Ước tính chỉ số đánh giá khả năng say sóng trong giai đoạn thiết kế ban đầu

MỤC LỤC

1


DANH MỤC HÌNH VẼ
STT
1.1

HÌNH VẼ
Phần trăm số người bị say sóng

TRANG
5

1.2

Các bước tiết kế tàu kể tới hiện tượng say sóng

6

2.1

Các dạng chòng chành của tàu

8

2.2

Kết quả giá trị gia tốc tương ứng với 6 dạng chòng
chành của tàu

9

2.3

Mật độ phổ năng lượng của gia tốc cho 6 dạng chòng
chành của tàu: tần số 0,01Hz trong thời gian 4 giờ

10

2.4

Mối quan hệ giữa chỉ số say sóng MSI (phần trăm số
người say sóng trong 2 giờ thử nghiệm) với tần số
sóng và gia tốc thẳng đứng

12

3.1

Các giai đoạn gây nên hiện tượng say sóng

13

3.2

Profile sóng điều hòa

14

3.3

Sóng không điều hòa là tổng hợp từ các sóng điều
hòa có tần số, biên độ, hướng truyền và pha khác
nhau (Pierson (1955))

16

3.4

Tổng hợp 4 sóng điều hòa

17

3.5

Chỉ số say sóng MSI

19

3.6

Kết quả sau khi sử dụng hệ số hiệu chỉnh ứng với
trường hợp MSI 10% trong 2 giờ chịu tác động

20

3.7

Mối quan hệ giữa Dose và phần trăm số người bị say

sóng (Alexander, 1974 và Mc Cauley, 1976 và thử
tàu của Lawther & Grinffin, 1986)

21

3.8

Tiêu chuẩn ISO và British Standard

22

3.9

So sánh giá trị MSI lớn nhất giữa giá trị gần đúng và
giá trị tính theo công thức (3.12)

24

4.1

Mặt cắt ngang của du thuyền

26

4.2

Vị trí khảo sát trên boong chính

30

2


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong quá trình hành hải, trường hợp gặp điều kiện biển lặng là hầu như
không xảy ra. Tác động của sóng gió gây ra sự thay đổi tư thế tàu và xuất hiện
gia tốc đặc biệt là gia tốc thẳng đứng, tác nhân chính gây nên hiện tượng say
sóng của cơ thể con người. Những tác động này đã gây ra những tác động xấu
cho khai thác tàu, ảnh hưởng đến sức khỏe cho con người trên nó, làm xấu đi
các yếu tố chiến lược về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, tạo ra điều kiện làm việc
stress của ê-kíp thủy thủ. Hơn nữa, trong những tình huống khẩn cấp như điều
kiện thời tiết khắc nghiệt (sóng to, gió lớn…) chỉ một bộ phận thuyền viên còn
đủ sức để chống chọi lại trong khi một số người khác bị ảnh hưởng từ hiện
tượng say sóng. Như vậy, việc tính toán thiết kế cần được xây dựng mối liên hệ
mật thiết tới yếu tố con người nhằm đảm bảo an toàn, hoạt động hiệu quả trong
suốt hành trình của con tàu và đặc biệt ở trong những điều kiện nguy cấp.
Về quan điểm thiết kế tàu, tính đi biển của tàu phụ thuộc vào một số yếu tố
quan trọng sau:
 Tác động của môi trường biển (sóng, gió, dòng chảy…)
 Những thông số về chuyển động của tàu (vận tốc…)
 Thông số kích thước của tàu
Thực tế các thông số kích thước của tàu sẽ được xác định qua nhiều giai
đoạn. Bên cạnh rất nhiều các thông số kĩ thuật của tàu, một số thông số kĩ thuật
cụ thể trong giai đoạn thiết kế ban đầu có ảnh hưởng lớn tới sự thay đổi tư thế
của tàu trên sóng. Việc xây dựng tiêu chí đánh giá thông số kích thước của tàu
qua chỉ số đánh giá khả năng say sóng ở giai đoạn thiết kế ban đầu còn có những
ưu điểm sau:
 Ở giai đoạn thiết kế sau, việc thay đổi các thông số kĩ thuật (như kích
thước chủ yếu) là khó khăn và không có tính kinh tế.

