Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xác định tham số dao động của tàu thủy hoạt động trong môi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Xác định tham số dao động của tàu thủy hoạt động trong môi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về mô phỏng dao động của tàu thủy trên sóng và hướng nghiên cứu của luận án; Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng trên cơ sở nội suy từ số liệu thực nghiệm; Xây dựng giải pháp đo thực nghiệm xác định tham số dao động của tàu trên sóng; Giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xác định tham số dao động của tàu thủy hoạt động trong môi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ TÀI TÚ XÁC ĐỊNH THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU THỦY HOẠT ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG SÓNG BIỂN VÀ GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ TÀI TÚ XÁC ĐỊNH THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU THỦY HOẠT ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG SÓNG BIỂN VÀ GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Quang Hùng 2. GS. TS. Chu Anh Mỳ Hà Nội - 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được bất kỳ ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2023 Tác giả luận án Vũ Tài Tú
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và gửi lời cảm ơn sâu sắc tới tập thể giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, GS. TS Chu Anh Mỳ đã luôn quan tâm, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên để tôi hoàn thành bản luận án. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng cảm ơn đến Ban Giám đốc Viện Khoa học – Công nghệ quân sự, Thủ trưởng và Cán bộ phòng Đào tạo đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu khoa học và có những ý kiến đóng góp quý báu về nội dung, bố cục của luận án. Xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Viện Điện tử, Viện Vũ khí đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về thời gian, cơ sở vật chất, thiết bị để tôi thực hiện các nội dung của luận án. Cảm ơn các thầy, cô giáo công tác tại Viện KHCNQS và đồng nghiệp đã trực tiếp giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và thực nghiệm. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình, bố mẹ anh chị em, vợ con và bạn bè đã dành cho tôi tình yêu và sự tin tưởng để tôi có động lực và quyết tâm thực hiện thành công luận án. Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2023 Tác giả luận án Vũ Tài Tú
iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ................................................................................................... iii DANH MỤC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................................................... viii MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA TÀU THỦY TRÊN SÓNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ....... 7 1.1. Mô hình cấu trúc và phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng ............................................................................................................ 7 1.2 Tác động của sóng biển đến dao động của tàu, khả năng đo đạc và phân tách các thành phần dao động của tàu trên sóng ....................................... 16 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô phỏng dao động của tàu trên sóng ............................................................................................. 27 1.4 Hướng nghiên cứu của luận án ........................................................... 37 1.5 Kết luận Chương 1 ............................................................................. 41 Chương 2 XÁC LẬP MÔ HÌNH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG TRÊN CƠ SỞ NỘI SUY TỪ SỐ LIỆU ĐO THỰC NGHIỆM .................................................................................................... 42 2.1. Cơ sở khoa học của việc xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng bằng phép nội suy từ số liệu đo thực nghiệm.................................... 42 2.2. Các mô hình sóng biển và giải pháp lựa chọn mô hình sóng tối ưu dùng cho mô phỏng dao động của tàu trên sóng ................................................ 47 2.3. Xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng bằng phương pháp kết hợp dựa trên mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” ................ 57 2.4. Kết luận Chương 2 ............................................................................ 67 Chương 3 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH
iv THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG .................................. 69 3.1. Yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng ................ 69 3.2. Xây dựng hệ đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng ........... 70 3.3. Đo thực nghiệm dao động của tàu trong điều kiện biển thực tế .......... 77 3.4. Kết luận Chương 3 ............................................................................ 86 Chương 4 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ TẠO DAO ĐỘNG GIẢ LẬP TRÊN NỀN TẢNG HEXAPOD 6-DOF .................................................... 87 4.1. Thiết lập phương trình chuyển động cho hệ HexaPod 6-DOF............ 87 4.2. Thiết kế hệ vật lý tạo dao động giả lập trên nền tảng HexaPod ........ 101 4.3. Đánh giá khả năng mô phỏng của hệ tạo dao động giả lập xây dựng trên nền tảng HexaPod ........................................................................... 115 4.4. Kết luận Chương 4 .......................................................................... 126 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN ................................................................... 128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS.............. 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 132
v DANH MỤC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 6-DOF 6 Bậc tự do (Degrees Of Freedom) CB Tâm nổi của tàu CF Tâm diện tích đường nước Tính toán động lực học chất lỏng (Computational CFD Fluid Dynamics) CG Trọng tâm tàu CTO Trung tâm nghiên cứu và thiết kế tàu của Ba Lan DMP Bộ xử lý chuyển động số (Digital Motion Processor) Đơn vị đo lường quán tính (Inertial Measurement IMU Unit) Hiệp hội bể thử thế giới (International Towing Tank ITTC Conference) I2C Giao tiếp I2C, giao thức truyền thông nối tiếp JONSWAP Phổ JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) Máy đo rung động bằng laser (Laser Doppler LDV Vibrometer) Phân tích thành phần nhỏ (Minor Component MCA Analysis) Hệ thống mô phỏng hàng hải (Marine Systems MSS Simulator) NCS Nghiên cứu sinh NTNU Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Norwegian Phương trình Reynol-Navier-Stock (Unsteady URANS Reynolds-Averaged Navier-Stockes) PC Máy tính cá nhân (Personal computer) I/O Dữ liệu vào/ra (Input/output)
vi DUT Thiết bị để kiểm tra (Device Under Test) PID Bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân DC Dòng điện một chiều (Direct current) AC Dòng điện xoay chiều (Alternating current) LNG Khí tự nhiên hóa lỏng (Liquefied Natural Gas)
vii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Các tham số mô tả dao động của tàu trên sóng. ............................ 18 Bảng 3.1. Đặc tính kỹ thuật của cảm biến IB6 [10] ...................................... 72 Bảng 3.1. Đặc tính kỹ thuật cơ bản của dòng thiết bị DEWE3020 [9] .......... 74 Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của tàu HQ285........................................... 77 Bảng 4.1. Thông số hệ thống. ..................................................................... 117
viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Các dao động của tàu. ..................................................................... 7 Hình 1.2. Mô hình cấu trúc hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng dùng cho nghiên cứu ảnh hưởng của dao động. .............................................. 9 Hình 1.3. Thực nghiệm mô hình trong bể thử. .............................................. 12 Hình 1.4. Thực nghiệm trên biển (sea trial). ................................................. 13 Hình 1.5. Mô hình cấu trúc hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng với hệ tạo dao động giả lập xây dựng trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF. ..... 14 Hình 1.6. Mô hình cấu trúc hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. ................................... 16 Hình 1.7. Các hệ quy chiếu được sử dụng để biểu diễn toán học dao động của tàu. ............................................................................................................... 17 Hình 1.8. Hệ quy chiếu đi biển. .................................................................... 21 Hình 1.9. Sơ đồ tổng quát mô tả các nguồn tác động đến chuyển động của tàu trên sóng....................................................................................................... 27 Hình 1.10. Mô hình hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo hướng nghiên cứu của luận án. ..................................................................... 39 Hình 1.11. Sơ đồ diễn giải hoạt động của hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo hướng nghiên cứu của luận án. ........................................ 40 Hình 2.1. Mô hình liên kết không gian tọa độ của các điểm trên tàu............. 45 Hình 2.2. Các yếu tố của sóng tuyến tính. .................................................... 48 Hình 2.3. Sự lặp lại và mật độ xác suất chiều cao sóng................................. 49 Hình 2.4. Các thông số vi phân và tích phân của sự phân bố chiều cao sóng. 50 Hình 2.5. Mô hình phổ sóng không điều hòa. ............................................... 52 Hình 2.6. Phổ sóng. ...................................................................................... 53 Hình 2.7. Phổ JONSWAP đối với Hs = 4.0 m, TP = 8.0 s,  = 1,  = 2,  = 5. 55 Hình 2.8. Sơ đồ diễn giải phép nội suy. ........................................................ 58
