Nghiên cứu các đặc tính động lực học của tàu thuỷ phục vụ cho bài toán mô phỏng chuyển động cho tàu tên lửa 1241.8

Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC<br /> CỦA TÀU THUỶ PHỤC VỤ CHO BÀI TOÁN MÔ PHỎNG<br /> CHUYỂN ĐỘNG CHO TÀU TÊN LỬA 1241.8<br /> Đoàn Văn Hòa, Đỗ Việt Bình, Bạch Hồng Quyết*, Dương Hồng Trường<br /> Bài báo này nghiên cứu mô hình toán học chuyển động của tàu thủy, trên cơ sở<br /> đó xây dựng mô đun tính toán tham số và xem xét ảnh hưởng của giá trị góc bẻ lái<br /> khi có sự thay đổi các đặc tính chuyển động của tàu: Sự xoay vòng, góc dạt, vận tốc<br /> góc và góc mạn của tàu thủy. Trên cơ sở nghiên cứu chung trong mô hình toán lấy<br /> tham số cho tàu tên lửa 1241.8<br /> Từ khóa: Mô hình toán học, Mô phỏng, Chuyển động của tàu, Sự lưu thông của tàu, Tàu tên lửa.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Đối với tàu chiến nói chung và tàu 1241.8 nói riêng thì ngoài việc vận hành điều động<br /> tàu còn liên quan đến hệ thống trang thiết bị vũ khí đi kèm. Nghiên cứu xây dựng mô hình<br /> toán phục vụ mục đích cung cấp các tham số xây dựng các hệ thống mô phỏng lớn của<br /> chuyển động tàu, va chạm tàu và các loại trang thiết bị, vũ khí đi kèm. Trong bài báo này<br /> nghiên cứu các mô hình toán học của các đặc tính động lực học của tàu thuỷ và các tham<br /> số của tàu tên lửa 1241.8.<br /> 2. NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC<br /> Để giải bài toán về chuyển động của tàu trong mặt phẳng ngang ta cần phải biết các lực<br /> và mô men tác động lên tàu đặc biệt là thân tàu và bánh lái. Tất cả các lực và mô men này<br /> quy chung lại thành các lực chính và mô men chính mà phân bố trên mặt phẳng đường<br /> kính tàu (hình 1). Trên hình 1 lực nâng Rz cân bằng với trọng lực G; lực cản Rx; lực kéo<br /> TE; M- mô men chính tác động lên tàu. Các lực và mô men này là nguyên nhân làm thay<br /> đổi các phần tử chuyển động của tàu, đó là: Gia tốc góc và gia tốc tuyến tính, góc dạt, vận<br /> tốc góc và vận tốc tuyến tính và<br /> chia ra các lực và mô men dạng<br /> phi quán tính và quán tính theo<br /> nguồn gốc tự nhiên của nó [1,<br /> trang 254].<br /> Mô hình toán học chuyển động<br /> của tàu được thiết đặt bằng<br /> phương trình vi phân không tuyến<br /> tính. Nghiệm của phương trình là<br /> Hình 1. Các lực tác động lên tàu. các tham số chuyển động của tàu:<br /> toạ độ trọng tâm tàu (xg, yg, zg); các góc(góc lắc ngang θ, góc lắc dọc ψ, góc hướng φ), và<br /> giá trị tương ứng của vận tốc, gia tốc và bán kính xoay vòng R . Hai hệ thống tọa độ được<br /> sử dụng: Hệ toạ độ gắn với trái đất OgXgYgZg (gốc toạ độ trùng với điểm xuất phát của tàu,<br /> trục OXg – trùng với hướng chuyển động ban đầu của tàu, OgYg – vuông góc với OgXg<br /> trong mặt phẳng ngang, OgZg trục thẳng đứng hướng xuống dưới) và hệ toạ độ OXYZ (gốc<br /> toạ độ trùng với trọng tâm của tàu, trục OX – trùng với hướng mặt phẳng đường kính dọc<br /> của tàu hướng về phía trước, OY – vuông góc với OX trong mặt phẳng ngang, OZ trục<br /> thẳng đứng hướng xuống dưới) .