3


 Việc lựa chọn không hợp lý thông số kĩ thuật trong giai đoạn thiết kế ban
đầu dẫn tới giảm khả năng đi biển cho tàu.
Do vậy, việc sử dụng chỉ số đánh giá khả năng say sóng trong giai đoạn
thiết kế ban đầu là cấp thiết, đem lại những lợi ích to lớn cho quá trình xác định
hợp lý thông số kĩ thuật trong giai đoạn thiết kế ban đầu, nhằm đảm bảo sức
khỏe cho phi hành đoàn và hành khách trong quá trình khai thác tàu, đặc biệt là
đối với tàu chở khách, phà…
2. Mục đích của đề tài
Nghiên cứu đưa ra phương pháp ước tính chỉ số say sóng (MSI) trong giai
đoạn thiết kế ban đầu, để từ đó có thể biết được thông số tàu có đảm bảo giảm
thiểu khả năng say sóng cho thuyền viên và hành khách trong quá trình hành hải
của tàu hay không. Từ đó, đưa ra những khuyến cáo cho người thiết kế tàu và
thậm chí là những hướng dẫn cho người khai thác tàu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng của chòng chành tàu tới yếu
tố con người.
Phạm vi nghiên cứu: Đề tài sẽ chia ra làm nhiều giai đoạn nghiên cứu,
chòng chành tàu thủy bao gồm 06 loại hình chòng chành khác nhau: chòng
chành dọc – nằm ngang, chòng chành dạt – ngang, chòng chành thẳng đứng,
chòng chành mạn, chòng chành sống chính, chòng chành đảo lái. Theo nghiên
cứu gần đây cho thấy, bên cạnh chòng chành thẳng đứng, chòng chành mạn và
chòng chành sống chính cũng là thành phần gây nên hiện tượng say sóng [4].
4. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích các tài liệu thu thập được, tác giả tiến hành bài toán ước tính chỉ
số say sóng MSI để liên hệ giữa các yếu tố: môi trường (sóng biển), tàu con
người trên tàu.

4


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
+ Ý nghĩa khoa học:
Đề tài đã chỉ ra sự cấp thiết của việc xem xét yếu tố con người trong quá
trình tính toàn thiết kế tàu.
+ Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu học tập, tham khảo cho
các cán bộ, giảng viên, sinh viên ngành thiết kế.
6. Kết cấu của đề tài
Ngoài phần mở đầu, đề tài được chia làm 5 chương:
+ Chương 1: Tổng quan
+ Chương 2: Chòng chành tàu thủy và hiện tượng say sóng
+ Chương 3: Phương pháp ước tính chỉ số say sóng trong giai đoạn thiết kế
ban đầu.
+ Chương 4: Tính toán cho tàu thực
+ Kết luận và kiến nghị

5


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.
Vào năm 1974, Alexander đã kết luận rằng hiện tượng say sóng tăng lên
khi giảm tần số từ 0,53 Hz xuống 0,22 Hz trong 20 phút thử nghiệm. Mặc dù ở
giá trị tần số thấp không được nghiên cứu, các kết quả thu được đã thể hiện rõ
mức độ nhạy cảm của con người ở giá trị tần số 0,22Hz. Những kết quả nghiên
cứu và phần tích về phổ sóng đối với dao động không phải dạng hình sin của

trường đại học Weslyan đã kiểm chứng và xác nhận rằng say sóng phụ thuộc vào
sự gia tăng của gia tốc và giảm giá trị tần số (Lawther và Griffin, 1987).
Vào năm 1976, O’Halon và McCauley đã tiến hành các thí nghiệm nghiên
cứu sâu hơn để kiểm tra sự tác động của môi trường biển tới sức khỏe của con
người. Các đối tượng tham gia cuộc thử nghiệm trong vòng 2 giờ trong phòng
kín không có cửa sổ.
Trong hình 1.1. phần trăm đối trượng bị say sóng trong 2 giờ sẽ được thể
hiện với 22 trường hợp với chỉ số MSI lớn hơn 0%

