Nghiên cứu phát triển mô hình toán học thích ứng việc mô phỏng chuyển động tàu nhiều loại thiết bị đẩy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỖ THÀNH SEN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN HỌC THÍCH
ỨNG VIỆC MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TÀU NHIỀU
LOẠI THIẾT BỊ ĐẨY
Chuyên ngành : Khoa học Hàng hải
Mã số : 9840106

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : PGS, TS. Trần Cảnh Vinh

TP. HCM - 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỖ THÀNH SEN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN HỌC THÍCH
ỨNG VIỆC MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TÀU NHIỀU
LOẠI THIẾT BỊ ĐẨY
Chuyên ngành : Khoa học Hàng hải
Mã số : 9840106

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học : PGS, TS. Trần Cảnh Vinh

TP. HCM - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phát triển mô hình
toán học thích ứng việc mô phỏng chuyển động tàu nhiều thiết bị
đẩy” là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu và tài liệu trong luận án là trung thực và chưa được
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Tất cả những
tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ.

Nghiên cứu sinh

Đỗ Thành Sen


LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Giao thông
Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Sau đại học và khoa Hàng hải của
trường đã cho phép và tạo điều kiện cho tác giả thực hiện luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn khoa học : PGS.
TS Trần Cảnh Vinh đã tâm huyết và tận tình định hướng, hướng dẫn giúp
nghiên cứu sinh có thể hoàn thành luận án đúng mục tiêu và tiến độ đề ra.

Tác giả xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô tham gia phản
biện trong các hội đồng bảo vệ tổng quan, bảo vệ chuyên đề đã gúp

nghiên cứu sinh làm sáng tỏ các vấn đề từ đó có hướng nghiên cứu
trọng tâm để hoàn thành các nội dung nghiên cứu của luận án.
Tác giả cũng xin cảm ơn Trung tâm Đào tạo và Nguồn nhân lực hàng
hải (UT-STC), Trung tâm Mô phỏng hàng hải Maritime Centres of Excellence
(Simwave), Hà Lan, Hãng sản xuất mô phỏng Kongsberg, Na Uy và các tổ
chức liên quan đã cho phép tiếp cận và hỗ trợ trang các trang thiết bị và mô
phỏng cần thiết giúp nghiên cứu sinh có thể ứng dụng trong nghiên cứu,
xây dựng và đánh giá mô hình toán mô phỏng tàu.

Cuối cùng tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình
và bạn bè đã luôn động viên, khuyến khích, tạo điều kiện cho tác
giả trong suốt thời gian nghiên cứu để hoàn thành luận án này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 8 năm 2018

Tác giả luận án

Đỗ Thành Sen


iii

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU........................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.......................................................................................... x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................... xii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................. 1
1.

Lý do chọn đề tài.......................................................................................... 1

2.

Mục đích nghiên cứu................................................................................ 1

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................. 2

4.

Phương tiện nghiên cứu........................................................................ 2

5.

Phương pháp nghiên cứu..................................................................... 2

6.

Ý nghĩa khoa học-thực tiễn và tính mới...................................... 4

7.

Kết cấu của luận án.................................................................................... 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN.......................................................................................... 5
1.1.

Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình toán học chuyển

động tàu............................................................................................................. 5

1.2.

Tình hình tổng quan về nghiên cứu xác định các thành phần

cụ thể cấu thành phương trình chuyển động tổng quát 6
1.2.1.

Thành phần khối lượng tổng quát, hệ số lực Coriolis của tàu
6

1.2.2.

Thành phần khối lượng tổng quát và hệ số lực Corolis của

lượng nước kèm......................................................................................... 6
1.2.3.

Thành phần lực cản................................................................................... 7

1.2.4.

Thành phần lực thủy tĩnh...................................................................... 8

1.2.5.

Thành phần lực tác động....................................................................... 9

1.3.

Kết luận chương 1................................................................................... 10

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN
CHUYỂN ĐỘNG TÀU.................................................................... 11
2.1.

Cơ sở lý thuyết ban đầu...................................................................... 11

2.2.

Xác định các thành phần khối lượng nước kèm...............14


iv

2.2.1.

Hướng tiếp cận vấn đề......................................................................... 14

2.2.2.

Phương pháp xác định khối lượng nước kèm...................15

2.2.3.

Kết quả tổng hợp tính toán khối lượng nước kèm..........22

2.2.4.

Ma trận hệ số lực Coriolis.................................................................. 23

2.3.

Xác định các thành phần lực cản................................................. 24

2.3.1.

Hướng tiếp cận vấn đề......................................................................... 24

2.3.2.

Tác động của dòng chảy đến chuyển động tàu.................26

2.3.3.

Phương pháp thiết lập công thức tính lực cản..................26

2.3.4.

Hệ số lực cản............................................................................................... 27

2.3.5.

