ tàu
Bố trí các hệ thống ống toàn tàu
Tính toán lại trọng lượng vật tư, thiết bị và trọng tâm của chúng.
- Bộ phận cơ khí - động lực tàu
Tính toán cân bằng năng lượng trên tàu
Bố trí buồng máy
Bố trí các hệ thống ống liên quan máy chính, máy phụ
Bố trí hệ thống điều khiển mây chính, máy phụ, tự động hóa buồng máy ...
- Bộ phận diện - điện tử
Cân bằng năng lượng điện trên tàu
Bố trí hệ thống điện trên tàu
Bố trí hệ thếng nhận điện từ bờ
Thiết bị an toàn điện
Bố trí hệ thống máy móc thiết bị điện tử đảm bảo an toàn hàng hải, thông tin, liên lạc.

Nếu coi quá trình thiết kế là sự hoàn thiện dần các phép tính nhằm thỏa mãn yêu
cầu đề ra, quá trình này có thể minh họa dưới dạng sự tiến hóa theo đường xoắn ốc. Mọi
phép tính, phép thử được tiến hành riêng nhau, theo những qui luật vật lý nhất định.
Kết quả của phép tính này làm tiền đề cho phép tính tiếp theo, sau đó kết quả của phép
tính tiếp theo này làm tiền đề cho phép tính sau nó. Sau mỗi vòng tiến hóa, kết quả của
cùng một phép tính sẽ đổi thay so với giá trị ban đầu, và kết quả lần thứ hai (sau đó là
thứ ba, thứ tư...) lại làm chức năng dữ liệu đầu vào cho phép tính kế tiếp. Chu trình trên
lặp lại nhiều lần, theo đường xoắn ÔC, cho đến khi kết quả cuối cùng thỏa mãn các điều
kiện đặt ra, với sai sót trong phạm vi cho phép.
11


Trên hình xoắn ốc minh họa các chỉ số có
thể mang ý nghĩa như sau:
I - Thử tại bến và thử đường dài
2- Giá thành sản phẩm
3- Thiết bị điện
4- Thiết bị điện tử, hàng hải
5- Kết cấu
6- Bố trí chung
7- Tính ổn định, tính chống chim
8- Kích thước chính, hệ số đầy; tính nổi
9- Lượng chiếm nước
10- Sức chở, dung tích hầm hàng ...
I I - Sức cản vỏ tàu, trang bị máy chính, máy đẩy
12- Đòi hỏi của chủ phương tiện

Hình 1.2
2. N hững phư ơng trìn h cơ b ản của th iế t k ế tàu
Trong phần này sẽ nhắc lại những phương trình chính đã được trình bày trong tài

liệu thiết kế tàu. Những thông tin cần cho thiết kế có thể đọc trong sách “Sổ tay kỹ
thuật đóng tàu thủy” tập I, nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 1978, phần I. Tài liệu cập
nhật về thiết kế tàu vận tải, tàu cá tìm trong giáo trình soạn riêng cho sinh viên bộ môn
tàu thủy, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh. Tài liệu liên quan đến các phần khác được
ghi chú dưới đây.
Phương trình trọng lượng
Trọng lượng tàu được qui ước gồm các nhóm sau:
- Vỏ tàu
- Các hệ thống
- Máy chính, máy phụ
- Thiết bị điện
- Thiết bị hàng hải và an toàn
- Hàng lỏng
- Dự trữ lương thực, thực phẩm
- Nước dằn hoặc vật dằn (nếu có)
- Hàng hóa
- Dự trữ dầu, nước
Tổng cộng toàn bộ trọng lượng các nhóm kể trên cùng đoàn thủy thủ và hành
khách trên tàu sẽ là trọng lượng toàn bộ của tàu Dt. Trọng lượng tàu cân bằng với lực
nổi khi tàu nổi trên nước, tại trạng thái cân bằng.
Trong ngành tàu chúng ta thường sử dụng khái niệm trọng tải để chỉ sức chở của
tàu chở hàng. Trong khái niệm trọng tải, deadweight (viết tắt dwt hoặc tấn DW) được coi
là hiệu số giữa Dt và trọng lượng tàu không D0:
DWT = Dt -D o
(1.1)
Như vậy trong DWT có cả thành phần hành khách cùng dự trữ lương thực, thực
phẩm cho người trên tàu, dự trữ cho máy.
12

Phương trình trọng lượng dạng chung được thực hiện như sau:
Đ = ỵ w,
(1.2)
1=1
trong đó: Wj - trọng lượng các nhóm thành phần, theo cách phân loại trên đây.
Tổng trên đây có thể được tách làm hai phần, phần đầu gồm các nhóm trọng lượng
phụ thuộc vào bản thân lượng chiếm nước, phần còn lại không phụ thuộc vào lượng
chiếm nước:
D = p(D) + w s
(1.3)
Giải phương trình trên đây chúng ta xác định được lượng
chiếm nước cần thiết của tàu thiết kế. Lời giải phương trình
được minh họa như tại H.1.2.
Phương trình trên có thế viết lại dưới dạng:
D - p(D) - w s = 0
và từ đó có thể viết: {D - p(D)| - Ws = 0
hay là:
F(D) - Ws = 0

(1.4)
(1.5)
(1.6)

với:

F(D) = D - p(D)
(1.7)
Phương trình trọng lượng dạng chung có thể được khai
Hình 1.2
triển dưới nhiều biểu hiện, tùy thuộc cách đặt vấn đề của

người viết ra nó. Ví dụ chúng ta có thế viết D dưới dạng tổng các nhóm trọng lượng như
sau:
nm n
-pvm n-1
D = pa.Da + pbDb + pc. —
+ pdDd + peDe + ... + Po---- ^---- r + w g
(1.8)
trong đó: Pa, Pb, ... - các hệ số đi liền với D, miêu tả quan hệ giữa D với nhóm trọng
lượng đang được xem xét
Riêng hệ số P c - liên hệ với trọng lượng máy chính
Po - liên hệ với tiêu hao nhiên liệu dùng cho máy chính
Các chỉ số a, b, c - làm chức năng số mũ chỉ mức độ tham gia của nhóm trọng
lượng này trong thành phần trọng lượng
Sô" mũ m xấp xỉ 1/3, n xâ"p xỉ 3 hoặc 3,5.
Mặt khác từ phương trình tính nối, lượng chiếm nước tàu được tính bằng công thức:
D = y.v
và
V = Ỗ.L.B.T
(1.9)
Trong công thức cuối đã sử dụng các k ý hiệu sau: ô s CB; T = d; còn D s A; V s V.
Cần nói rõ, trong các công thức tiếp theo, tùy hoàn cảnh cụ thể, các k ý hiệu nối với nhau
bằng dâu = là tương đồng và có tính nhất quán.
Phương trình trọng lượng dạng tương đương giờ đây có thể viết như sau:
yô.L.B.T - F(ô, L, B, T,...) - Wg = 0
Bản thân thành phần F(ỗ, L, B, T,...) được hiểu là:

(1.10)

Pị.

Nếu biểu diễn phương rình trèn dưới dạng:
P = D - F(ỗ, L, B, T,...)

(

1. 11 )

13


Đạo hàm của hàm trên sẽ được khai triển như sau:
dP = dD - dF()
1TỊ1 __ ỔF ,
ỔF ,T ỔF m
dF = — dô + — dL 4- -~dB + ....
ỡô
ỔL
ỔB
dP =

và

5 as

(1.12)

dô + ° - ? ) d L + —- — IdB + ....
L ỡlJ
B ỠB

Mặt khác nếu chúng ta coi thành phần trọng lượng thứ j là tích của các thành
phần, v í d ụ:

m Tn nk

Pj =

(1.13)

ÕPị

từ đó:

(1.14)

as
aF
as

và

(1.15)

4 * 56

j

Kết quả chúng ta nhận được biểu thức tính dP dưới dạng:
dP =

y
^

õ l ds + D _ Y £ i dL + -D - Y IÕ± đB +
Z
L
ÔL
B ^
ỠB
as

(1.16)

Dươi đây trình bày công thức được Munro-Smith đề nghị trong loạt bài bàn về thiết
kế tàu*. Các bài báo dạng này được Smith tổng kết trong sách giáo khoa thiết kế tàu
hiện đại “The Applied Naưal Architecture”.
D = Pi + p2 +... + p6 = Ipi
(1.17)
trong đó: Pi- trọng lượng vỏ tàu; P2- trọng lượng gỗ, trang thiết bị
P3- trọng lượng buồng máy; p4- trọng lượng nhiên liệu
p5- trọng lượng dự trữ; p6- trọng lượng hàng.
Như vậy:

Trọng lượng tàu không =

Pi

+ P 2 + P3

Sức chở

= P4 + P5 + P6
Nếu biểu diễn trọng lượng thành phẩn dưới dạng:
= k.D.aa.bp.cY
thành phần dpi sẽ dễ dàng xác định, và biểu thức cần cho chúng ta khi thiết kế:
Pi

D + d D = X (Pi + d Pl) = l í

^ 1

Pi + ^ d D

ỠD

+ ặ id a + % d b + % -d c

da

_ dD
da
d|3
dy ^ yy
Z ([Pi +mPi
D +aPi a +PPi b +YPi c J = ^ Pi
Từ

ổb

dD __
D ¿ mPi +

ổc

=

( da n db
a + íb

(1.19)

D = P i + P2 +... + p6 = Spi.

có thể viết:

dD = — ^Tmpi + ^rỊ^a — + (3— + Ỵ— j

Vì rằng:

HD
( Ỵ ' mp:
S—
mp'
dD - — y^mpị = dD í,1---— ì ==AT
dD D “ Z mpi N
D
D
V

7

và nếu sử dụng ký hiệu:

* R. Munro-Smith, “The Weight Equation in Ship Design", SMEB, 1956.

14

)

(1.18)

( 1. 20 )

V

7


D

R-

D - Z mPi
Từ đó

dD. M

p, i

( a _da
v a

+

p0 rdbr + Y dc^i
_ 1
b
c)

c tính dD sẽ có dạng:
da - db
dc^i
dD
ơ
—
+
P
l“
+
Y
—
- * Z p. Z ( a
b
c)

(

1. 21 )

Phương trình dung tích tàu
Tổng dung tích tàu tính bằng công thức:

( 1.22)

v= IV ,

Cách tính các thành phần Vị phụ thuộc vào chức năng của dung tích thành phần.
Ví dụ dung tích hầm hàng tàu vận tải, chở hàng khô sẽ tính như sau:
V
p cargo
v cargo =
—k A
trong đó: Pcargo“ trọng lượng hàng được chở trên tàu.
Thể tích buồng máy phụ thuộc vào kích cỡ máy, thông thường với tàu chạy với vận
tốc trung bình, thể tích này tính như sau:
pm
vm -—k^m- A
trong đó: Pm- công suất máy chính, dùng cho việc đẩy tàu.
Mặt khác dung tích toàn tàu có thế’ tính trên cơ sở kích thước chính và các hệ số
của tàu. Công thức tính có thể mang dạng:
V = V + V0y + VSUp
(1.23)
trong đó: V- thể tích phần chìm của tàu
Vov- thể tích trong thân tàu, nằm trên đường nước tính toán
VSUp - thể tích (dung tích) thượng tầng.
Công thức (1.23) có thê chuyển về dạng tương đồng công thức tính trọng lượng tàu:
V = F(7) + v s
(1.24)
Nếu ký hiệu ky- hệ số ảnh hưởng của độ nở các sườn, đường cong yên ngựa dọc
boong và độ cong (ngang) của boong; k y = 0,28 ± 0,07, khi tính cho tàu khách và các tàu
thông dụng khác, công thức tính dung tích toàn tàu có thể viết:
V

i + ^ ( i + kv) ( h - i ) + ^
ô
V

= V(V) + vs

(1.25)

trong đó: h = H/T.
Lời giải cho phương trình (1.25) được tìm bằng phương pháp đồ thị, như đã dùng
cho phương trình trọng lượng.
Từ phương trình tính dung tích trên có thể nhanh chóng tìm ra phương trình tính
tỉ lệ kích thước h = H/T.
h =

H
T~

ô /a Ĩ V ( V )
1+ k v V

Vs

v sup

V

V

1

(1.26)

Dung tích đăng ký của tàu tính theo công ước về đo dung tích năm 1969. Dung tích
tàu tính bằng tấn đăng ký\
15


GT = ki.v
trong đó: ki = 0,20 + 0,021gV.

(1.27)

Một số kết quả tính cho ki như sau:
V, m 3
100
1.000
100.000
0,24 0,26
0,3
k,
MK
^__
Ico^

V.

2

NT = k 2 .Vcaj.g0

+ k3. r
l

1.000.000
0,32
n2l
10 J

(1.28)

k2 = 0,02 + 0,02Vcargo
k3 = 1,25(1+ GT.10"4)
trong đó: n r số khách trong các buồng dưới tám giường
n 2 - số khách trong các buồng từ chín giường trở lên.
Phương trình ổn định tàu
Đảm bảo ổn định tàu trong mọi điều kiện hoạt động là một trong những yêu cầu cơ
bản của thiết kế tàu. Điều kiện ổn định của tàu được thể hiện dưới dạng thỏa mãn một
loạt bất đẳng
thức sau:
GM0 > GMmin
GZ3() > a

(1.29)

GZW
)>b

X>

trong đó: GMo- chiều cao tâm ổn định ban đầu, tính theo công thức quen thuộc:
GM = (KB + BM) - KG
Các giá trị GMmin, a, b tùy thuộc vào kiểu tàu và
lệ thuộc vào tiêu chuẩn ổn định được chấp nhận tại
mỗi quốc gia. Ngày nay phần dồng các nước chấp nhận
a > 0,25m cho tàu dài dưới lOOm, a > 0,2m cho tàu dài
trên lOOm, b > 0 cho các loại tàu, riêng giá trị GMmin
dược yêu cầu ít nhất lớn hơn 0,35m (hoặc 0,5m trong
một số trường hợp).

(1.30)

M

*
c 3________ _____________
G

B

Yêu cầu về chu kỳ lắc không tách rời yêu cầu ổn
định.
V___________

4

,!■
LÌL

:

Như đã trình bày trong tài liệu của người viết bài
này, GM và tiếp đó đường cong GZ((p), với (p - góc
nghiêng ngang của tàu, phụ thuộc vào kích thước chính của tàu, dặc biệt có quan hệ mật
thiết với B và d hoặc với B/d. Nếu ký hiệu:
KB
_
BM.d
c= V ;
KG = ịD
m = —-7Td
B2
trong đó: d- mớn nước, D- chiều cao tàu.
Chúng ta có thể viết phương trình của GM trong hệ tọa độ tương đối như sau:
B2
c. d + m .----- ị.D > GM min
(1.31)
16


hoặc sau khi chia cả hai vế cho B:
B
c. d/B + m. — - Ị..D/B > GMrain./B
d

(1.32)

c. d/B + m .5 ^GMmh,/B
d
dB

Nếu ký hiệu 1 = L/B; b = B/d; h = D/d, chúng ta có thể viết:
1/3
1/3
A = Y.CB.(l/b). B3; B =
y.CB.l

(1.33)

Điều kiện ổn định giờ đây có thể viết thành:
GM
y.CB.l
d
b2
— + m. - A
ị
ị
Điều kiện I > Tmin được hiểu theo cách sau đây:
C.B
Từ:
T=
VGM
C.B
có thể viết
^ÍGM

b 2/3 > h

(1.34)

(1.35)

Sau chuyển hóa, điều kiện trên đây trở thành:
2
\ 4/3
c m.b, 2 b4/3
í c ^ í A ì
ị V^min ) I y.CB.i J
l ' \

(1.36)

Điều kiện GZXX> giá trị cho trước được thực hiện như sau:
Cánh tay đòn momen phục hồi tính bằng công thức:
GZ = lk - KG sinọ
trong đó: lk- tay đòn, tính từ điểm K (Keel) đến
đường tác động lực nổi trong trạng thái tàu nghiêng (p°.
Tay đòn này tính trong phần lý thuyết tàu, mục
ổn định ngang. Tập hợp họ đường cong lk = F(V, tên gọi pantokaren hoặc bằng tiếng Anh Cross
Curves. Chương trình tính họ đường pantokaren tìm
thấy trong tài liệu đã dẫn, “Nguyên lý tàu thủy”.
Giải thuật và sơ dồ tính được trình bày phần cuối
tài liệu này.

