Bài giảng lý thuyết tàu thủy

HIỆU QUẢ
KINH TẾ
ĐẢM BẢO
AN TOÀN
TÍNH NỔI
CHỐNG CHÌM
TÍNH ỔN ĐỊNH
ĐIỀU KHIỂN
LẮC TÀU
TỐC ĐỘ
Thiết kế
Đóng tàu
Sử dụng tàu
HÌNH DÁNG
BỐ TRÍ
KẾT CẤU
Công trình kỹ thuật phức tạp,
nổi và chạy trên mặt nước

1.1.ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ HÌNH DẠNG VÀ KẾT CẤU
1.1.1.Đặc điểm hình dạng
- Hình dạng quyết định đến tính năng
- Dạng thân trụ rỗng phần giữa, thuôn về hai đầu.
1.1.2.Đặc điểm kết cấu

Daïng voû moûng goàm hai phần :


- Phần tôn bao bên ngoài
- Phần gia cường bên trong

1.2.CÁC HỆ THỐNG TRÊN TÀU
- Hệ thống thiết bò năng lượng : máy chính + hệ trục + thiết bò đẩy tàu
- Hệ thống lái : máy lái + trục lái + bánh lái
- Các hệ thống phục vụ : cứu sinh, cứu hoả, vệ sinh, dằn tàu v..v…
- Hệ thống thông tin liên lạc

1.1.BẢN VẼ ĐƯỜNG HÌNH LÝ THUYẾT TÀU
1.1.1.Khái niệm

Đặc điểm hình học, chủ yếu là đặc điểm hình dạng của phần dưới nước và kích thước hình học
ảnh hưởng lớn đến tính năng tàu, do đó trước tiên cần ra đặt vấn đề mô tả hình dạng bề mặt vỏ tàu.

Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong không gian phức tạp nên thường tìm cách rời rạc hóa bề mặt vỏ và
mô tả lại gần đúng dưới dạng công thức toán hoặc là tập hợp tọa độ các điểm của đường cong.

Bản vẽ đường hình là bản vẽ biểu diễn hình dáng hình học bên ngoài của bề mặt vỏ tàu

Do hình dáng phần vỏ tàu dưới nước có ảnh hưởng lớn đến tính năng hàng hải của tàu nên bản
vẽ đường hình chính là công cụ mô tả, thông tin và tính toán các tính năng hàng hải của tàu.

Tương tự như biểu diễn vật thể hình học bằng phương pháp chiếu, hình dáng bề mặt vỏ tàu cũng
được mô tả trên bản vẽ bằng cách chiếu thẳng góc lên các mặt phẳng chiếu cơ bản.

Tuy nhiên, cách làm phổ biến nhất là chiếu bề mặt vỏ tàu lên các mặt phẳng vuông góc nhau và
mô tả dưới dạng các đường cong trên bản vẽ 2D, gọi là bản vẽ đường hình lý thuyết tàu.

1.1.2.Các mặt phẳng chiếu cơ bản
- Mặt cắt dọc giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng đặt tại vị trí đường tâm dọc giữa tàu,
chia tàu thành hai phần đối xứng là mạn phải và mạn trái.

- Mặt cắt ngang giữa tàu : mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng dọc giữa tàu,
đi qua điểm giữa chiều dài thiết kế, chia tàu thành phần mũi và đuôi
- Mặt phẳng mặt đường nước : mặt phẳng nằm ngang nằm trùng mặt đường nước thiết kế,
chia tàu thành hai phần là phần nổi và phần chìm
Mặt cắt dọc giữa tàu
Mặt cắt ngang giữa tàu
Mặt phẳng MĐN
Hình 1 : Các mặt phẳng chiếu cơ bản