6


Hình 1.1. Phần trăm số người bị say sóng.
Phần trăm số người bị say sóng bằng 0 với gia tốc 0,278 ms -2 rms tại tần số f =
0,083Hz và 0,167 Hz; gia tốc 1,11 ms-2 rms tại f = 0,500 Hz
Hiện nay, các quốc gia trên thế giới đã tiến rất xa trong việc sử dụng kết
quả từ bể thử thực hoặc bể thử ảo để xem xét tác động của chòng chành tàu
không chỉ đến hoạt động của con tàu mà còn liên quan đến yếu tố con người
(thuyền viên, hành khách).

7


Quá trình thiết kế tàu có kể tới hiện tượng say sóng được thể hiện như sau:

hần mềm CAD để thiết kế các Thử
thông
nghiệm
số về kích
trongthước,

bể thửhình
mô dánh
hình ảo
ban(dùng
đầu phần mềm CFD) Ước
tính toán
RAOs
tính chỉ
số say sóng MSI

Yêu cầu về yếu tố trên hành trình (SSN, phổ sóng, tốc độ, góc tiếp s

SSN (Sea State Number): đại diện cho điều kiện trạng thái biển, được thể
hiện bởi một số thông số như chiều cao sóng điển hình và chu kì sóng cực đại.
Hình 1.2. Các bước tiết kế tàu kể tới hiện tượng say sóng

1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, việc thiết kế trong nước hầu như chưa đi sâu vào sự tác động của
chòng chành tàu thủy tới yếu tố con người, chỉ xem xét trên yêu cầu cơ bản của
quy phạm như mà chưa đi sâu vào việc tính toán các yếu tố như hệ số MSI để
biết được số người có thể bị say sóng khi ở trên con tàu đó là bao nhiêu để có
những điều chỉnh thích hợp trong quá trình thiết kế.
1.2. Ứng dụng của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể làm tài liệu học tập, tham khảo cho
các cán bộ, giảng viên, sinh viên nghành thiết kế tàu và là hướng dẫn quan trọng
cho các nhà thiết kế tàu.

8

CHƯƠNG II: CHÒNG CHÀNH TÀU THỦY VÀ HIỆN TƯỢNG
SAY SÓNG
2.1. Chòng chành tàu thủy
Chòng chành là chuyển động dao động của tàu, thực hiện ở nước tĩnh hoặc
trên sóng, trên mặt nước hoặc dưới mặt nước. Mức độ chịu được chòng chành
định ra tính đi biển của tàu, tức là khả năng tàu duy trì được các tính năng hành
hải như: tính nổi, tính ổn định, v.v, khả năng hành hải an toàn trên sóng biển.
Trong lý thuyết chòng chành, tàu thủy được xem là vật rắn có sáu bậc tự
do. Tương ứng với các bậc tự do này là các loại chòng chành khác nhau:
− Chòng chành thẳng đứng (x3): là chuyển động dao động tịnh tiến của tàu
dọc theo hướng thẳng đứng
− Chòng chành mạn (x4): chuyển động dao động của tàu xung quanh trục
dọc
− Chòng chành sống chính (x5): chuyển động dao động của tàu xung quanh
trục ngang
Ba loại chòng chành này gọi là các chòng chành cơ bản. chúng được quan sát
tốt ở tính ổn định của tàu, kéo theo sự xuất hiện lực và mô men hồi phục. ngoài
ba loại chòng chành cơ bản ra, còn có các loại chòng chành phụ khác là:
− Chòng chành dọc – nằm ngang (x1): là chuyển động dao động tịnh tiến
của tàu theo hướng trục dọc của nó;
− Chòng chành ngang – nằm ngang (x2): là chuyển động dao động tịnh tiến
theo hướng trục ngang của tàu
− Chòng chành đảo lái (x6): chuyển động dao động xung quanh trục thẳng
đứng của tàu