(1.37)

Mạn khô tàu
Mạn khô tàu tính bằng hiệu giữa chiều cao H (hoặc còn ký hiệu D) và mớn nước
tàu T (hoặc ký hiệu d):
Fb = H - T = D ~ d

(1.38)

Với chiều cao mạn khô Fb, sức nổi dự trữ của tàu tính theo công thức:
Vb = AW
(H-T) (1+kv)

(1.39)

trong đó: Aw- diện tích đường nước tính bằng aLB.
Vb = aLB.Fb.(l+kv)

[ T H i; V Í I F !1

(L40)

17


Có thể thấy rằng:
Vb cx
Fb
■
— = —(1 + k v ). —

V ô

(1.41)

T

Nếu coi rằng a « ỗ1/2 công thức. cuối có dạng:
(1.42)
với:

s = 0,45;

Vb
Fb
kv = 0,28:— = 1,90.—

với:

ỏ = 0,85;

Vb
Fb
kv = 0,0:— = 1,09.—
V
T

V

T

Từ qui cách ghi trong công ước có thế thấy:
— =... — = 15
H Fb + T
do đó:

T = L/15 - Fb

và có thê xác định gần đúng:
cho tàu với kv = 0
15Fb
Sức càn vỏ tàu, công suất mảy cần thiết
Phương trình cân bằng năng lượng cho tàu đề cập sức cản tàu và máy đẩy tàu
nhằm chiến thắng sức cản đó. Yêu cầu về năng lượng cũng như yêu cầu cụ thế máy tàu,
cách tính sức cản ... đề nghị xem tài liệu “Sức cản tàu”, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí
Minh, do người viết tài liệu này thực hiện.
Thiết kế máy đẩy tàu là phần không tách rời cúa thiết kế tàu. Chương trình tính
giới thiệu trong tài liệu này trình bày cách thiết kê chân vịt nhóm B - Wageningen, SCI
cánh từ ba đến năm. Với tầu kéo và các tàu thiên về kéo nên sử dụng chân vit Kaplan
trong ống đạo lưu do bề’ thử Wageningen công bố. Chi tiết về các loại chân vịt xuất xứ từ
Netherlands đề nghị xem trong “Thiết kế máy dẩy tàu \
Sức cản tàu R được xét dưới dạng tổng của ba thành phần: sức cản ma sát, sức cản
hình dáng và sức cản là hậu quả của việc tạo sóng tàu. Hai thành phần đầu có thế coi là
sức cản nhớt. Mặt khác hai thành phần sau hợp thành sức cản dư.
Trong thành phần sức cản ma sát của vỏ tàu có thể nhìn nhận các thành phần: ma
sát vỏ tàu trên nước lặng và lực ma sát bổ sung trong quá trình khai thác.
Tập họp các thành phần trên chúng ta có thể đánh giá sức cản dưới cách nhìn
khác, rằng đây là tập họp của sức cản nhớt Rv và sức cản tạo sóng Rw.
Trong thành phần sức cản nhớt, theo quan niệm mới từ những năm cuồi thế kỷ XX
này, Rv gồm sức cản ma sát Rf như chúng ta đã đề cập và sức cản hình dáng Rp. Trong
thực tế thành phần Rf phụ thuộc vào chất lượng bề mặt còn sức cản sóng Rw và sức cản
được ký hiệu Rp như vừa nhắc phụ thuộc vào hình dáng của thân tàu, và có thế coi tập
họp của Rvv và Rp là sức cản dư Rr, để từ đó có thể tính R = Rf + Rr.
Tổng quát có thể hình dung các thành phần sức cản như sau:

18

Sức cản toàn bộ R ị

R bổ sung

Sức cản vỏ tàu
Sức cản sóng
Rw

Sức cản nnơt Rv
Sức cản ma sát R,

Sức cản hình dáng
Rp

Sức cản ma sát R,

Sức cản sóng
Rw

Sức cản dư Rr

Sơ đồ trên đây được lập trên cơ sở giả thuyết về sự độc lập của các thành phần tạo
nên sức cản toàn bộ. Theo thuyết này sự tạo sóng của tàu chạy không ảnh hưởng và
không phụ thuộc vào sức cản nhớt. Có thể xét rằng sức cản trong quá trình tạo sóng là
hiện tượng vật lý sinh ra trong mồi trường nước lý tưởng, chịu chi phối của lực hút trái
đất. Trong thành phần của sức cản nhớt, sức cản ma sát, sức cản hình dáng phụ thuộc
hoàn toàn vào tính chất của chất lỏng, ngoài ra sức cản Rp phụ thuộc vào hình dáng vật
thể. Nói cách khác sức cản ma sát phụ thuộc vào chiều dày và các tính chất của lớp biên.