1.1.3.Các hệ thống hình chiếu
Do bề mặt vỏ tàu là mặt cong phức tạp nên để mô tả hết hình dáng vỏ tàu phải dùng hệ thống các mặt cắt phụ
song song các mặt phẳng chiếu cơ bản, tạo thành ba hệ thống hình chiếu trên bản vẽ đường hình tàu.
1.Hệ thống mặt cắt dọc

Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt cắt dọc giữa tàu, chủ yếu
để mô tả độ cong dọc bề mặt vỏ tàu, hình dáng mũi, đuôi v..v…
Hình 1.1 : Các hệ thống

hình

chiếu cơ bản

Số lượng các mặt cắt dọc nằm trong khoảng từ 2 - 6, phụ thuộc chủ yếu vào chiều rộng tàu và thường
được ký hiệu là CD0, CDI, CDII …, tính từ mặt cắt dọc giữa tàu ra hai bên mạn tàu.
CD0
CD I
CDII

2.Hệ thống mặt cắt ngang giữa tàu


Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song với mặt cắt ngang giữa tàu, chủ
yếu để mô tả hình dáng các sườn ngang, độ cong ngang boong v..v…

Các mặt cắt ngang (còn gọi là sườn ngang) thường được bố trí cách đều với số lượng 11 hoặc 21, phụ
thuộc chủ yếu chiều dài tàu và được đánh số theo thứ tự là 0, 1, 2 …, tính từ mũi đến đuôi.



Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt cắt ngang, bên trái bố trí các mặt cắt ngang mũi và
bên phải bố trí các mặt cắt ngang đuôi.

Do vỏ tàu tại mút mũi và đuôi thay đổi nhiều nên để biểu diễn chính xác sườn khu vực này dùng
thêm các mặt cắt giữa các mặt cắt chính và ký hiệu thêm 1/2, ví dụ 1 1/2 (đuôi) hoặc 91/2, 101/2 (mũi).
Hình 1.2 : Các hệ thống

hình chiếu của bản vẽ đường hình
55
6
10
0
CD0
CD I
CDII

3.Hệ thống mặt đường nước




Gồm các giao tuyến của bề mặt vỏ tàu với các mặt cắt phụ song song mặt phẳng mặt đường nước,
chủ yếu dùng để mô tả hình dáng bề mặt vỏ tàu theo chiều cao.
Hình 1.2 : Các hệ thống

hình chiếu của bản vẽ đường hình

Các mặt đường nước thường cũng hay được bố trí cách đều nhau với số lượng khoảng từ 4 -10, phụ
thuộc chủ yếu chiều cao tàu và được ký hiệu là ĐN0, ĐN1, ĐN2 …, tính từ dưới đáy lên

Do tính chất đối xứng nên chỉ biểu diễn nửa mặt đường nước
CD0
CD I
CDII
55
6
10
0
ĐN4
ĐN1

Theo nguyên tắc chiếu, mỗi điểm trên bề mặt vỏ tàu sẽ được thể hiện trên cả ba hình chiếu nên giữa ba
hệ thống hình chiếu của bản vẽ đường hình lý thuyết tàu phải phải tương ứng phù hợp lẫn nhau. Các
hình chiếu chỉ thể hiện hình dáng thật của tàu trên các mặt phẳng chiếu song song với chính nó, còn
trên hai hình chiếu còn lại sẽ chuyển thành các đường thẳng, tạo thành lưới chữ nhật của bản vẽ
Hình 1.3 : Sự phù hợp của bản vẽ đường hình
CD0
CD I
CDII
5
6

10
0
ĐN4
ĐN1
0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ĐN0
ĐN2
ĐN4
ĐN0
ĐN2
ĐN4
0 1/2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
CD0CDICDII
CD0
CDI
CDII


TL:1/40
CA NÔ DU LỊCH 12 m
DÁNG
ĐƯỜNG HÌNH
KT
105
CN - 79
187
637
474
590
200

120383071001530 5901300960 1045 11878
600
B/2=1600B/2=1600
860
560
-11
770
47510
9
685
645
- ---- 795 645-
1415
1205848
1145
686
1015
255
40
685
645
- - 1291
1262
1232
933
880
794
760
1320
1320