Phân tích các thành phần vận tốc................................................ 29

2.3.6.

Tổng hợp vận tốc theo chiều chuyển động...........................34

2.3.7.

Thiết lập công thức tính lực cản................................................... 34

2.4.

Xây dựng mô hình tổng hợp lực tác động............................. 42

2.4.1.

Thiết lập mô hình tổng hợp lực tổng quát.............................. 42

2.4.2.

Xác định các thành phần lực cụ thể........................................... 46

2.5.

Kết luận chương 2................................................................................... 70

CHƯƠNG 3. THIẾT LẬP THUẬT TOÁN VÀ XÂY DỰNG
CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG................................................. 73
3.1.

Mở đầu.............................................................................................................. 73

3.2.

Thuật toán mô phỏng............................................................................ 73

3.2.1.

Phương trình vi phân chuyển động 6 bậc tự do................73

3.2.2.

Xác định các hệ số của phương trình vi phân chuyển động
73

3.2.3.

Mô hình tổng hợp lực............................................................................ 75

3.2.4.

Thành phần hệ số thủy động không thứ nguyên..............77

3.2.5.

Phương trình các tham số chuyển động theo thời gian
78

3.2.6.

Thuật toán mô phỏng chuyển động............................................ 80

3.3.

Xây dựng phần mềm mô phỏng..................................................... 84

3.3.1.

Lập trình mô phỏng chuyển động tàu....................................... 84

3.3.2.

Các giao diện chính của phần mềm............................................ 84

3.4.

Kết luận chương 3................................................................................... 87


v

CHƯƠNG 4. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH
TOÁN........................................................................................................ 88
4.1.

Mô hình tàu mẫu........................................................................................ 88

4.2.

Đánh giá kết quả khai triển tuyến hình tàu............................ 88

4.3.

Đánh giá phương pháp tính toán khối lượng nước kèm tổng

quát 93
4.4.

Đánh giá phương pháp tính toán hệ số lực cản................95

4.5.

Đánh giá phương pháp tổng hợp lực và mô hình toán tổng

hợp 99
4.6.

Kết luận chương 4................................................................................ 106

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT......................................................................................... 107
1.

KẾT LUẬN.................................................................................................... 107

2.

ĐỀ XUẤT....................................................................................................... 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................. 111
PHỤ LỤC 1. TỔNG HỢP CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ
CÔNG BỐ
............................................................................

PHỤ LỤC 2. THUẬT TOÁN MATLAB ..................................................


vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU
Định nghĩa:
Kinetic Energy Động năng
Chân vịt Chân vịt có thể quay 360o quanh trục, hay còn gọi là chân vịt
Azimuth ASD - Azimuth Stern Drive, Z Driver, Z-type.
Voith Schneider Chân vịt Voith Schneider, là chân vịt được tổ hợp bằng nhiều

Khối

cánh thẳng đứng bố trí trên một vòng tròn có thể quay quanh
một trục. Bước của các cánh được máy tính toán và điều chỉnh
thông qua cơ cấu phân phối tự động để tạo lực tổng hợp giúp
tàu tịnh tiến theo hướng mong muốn.
lượng Khối lượng của lượng nước chuyển động theo tàu khi tăng hay

nước kèm – giảm tốc (added mass).
added mass
Mô men quán Mô men quán tính bổ sung do khối lượng nước kèm chuyển
tính nước kèm – động xoay theo tàu khi tăng hay giảm tốc (added moment of
added moment inertia).
of inertia
Lực thủy động - Lực sinh ra tác động đến phần chìm của vỏ tàu khi tàu có gia
Hydrodynamic tốc và vận tốc, bao gồm: khối lượng nước kèm (added mass),
forces
lực Coriolis và lực cản (damping).

Lực thủy tĩnh - Bao gồm thành phần trọng lượng tàu (gravity) và lực hồi phục
Hydrostatic
(restore forces, spring forces).
forces

Bậc tự do:
Surge Chuyển động dọc - dọc trục Ox, u
sway Chuyển động ngang - dọc trục Oy, v
heave Chuyển động theo chiều đứng - dọc
trục Oz, w Roll Lắc ngang – xoay quanh trục
Ox, ϕ
pitch
Bổ dọc – xoay quanh trục Oy, θ

yaw
Đảo lái – xoay quanh trục Oz, ѱ


u Vận tốc chuyển động dọc trục Ox, surging
Vận tốc:
v Vận tốc tịnh tiến dọc trục Oy, swaying


vii
w Vận tốc tịnh tiến dọc trục Oz,
heaving p Vận tốc lắc ngang, rolling

q Vận tốc bổ dọc, pitching
r Vận tốc chuyển hướng, yawing
Góc xoay Euler:
ϕ Góc nghiêng ngang, rolling
θ Góc chúi, pitching
ѱ Hướng mũi tàu, yawing
Thông số chung:
A Diện tích