Dạng chung sức cản tàu trong các bài toán thiết kế được viết dưới dạng hàm của số
Reynolds và số Froude. Ở đây cần lưu ý bạn đọc tên gọi:
gọi là số Reynolds, tiếng Anh: Reynolds number, Rn, chứ
V
không phải hệ số như người ta vẫn thường dùng sai.
Re (hoặc Rn) =

gọi là số Froude, trong tiếng Anh được viết Froude number,

Fr (hoặc Fn) =
V g -L

viết tắ t Fn, chứ không phải hệ sô.
Trong hai công thức trên: V- vận tốc tàu, trong hệ metre đo bằng m/s
L- chiều dài đường nước, trong hệ m đo bằng m, g- gia tốc trường trái đất, 9,81 m/s2
V- hệ số nhớt động học, quan hệ với mật độ p và hệ số nhớt động lực học Ịi như
_ p
sau: V =
-—

trong đó: p đo bằng kG.s2/m‘\ V tính bằng m2/s.
Hệ sô" cản ma sát tính theo công thức:
R
= f(Re) + f(Fr)
Cf =
—pSv 2
2

Trong khi đó hệ sô" sức cản nhớt tính bằng công thức:
R

f(Re)
- pS v2

2
Sức cản sóng (tạo ra sóng) là hàm của sô" Froude:
Rw = Cw- —pSv2 =f(Fr)
Một sô" công thức thực nghiệm tính sức cản vỏ tàu đang được dùng có kết quả có
th ể nêu như sau:
Sức cản ma sát

19


Công thức Froude:

s
Rp = Cf a. ———.V1,825
1000

(1.43)

Hệ số sức cản ma sát tính bồng biểu thức:
CF = 0,1392 + 0’258
2,68 - L

(1.44)

Sức cản dư
Trong số rấ t nhiều phương pháp tính sức cản dư, phương pháp Lap dễ dùng cho
mục đích tính sức cản khi thiết kế sơ bộ. Sức cản tàu theo cách phân loại của Lap, tùy

thuộc' nhóm tàu mang ký hiệu từ nhóm A đến nhóm E, khác nhau theo hệ số đầy lăng
trụ và khoảng cách tâm nổi so với mặt giữa tàu. Hệ số sức cản dư trong các đồ thị của
Lap có dạng:
Cr =
- pA v2
2
1

trong đó: A- diện tích mặt giữa tàu.
Công suất cần thiết hay còn gọi công suất kéo EHP tính bằng tích (sức cản X vận
tốc). Trong hệ SI:
EHP = R.v
(1.45)
với R trong kN, V bằng m/s, còn EHP tính bằng kW.
Theo truyền thống của những người đóng tàu công suất kéo tính bằng công thức:
EHP = R.v/75
(1.46)
trong đó: R- tính bằng kG,
V - tính bằng m/s
EHP- tính bằng sức ngựa.
Cần lưu ýđiểm cách biệt nhỏ giữa hệ thống đochâu Âu và hệthống Anh- Mỹ, sức
ngựa theo cáchhiểu của châu Âu thường ký hiệubằng tiếng Đức PS (viếttắ t từ chữ
Pferdestảrk) hoặc bằng tiếng Pháp c v {Chevaux) tính theo biểu thức Rv/75, còn sức ngựa
theo quan niệm của người Anh và Mỹ 1 HP = R.v/76.
Theo cách hiểu của châu Âu hay của thế giới còn lại, ngoài Anh - Mỹ, công thức
tính EPS còn được viết dưới dạng:
EPS = CT. - p . —
2 75
trong đó: Ct- hệ số cản vỏ tàu.

(1-47)

Nếu diện tích m ặt tiếp nước (mặt ướt) của vỏ tàu tính tỷ lệ với đại lượng v 2/3, hoặc
hiểu theo cách là đại lượng tỉ lệ với D23, công thức cuối có thể viết thành:
3 D 2/3

EPS = — ------

(1.48)

c E

Hệ số Ce thường được: gọi là hệ số hải quân, được dùng rất phổ biến trong thiết kế
tàu. Như vậy thay vì phải mải mê nghiên cứu sức cản R của tàu, trong thiết kế tàu người
ta tập trung suy nghĩ về việc xác định công suất máy tàu để đưa tàu đạt vận tốc đã định.

20


Phương pháp tính sức cản mang tên E.E. Papmieỉ được biểu thị bằng công thức
tính EPS:

EPS = —
L C0

(1. 49)

Giữa Co và Ce có mối quan hệ:
vD
Công suất dẫn đến chân vịt, làm quay chân vịt, tạo lực đẩy tính bằng công thức:

p =

R.v
n0nt

(1.50)

trong đó: các hệ số TỊo, r\t tính đến hiệu suất động lực, ảnh hưởng đường trục, hộp số ...
Công suất cần thiết cho tàu để đạt tốc độ yêu cầu hoặc đạt sức kéo đặt ra tính theo
công thức dạng chung:
Am

p =

A v

n

(1.51)

ran

trong đó: A = D- lượng chiếm nước của tàu; V - vận tốc tàu
c - hằng số, tính theo công thức kinh nghiệm hoặc từ dữ liệu thống kê.
Với tàu vận tải dưới 6000t, vận tốc dưới 23 Hl/h, công thức tính p có dạng:
A 0 ,468

p -

3,4

---- I _
124,5 ±8,5

(1.52)

Công suất cần cho tàu đánh cá làm nghề kéo (trawler) tính theo công thức:
1

A1/3v ’5

Tỉn '12701137

(1.53)