1320
1320
1320
GD 2
1320
1180
1270
12302
12305
1180
1085
6
7
1230
12304
3
1230
12301
V.L
GD 1
BẢNG TRỊ SỐ TUYẾN HÌNH
11157405804254250160014801408
425
425
530
465
42501600 42514801408
1600
16001448
1394

1368
1300
0
0 530
465
1600
1600
1480
1480
1408
1408
425
425
0
0
1115740580
1144
1173
765
790
610
655
1115
1115
740
740
580
580
425
425

GD 2
CHIỀU CAO
1600
1600
1480
1480
1408
14081408
425
425
0
0
M.B.C
1/2 CHIỀU RỘNG
GD 4GD 3 GD 1D.T
1115
1115
740
740
580
580
M.B.CGD 3 GD 4
600400
963
807
700
200
THÔNG SỐ CƠ BẢN
2495

M H NH 3D Ô Ì
TÀU 2000T
Design by Dr.Tran Gia Thai
Design by Dr.Tran Gia Thai
Design by Dr.Tran Gia Thai

MÔ HÌNH 3D TÀU DU L CHỊ
Design by Dr.Tran Gia Thai

2.2.ĐẶC ĐIỂM HÌNH HỌC

Đặc điểm hình học là những đại lượng đặc trưng về mặt kích thước và hình dáng hình học thân tàu,
được xác định đầu tiên trong quá trình thiết kế tàu, là cơ sở để xây dựng bản vẽ đường hình lý thuyết và
ảnh hưởng đến các tính năng của tàu nên việc xác định chính xác chúng sẽ có ý nghĩa quan trọng.

Các đặc điểm hình học thường được chia thành ba nhóm đại lượng chính như sau.
1.2.1.Các kích thước chính
Các kích thước chính gồm các đại lượng mô tả kích thước hình học của tàu như chiều dài, chiều rộng,
chiều cao và mớn nước
1.Chiều dài tàu L (Length) :
(a) Chiều dài lớn nhất L
max
(L
oa
: Length over all) :
khoảng cách tính từ mút mũi đến mút đuôi
(b) Chiều dài hai trụ L
trụ
(L
pp

: Length between
perpendicular) : khoảng cách giữa trụ mũi và trụ lái,
với trụ mũi là trụ đi qua giao điểm của đường nước
thiết kế (ĐNTK) với mép ngoài sống mũi và trụ đuôi
là trụ bánh lái.
(c) Chiều dài thiết kế L
tk
(L
wl
: Waterplane length) :
khoảng cách giữa giao điểm của đường nước thiết kế
với mép ngoài sống mũi và sống đuôi, đo theo chiều
dài tàu.
L
max
L
tk
L
pp
Trụ mũi Trụ lái
Hình 1.4 : Cách xác định chiều dài tàu
ĐNTK

2.Chiều rộng tàu B (Breadth) :
(a) Chiều rộng lớn nhất B
max
(B
oa
: Breadth over all) : khoảng cách giữa hai mạn tàu, đo ở nơi lớn nhất
L

max
L
pp
L
tk
Hình 1.5 : Cách xác định các đặc điểm hình học của tàu
(b) Chiều rộng thiết kế B
tk
: khoảng cách giữa hai mạn, đo theo đường nước thiết kế tại vị trí MCNGT.
B
tk
B
max
ĐNTK
T
H
3.Chiều chìm hay mớn nước tàu T (d : draft) : khoảng cách thẳng đứng, tính từ đường cơ bản của tàu
(đường thẳng qua đáy tàu) đến đường nước thiết kế, đo tại vị trí mặt cắt ngang giữa tàu.
4.Chiều cao tàu H (depth moulded) : khoảng cách thẳng đứng tính từ đường cơ bản đến mép boong tàu.
5.Chiều cao mạn khô F (Freeboard) : khoảng cách thẳng đứng tính từ ĐNTK đến mép boong tàu.
F = H - T
F

