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

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.
Khối
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
sway
heave
Roll
pitch
yaw
u

Chuyển động dọc - dọc trục Ox, u
Chuyển động ngang - dọc trục Oy, v
Chuyển động theo chiều đứng - dọc trục Oz, w
Lắc ngang – xoay quanh trục Ox, ϕ
Bổ dọc – xoay quanh trục Oy, θ
Đảo lái – xoay quanh trục Oz, ѱ
Vận tốc chuyển động dọc trục Ox, surging

Vận tốc:
v Vận tốc tịnh tiến dọc trục Oy, swaying


vii
w
p
q
r
Góc xoay Euler:
ϕ
θ
ѱ
Thông số chung:
A
AL
AP
Ab
D
m
g0

Vận tốc tịnh tiến dọc trục Oz, heaving
Vận tốc lắc ngang, rolling
Vận tốc bổ dọc, pitching
Vận tốc chuyển hướng, yawing
Góc nghiêng ngang, rolling
Góc chúi, pitching
Hướng mũi tàu, yawing
Diện tích
Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xz
Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xy
Diện tích hình chiếu mặt ướt lên trục xy
Lượng giãn nước của tàu
Khối lượng tàu
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
γi
A0
Ae
Ad

n
D
P, H
EAR
Va
𝑉
𝜂
Z
x ,y ,z
𝜌
𝜔, 𝜔
𝑑2𝑏

Góc xoay trên mặt phẳng oyz của ngoại lực Fi
Góc nghiêng trên mặt phẳng oyz của ngoại lực Fi
Diện tích mặt đĩa chân vịt
Diện tích mặt trải cánh chân vịt
Diện tích triển khai cánh chân vịt
Vận tốc vòng xoay chân vịt
Đường kính chân vịt
Bước chân vịt
Tỉ số diện tích mở rộng cánh chân vịt (Expanded Area Ratio)
Tốc độ tiến của chân vịt (tốc độ không rối)
Vận tốc tàu
Hiệu suất chân vịt
Số cánh chân vịt
Cánh tay đòn trên trục x, y, z của bánh lái thứ i
Tỉ trọng không khí
Tần số sóng
Khoảng cách từ tàu đến bờ

viii
Vận tốc hiệu dụng

𝑉
Hệ số:

KT , KT’
KQ , KQ’
J, J’
𝐶∗
𝐶∗
𝐶∗
𝐶 ,𝐶
𝜆, 𝜉
w
Rn
Fr
Lực và mô men:
X
Y
Z
K
M
N
T, Tp
Q
Tn

Hệ số lực đẩy chân vịt
Hệ số mô men xoắn chân vịt
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
Số Wake
Số Renault
Số Froude
Lực theo phương dọc Ox
Lực theo phương ngang Oy
Lực theo phương ngang Oz
Mô men xoay ngang quanh Ox
Mô men xoay dọc quanh Oy
Mô men chuyển hướng quanh Oz
Lực đẩy chân vịt
Mô men xoắn chân vịt
Lực đẩy của ống đạo lưu

Ma trận:
M
MS
MA
C(v)
CS(v)
CA(v)
D(v)
D

Dn(v)
g(η)
f
f()
fr
fp
fcu
fwi

ma trận quán tính của hệ vật thể (bao gồm khối lượng kèm)
ma trận khối lượng và mô men quán tính tàu
ma trận khối lượng kèm (added masses)
ma trận hệ số lực Coriolis
ma trận hệ số lực Coriolis của tàu
ma trận hệ số lực Coriolis của khối lượng kèm
ma trận hệ số lực cản
ma trận hệ số lực cản tuyến tính
ma trận hệ số lực cản phi tuyến
ma trận lực và mô men hồi phục
ma trận lực tác động
ma trận lực hồi phục
ma trận lực bánh lái
ma trận lực chân vịt
ma trận lực tác động do dòng chảy
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.
Hình 2.2.
Hình 2.3.
Hình 2.4.

Hình 2.5.
Hình 2.6.

Hình 2.9.
Hình 2.10.
Hình 2.11.
Hình 2.12.
Hình 2.13.
Hình 2.14.
Hình 2.15.
Hình 2.16.
Hình 2.17.
Hình 2.18.
Hình 2.19.
Hình 2.20.
Hình 2.21.
Hình 2.22.
Hình 2.23.
Hình 2.24.
Hình 2.25.
Hình 2.26.
Hình 2.27.
Hình 2.28.
Hình 2.29.