<br /> Phương trình miêu tả chuyển động của tàu [2, trang 20] :<br /> <br /> <br /> <br /> 184 Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính… 1241.8.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> dvx<br /> (m  11 )  (m  22 ) v y z  (m  33 ) v z  y   Fx   Fx ( M )<br /> dt<br /> (1)<br /> dv y<br /> (m  22 )  (m  11 ) v z  x  (m  33 ) v y  x   Fy   Fy ( M )<br /> dt<br /> (2)<br /> dvz<br /> (m  33 )  (m  11 ) v z  y  (m  22 ) v y vz   Fz   Fz( M ) (3)<br /> dt<br /> dx<br /> ( J x  44 )   J z  66   (J y  55 )   yz  (33  22 ) v y vz   M x   M x ( M )<br /> dt <br /> (4)<br /> d y<br /> ( J y  55 )   J z  44   (J y  66 )   x z  (11  33 ) v x vz   M y   M y( M )<br /> dt<br /> (5)<br /> dx<br /> ( J z  66 )   J y  55   (J x  55 )   z y  (22  11 ) v y vz   M z   M z( M )<br /> dt <br /> (6)<br /> dxg<br />  vx cos  cos  v y (sin  cos  sin  cos  sin  )   (cos  cos  sin  sin  sin  ) (7)<br /> dt<br /> dyg<br />  vx sin  cos  v y (sin  sin  sin  cos  cos  )   (cos  sin  sin  sin  cos  ) (8)<br /> dt<br /> dz g<br />  vx sin  v y sin  cos   cos  cos (9)<br /> dt<br /> d d <br /> x   sin  (10)<br /> dt dt<br /> d d<br /> y  cos   cos sin  (11)<br /> dt dt<br /> d d<br /> z  cos cos   sin  (12)<br /> dt dt<br /> Ở đây m là khối lượng của tàu (m = ρ*LBP*CB, ρ-trọng lượng riêng của nước; L, B, T<br /> là chiều dài, chiều rộng và chiều cao mớn nước của tàu; CB -hệ số); Jx, Jy, Jz – Momen<br /> quán tính của toạ độ của thân tàu; λ11, λ22,…λ66- Phần trọng lượng bù thêm; vx,vy,vz – Các<br /> thành phần vận tốc của thân tàu; ωx,ωy,ωz – Các thành phần vận tốc góc của thân tàu; ΣFx,<br /> ΣFy, ΣFz, ΣMx,ΣMy, ΣMz - Thành phần tổng các lực, thành phần tổng các mô men.<br /> Trong bài báo này xem xét mô hình chuyển động của tàu dựa trên sự bỏ qua một số yếu<br /> tố sau: Xem tàu chuyển động trong dòng nước sâu tĩnh bỏ qua sự tác động của các yếu tố<br /> ngoại cảnh (sóng, gió, dòng chảy, hiệu ứng bờ.vv.) khi đó θ=0. Sự dịch chuyển của tàu<br /> theo phương thẳng đứng rất ít và có thể bỏ qua (ψ=0); chuyển động của tàu xem như xẩy<br /> ra trong mặt phẳng mớn nước. Xem độ nghiêng của tàu trong mặt phẳng nghiêng của sườn<br /> tàu là nhỏ và không ảnh hưởng đến đại lượng các lực thuỷ động học. Khi tính toán các lực<br /> quán tính mà tác động lên tàu coi tàu là đối xứng không chỉ đối với mặt phẳng đường kính<br /> tàu mà còn mặt phẳng giữa của khung tàu, nghĩa là trọng tâm của tàu phân bố trong mặt<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 185<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> phẳng giữa của khung tàu. Trong khoảng thời gian dt tốc độ tàu xem là không thay đổi và<br /> giả sử rằng bánh lái của tàu được chuyển ngay tức thì (thực tế thì thời gian chuyển lái của<br /> bánh lái tàu thực là 8-15 giây [1,trang 69]) ..và 1 số điều kiện khác.