Hình 1.5 : Cách xác định các hệ số hình dáng
1.2.2.Tỷ số các kích thước chính
Tỷ số giữa các kích thước chính L/B, B/H, H/T là nhóm các đại lượng đặc trưng cho tính năng tàu, do
đó việc lựa chọn chính xác các tỷ số kích thước sẽ đảm bảo được tính năng tàu là hợp lý nhất.
1.2.3.Các hệ số hình dáng
Các hệ số hình dáng là nhóm các đại lượng đặc trưng cho hình dáng hình học của thân tàu
1.Hệ số diện tích mặt đường nước α (Cw : Waterplane Coefficient) : tỷ số giữa diện tích MĐN đang xét S

và diện tích hình chữ nhật ngoại tiếp mặt đường nước đó
2.Hệ số diện tích mặt cắt ngang β (C
M
: Midship Coefficient) : tỷ số giữa giá trị diện tích MCNGT ω và
giá trị diện tích của hình chữ nhật ngoại tiếp mặt cắt ngang đó
ω
B
T
B
S
L

3.Hệ số đầy thể tích δ (C
b
: Block Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V (thể tích phần chìm dưới
nước của tàu) và thể tích hình hộp chữ nhật ngoại tiếp thể tích V
T
L
B
4.Hệ số đầy lăng trụ dọc ϕ (C
p
: Longitudinal prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và
thể tích hình hộp lăng trụ dọc ngoại tiếp thể tích này
5.Hệ số đầy lăng trụ đứng χ (C
v
: Vertical prismatic Coefficient) : tỷ số giữa thể tích chiếm nước V và thể
tích hình hộp lăng trụ đứng ngoại tiếp thể tích này
T
L

1.2.4.Một số khái niệm cơ bản
1.Thể tích chiếm nước V (∇ ) : thể tích phần thân tàu chìm dưới nước, tính bằng m
3
(hệ mét) hoặc

bằng cu.ft (hệ Anh - Mỹ) (1 cu.ft = 0,0283 m
3
)
2.Lượng chiếm nước D (∆ ) = γV : trọng lượng tàu ở trạng thái đang xét, bằng tấn

trọng lượng (t, tm)

hoặc bằng long ton (hệ Anh - Mỹ) (1 long ton = 1,01605 tm)

3.Sức chở (deadweight : dwt) : trọng lượng hàng trên tàu (trọng tải) cùng hành khách và các dự trữ,
lương thực, nhiên liệu, nước ngọt v..v...
D = trọng lượng tàu không (D
o
) + deadweight
4.Tấn đăng ký (tonnage) : không tính bằng trọng lượng mà tính bằng đơn vị đo dung tích với
ý nghĩa là tấn đo dung tích tàu (1 tấn đăng ký = 100 cu.ft = 2,832 m
3
)
Tấn đăng ký được dùng chính thức và là đơn vị chính dùng trong
thống kê đội tàu, cơ sở tính thuế khi tàu qua kênh, đậu cảng v..v...
D = γV
γ - trọng lượng riêng nước

1.3.HỆ TOẠ ĐỘ DÙNG TRONG BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÀU


Để xây dựng bản vẽ đường hình và xác định các đặc điểm hình học của tàu, cần phải xác định hệ
toạ độ thích hợp và đặt tàu nằm trong hệ toạ độ đó.