Hệ tọa độ mô tả chuyển động của tàu trên 6 bậc tự do (6DOF) .............11
Sơ đồ tiến trình giải quyết các vấn đề đưa ra của đề tài ........................13
Tuyến hình tàu được xem như hình ellipsoid ........................................16
Tuyến hình tàu được xem xét theo từng mảnh ......................................17
Cách thức biến đổi tuyến hình Lewis....................................................18

Áp dụng Lewis forms: Vùng I: không áp dụng, vùng II: khuyết
cáo không áp dụng, vùng III: khuyến cáo áp dụng .............................. 20
Áp dụng Lewis forms: Vùng I: không áp dụng, vùng II: khuyết
cáo không áp dụng, vùng III: khuyến cáo áp dụng ................................21
Thành phần m22 với với cánh tay đòn ZB gây nên mô men quán
tính nước kèm m24 ................................................................................21
Mô tả các lát cắt thân tàu ......................................................................27
Mô tả vận tốc dài tại hai mạn tàu do xoay ngang ..................................30
Mô tả vận tốc dài trên mặt đáy tàu do xoay ngang ................................31
Mô tả vận tốc dài trên hai vách mạn tàu do lắc ngang...........................31
Mô tả vận tốc dài trên mặt đáy tàu do lắc ngang ...................................32
Mô tả vận tốc dài trên hai vách mạn tàu do bổ dọc ...............................33
Mô tả vận tốc dài trên đáy tàu do bổ dọc ..............................................33
Mô tả các thành phần lực tác động lên tàu ............................................43
Mô hình hóa các thành phần lực tác động đến tàu ................................43
Mô tả thành phần ngoại lực thứ k .........................................................44
Mô tả T và Q ........................................................................................47
Đồ thi biểu diễn 𝐾 , 𝐾 theo J..............................................................48
Mô tả mối quan hệ giữa VR, Va và VS ................................................50
Đường cong 𝐶 ∗, 𝐶 ∗ trong 4 miền góc tiến cho P/D cụ thể ...............51
Đường cong C ∗, C ∗ trong 4 miền góc tiến cho P/D cụ thể ...............53
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.
Hình 3.2.

Hình 3.3.
Hình 3.4.

Sơ đồ tổng hợp lực kích động và ngoại lực tác động đến tàu .................... 76
Các thông số chuyển động của tàu trên mô phỏng ....................................... 79
Sơ đồ thuật toán mô phỏng chuyển động tàu 6DOF, thời gian thực ........ 80
Cửa sổ mô phỏng vết tàu trên Matlab ...................................................84

Hình 2.7.
Hình 2.8.


xi
Hình 3.5.
Hình 3.6.
Hình 3.7.
Hình 3.8.
Hình 4.1.
Hình 4.2.
Hình 4.3.
Hình 4.4.
Hình 4.5.
Hình 4.6.
Hình 4.7.
Hình 4.8.
Hình 4.9.
Hình 4.10.
Hình 4.11.
Hình 4.12.
Hình 4.13.

Hình 4.14.
Hình 4.15.
Hình 4.16.
Hình 4.17.
Hình 4.18.
Hình 4.19.
Hình 4.20.
Hình 4.21.
Hình 4.22.
Hình 4.23.
Hình 4.24.
Hình 4.25.
Hình 4.26.
Hình 4.27.
Hình 4.28.
Hình 4.29.
Hình 4.30.
Hình 4.31.

Bảng điều khiển các nhóm chân vịt bánh lái trên Matlab ......................85
Cửa sổ hiển thị các chuyển động xoay rolling, pitching và yawing
của tàu..................................................................................................86
Cửa sổ hiển thị chuyển động 6DOF theo thời gian thực........................86
Cửa sổ mô tả đồ thị các thông số chuyển động tàu trên Matlab.............87
Tuyến hình đường sườn tàu Motora .....................................................89
Tuyến hình đường sườn phần ướt tàu Motora mô tả trên Matlab
theo phép biến hình Lewis....................................................................89
Tuyến hình vỏ tàu Motora trên Matlab .................................................90
Tuyến hình phối cảnh 3D của vỏ tàu Motora ........................................90
Tuyến hình phần ướt vỏ tàu Triple-E theo phép biến hình Lewis mô