ix Hình 2.9. Sơ đồ diễn giải hoạt động khi thực hiện phép đo thực nghiệm. ..... 59 Hình 2.10. Sơ đồ diễn giải hoạt động khi mô phỏng từ số liệu thực nghiệm. 60 Hình 2.11. Sơ đồ diễn giải hoạt động của hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng khi thực hiện phép nội suy xác định mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” từ số liệu thực nghiệm. ............................................................. 62 Hình 2.12. Lưu đồ hoạt động của hệ thống trong phép nội suy mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý”. ............................................................................ 63 Hình 2.13. Sơ đồ diễn giải hoạt động của hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng với mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng được xác lập theo mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý”. .............................................. 66 Hình 2.14. Sơ đồ diễn giải hoạt động của hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng trong chế độ kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống. ......................... 67 Hình 3.1. Mô hình chi tiết của hệ đo xác định tham số dao động trong hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng. ................................................ 71 Hình 3.2. Hình ảnh cảm biến đo dao động IB6 [8]. ...................................... 72 Hình 3.3. Hình ảnh về thiết bị thu thập và phân tích dữ liệu DEWE3020. .... 73 Hình 3.4. Quy trình đo tham số dao động của tàu trên sóng.......................... 76 Hình 3.5. Công tác chuẩn bị chuyến thực nghiệm đo tham số dao động của tàu trên sóng trên tàu HQ285. ............................................................................ 78 Hình 3.6. Lựa chọn tọa độ và khu vực tiến hành phép đo (tại vị trí 20.54’864, 107.09’821). ................................................................................................. 79 Hình 3.7. Hành trình và thực hiện phép đo tham số dao động của tàu trên sóng........................................................................................... 80 Hình 3.8. Hình ảnh kết quả đo đạc các dao động của tàu trên sóng tàu HQ285.81 Hình 3.9. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc ngang của tàu trên sóng chéo βw = 45o. .................................... 82 Hình 3.10. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc dọc của tàu trên sóng chéo βw = 45o. ............................................................. 82
x Hình 3.11. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động thẳng đứng của tàu trên sóng chéo  w  4 5 0 ................................................ 82 Hình 3.12. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc ngang của tàu trên sóng chéo  w  9 0 0 . ....................................................... 83 Hình 3.13. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc dọc của tàu trên sóng chéo  w  9 0 0 . .......................................................... 83 Hình 3.14. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động thẳng đứng của tàu trên sóng chéo  w  90 0 .................................................. 83 Hình 3.15. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc ngang của tàu trên sóng chéo  w  1350 . ......................................................... 84 Hình 3.16. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động lắc dọc của tàu trên sóng chéo  w  1350 .............................................................. 84 Hình 3.17. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết đối với dao động thẳng đứng của tàu trên sóng chéo  w  135 0 . ............................................... 84 Hình 4.1. Hệ HexaPod 6-DOF. ..................................................................... 88 Hình 4.2. Mô hình 6 bậc tự do của hệ HexaPod 6-DOF................................ 88 Hình 4.3. Các góc Euler của mỗi chân và thông số. ...................................... 89 Hình 4.5. Sơ đồ thuật toán điều khiển trong không gian thao tác. ................. 