AL Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xz
AP Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xy
Ab Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xy
D Lượng giãn nước của
tàu m Khối lượng tàu
g0 Trọng lượng tàu
mij Thành phần khối lượng hay mô men quán tính kèm
theo chiều i do gia tốc j gây ra
Tỉ

trọng

của

nước I Mô men quán
tính s Diện tích

α,

Góc dạt của tàu (drift angle)

δ Góc bẻ lái
φ Động năng (Kinetic energy)
σi Góc xoay trên mặt phẳng oyz của ngoại lực Fi
γi Góc nghiêng trên mặt phẳng oyz của ngoại
lực Fi A0 Diện tích mặt đĩa chân vịt
Ae Diện tích mặt trải cánh chân vịt
Ad Diện tích triển khai cánh chân vịt
n Vận tốc vòng xoay chân
vịt D Đường kính chân vịt

P, H Bước chân vịt
EAR Tỉ số diện tích mở rộng cánh chân vịt (Expanded Area Ratio)
Va Tốc độ tiến của chân vịt (tốc độ không rối)
Vận tốc tàu
Hiệu suất chân vịt
Z Số cánh chân vịt
x , y , z Cánh tay đòn trên trục x, y, z của bánh lái
thứ i Tỉ trọng không khí
,
Tần số sóng
2 Khoảng cách từ tàu đến bờ


viii
Vận tốc hiệu dụng
Hệ số:
’
KT , KT Hệ số lực đẩy chân vịt
’
KQ , KQ Hệ số mô men xoắn chân vịt
’
J, J Hệ số tiến
∗
Hệ số lực đẩy chân vịt
∗
Hệ số mô men xoắn chân vịt
∗
Hệ số lực đẩy của ống đạo lưu
, hệ số lực cản, hệ số lực nâng theo chiều x, y của bánh lái i
, Hệ số

w Số Wake
Rn Số Renault
Fr Số Froude
Lực và mô men:

X Lực theo phương dọc Ox
Y Lực theo phương ngang Oy
Z Lực theo phương ngang Oz
K Mô men xoay ngang quanh Ox
M Mô men xoay dọc quanh Oy

N Mô men chuyển hướng quanh Oz
Q Mô men xoắn chân vịt

Tn

Lực đẩy của ống đạo lưu

Ma trận:
M ma trận quán tính của hệ vật thể (bao gồm khối lượng
kèm) MS ma trận khối lượng và mô men quán tính tàu

MA ma trận khối lượng kèm (added masses)

D

ma trận hệ số lực cản tuyến tính

Dn(v) ma trận hệ số lực cản phi tuyến
g(η) ma trận lực và mô men hồi phục

f ma trận lực tác động
f( ) ma trận lực hồi phục
fr ma trận lực bánh lái fp
ma trận lực chân vịt

fcu ma trận lực tác động do dòng
chảy fwi ma trận lực tác động do gió


ix
fwa
fsq
fbk
fir
fml
fpl
fph
fgr
fcl

ma trận lực tác động do sóng
ma trận lực tác động do squat
ma trận lực tác động của bờ
ma trận lực tác động giữa các tàu
ma trận lực tác động do dòng chảy
ma trận lực tác động do tàu lai kéo
ma trận lực tác động do tàu lai đẩy
ma trận lực tác động do mắc cạn
ma trận lực tác động do va chạm tàu

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Qui trình phát triển và đánh giá mô hình toán.................................... 3
Hình 2.1. Hệ tọa độ mô tả chuyển động của tàu trên 6 bậc tự do (6DOF)
11
Hình 2.2. Sơ đồ tiến trình giải quyết các vấn đề đưa ra của đề tài ............13
Hình 2.3. Tuyến hình tàu được xem như hình ellipsoid.................................. 16
Hình 2.4. Tuyến hình tàu được xem xét theo từng mảnh............................... 17
Hình 2.5. Cách thức biến đổi tuyến hình Lewis................................................... 18
Hình 2.6. Áp dụng Lewis forms: Vùng I: không áp dụng, vùng II: khuyết
cáo không áp dụng, vùng III: khuyến cáo áp dụng .....................20
Hình 2.7. Áp dụng Lewis forms: Vùng I: không áp dụng, vùng II: khuyết
cáo không áp dụng, vùng III: khuyến cáo áp dụng .......................21
Hình 2.8. Thành phần m22 với với cánh tay đòn ZB gây nên mô men quán
tính nước kèm m24........................................................................................... 21
Hình 2.9. Mô tả các lát cắt thân tàu............................................................................. 27
Hình 2.10. Mô tả vận tốc dài tại hai mạn tàu do xoay ngang .......................... 30
Hình 2.11. Mô tả vận tốc dài trên mặt đáy tàu do xoay ngang ...................... 31
Hình 2.12. Mô tả vận tốc dài trên hai vách mạn tàu do lắc ngang ..............31
Hình 2.13. Mô tả vận tốc dài trên mặt đáy tàu do lắc ngang .......................... 32
Hình 2.14. Mô tả vận tốc dài trên hai vách mạn tàu do bổ dọc..................... 33
Hình 2.15. Mô tả vận tốc dài trên đáy tàu do bổ dọc.......................................... 33
Hình 2.16. Mô tả các thành phần lực tác động lên tàu...................................... 43
Hình 2.17. Mô hình hóa các thành phần lực tác động đến tàu.....................43
Hình 2.18. Mô tả thành phần ngoại lực thứ k......................................................... 44
Hình 2.19. Mô tả T và Q....................................................................................................... 47
Hình 2.20. Đồ thi biểu diễn ,