tả trên Matlab .......................................................................................90
Tuyến hình phối cảnh 3D tàu Triple-E trên Matlab ..............................91
Tàu Genting Dream ..............................................................................91
Tuyến hình thực tế tàu Genting Dream .................................................91
Tuyến hình phần ướt vỏ tàu Genting Dream khai triển trên Matlab ......92
Tuyến hình phối cảnh 3D tàu Genting Dream trên Matlab....................92
Đồ thị các hệ số lực cản theo biến u (v = 5 knots, r = 0 deg/m) ............95
Đồ thị các hệ số lực cản theo biến v (u = 5 knots, r = 0 deg/m) ............96
Đồ thị các hệ số lực cản theo biến r (u = 0 knots, v = 0 knots) .............96
Đồ thị các hệ số lực cản theo biến r (u = 5 knots, v = 5 knots) .............97
Đồ giải Coasting tàu Genting Dream ....................................................98
Đồ thị tốc độ dọc u của tàu khi điều động coasting theo hồ sơ tàu ........98
Đồ giải tốc độ u khi điều động coasting trên mô phỏng ........................99
Vết quay trở của tàu theo hồ sơ thử tàu khi bánh lái bẻ sang phải 15 0 .100
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
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
Đồ thị vận tốc ngang (v) .....................................................................105
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 𝑚 ...............................................................94
Kết quả tính 𝑚 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 UT-STC
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:
𝑀 𝜈̇ + 𝑀 𝜈̇ + 𝐶 (𝑣)𝑣 + 𝐶 (ν)v + 𝐷ν +𝐷 (ν)v + g(η) + 𝑔 = 𝑓

(1.1)

Ở đây: 𝑀 , 𝑀 là ma trận khối lượng tổng quát của tàu và lượng nước kèm;
𝐶 (𝑣), 𝐶 (𝑣) là ma trận hệ số lực Coriolis của tàu và lượng nước kèm;
𝐷, 𝐷𝑛(𝑣) 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 Ms 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 mij. 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: 𝐷(𝜐) = 𝐷 + 𝐷 (𝑣).
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 𝐷 (𝑣) gây ra do tác động của chất lỏng nhớt “viscous
fluid”. Thành phần 𝐷 (𝑣) 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 𝑔(𝜂). Ở trạng thái ổn định, thành phần lực nổi cân bằng với


9

trọng lực tác động đến tàu. Thành phần lực thủy tĩnh được tính toán khá đầy đủ
trong lý thuyết ổn định tàu [12], [27], [28]. Fossen đã tổng hợp và biểu diễn dưới
dạng ma trận [11]. Trong mô phỏng tàu, lực thủy tĩnh được tính toán dưới dạng
động theo thời gian để tích hợp vào phương trình trạng thái tổng quát.

1.2.5. Thành phần lực tác động
Lực tác động đến tàu (f) gồm lực môi trường, lực kích động và ngoại lực.
a) Lực môi trường: bao gồm sóng và gió tác động đến tàu theo hướng,
cường độ và chu kỳ xác định. Có nhiều công trình nghiên cứu độc lập về tác
động của sóng gió có thể kể đến: Thor Fossen, chương 8 của [11]; J.M.J. Journée
và L.J.M. Adegeest [29]; Trần Công Nghị [27]; Edward M. Lewandowski
(2004) [21]; Adrian B. Biran và Rubén López-Pulido, chương 12 của [30].
Các công trình nghiên cứu trước đây đã tính toán tương đối đầy đủ các thành
phần của lực môi trường.
b) Lực kích động: là lực gây ra bởi bánh lái và thiết bị đẩy.
- Lực sinh ra bởi bánh lái: đã được nghiên cứu và trình bày khá chi tiết trong
nhiều công trình nghiên cứu trước đây như: Trần Công Nghị trong [31];
Habil. Nikolai Kornev [32]; Edward M. Lewandowski [21].
- Lực sinh ra do thiết bị đẩy:
Thông số động lực chính của thiết bị đẩy bao gồm lực đẩy T (Thrust) và
momen xoắn Q (Torque). T và Q tỉ lệ với hệ số KT và KQ hay 𝐶 ∗ hay 𝐶 ∗ .
Các hệ số KT và KQ hay C ∗ hay C ∗ đã được trình bày trong nhiều công trình
nghiên cứu khác nhau: Habil. Nikolai Kornev (2013) [32]; J.M.J. Journée và
L.J.M. Adegeest (2003), chương 2 của [29]; John P. Breslin và Poul Andersen
[33]; Øyvind Notland Smogeli (2006) [34].
Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều xem xét cho các thiết bị đẩy độc lập
theo các hệ số thực nghiệm. Do vậy, cần có nghiên cứu tổng thể đối với chuyển


10

động nhiều bậc tự do đặc biệt là tác động đầy đủ của các chân vịt, thiết bị đẩy
đặt tại các vị trí khác nhau dưới đáy tàu.
c) Xác định thành phần ngoại lực
Ngoại lực là thành phần lực bên ngoài tác động đến tàu như neo, dây buộc

tàu, lực va chạm với tàu khác, tàu mắc cạn, tàu lai kéo, đẩy.
Các thành phần lực này được xem xét riêng rẽ trong lý thuyết điều động tàu,
ổn định tàu. Tuy nhiên, chưa ghi nhận các nghiên cứu tổng hợp và tích hợp đầy
đủ các thành phần ngoại lực vào phương trình vi phân chuyển động.
1.3.