96 Hình 4.6. Sơ đồ khối của thuật toán điều khiển PID cho hệ HexaPod........... 99 Hình 4.7. Sơ đồ cấu trúc của hệ tạo dao động giả lập sử dụng HexaPod. .... 101 Hình 4.8. Thành phần cấu trúc chính của hệ tạo dao động giả lập. ............. 102 Hình 4.9. Sơ đồ nguyên lý kết nối máy tính với bộ điều khiển trung tâm. . 103 Hình 4.10. Sơ đồ nguyên lý vi điều khiển thành phần kết nối tới bộ điều khiển công suất động cơ. ...................................................................................... 104 Hình 4.11. Cảm biến gia tốc góc nghiêng MPU6050. ................................. 106 Hình 4.12. Vi điều khiển Arduino UNO. .................................................... 106 Hình 4.13. Kết nối MPU6050 với Arduino UNO. ...................................... 106
xi Hình 4.14. Menu gọi chương trình nạp trên LabVIEW. .............................. 107 Hình 4.15. Giao diện nạp firmware cho Arduino Uno. ............................... 107 Hình 4.16. Mô hình vật lý hệ tạo dao động trên HexaPod 6-DOF............... 108 Hình 4.17. Sơ đồ khối phần cứng Kit NI myRIO-1900............................... 109 Hình 4.18. Sơ đồ thuật toán điều khiển tạo dao động trên HexaPod 6-DOF.110 Hình 4.19. Sơ đồ thuật toán điều khiển trên Labview. ................................ 111 Hình 4.20. Mô hình điều khiển tới từng xy lanh động cơ DC. .................... 111 Hình 4.21. Vòng lặp thu thập dữ liệu và xử lý lọc dữ liệu. ......................... 113 Hình 4.22. Vòng lặp lưu dữ liệu đo vào tệp định dạng .tdms. ..................... 114 Hình 4.23. Sơ đồ thuật toán điều khiển tổng thể trên LabView................... 114 Hình 4.24. Sơ đồ điều khiển HexaPod. ....................................................... 115 Hình 4.25. Sơ đồ tổng quan cấu trúc điều khiển. ........................................ 116 Hình 4.26. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ nhất. 118 Hình 4.27. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ hai. . 118 Hình 4.28. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ ba. .. 119 Hình 4.29. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ tư.... 119 Hình 4.30. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ năm. 119 Hình 4.31. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ sáu. . 120 Hình 4.32. Mức độ sai lệch quỹ đạo trong mô phỏng thứ nhất.................... 120 Hình 4.33. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ nhất. 121 Hình 4.34. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ hai. . 121 Hình 4.35. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ ba. .. 122 Hình 4.36. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ tư.... 122 Hình 4.37. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ năm. 122 Hình 4.38. So sánh quỹ đạo thực tế và quỹ đạo thiết lập của chân thứ sáu. . 123 Hình 4.39. Mức độ sai lệch quỹ đạo trong mô phỏng thứ hai...................... 123 Hình 4.40. Dao động trên bàn gá động của HexaPod (trường hợp sóng cấp 3, hướng sóng 180o). ........................................................................................ 124
xii Hình 4.41. Dao động trên bàn gá động của HexaPod (trường hợp sóng cấp 5, hướng sóng 180o). ........................................................................................ 125 Hình 4.42. Dao động trên bàn gá động của HexaPod (trường hợp sóng cấp 7, hướng sóng 180o). ........................................................................................ 125 Hình 4.43. Dao động trên bàn gá động của HexaPod (trường hợp sóng cấp 3, hướng sóng 45o). ........................................................................................ 126
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Việt Nam là quốc gia biển với bờ biển dài trên 3.260 km trải dài từ Bắc xuống Nam, đứng thứ 27 trong số 157 quốc gia biển trên thế giới. Biển không chỉ chứa đựng tiềm năng kinh tế to lớn, cửa ngõ mở rộng quan hệ giao thương với quốc tế mà còn đóng vai trò quan trọng bảo đảm an ninh, quốc phòng, đồng thời là địa bàn chiến lược trọng yếu trong công cuộc xây dựng và bảo vệ Tổ quốc. Vì vậy, bảo vệ chủ quyền biển, đảo thiêng liêng của Tổ quốc trở thành một trong những nhiệm vụ trọng yếu, thường xuyên, lâu dài đối với toàn Đảng, toàn quân và toàn dân ta. Để tăng cường khả năng phòng thủ và bảo vệ lãnh thổ, trong những năm gần đây đã có nhiều chương trình khoa học công nghệ cấp Bộ Quốc phòng, cấp Nhà nước được thực hiện nhằm nâng cao hiệu quả, uy lực của vũ khí, đáp ứng yêu cầu tác chiến trên biển trong chiến tranh hiện đại và chiến tranh công nghệ cao. Đã có nhiều nhiệm vụ, đề tài nghiên cứu thiết kế, chế tạo vũ khí, khí tài đặt trên tàu, như: đề tài về pháo 37 mm hai