1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TÀU
Ngày nay có thể chia các phương pháp thxêt kê thành những nhóm sau:
1. T h iết k ế tổ n g hợp
Phương pháp dựa trên cơ sở thống kê, Trong phương pháp này tiến hành xác định
các kích thước chính của tàu, tỉ lệ kích thước, các hệ số, các đặc trưng hình học khác trên
cơ sở các công thức kinh nghiệm, rút ra từ thực tế. Các yêu cầu và mọi đòi hỏi về ổn
định, an toàn ... của tàu được thử sau mỗi lần tính.
Phương pháp phương trình vi phân cho phép thay đổi một số đặc trưng trong khi
chọn các thông số của tàu thiết kế. Trong một phạm vi nhất định phương pháp phương
trình vi phân tương dồng với cách làm của phép biến phân trong thiết kế.
Phương pháp thiết kế không dựa hoàn toàn vào tàu mẫu cũng được coi là một
phương pháp tổng hợp. Trong cách làm này người ta dựa vào nguyên tắc đi dần đến mục
tiêu bằng các phép tính gần đúng dần. Một trong những mô hình toán dùng để tính có
thể như sau:
Bước 1: xác định lượng chiếm nước theo một trong các cách thông dụng.

Xác định các kích thước chính của tàu và các hệ số đầy.

21


Bước 2: xác định sức cản vỏ tàu, xác định công suất máy chính, thiết kê máy đẩy
tàu, xác định vận tốc tàu,
Xác định khối lượng thân tàu.
Điều chinh lượng chiếm nước của tàu.
Bước 3: xác định chính xác lượng chiếm nước, công suất máy chính, chọn các máy
phụ, thiết bị tau.
Bước 4: kiêm tra tính ổn định, chiều cao mạn khô, dung tích hầm hàng, kiểm tra
tính chống chìm, khả năng đi biển và nếu có đòi hỏi, kiếm tra độ bền chung toàn tàu.
Bước 5: hiệu chỉnh toàn bộ thòng số đã tính, xác định thông số ở dạng cuối cùng.
Cách làm khác có thê như sau:
Bước 1: xác định lượng chiếm nước.
Bước 2: xác định sức cản vỏ tàu, xác định công suất máy chính, thiết kế máy đẩy
tàu, xác định vận tốc tàu.
Xác định khôi lượng thân tàu.
Điều chỉnh lượng chiếm nước của tàu.
Tính chiều dài L, hệ số đầy thế tích.
Bước
Bước
Bước
Dưới

3: tính
4: tính
5: tính
đây sẽ

H/T
B/T theo tiêu chuẩn ổn định
các đại lượng khác trên cơ sở D, L, ỗ, H/T, B/T...
giới thiệu tiếp một phương án thiết kế tàu vận tải biển do Watson đề

nghị.
1- Xác định sức chở của tàu: p = D - Ws.
2- Xác định lượng chiếm nước: D = CB*L*B*T.
trong đó: CB xác định từ (3).

3- CB = f(L, v),
4- B = f(L)

Y- vận tốc tàu

5- H = f(L)
6- T = f(L)
Các kích thước chính từ 4 đến 6 phụ thuộc vào các hạn chế sau:
4a- L/B, phụ thuộc vào công suất máy
5a- L/H, đảm bảo độ bền tàu
6a- L/T
7- B/H hoặc là H = f(B), đảm bảo ổn định tàu
8- T/B hoặc là T = f(B), ảnh hưởng đến chọn công suất máy tàu
9- T/H hoặc là T = f(H), đảm bảo chiều cao mạn khô
2. T h iết k ế th eo phư ơng pháp b iến phân
Theo cách đặt vấn để của giáo sư Nogid, có thê sử dụng phương pháp biến phân xử
lý các bài toán cơ bản của thiết kế tàu.
Bài toán xác định giá trị thích hợp nhất của CB (hay là ỗ) vả L/B khi các giá trị
của vận tốc tàu v s, sức chở đã được xác định gần đúng, đưa về dạng:

22


P ; V econỉ Q ;

k; q; ...

=

f(CB, L/B,...)

theo cách diễn đạt của giác sư Nogid.
Bài toán xác định kích thước tàu thích hợp nhất khi vận tốc tàu đã đặt ra, không
được phép hạ thấp, còn trọng tải đã được xác định gần sát.
N; Q; k; q; ... = f(P, CB, L/B)
Bài toán mang tính tổng quát hơn được ghi làm hai dạng:
D; N; k; q; ... = f(CB,L/B,...) với
D;

V econ,

Vecon

= const

k; q; ... = f(CB, L/B,...) với N = const

Cách giải theo phương pháp này thông thường theo trình tự sau.
D = f(CB, L, B, T, H) + p
Các biến sô' tại phần này được ghi bằng ký hiệu được Nogid dùng trong thời bấy

giờ: N- công suất máy chính, P- sức chở hàng, k, q- chỉ tiêu kinh tế - kỹ th u ậ t...
Thay vào phương trình trên một dãy giá trị của một biến sô', ví dụ: CB = var, với
giả thiết các biến khác, ví dụ: B/T = const; H/T = const; ... và dưới dạng khai triển người
giải bài toán cần thực hiện công việc theo sơ đồ:
CB, gán
CBi
CB2
CB3
trước
L/B
BÍT
HÍT

Từ đó có thể nhận được các quan hệ:
D; N = f(CB, L/B) với
D ; V econ =

V econ

ÍICB, L/B) với N

= const;
=

const; n

=

const.