9


Hình 2.1. Các dạng chòng chành của tàu
Trong mỗi một chòng chành này sẽ không xuất hiện lực và mô men hồi

phục.
Mỗi mội loại chòng chành có thể quan sát được một cách riêng biệt hoặc
trong sự phối hợp đồng thời giữa các loại chòng chành khách nhau. Sự phối hợp
giữa chòng chành ngang – nằm ngang, chòn chành mạn và chòng chành đảo lái
được gọi là chòng chành ngang; còn giữa chòng chành dọc – nằm ngang, chòng
chành thẳng đứng và chòng chành sống chính gọi là chòng chành dọc.[Chòng
chành tàu thủy – Ths.Nguyễn Văn Võ]
Chòng chành tàu là iện các hiện tượng có hại đến chính bản thân nó và xuất
hiện các hậu quả khác làm xấu đi điều kiện sống của con người trên đó. Hiện
nay đối với các tàu vận tải biển, chòng chành mạn được cho là chấp nhận được,
nếu biên độ không vượt quá 20 o, chu kì lớn hơn 10s, còn gia tốc dài tổng cộng ở
bất kì điểm nào trên tàu không vượt quá 0,2g. đối với tàu khách giá trị này giảm
khoảng 2 lần.
Theo [12], số liệu được ghi lại từ việc thử nghiệm trên phà trọng tải 4000
tấn trong chu kì 100s. Các giá trị gia tốc được thể hiện theo hình dưới đây:

10


Hình 2.2. Kết quả giá trị gia tốc tương ứng với 6 dạng chòng chành của
tàu

11


Hình 2.3. Mật độ phổ năng lượng của gia tốc cho 6 dạng chòng chành
của tàu: tần số 0,01Hz trong thời gian 4 giờ
Từ hình 2.2, và hình 2.3 ta có thể thấy chòng chảnh thẳng đứng và chòng
chành sống chính có dạng đồ thị tương đối giống nhau ứng với giá trị gia tốc lớn
nhất trong số 6 loại hình chòng chành.

2.2. Ảnh hưởng của chòng chành tàu thủy tới cơ thể con người.
Thực tế cho thấy, hiếm khi tàu hành hải trong điều hiện sóng yên biển lặng.
Tàu thường xuyên chịu ảnh hưởng của sóng gió dẫn tới tàu bị chòng chành, kéo
theo sự xuất hiện của gia tốc. Gia tốc trên tàu, điển hình là gia tốc thẳng đứng
tác động lên cơ thể con người và gây nên hiện tượng say sóng.
Hiện tượng say sóng do chòng chành của tàu (motion sickness) là thuật ngữ
dùng để chỉ hiện tượng do sự mất cân bằng giữa việc tiếp nhận chuyển động
thực tế, tín hiệu mắt thu được và tai trong gây ra khả năng buồn nôn cho thuyền
viên, hành khách trên tàu hay các phương tiện khác như ô tô, máy bay, trong môi
trường không trọng lượng hay thậm chí ở trong thang máy [1]. Nguy hiểm hơn
12