theo J......................................................................... 48
Hình 2.21. Mô tả mối quan hệ giữa VR, Va và VS................................................. 50
Hình 2.22. Đường cong ∗, ∗ trong 4 miền góc tiến cho P/D cụ thể ......51
Hình 2.23. Đường cong C ∗, C ∗ trong 4 miền góc tiến cho P/D cụ thể
........................................................................................................................................................... 53

Hình 2.24.
Hình 2.25.
Hình 2.26.
Hình 2.27.
Hình 2.28.
Hình 2.29.

Qui ước các chiều chuyển động của tàu........................................... 57
Thông số AS, AW tác động đến Squat................................................... 62
Tác động của bờ đến tàu........................................................................... 64
Mô tả tác động qua lại giữa các tàu..................................................... 67
Các thông số tính toán tác động giữa hai tàu................................ 67
Thành phần lực của dây buộc tàu và neo.......................................... 68

Hình 3.1. Sơ đồ tổng hợp lực kích động và ngoại lực tác động đến tàu 76
Hình 3.2. Các thông số chuyển động của tàu trên mô phỏng...................... 79
Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán mô phỏng chuyển động tàu 6DOF, thời gian thực
80


Hình 3.4. Cửa sổ mô phỏng vết tàu trên Matlab.................................................. 84


xi

Hình 3.5. Bảng điều khiển các nhóm chân vịt bánh lái trên Matlab ..........85
Hình 3.6. Cửa sổ hiển thị các chuyển động xoay rolling, pitching và yawing
của tàu.................................................................................................................... 86
Hình 3.7. Cửa sổ hiển thị chuyển động 6DOF theo thời gian thực...........86
Hình 3.8. Cửa sổ mô tả đồ thị các thông số chuyển động tàu trên Matlab 87
Hình 4.1. Tuyến hình đường sườn tàu Motora..................................................... 89
Hình 4.2. Tuyến hình đường sườn phần ướt tàu Motora mô tả trên Matlab
theo phép biến hình Lewis.......................................................................... 89
Hình 4.3. Tuyến hình vỏ tàu Motora trên Matlab.................................................. 90
Hình 4.4. Tuyến hình phối cảnh 3D của vỏ tàu Motora..................................... 90
Hình 4.5. Tuyến hình phần ướt vỏ tàu Triple-E theo phép biến hình Lewis mô
tả trên Matlab...................................................................................................... 90
Hình 4.6. Tuyến hình phối cảnh 3D tàu Triple-E trên Matlab .........................91
Hình 4.7. Tàu Genting Dream.......................................................................................... 91
Hình 4.8. Tuyến hình thực tế tàu Genting Dream................................................ 91
Hình 4.9. Tuyến hình phần ướt vỏ tàu Genting Dream khai triển trên Matlab. 92
Hình 4.10. Tuyến hình phối cảnh 3D tàu Genting Dream trên Matlab .......92
Hình 4.11. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến u (v = 5 knots, r = 0 deg/m)
........................................................................................................................................................... 95

Hình 4.12. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến v (u = 5 knots, r = 0 deg/m)
........................................................................................................................................................... 96

Hình 4.13. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến r (u = 0 knots, v = 0 knots)
........................................................................................................................................................... 96

Hình 4.14. Đồ thị các hệ số lực cản theo biến r (u = 5 knots, v = 5 knots)
........................................................................................................................................................... 97

Hình 4.15. Đồ giải Coasting tàu Genting Dream................................................... 98

Hình 4.16. Đồ thị tốc độ dọc u của tàu khi điều động coasting theo hồ sơ tàu 98

Hình 4.17. Đồ giải tốc độ u khi điều động coasting trên mô phỏng..........99
Hình 4.18. Vết quay trở của tàu theo hồ sơ thử tàu khi bánh lái bẻ sang phải 15 0 . 100

Hình 4.19.
Hình 4.20.
Hình 4.21.
Hình 4.22.
Hình 4.23.
Hình 4.24.
Hình 4.25.