Trong các bài toán tĩnh học thường sử dụng hệ toạ độ liên kết Oxyz gắn liền với tàu
Hình 1.6 : Hệ toạ độ dùng trong bài toán lý thuyết tàu
Vị trí tàu
Toạ độ (x,y,z)
Mớn nước T
O
x
z
y
MCNGT
z
x
O
T
tb
ψ
θ
- Mớn nước trung bình T
tb
- Góc nghiêng dọc ψ
- Góc nghiêng ngang θ
z = T
tb
+ x tg ψ + y tg θ

1.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN


Tính nổi là khả năng tàu nổi cân bằng ở vị trí xác định ứng với chế độ tải trọng đang xét

Khi nổi trên mặt nước, tàu chịu tác dụng của hai ngoại lực như sau (hình 3.1)
C
G
Trọng lượng tàu P
- Đặt tại trọng tâm G của tàu
- Hướng thẳng đứng xuống dưới
- P = P
vỏ
+ P
máy
+ P
dt
+ P
hk
+ …
- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu (tâm nổi)
- Hướng thẳng đứng lên trên
- D = γ V (γ - trọng lượng riêng của nước)
Hình dáng phần thân
tàu dưới nước
Khối lượng và phân bố
các tải trọng trên tàu
Ảnh hưởng tính nổi
Lực nổi D
(Lực đẩy Acsimec)

C
G

Trọng lượng tàu P
- Đặt tại trọng tâm G của tàu
- Hướng thẳng đứng xuống dưới
- P = Pv + Pm + Pdt + Phk + …
Lực nổi D
(Lực đẩy Acsimec)
- Đặt tại trọng tâm C của phần chìm tàu
- Hướng thẳng đứng xuống dưới
- D = γ V (γ - trọng lượng riêng của nước)
Điều kiện
nổi cân bằng
- Điều kiện cân bằng lực
- Điều kiện cân bằng mômen
P = D
G và C nằm trên đường thẳng đứng


vuông góc MĐN đang xét
P = D
(x
c
- x
G
) + (z
c
- z
G
) tg ψ = 0
(y
c

- y
G
) + (z
c
- z
G
) tg θ = 0
(x
G
, y
G
, z
G
) - toạ độ trọng tâm tàu G
(x
c
, y
c
, z
c
) - toạ độ tâm nổi tàu C
Đảm bảo
tính nổi
Phương trình trên gọi là phương trình nổi xác định vị trí nổi của tàu

2.2.XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG VÀ TOẠ ĐỘ TRỌNG TÂM TÀU

2.3.XÁC ĐỊNH CÁC YẾU TỐ TÍNH NỔI CỦA TÀU

Yếu tố tính nổi


Thể tích chiếm nước V

Toạ độ tâm nổi C(x
c
, y
c
, z
c
)

Yếu tố đường hình

Các yếu tố mặt đường nước (MĐN)

Các yếu tố mặt cắt ngang (MCN)
- Diện tích MĐN S
- Hoành độ trọng tâm x
f
- Hệ số diện tích MĐN α
- Diện tích MCN ω
- Cao độ trọng tâm z
ω

- Hệ số diện tích MCN β
Phương trình nổi
O x
y
L/2
L/2

x
f
S
z
y
O
ω
z
ω
Hình 2.2 : Các yếu tố đường hình

2.3.1.Xác định các yếu tố đường hình
1.Tính các yếu tố MĐN
Xét một MĐN có diện tích S, chiều dài L và tách ra một phân tố diện tích dS bằng hai
đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn x và cách nhau khoảng vô cùng bé dx


Diện tích mặt đường nước S

Hoành độ trọng tâm x
f
của diện tích mặt đường nước S
dS = ydx
O x
y
L/2
L/2
x
f
dx

x
dM
Soy
= xy dx
y

2.Tính các yếu tố MCN
Xét MCN có diện tích ω có chiều cao T và tách ra một phân tố diện tích dω bằng hai
đường thẳng song song trục Oy, cách trục Oy đoạn z và cách nhau khoảng vô cùng bé dz


Diện tích mặt cắt ngang

Cao độ trọng tâm z
ω
của diện tích mặt cắt ngang ω
z
y
O
dω = y dz
z
ω
z
dz
y
T
dM
ω oy
= yz dz