nữa, nó có thể khiến cho hành khách hay thuyền viên phải nhập viện để điều trị.
Con người khi ở dưới boong chính thường dễ bị say sóng hơn, khi mà mắt
không tiếp nhận được sự thay đổi của môi trường và chuyển động xung quanh.
Hiện tượng say sóng xảy ra phụ thuộc vào giới tính và độ tuổi, một người
có thể bị say sóng 1 lần hoặc nhiều lần trong cuộc đời của họ [1]:
− Nữ giới dễ bị say sóng hơn nam giới với tỉ lệ là 1,7-1 (Benson 1999, Lawther &
Griffin 1985). Sự chênh lệch này là do tính nhạy cảm ở phụ nữ cao hơn và có sự
khác biệt về giải phẫu (Reason & Brand 1975)
− Trẻ em có khả năng chịu đựng cao nhất đối với hiện tượng say sóng, đặc biệt
hiếm khi xảy ra với trường hợp trẻ trên dưới hai tuổi. Tính nhạy cảm cao nhất ở
độ tuổi từ 2 đến 12. Khả năng chịu đựng tăng dần trong suốt cuộc đời của họ
(Benson 1999, Lawther & Griffin 1985, Wertheim 1998a). Benson (1999) chỉ ra
người già dễ bị say sóng, thực nghiệm cho thấy 22% những người bị say sóng
trên kênh Island Ferry (English Channel) ở độ tuổi trên 59.
− Thiếu ngủ sẽ làm tăng sự xuất hiện của hiện tượng say sóng vì nó ảnh hưởng tới
tiền đình của con người. Trong quá trình hành hải, đảm bảo cho thuyền viên có
giấc ngủ yên tĩnh gặp nhiều khó khăn (Dowd 1974).

Để đánh giá hiện tượng say sóng của thuyền viên và hành khách trên
tàu, ta sử dụng chỉ số say sóng MSI. Chỉ số đưa ra phần trăm số người bị say
sóng trên tổng số thuyền viên và hành khách trên tàu. Chỉ số này phụ thuộc vào
vị trí trên tàu và gia tốc thẳng đứng tại các vị trí đó.

13


14


Hình 2.4. Mối quan hệ giữa chỉ số say sóng MSI (phần trăm số người
say sóng trong 2 giờ thử nghiệm) với tần số sóng và gia tốc thẳng đứng

15


CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP ƯỚC TÍNH CHỈ SỐ SAY SÓNG

TRONG GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ BAN ĐẦU.
Vấn đề say sóng gây ra bởi chòng chành của tàu được phân tích qua 3 giai
đoạn (hình 3.1). Mỗi giai đoạn đưa ra một mô hình: mô hình thứ 1 nói về sự kích
thích của sóng, tiếp theo đề cập tới sự phản ứng lại của tàu (chòng chành tàu), và
cuối cùng đó là hiệu ứng say sóng.

Hình 3.1. Các giai đoạn gây nên hiện tượng say sóng
Phản ứng chòng chành của tàu được xem xét bởi sự kích thích của sóng và
một số các thông số chính của tàu. Thông thường, phương pháp đơn giản để xác
định chòng chành của tàu đó là lý thuyết mảnh được ứng dụng trong giai đoạn
thiết kế ban đầu, trong khi ở giai đoạn thiết kế sau, chòng chành của tàu được

xác định bởi những tính toán phức tạp hơn hoặc sử dụng phương pháp thử mô
hình. Tiêu chuẩn ISO 2631-1:1997 (ISO, 1997) giới thiệu chỉ số say sóng (MSI),
chỉ số này có thể xác định từ chòng chành tàu thủy. Chỉ số MSI có thể được sử
dụng để đánh giá phần trăm số người có thể bị nôn trong điều kiện trạng thái
biển xác định trên con tàu được thiết kế đó.
Để nắm bắt được vấn đề về hiện tượng say sóng, cần tiến hành nghiên cứu
từng giai đoạn thông qua các mô hình toán học dưới đây.
3.1. Mô tả điều kiện biển
Sóng là dao động của bề mặt tự do dưới tác dụng của trọng lực, đối với vị
trí cân bằng.
Các yếu tố cơ bản đặc trưng cho chuyển động sóng của chất lỏng là:
16