Vết quay trở của tàu theo kết quả chạy mô phỏng ...................100
Đồ thị hiển thị vận tốc dọc (u) của tàu khi quay trở.................. 101
Đồ thị hiển thị vận tốc ngang (v) của tàu khi quay trở ............101
Đồ thị hiển thị vận tốc đứng (w) của tàu khi quay trở.............101
Đồ thị hiển thị tốc độ quay trở (r) của tàu khi quay trở..........102
Đồ thị hiển thị góc dạt (d) của tàu khi quay trở........................... 102
Đồ thị hiển thị tốc độ nghiêng ngang (p) của tàu khi quay trở

........................................................................................................................................................ 102

Hình 4.26.
Hình 4.27.
Hình 4.28.
Hình 4.29.

Đồ thị hiển thị tốc độ bổ dọc (q) của tàu khi quay trở .............103
Đồ thị hiển thị hướng tàu (Hd) khi quay trở.................................. 103

Đồ giải chuyển động tàu khi đẩy bởi chân vị mũi ...................... 104
Đồ thị vận tốc dọc (u)................................................................................. 105


Hình 4.30. Đồ thị vận tốc ngang (v)........................................................................... 105
Hình 4.31. Đồ thị hướng tàu (Hd)................................................................................ 105


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1.
Bảng 2.2.
Bảng 2.3.
Bảng 2.4.

Qui ước các tham số chuyển động của tàu...................................... 12
Mô tả 4 quadrant của chân vịt................................................................... 49
Các tham số theo phương pháp khai triển Fourier....................... 51
Bảng tỉ trọng gió............................................................................................... 58

Bảng 3.1. Thông số chung các mẫu tàu nghiên cứu.......................................... 88
Bảng 4.1
Bảng 4.2.
Bảng 4.3.
Bảng 4.4.
Bảng 4.5.
Bảng 4.6.
Bảng 4.7.

Thông số chung các mẫu tàu nghiên cứu.......................................... 88
So sánh kết quả xác định mij tàu Motora............................................. 93
So sánh kết quả xác định............................................................................. 94
Kết quả tính tàu Triple-E và Genting Dream.................................. 94
Bảng thông số điều động Coasting tàu Genting Dream.............97
Bảng thông số quay trở................................................................................ 99
Bảng thông số chuyển động tàu khi đẩy bởi chân vịt mũi .....104


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Công ước STCW 1978 và sửa đổi năm 2010 nhận thức được tầm
quan trọng và qui định việc tăng cường sử dụng mô phỏng buồng lái
trong đào tạo nghiệp vụ hàng hải. Trong thực tiễn hiện nay, ngoài yêu
cầu luật định, nhu cầu đào tạo bằng mô phỏng trên thế giới cũng trở nên
cấp thiết đòi hỏi các cơ sở đào tạo hàng hải phải trang bị mô phỏng
buồng lái có khả năng mô phỏng các loại tàu có thiết bị đẩy khác nhau.
Ngoài chức năng huấn luyện và đào tạo, hệ thống mô phỏng buồng lái còn có
thể khai thác trong việc nghiên cứu tính khả thi của thiết kế tàu, thiết kế cảng và
luồng hàng hải. Ứng dụng này có thể áp dụng đối với các tàu bè hiện hữu cũng
như trong giai đoạn thiết kế. Để thực hiện, cần phải thiết lập mô hình toán chuyển
động của tàu phù hợp và đáp ứng độ chính xác cho từng tàu cụ thể.

Do vậy, đề tài “NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN HỌC
THÍCH ỨNG VIỆC MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG TÀU NHIỀU LOẠI
THIẾT BỊ ĐẨY” là cần thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Về lý thuyết: Phát triển mô hình toán và thuật toán mô phỏng cho

chuyển động của các mô hình tàu biển. Kết quả nghiên cứu phải đáp ứng:

- Mô phỏng chuyển động tàu biển 6 bậc tự do và chuyển động
theo thời gian thực;
- Giải quyết được thuật toán chuyển động của tàu chân vịt phi truyền thống;
- Mô hình toán học giúp xây dựng, phát triển nhanh chóng các
mô hình tàu mới;
- Mô hình toán đảm bảo tính năng điều động của tàu trên
mô phỏng. Về ứng dụng:


2

- Kết quả của đề tài có thể áp dụng để phát triển các mô hình tàu
mới cho các hệ thống mô phỏng buồng lái hiện hữu.
-