nòng đặt trên tàu Hải quân [4]; cải tiến pháo 25 mm đặt trên tàu Cảnh sát biển; nghiên cứu, thiết kế chế tạo đạn pháo Hải quân ĐPST 630; nghiên cứu, thiết kế chế tạo cụm thân pháo AK630; và đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo đạn nhiễu ĐN-10 cho tàu Hải quân. Trong thực tế, dưới tác động của sóng biển, các dao động của tàu không chỉ trở nên phức tạp mà còn ảnh hưởng rất nhiều đến các quá trình chuyển động, điều hướng và vận hành các thiết bị lắp đặt trên tàu. Đặc biệt, do sự rung lắc của tàu trong các điều kiện sóng biển khác nhau thì các hệ thống vũ khí, khí tài trên tàu hoạt động kém hiệu quả, thiếu chính xác và kém ổn định. Với mục tiêu nâng cao tính ổn định và hiệu quả cho việc vận hành khai thác vũ khí, trang thiết bị trên tàu thì các trang thiết bị này cần được hiệu chỉnh dựa trên các quá trình đánh giá thống kê về tác động của tàu trong điều
2 kiện thực tế. Để có được các kết quả đánh giá thống kê này, ta cần phải thực hiện rất nhiều quy trình đo đạc về các dao động của tàu khi hoạt động trên biển trong các điều kiện khác nhau như: tàu chạy ở các cấp sóng khác nhau, các tốc độ khác nhau, các phương truyền sóng khác nhau so với phương chuyển động của tàu, ... Tuy nhiên, việc tiến hành đo đạc dao động của tàu ở tất cả các điều kiện khai thác có thể có của tàu là rất khó thực hiện bởi số lượng các phép đo rất lớn và chi phí cũng rất tốn kém. Vì vậy, việc nghiên cứu xây dựng một hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng ở ngay trong phòng thí nghiệm mà nó có chức năng tạo ra các dao động vật lý giống như dao động của tàu hoạt động trong các điều kiện sóng biển khác nhau là vô cùng cấp thiết. Hệ thống này không chỉ sử dụng cho việc đo đạc các dao động của tàu mà còn để thử nghiệm, đánh giá các tác động của sóng biển đến khả năng vận hành khai thác các vũ khí, trang bị lắp đặt trên tàu. Tuỳ thuộc vào mỗi mô hình thuỷ động lực học của tàu cần khảo sát cũng như khả năng đầu tư đã có nhiều các phương pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng đã được đề xuất trong những năm gần đây [22], [37], [39], [49], [46]. Trong bối cảnh hiện nay, việc tiếp cận mô hình thuỷ động lực học của tàu một cách chi tiết còn gặp nhiều khó. Do vậy, việc nghiên cứu làm chủ một giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng tàu trên sóng trong trường hợp không thể tiếp cận mô hình thuỷ động lực học của tàu là rất cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn cao và hoàn toàn phù hợp với định hướng nghiên cứu làm chủ và phát triển các vũ khí trang bị kỹ thuật hiện đại của quân đội ta. Trên cơ sở đó, đề tài luận án “Xác định tham số dao động của tàu thủy hoạt động trong môi trường sóng biển và giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng” sẽ tập trung nghiên cứu các kỹ thuật, phương pháp và thuật toán nhằm xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng nhằm phục vụ cho công tác thử nghiệm, hiệu chỉnh vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu quân sự. Trong đó, luận án tập trung đề xuất giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động, các
3 giải pháp đo đạc và hệ thống thiết bị đo các thông số dao động của tàu trên sóng dựa trên phép nội suy, để đạt được các tiêu chí về đo lường và phù hợp với yêu cầu dùng cho nghiên cứu sự ảnh hưởng của dao động của tàu trên sóng đối với sự hoạt động của vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu. Các kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp thêm cơ sở khoa học trong nghiên cứu, tính toán, tiến tới làm chủ giải pháp thiết kế và công nghệ chế tạo các hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng trong điều kiện môi trường Việt Nam. Thành công của luận án sẽ mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo, góp phần thúc đẩy phát triển các định hướng nghiên cứu khoa học và công nghệ về lĩnh vực giảm thiểu sự ảnh hưởng của dao động của tàu quân sự trên sóng biển với các trang bị vũ khí, khí tài được trang bị trong quân đội nước ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất một giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm đảm bảo tính hiệu quả và khả thi trong điều kiện không thể tiếp cận mô hình thủy động lực học của tàu nhằm phục vụ cho thử nghiệm, hiệu chỉnh vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm sự tương tác giữa thân tàu và sóng biển, các thiết bị đo lường hiện đại, hệ vật lý Stewart - Gough Platform, và hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng. Phạm vi nghiên cứu của luận án bao gồm các vấn đề liên quan đến giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. 4. Phương pháp nghiên cứu Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu dựa trên tham khảo tài liệu, tính toán lý thuyết, mô phỏng kết hợp với thực nghiệm, bao gồm: - Áp dụng các phương pháp thu thập thông tin, tài liệu và phân tích