− Profile sóng: giao tuyến của mặt sóng với mặt phẳng thẳng đứng ở hướng truyền
sóng; sóng nằm cao hơn vết nước tĩnh, bụng sóng: phần dưới vết này; điểm cao
nhất của ngọn sóng là đỉnh sóng. Còn điểm thấp nhất của bụng sóng gọi là đáy
sóng;
− Biên độ sóng: khoảng cách thẳng đứng từ đỉnh sóng hoặc đáy sóng đến vết nước
tĩnh;
− Chiều cao sóng (H): độ nâng cao của đỉnh sóng so với đáy sóng liền kề
− Chiều dài sóng (λ): khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng hoặc đáy sóng
kề nhau đo theo hướng truyền sóng;
− Chiều dài ngọn sóng: khoảng cách nằm ngang giữa hai đỉnh sóng kề nhau, đo
theo phương vuộng góc với hướng truyền sóng, khái niệm này chỉ được sử dụng
khi mô tả sóng gió thực ba chiều
− Lườn sóng (α) (α0 = max α): góc giữa tiếp tuyến với profile sóng và mặt phẳng
nằm ngang
− Chu kỳ sóng (T): khoảng thời gian hai đỉnh sóng (hoặc đáy sóng) kề nhau đi qua
một điểm cố định trong không gian

− Tần số tròn của sóng: số dao động toàn phần, đi qua một điểm cố định trong
không gian sau khoảng thời gian 2pi giây;
− Tốc độ truyền sóng hoặc pha tốc độ: tốc độ dịch chuyển của đỉnh sóng
− Độ dốc của sóng: tỷ số giữa chiều cao và chiều dài của nó

Hình 3.2. Profile sóng điều hòa
17


Sóng gió không điều hòa được khảo sát như là quá trình ngẫu nhiên tĩnh.
Trong lý thuyết chòng chành sử dụng hai phương pháp để mô tả nó: phương
pháp thống kê và phương pháp phổ. Ở phương pháp thống kê, sóng được xem
như là quá trình ngẫy nhiên với luật phân phối vi phần và phân phối tích phân
của nó là những giá trị tức thời. Tiếp nhận cho rằng, mật độ xác suất giá trị tức
thời của các yếu tố sóng (tung độ, lườn sóng v.v…) hay là luật phân phối vi phân
của các giá trị này được mô tả bởi luật tiêu chuẩn (luật Gauss). Đối với quá trình
ngẫu nhiên trung tâm, tức là xác định đối với mức trung bình của nó, luật phân
phối Gauss đặc trưng bởi phương sai Dx
f ( x) =

1
exp  − x 2 / (2 Dx ) 
2π Dx

(3.1)

Từ lý thuyết xác suất ta biết rằng, nếu đại lượng ngẫu nhiên trung tâm phân
phối tức thời tuân theo luật phân phối chuẩn (phân phối Gauss), thì giá trị biên
độ của quá trình này phân phối theo luật Reyleigh
f ( A) =

A
exp  − x 2 / (2 Dx ) 
Dx

(3.2)

Sóng như là quá trình ngẫu nhiên tĩnh cũng có thể đặc trưng bởi mật độ phổ
một chiều

Sϕ (σ )

, mô tả thành phần tần số của quá trình này.

Hiện nay đã tích lũy khá đủ các số liệu về mật độ phổ tung độ sóng về các
địa điểm khác nhau trên các đại dương. Tất cả các kết quả thu được từ việc
nghiên cứu sóng thực.
Sóng không điều hòa có thể được coi là tổng hợp của các sóng điều hòa với
tần số khác nhau, hướng truyền khác nhau

18


Hình 3.3. Sóng không điều hòa là tổng hợp từ các sóng điều hòa có tần
số, biên độ, hướng truyền và pha khác nhau (Pierson (1955))
Điều đó có nghĩa là bề mặt của sóng không điều hòa có thể được mô tả bởi
tổng hợp các sóng thành phần
Ví dụ: Tổng hợp các sóng điều hòa để mô tả sóng phi tuyến