Kết luận chương 1
Mô hình toán học biểu diễn bằng phương trình vi phân (1.1) đã được từng

bước phát triển từ mô hình đơn giản 2 bậc tự do đến 6 bậc tự do dưới dạng ma
trận. Tuy nhiên, để thiết lập mô hình toán học chuyển động tàu đầy đủ trên cơ
sở lý thuyết, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các phương pháp thực nghiệm, cần
phải giải quyết một số vấn đề sau:
- Thành phần khối lượng, mô men quán tính lượng nước kèm MA: cần
có một phương pháp tổng hợp để có thể xác định và hàm hóa đầy đủ các
thành phần của ma trận MA.
- Thành phần lực cản 𝑫(ν): cần có một phương pháp có thể xác định và
hàm hóa đầy đủ các thành phần của ma trận lực cản, đặc biệt là đối với
các loại tàu có vận tốc và có góc dạt lớn như các tàu trang bị thiết bị đẩy
phi truyền thống.
- Thành phần lực tác động f: cần có phương pháp tổng hợp tất cả các ngoại
lực và hệ động lực đối với chuyển động 6 bậc tự do của tàu.
Vấn đề đặt ra của luận án là phát triển mô hình toán 6 bậc tự do bằng cách
giải quyết bổ sung 3 vấn đề nêu trên. Phương pháp xác định và hàm hóa các
thành phần này cần phải xem xét để có thể áp dụng cho các mô hình tàu mặt
nước khác nhau, đặc biệt là các loại tàu lắp đặt thiết bị đẩy phi truyền thống [35].


11

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ
HÌNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG
TÀU
2.1. Cơ sở lý thuyết ban đầu
Phương trình vi phân biểu diễn chuyển động tàu trên 6 bậc tự do (6DOF)
(1.1) được biểu diễn dưới dạng ma trận.
𝑢
𝑢
𝑢
𝑢
𝑢̇
𝑢̇
𝑋
⎡ 𝑣̇ ⎤
⎡ 𝑣̇ ⎤
⎡𝑌 ⎤
⎡𝑣 ⎤
⎡𝑣 ⎤
⎡𝑣⎤
⎡𝑣 ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢𝑤 ⎥
⎢𝑤 ⎥
⎢𝑤 ⎥
⎢𝑤 ⎥
𝑤̇
𝑤̇
𝑍

𝑀 ⎢ ⎥ + 𝐶 (𝑣 ) ⎢ ⎥ + 𝑀 ⎢ ⎥ + 𝐶 (v) ⎢ ⎥ + D ⎢ ⎥ + 𝐷 (ν) ⎢ ⎥ + g(η)+𝑔 = ⎢ ⎥
𝑝
𝑝
𝑝
𝑝
𝑝̇
𝑝̇
𝐾
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢ ⎥
⎢𝑞 ⎥
⎢𝑞⎥
⎢𝑞 ⎥
⎢𝑞 ⎥
⎢𝑀 ⎥
⎢ 𝑞̇ ⎥
⎢ 𝑞̇ ⎥
⎣𝑟⎦
⎣𝑟 ⎦
⎣𝑟⎦
⎣𝑟⎦
⎣𝑁 ⎦
⎣ 𝑟̇ ⎦
⎣ 𝑟̇ ⎦

(2.1)

Roll
p
Surge
u
Heave
w
Hình 2.1. Hệ tọa độ mô tả chuyển động của tàu trên 6 bậc tự do (6DOF)

Trong đó,
𝜐 = [𝑢, 𝑣, 𝑤, 𝑝, 𝑞, 𝑟] là ma trận vận tốc dài trên các trục x, y, z và vận tốc
góc theo các trục p, q, r.
𝜐̇ = [𝑢̇ , 𝑣̇ , 𝑤̇ , 𝑝̇ , 𝑞̇ , 𝑟̇ ] là ma trận gia tốc dài trên các trục x, y, z và gia tốc
góc theo các trục p, q, r.
𝑓 = [𝑋, 𝑌, 𝑍, 𝐾, 𝑀, 𝑁] là ma trận các thành phần lực tác động trên các trục
x, y, z và mô men tác động theo các trục p, q, r.