4 các công trình, bài báo khoa học đã công bố để xác định hướng nghiên cứu và đề xuất giải pháp giải quyết các vấn đề còn tồn tại theo hướng nghiên cứu đã xác định. - Phân tích lý thuyết về sóng biển, lý thuyết về thủy động lực học tàu thủy và dao động của tàu trên sóng, các mô hình toán học trong bộ công cụ của hệ thống mô phỏng hàng hải MSS (Marine Systems Simulator) trong thư viện của Matlab/Simulinks để phân tích và xây dựng giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên số liệu đo thực nghiệm trên tàu ở điều kiện biển thực tế. - Áp dụng các phương pháp và kỹ thuật của các ngành điện tử, cơ khí động lực và kỹ thuật đo lường thử nghiệm để đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống thiết bị đo dao động và xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF. 5. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về mô phỏng dao động của tàu trên sóng và tình hình nghiên cứu có liên quan, phân tích và lựa chọn mô hình và đề xuất hướng giải quyết hướng đến xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, đảm bảo tính khả thi và phù hợp với điều kiện Việt Nam. - Nghiên cứu xây dựng giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên phép nội suy từ các số liệu đo thực nghiệm trong điều kiện biển thực kết hợp với các mô hình lý thuyết về sóng biển và thủy động lực học của tàu trong bộ công cụ mô phỏng của MSS. - Nghiên cứu xây dựng giải pháp đo và hệ thống thiết bị đo để đo đạc các thông số dao động của tàu trên sóng trong điều kiện thực, đảm bảo khả năng phân tách các thành phần dao động theo 6-DOF, làm cơ sở cho thực hiện phép nội suy để xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên các số liệu đo thực nghiệm.
5 - Nghiên cứu giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập dao động của tàu trên sóng trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF, đảm bảo phù hợp với yêu cầu dùng cho nghiên cứu ảnh hưởng của dao động của tàu trên sóng đối với sự hoạt động của các loại thiết bị quân sự (vũ khí, khí tài...) lắp đặt trên tàu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Về ý nghĩa khoa học, luận án đã bổ sung vào lĩnh vực mô phỏng dao động của tàu trên sóng một phương pháp mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Trong đó, xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng được thực hiện dựa trên phép nội suy từ bộ số liệu đo thực nghiệm dao động trên tàu ở điều kiện biển thực cùng với mô hình động lực học của tàu và mô hình sóng biển trong bộ công cụ hệ thống mô phỏng hàng hải MSS. Về ý nghĩa thực tiễn, luận án đã đề xuất một giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng khả thi trong điều kiện không thể tiếp cận mô hình thủy động lực học chi tiết của tàu, dùng cho nghiên cứu và thử nghiệm tác động dao động của tàu trên sóng đến hiệu quả hoạt động của các vũ khí trang bị đặt trên tàu. 7. Cấu trúc của luận án Luận án được trình bày theo cấu trúc gồm 4 chương, như sau: Chương 1. Tổng quan về mô phỏng dao động của tàu thủy trên sóng và hướng nghiên cứu của luận án. Nội dung trình bày khái quát về hệ thống và phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng, các biểu diễn toán học tác động của sóng đến dao động của tàu, và tổng quan về các nghiên cứu có liên quan, từ đó xác định yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn đối với mô phỏng dao động của tàu trên sóng và định hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2. Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng trên cơ sở nội suy từ số liệu thực nghiệm. Nội dung trình bày kết quả thực hiện nội dung nghiên cứu 2, trong đó trình bày về một giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên
6 sóng dựa trên các mô hình lý thuyết và từ bộ số liệu đo thực nghiệm ở điều kiện biển thực tế. Chương 3. Xây dựng giải pháp đo thực nghiệm xác định tham số dao động của tàu trên sóng. Nội dung trình bày kết quả nội dung nghiên cứu 3, trong đó đề cập yêu cầu và giải pháp xây dựng hệ đo dao động của tàu trên sóng đảm bảo thỏa mãn yêu cầu của phương pháp mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. So sánh kết quả đo thực nghiệm trên biển và tính toán lý thuyết. Chương 4. Giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng hệ HexaPod 6-DOF. Nội dung trình bày kết quả nội dung nghiên cứu 4, trong đó đề xuất một giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập dao động của tàu trên sóng trên nền tảng một hệ HexaPod 6-DOF phù hợp với phương pháp mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Thực hiện các phép kiểm tra đánh giá khả năng mô phỏng.