19

Hình 3.4. Tổng hợp 4 sóng điều hòa
3.2. Mô tả chòng chành tàu
Thông thường, mô tả chòng chành tàu bằng việc sử dụng hệ số khuếch đại
RAOs. RAOs có thể tính toán được nhờ việc thử mô hình hoặc sử dụng phần
mềm CFD. Các dạng chòng chành chủ yếu ảnh hưởng tới hiện tượng say sóng
như chòng chành thẳng đứng, chòng chành ngang và chòng chành sống chính.
Hiện tượng say sóng phụ thuộc vào gia tốc thẳng đứng. Cần phải xác định RAOs
khi tính toán gia tốc thẳng đứng.
Tỷ số giữa biên độ tín hiệu đầu ra (góc nghiêng tàu – phản ứng của tàu,
được xem như một hệ động lực tuyến tính) với biên độ đầu vào của tín hiệu đối
với hệ thống này (lườn sóng) gọi là hệ số khuếch đại của hệ thống. Sự phụ thuộc
của hệ số này vào tần số nhiễu động gọi là đặc trưng biên độ - tần số (RAO) của
chòng chành mạn của tàu.
χξ ωξ
ϕ
RAO  =   0 =
α0
(ω 2ξ − σ 2 ) + 4 µ 2ξ σ 2
µξ

(3.3)

: hệ số lực cản phụ thuộc biên độ chòng chành của tàu
20


Đặc trưng xác suất của chòng chành tàu trên sóng không điều hòa được
tính toán nhờ hệ thức nền tảng, liên hệ giữa mật độ phổ đầu vào và đầu ra của

quá trình ngẫu nhiên:
Sout (σ ) = Φ 2 Sin (σ )

(3.4)

Φ2

ở đây:

: module hàm truyền của hệ động lực tuyến tính khảo sát

Trong lý thuyết chòng chành, hệ thống được tiếp nhận là tàu, quá trình đầu
vào được cho là sóng, đầu ra là chòng chành tàu. Trong trường hợp này, nếu biết
mật độ sóng và đặc trưng biên độ - tần số chòng chành mạn của tàu RAO thì
chúng ta sẽ nhận được mật độ phổ góc chòng chành mạn.
Phương sai góc chòng chành
∞

Dϕ = ∫ Sϕ (σ ) dσ
0

Sϕ (σ )

(3.5)

: mật độ phổ của góc chòng chành

3.3. Mô tả hiện tượng say sóng
3.3.1. Chỉ số say sóng MSI
3.3.1.1. Các công thức tính MSI

Say sóng là hệ quả tích tụ dần dần do ảnh hưởng của gia tốc thẳng đứng
ứng với giá trị tần số nhất định. Khi tần số trong khoảng 1 rad/s, chỉ số say sóng
(MSI) đạt giá trị lớn nhất.
Chỉ số say sóng sử dụng lí thuyết xác suất của hiện tượng say sóng được đề
xuất bởi O’Halon và McCauley (1974). Công thức đưa ra thể hiện phần trăm
thanh niên nam bị say sóng trong 2 giờ chịu tác động ứng với giá trị tần số và
gia tốc cụ thể. MSI có thể được xác định thông qua công thức sau [5]:

± log10 ( az / g ± µ MSI ) 
MSI = 100  0,5 ±

0, 4



(3.6)

Trong đó:
erf: hàm sai số
21


erf ( x) =

1
2π

 −z2 
exp
∫0  2 ÷dz

x

(3.7)

az: gia tốc thẳng đứng.
Trong chuyển động hình sin, az có thể được xác định theo công thức:
(3.8)
WVA: giá trị gia tốc thẳng đứng xấu nhất
AWVA: biên độ ứng với WVA
µMSI hệ số được xác định qua công thức
µ MSI = −0,819 + 2,32(log10 ωe ) 2

(3.9)

ωe: tần số gặp
Mối quan hệ giữa chỉ số MSI và gia tốc thẳng đứng a z được thể hiện rõ trên
đồ thị