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho công tác nghiên cứu ứng dụng về sau.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là mô hình toán và thuật
toán mô phỏng chuyển động tàu thủy.
Phạm vi nghiên cứu tập trung các mô hình toán ứng dụng cho
các hệ thống mô phỏng buồng lái tại Việt Nam, đồng thời cũng mở
rộng cho các hệ thống mô phỏng trên thế giới.
4. Phương tiện nghiên cứu
Dùng các phương pháp, số liệu tính toán và thực nghiệm của các công
trình nghiên cứu trước đây làm cơ sở nghiên cứu đánh giá nhằm đưa ra
phương pháp tính toán phù hợp; Dùng máy tính để số hóa, hàm hóa các số
liệu, tính toán các thành phần lực và mô phỏng bằng máy tính. Ứng dụng

máy tính sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu là phần mềm Matlab.
Trong thời gian thực hiện đề tài, nghiên cứu sinh cũng đã khai thác và
nghiên cứu trực tiếp hệ mô phỏng K-Sim (phiên bản mới nhất v.2.4) của
hãng Kongsberg tại Horten, Na Uy và tại trung tâm mô phỏng Maritime
Centres of Excellence (Simwave), tại Barendercht, Hà Lan. Kết quả nghiên
cứu được kiểm nghiệm đánh giá trực tiếp trên các hệ mô phỏng này.

5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết, tài liệu khoa học:
phân tích các tài liệu lý thuyết về động lực học (dynamics), thủy động
lực học (hydrodynamics), thủy tĩnh học (hydrostatics), mô hình toán tàu
biển trong và ngoài nước kết hợp đánh giá các kết quả thực nghiệm
khoa học của các công trình khoa học trên thế giới về mô hình toán của
tàu từ đó tổng hợp và đề xuất phương án giải quyết các yêu cầu đặt ra.


3
- Phương pháp giải tích: Dùng lý thuyết vật lý cơ bản và thủy động để
phân tích và xây dựng các công thức toán nhằm dự đoán các tham số của
hệ phương trình vi phân trạng thái chuyển động của tàu 6 bậc tự do.
- Phương pháp mô hình hóa: Từ mô hình toán đề xuất, thiết lập thuật
toán mô hình tàu biển để xây dựng phần mềm đánh giá kết quả nghiên cứu.
- Phương pháp so sánh và phân tích thực nghiệm khoa học:

Xây dựng phần mềm để đánh giá tính hợp lý của mô hình toán học
so với các thông số thiết kế, chế tạo và thực nghiệm.
Qui trình phát triển và đánh giá mô hình toán học được mô tả theo sơ đồ

sau:
Đề xuất ban

đầu

Mô hình toán học được phát
triển

Xây dựng mô hình, thuật toán,
phần mềm/ mô hình tàu

Điều chỉnh

No

Đánh giá kết
quả

Yes
Chấp nhận,
hoàn tất
Hình 1.1. Qui trình phát triển và đánh giá mô hình toán


4

6. Ý nghĩa khoa học-thực tiễn và tính mới
- Về lý thuyết : Đề tài góp phần hoàn thiện mô hình toán
chuyển động tàu chi tiết cho các thành phần của hệ phương trình
vi phân 6 bậc tự do và mô phỏng chuyển động thời gian thực.
- Về thực tiễn :
Trên thế giới, có nhiều nhà sản xuất mô phỏng lớn có thể kể
đến như Transas (Nga), Kongberg (Nauy), Imtech, STC-Group, VStep

(Hà Lan), JMS (Nhật Bản) v.v. Các mô hình toán của các hệ thống mô
phỏng buồng lái đã được thiết lập từ những mô hình tàu đơn giản và
phát triển lên cho những mô hình tàu phức tạp. Tuy nhiên, trên thực
tế việc phát triển các mô hình toán của tàu trong mô phỏng đã gặp
nhiều giới hạn, chủ yếu là phát triển trên cơ sở 3 hoặc 4 bậc tự do.
Hiện nay, tại Việt Nam, các hệ thống mô phỏng của Liên danh UTSTC giữa STC-Group và trường Đại học GTVT TP. HCM, Đại Học Hàng
Hải Việt Nam, Đại Học Nha Trang, Học viện Hải Quân, trường Cao đẳng
Hàng hải II, trường Cao đẳng nghề Giao thông Vận tải Đường thủy II
cũng có tình trạng tương tự. Số lượng mô hình tàu của các hệ thống
này còn hạn chế và chủ yếu là các mẫu tàu chân vịt truyền thống, thiếu
công cụ tự xây dựng mô hình tàu cho người sử dụng.
Nội dung nghiên cứu của đề tài có thể bổ sung lý thuyết cải tiến các
mô hình toán của tàu trong các hệ thống mô phỏng buồng lái hiện hữu.

7. Kết cấu của luận án
Luận án gồm 115 trang A4 (không kể phụ lục) và thứ tự các phần như
sau: Mở đầu; nội dung (chia thành 4 chương); kết luận và đề xuất; danh mục các

công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án (08 bài báo và 06 dự án
nghiên cứu khoa học ứng dụng); tài liệu tham khảo (80 tài liệu) và phụ lục (02

phụ lục).