Để so sánh tính kinh tê' của các phương án, tiến hành vẽ các đồ thị dạng:
q; k = f(CB, L/B)
Đồng thời với các chỉ tiêu kinh tế cần tiến hành thiết lập đồ thị cho các chỉ tiêu kỹ
thuật, liên quan đến mỗi phương án, ví dụ:
N; h/B; ... = f(CB, L/B).
Công việc theo hướng này đòi công sức hết sức lớn, và đòi hỏi sự so sánh cân nhắc
cẩn thận khi xét chọn phương án. Theo giáo sư Nogid, trong cách làm này, nếu sử dụng
phương pháp (đúng từ giáo sư dùng) coi lượng chiếm nước không đổi, công việc làm có
thể được giảm bớt *\
D = Do = const
trong đó: Do - lượng chiếm nước khởi đầu của thiết kế.
Thực hiện các phép tính xác định trọng lượng, dung tích, ổn định w ... cho các
phương án theo sơ đồ tính thích hợp, ví dụ sơ đồ sau:
Xác định kích thước chính
1 Nogid L.M ."Teoria proektirovania sudov", Sudpromiz, 1955.

23


CB = CBi

CB = C B 2
(ằ )'

(!)■

( i>

r
9 -11/3

1 _ r\1/ 3 1 í i ì i
L0 =D0 Y-S l B J Tj
Bo = ^ L0
t»

- b b°

H o= yTo
Công suất máy No, xem bảng dưới
Pt
p2

pn
I
dP = D o -I = £.dP
D = Do - dD
/■ '■■■"N
° Q
II
2*

1/3

N = No*k2
L = Lo *k
B = Bo.k
T = To.k
H = Ho.k

______ _______

Bước tiếp theo tiến hành tính sức cản tàu cho tất cả phương án, thèo mẫu tương tự.
Sau khi có sức cản, động tác tiếp theo là xác định công suất máy chính. Cách làm không
khác các động tác khi xác định kích thước chính.
Xác định công suất máy
CB = CBi
(ì)'
Vecon
R, từ bảng tính sức càn
w, hệ số dòng theo
t, hệ số lực hút
1-t
nv = 1-w

23
II
23
<
23
oT"
«

I =. R
1-t
Dqv = a X T
^ _ R X Vecon
75

24

1
n

(a -

cb

(b)3

(*]'

= cb2

(*)■

( b)3


Để chọn được phương án tốt nhất cần thiết phân tích tính kinh tế và tính kỹ thuật
của tất cả phương án vừa lập. Phương án được chọn phải thỏa m ãn tiêu chuẩn được đặt
ra từ trước. Có thể hình dung rằng, cách làm này đòi một lượng tính toán khổng lồ liên
quan đến tấ t cả phương án.
3. T hiết k ế tà u dựa vào lý th u yết tối ưu
Khác với phương pháp biến phân, trong đó người thiết kế phải so sánh, đối chiếu
hàng loạt phương án thiết kế dùng cho một sản phẩm, cụ thể hơn là cho một con tàu
đang được đặt lên bàn cân, kết quả của phép so sánh đó là chọn ra một và chỉ một
phương án “tốt nh ất”. Trong thiết kế dựa vào lý thuyết tòi ưu người thiết kế không phải
so sánh, ảối chiếu các phương án và thực tế người thiết kế không thể làm được việc đó,
mà công cụ lao động được người thiết kế sử dụng “tự” xác định kết quả “tối ưu” bằng con
đường ngắn nhất tùy thuộc cách điều khiển của người thiết kế. Ở đây chúng ta gặp một

khái niệm và khái niệm đó trở thành tên môn học chuyên đề là “tự động hóa thiết kế”.
Trong chuyên đề này khái niệm này để chỉ những công việc mà người thiết kế sai khiến
công cụ lao động thay mình tính toán, xử lý. Trong cách làm theo lý thuyết tốì ưu chúng
ta không phải để m ắt đến hàng ngàn, hàng triệu thậm chí hàng tỷ “phương án” sẵn
sàng bày ra trước m ắt người xem, người thiết kế chỉ cần hướng dẫn công cụ lao động thử
tìm vài phương án trong số hàng triệu, hàng tỷ sản phẩm để có căn cứ làm việc và sau
đó đi thẳng đến sản phẩm cần chọn.
Bài toán thiết kế tàu trong thực tế không khác bài toán qui hoạch tuyến tính hoặc
qui hoạch phi tuyến. Giả sử chúng ta cần thiết kế một con tàu dân dụng nhằm mục đích
mang lại lợi nhuận nhiều nhất chúng ta phải tính đến lợi ích kinh tế. Lợi ích kinh tế ở
đây thường có thể hiểu là tàu sẽ mang lại lợi nhuận nhiều nhất trong phạm vi có thể,
hoặc chi phí cho sản xuất và sử dụng tàu ít nhất trong điều kiện cho phép, hoặc hiểu
theo cách thời gian hoàn vốn của công trình đầu tư ngắn nh ất ... Trong thực tế người
thiết kế phải giải bài toán tối ưu sau:
fix)
min
(*)
Hàm f(x) trong ngôn từ chuyên môn gọi là hàm mục tiêu. Trong thiết kế tàu có thể
coi nó dưới dạng hàm chi phí sản xuất, sử dụng hoặc thời gian hoàn vốn. Bản thân nó
chứa tất cả thông sỗ* xác định đặc trưng hình học và động học tàu.
Thông thường các thông số trong hàm mục tiêu bị hạn chế trong phạm vi nhất
định, ví dụ chiều dài, chiều rộng, chiều cao tàu không thể là số’ 0 hoặc số âm, tỉ lệ giữa
chiều chìm và chiều cao không thể là số âm và không thể lớn hơn 1. Mặt khác tàu được
thiết kế phải đảm bảo ổn định, an toàn, phải đảm bảo độ bền khi nổi trên nước cũng
như khi hoạt động ... Tất cả nhừng đòi hỏi này trở thành những hạn chế mà bài toán bị
ràng buộc. Và như vậy điều kiện cần của bài toán trên đây được viết như sau:
aj < Xi < bi
g(x) < 0
(**)
Mô hình toán cụ thể cho từng loại tàu bạn đọc sẽ tìm hiểu tại các phần tiếp theo.