Hình 3.5. Chỉ số say sóng MSI
Từ đồ thị (3.5b) ta thấy, trong khoảng nửa giờ đầu chỉ số MSI tăng lên đột
biến và đạt giá trị cực đại vào khoảng thời gian từ 3÷5 giờ, sau đó chỉ số giảm
dần. Trong khoảng thời gian sau 2 ngày, tất cả người trên tàu sẽ thích ứng với
điều kiện môi trường hơn khi chỉ số MSI trong phạm vi nhỏ hơn 10%
Chỉ số MSI sẽ tăng khoảng 1,5 lần đối với trường hợp phụ nữ và trẻ em.
Trên tàu khách, hệ số điều chỉnh có thể được sử dụng xét cho trường hợp đối
22


tượng trung gian về độ tuổi và giới tính giữa các hành khách (được đề xuất bởi
Soars và Schmidt (1992))

(3.11)

Hình 3.6. Kết quả sau khi sử dụng hệ số hiệu chỉnh ứng với trường hợp
MSI 10% trong 2 giờ chịu tác động
Hệ số MSI còn được tính toán thông qua hệ số MSDV (motion sickness
dose value)
(3.12)
Trong đó:
Km: hệ số phụ thuộc vào loại người chịu tác động. Ứng với số người chịu
tác động cụ thể, khả năng chịu đựng không cao (cho cả nam, nữ và trẻ em), K m =
1/3
MSDV có thể được xác định theo một trong hai cách:
− Nếu tính trong thời gian ngắn:
(3.13)
Trong đó:
: gia tốc thẳng đứng trung bình
T0: thời gian chịu đựng
− Nếu tính toán trong toàn bộ thời gian chịu đựng

23


(3.14)
Trong đó:
av: gia tốc thẳng đứng
T: thời gian chịu đựng

Hình 3.7. Mối quan hệ giữa Dose và phần trăm số người bị say sóng
(Alexander, 1974 và Mc Cauley, 1976 và thử tàu của Lawther &
Grinffin, 1986)

Thông số đầu vào để tính toán chỉ số MSI cần có: thông số kích thước
chính của tàu (L, B, d), lượng chiếm nước của tàu (∆), CW, trọng tâm G, chiều
cao tâm nghiêng, chu kì chòng chành, tốc độ tàu.
Chỉ số MSI được tính toán ứng với trạng thái biển nhất định (phổ sóng,
chiều cao sóng tiêu biểu và chu kì)
3.3.1.2. Tiêu chuẩn đối với chỉ số MSI
a. Tiêu chuẩn ISO 1985
24


Đối với dải tần số (0,1 ÷ 0,63) Hz, ISO 2631/3-1985 (ISO 1985) đưa ra
tiêu chuẩn cho chỉ số MSI không vượt quá 10% trong phạm vi 2 giờ phơi nhiễm
đối với đối tượng là thanh niên nam khi đứng hoặc ngồi.
b. Tiêu chuẩn British 6841 (1987)
Nhằm mục đích cung cấp một sự phù hợp, cải tiến với các dữ liệu có sẵn,
tốc độ giảm của tần số cao hơn trong các tiêu chuẩn ISO 2631.

Hình 3.8. Tiêu chuẩn ISO và British Standard
Thời gian giới hạn là 2 giờ được lựa chọn vì chỉ số MSI sẽ tăng trong phạm
vi 2 giờ, nếu trong vòng 2 giờ đầu tiên đó con người không bị say sóng thì họ sẽ
ít khi bị say sóng trong thời gian dài sau đó.
3.3.2. Tính toán chỉ số say sóng trong giai đoạn thiết kế ban đầu
Về quan điểm thiết kế tàu, tính đi biển của tàu phụ thuộc vào nhiều yếu tố,
một số yếu tố quan trọng nhất là:
− Ảnh hưởng của môi trường biển (sóng và gió)
− Thông số chuyển động của tàu (tốc độ…)
− Các thông số về thiết kế tàu
25