5

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình toán học chuyển động tàu
Mô hình toán học đơn giản biểu diễn chuyển động quay trở và dạt
của tàu trên 2 bậc tự do đã được DAVIDSON, K.S.M và L.J. SCHIFF

thiết lập vào năm 1946 và công bố trên tạp chí SNAME [1]. Năm 1957,
NOMOTO, K. giới thiệu mô hình toán đơn giản gồm một phương trình
vi phân và công bố trên tạp chí Zosen Kiokai số 99 [2].
Năm 1971, Norrbin và nhiều nghiên cứu khác đã phát triển cho mô hình 3
bậc tự do bao gồm các chiều chuyển động tới (surging), chuyển động ngang
(swaying) và chuyển động chuyển hướng (yawing) được công bố trên báo cáo
Gothenbury Techical Report số 63 [3]. Năm 1981, Inoue tiếp tục phát triển mô
hình 3 bậc tự do và công bố trên tạp chí International Shipbuilding số 325 [4].
Năm 1980, Eda công bố trên tạp chí Ocean Engineering số 7 [5] và năm
1980, Hirano [6] công bố trên báo cáo Akishima Laboratory mô tả chuyển động
tàu 4 bậc tự do bằng việc tích hợp thêm chuyển động lắc ngang (rolling). Năm
1993, Oltmann đã trình bày mô hình phát triển 4 bậc tự do trong hội thảo quốc
tế MARSIM [7]. Để bổ sung thêm chiều chìm và chúi, Ankudinov (1983) đã trình
bày mô hình chuyển động 6 bậc tự do tại hội thảo International Workshop on
Ship and Platform Motions [8]. Hooft & Pieffers (1988) đã thiết lập mô hình
chuyển động 6 bậc tự do đăng trên trên tạp chí Marine Technology [9].

Năm 2002, Thor I. Fossen đã hệ thống hóa mô hình 6 bậc tự do
bằng phương trình trạng thái tổng quát [10], [11] trong đó các hệ
số được biểu diễn dưới dạng ma trận:
̇+

̇+ ( ) + (ν)v + ν + (ν)v + g(η) + =

(1.1)

Ở đây: , là ma trận khối lượng tổng quát của tàu và lượng nước kèm;
( ), ( ) là ma trận hệ số lực Coriolis của tàu và lượng nước kèm; ,
là ma trận hệ số lực cản tuyến tính và phi tuyến ; g(η) là ma trận lực

( )


6

và mô men hồi phục, g là trọng lượng tàu và f là thành phần các
lực và mô men tác động từ bên ngoài.
Để giải phương trình trạng thái (1.1), các hệ số của nó phải được xác định .

1.2. Tình hình tổng quan về nghiên cứu xác định các thành phần
cụ thể cấu thành phương trình chuyển động tổng quát
1.2.1. Thành phần khối lượng tổng quát, hệ số lực Coriolis của tàu
Các thành phần khối lượng tổng quát M s và hệ số lực Coriolis
Cs của tàu được xác định theo lý thuyết thủy tĩnh hydrostatics nhìn
chung được trình bày khá đầy đủ trong [11, 12], [13].
1.2.2. Thành phần khối lượng tổng quát và hệ số lực Corolis
của lượng nước kèm
Khối lượng và mô men quán tính nước kèm trên 6 bậc tự do
được mô tả bằng 36 thành phần mij trong ma trận MA.
Lượng nước kèm đã được Dubua giới thiệu vào năm 1776 [14]. Năm
1843, Stokes trình bày phương pháp xác định khối lượng nước kèm của vật
thể hình cầu và được Green biểu diễn dưới dạng toán học một cách chính
xác vào năm 1883 [15]. Sau đó, các nhà khoa học đã khái quát hóa khối
lượng nước kèm của vật thể bất kỳ di chuyển trên các bậc tự do khác nhau
và được ALEXANDR I. KOROTKIN trình bày khác chi tiết trong [16].
Trong quá khứ, đã có nhiều công trình nghiên cứu để xác định khối lượng
nước kèm bao gồm phương pháp thực nghiệm và phương pháp tính toán bằng
lý thuyết. Phương pháp thực nghiệm có nhiều hạn chế và không thể xác định
tất cả các thành phần mij. Để mô phỏng chuyển động của tàu đặc biệt là giai
đoạn thiết kế, MA cần được xác định bằng phương pháp lý thuyết.

Nguyên lý tính toán khối lượng nước kèm được căn cứ theo
kết quả nghiên cứu của Ursell công bố năm 1949 [17] và của Frank
công bố năm 1967 [18] đối với các mặt cắt đối xứng bất kỳ.