Tại đây bạn đọc có thể tiến đến bước tiếp của chương trình là chọn phương pháp số cho
lời giải ổn định, chương bốn và năm của tài liệu này.

25


1.3. NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ Tự 0ỘNG HÓA THIẾT KẾ
Ngôn ngữ lập trình là những phần mềm để phát triển các ứng dụng. Ngôn ngữ lập
trình đã trải qua quá trình phát triển và hoàn thiện, là công cụ quan trọng phát triển
công nghệ thông tin. Tự động hóa tính toán, thiết kế và hiển thị kết quả tính đều thông
qua ngôn ngữ lập trình. Những ngôn ngữ lập trình có ứng dụng rộng rãi và hiệu quả có
thể nêu lên sau đây:
- FORTRAN (viết tắ t từ FORmula TRANslation), ra dời từ những năm năm mươi,
chính xác hơn năm 1957, ứng dụng chủ yếu trong các ngành khoa học, kỹ thuật mà ngày
nay gọi là công nghệ.
Phiên bản đầu của FORTRAN thường được nhắc đến với tên gọi FORTRAN II, song
phiên bản được dùng phổ biến nhất là FORTRAN IV. Các dàn máy IBM thời bấy giờ
nhận dạng phiên bản phổ thồng này dưới tên viết ghép FFORTRAN. Ngôn ngữ thích
hợp cho việc xử lý những bài toán cỡ lớn của thời đại được dùng trong các chương trình
tính toán, thiết kế ô tô, tàu thủy, máy bay và tàu không gian, tính toán độ bền các công
trình xây dụng, th iết kế tôi ưu. Có thể coi hơn 90% những chương trình lớn trong các
lĩnh vực khoa học, kỹ thuật được viết bằng ngôn ngữ này.
Thực tế sử dụng đã nảy sinh vài vấn đề phiền toái. Các nhà sản xuất các chương
trình đa năng tự cho phép mình viết các bộ dịch cho FORTRAN theo sở trường của riêng
mình. Tuy phần lớn các nhà sản xuất vẫn dựa vào tiêu chuẩn của ANSI-American
National Standards Institute để biên soạn compiler cho FORTRAN IV song chẳng có bộ
dịch nào giông bộ dịch nào, vì người nào cũng cô" xé rào khỏi chuẩn ANSI. Tình hình ấy
bắt buộc ANSI phải ra tay thống nhất, năm 1978 phiên bản cuối cùng mang tên ANSI
X3.9-1978 đã đặt dấu chấm cho sự bùng phát tự do. Phiên bản này có tên gọi FORTRAN
77, ngày nay được dùng rộng rãi.

- Algol, viết tắ t từ Algorithm, ra đời vào đầu những năm sáu mươi với sự tham gia
của nhiều nhà toán học, các người viết chương trình chủ yếu từ châu Âu. Ngôn ngừ được
thiết kế rất trong sáng, clễ học, dễ thực hiện. Đây là phiên bản của bộ môn toán tính
dùng trong các ứng dụng máy tính, ngôn ngữ thích hợp cho việc giải quyết những vấn đề
khoa học của thời đại. T ất cả các thuật toán chuẩn ra đời trong thời kỳ này được chuyển
thành chương trình viết bằng Algol 60. Cho đến những năm cuối bảy mươi chương trình
bằng ngôn ngữ Algol còn được chạy trên các dàn máy lớn. Những chương trình mẫu giải
quyết những vấn đề tính toán theo phương pháp sô", đặc biệt phần đại số tuyến tính, viết
bằng Algol từ những năm sáu mươi cho đến tận ngày nay vẫn là những chương trình ưu
việt, chưa gì thay được \
Ngôn ngữ này là ngôn ngừ tô"t song không sinh ra tại Mỹ, và theo đó không tìm
được chỗ đứng ở Mỹ, việc ấy đồng nghĩa với sự hạn chê" số người dùng và sự phát triển
tiếp theo.
- COBOL (Common Business Oriented Language), ra đời năm 1960, áp dụng chủ
yếu trong lĩnh vực kinh doanh, thương mại. Ngôn ngữ này được hoàn thiện và còn tìm
thấy chỗ đứng tận hôm nay

1 Toàn bộ thuật toán thuộc đại số tuiyến tính do các nhà toán học giỏi nhất biên soạn đã được mã hóa- thành chương
trình bằng ngôn ngữ Algol 60, in lạ i trong tài liệu do Wilkinson J.H. và Reinsch c. chủ biên "Handbook for auotomatic
computation", Heidelberg Springes, 19 71.

26