7
Năm 1974, Keil giới thiệu phương pháp xác định khối lượng nước kèm ở độ
sâu bất kỳ bằng cách điều chỉnh phương pháp của Ursell kết hợp với phương
pháp khai triển đường sườn của Lewis [19]. Năm 1967, Frank mô tả phương pháp
nguồn dao động (pulsating source method) cho vùng nước sâu [18].
Năm 1970, Nils Salvesen, E. O. Tuck và Odd Faltisen đã giới thiệu phương
pháp mới để dự đoán cho chuyển động thẳng đứng (heave), bổ dọc (pitch), chuyển
động dạt ngang (sway), lắc ngang (roll) và quay ngang (yaw) cũng như tác động
của sóng đối với lực cắt ngang, lực cắt đứng, mô men uốn và mô men xoắn cho
tàu chuyển động đều với hướng đi bất kỳ trên sóng phổ biến [20].

Edward M. Lewandowski (2004) tổng hợp phương pháp xác định chi tiết
các giá trị mij đối với tàu mặt nước trong [21]. Alexandr I. Korotkin (2009) trình
bày nhiều phương pháp xác định các thành phần mij trong ấn phẩm [16].
Nhận xét: các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy không có một
phương pháp duy nhất có thể xác định đầy đủ các thành phần m ij. Do vậy, để xác
định đầy đủ các thành phần mij, cần kết hợp nhiều phương pháp khác nhau.

1.2.3. Thành phần lực cản
Lực cản vỏ tàu bao gồm các thành phần lực cản tuyến tính và
lực cản phi tuyến: ( ) = + ( ).
Thành phần tuyến tính D đại diện cho lực cản thế năng
“potential” của chất lỏng lý tưởng không nhớt. Thành phần này có
thể tính toán trên cơ sở lý thuyết thủy động tương tự tính toán MA.

Thành phần phi tuyến ( ) gây ra do tác động của chất lỏng nhớt “viscous
fluid”. Thành phần ( ) là chủ yếu và khó dự đoán chính xác thậm chí ngay cả khi
tàu chuyển động thẳng ở tốc độ ổn định [21]. Cho đến nay, lý thuyết thủy động đơn
thuần chưa thể xác định các thành phần hệ số lực cản. Do vậy, để dự đoán người
ta áp dụng các công thức thực nghiệm, bán thực nghiệm hay phương pháp khảo
sát mô hình. Đây là một thách thức trong việc dự toán lực cản hoàn


8

toàn bằng máy tính. Chi tiết có thể tham khảo theo tài liệu [9] được
J.P.HOOFT công bố năm 1994.
Abkowitz (1964) nêu ra trong [13] rằng chưa có lý thuyết hay thực
nghiệm nào xác định được lực cản gây ra do sự kết hợp giữa gia tốc, vận
tốc, tác động qua lại của thành phần cản nhớt, lực quán tính, thế năng của
dòng “potential flow”. Tuy nhiên, tác động này có giá trị nhỏ và nên bỏ qua.
Đến nay, có nhiều nghiên cứu xác định thành phần lực cản riêng lẻ
khác nhau: Hiệp hội Society of Naval Architects and Marine Engineers
(2004) giới thiệu phương trình lực và mô men cản cho 3 chiều 1, 2, 6 [21].
Fedyaevsky và Sobolev (1963) đã đề xuất công thức tính toán lực và mô
men cản cho chiều 2 và 6 [22]. Tổ chức đăng kiểm ABS đã giới thiệu bảng
hệ số thủy động lực được đánh giá theo mô hình của Roseman (1987) [23].

Nils Salvesen, E. O. Tuck và Odd Faltisen (1970) đã đưa ra cách
xác định các thành phần lực cản trong “Ship Motions and
Sealoads” đăng trên tạp chí của SNAME số 6 [20].
Sissel Tjøswold (1972) đã tổng hợp các phương pháp xác định
hệ số lực cản trong [24] theo lý thuyết mảnh cho tàu mặt nước và
theo thực nghiệm của Wagner Smitt.
Ngoài ra còn có các công trình nghiên cứu khác như Norrbin

(1971); Inoue (1981); Clarke (1997); Lee, Kijima and Nakiri (2003),
Letki and D.A. Hudson và Sergey Zaikov [25], [26].
Nhận xét: Các công trình nghiên cứu trước đây cho thấy việc dự
đoán các thành phần lực cản rất phức tạp và chủ yếu được xác định
bằng phương pháp thực nghiệm hay bán thực nghiệm và chỉ giải quyết
cho một số giới hạn phương chuyển động. Do vậy, cần phải có một
phương pháp để dự đoán tất cả các thành phần lực cản cho 6 bậc tự do.

1.2.4. Thành phần lực thủy tĩnh
Lực thủy tĩnh là lực phát sinh do tàu nổi trên mặt nước bao gồm lực nổi và
mô men hồi phục ( ). Ở trạng thái ổn định, thành phần lực nổi cân bằng với