<br /> Tính đến các điều kiện trên phương trình chuyển động của tàu miêu tả các mối liên hệ<br /> động học thu được như sau:<br /> d  d  0<br />    ; (13)<br /> dt R dt<br />     0 ; (14)<br /> dxg<br />   cos  ; (15)<br /> dt<br /> dy g<br />   sin  ; (16)<br /> dt<br /> d 0<br /> V (1  k22 ) cos  0  V (1  k11 ) cos  0 <br /> dt<br /> (17)<br />   L   2 2<br /> (c1 0  c2  02 )  2 S d    r   p (  0     1 S p  0,<br /> 2    2<br /> <br /> d    L   2 2<br />  I (1  k 66 )  q p  2 S d L  0  qd  S d L2   l  r   p (  0     1 S p  0, (18)<br /> dt 2 2    2<br /> 0 *( R / L) 2<br />  , (19)<br /> (( R / L) 2  1,9)<br /> Ở đây, β0 –góc dạt là góc giữa trục OX và hướng vận tốc trọng tâm tàu; v-vận tốc trọng<br /> tâm tàu; ω-vận tốc góc xoay của tàu; γ - góc vận tốc là góc tạo bởi hướng vận tốc tàu và<br /> trục OgXg;R- bán kính xoay vòng của trọng tâm tàu. Điều kiện ban<br /> đầu:  0 |t 0   |t 0   |t 0   |t 0  x |t 0  y |t 0  0,  |t 0  0<br /> Khác với các mô hình toán học khác như mô hình Voikunskovo [1] trong các phương<br /> trình này từng phần có tính đến sự thay đổi của vận tốc bằng cách tính toán các giá trị của<br /> nó trên mỗi bước theo sự thay đổi theo thời gian dt, cũng như loại trừ sự cho phép tính đến<br /> góc dịch chuyển không vượt quá 10 − 15 độ và cos β0 =1.<br /> Bảng 1. Dữ liệu ban đầu của tàu tên lửa 1241.8.<br /> Stt Tên các đại lượng Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị<br /> 1 Thể tích choán nước V m3 Theo [3] 500<br /> 2 Chiều dài tàu theo đường L m Theo [3] 49,50<br /> mớn nước<br /> 3 Chiều rộng tàu theo đường B m Theo [3] 8,74<br /> mớn nước<br /> 4 Mớn nước trung bình T m Theo [3] 2,20<br /> 6 Khoảng cách từ trục bánh l m Theo [3] 23,27<br /> lái đến giữa<br /> 7 Tốc độ ban đầu của tàu υ0 m/s Mặc định cho trước 8<br /> 8 Trọng lượng tàu m T Theo [3] 490<br /> 9 Mô men quán tính của I T*m*s2 I = 0,05ρVL2 12500<br /> <br /> <br /> <br /> 186 Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính… 1241.8.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Stt Tên các đại lượng Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị<br /> trọng lượng tàu<br /> 10 Hệ số trọng lượng liên kết k11 Theo đồ thị [1,t.66, 0,46<br /> hình 17]<br /> 11 Hệ số trọng lượng liên kết k22 Theo đồ thị [1,t.67, 0,61<br /> hình 17]<br /> 12 Hệ số mô men quán tính k66 Theo đồ thị [1,t.69, 0,54<br /> liên kết hình 18]<br /> 13 Hệ số góc của lực nâng μ Theo tính toán trong 1,85<br /> bánh lái [1]<br /> 14 Khoảng cách tương đối từ ε ε=l/L 0,47<br /> bánh lái đến giữa<br /> 15 Hệ số hoàn chỉnh của mặt σd Theo tính toán của 0,95<br /> phẳng đường kính tài liệu [1]<br /> 16 Hệ số của lực bình thường c1 Theo đồ thị [1,trang 0,1<br /> 552, hình 21]<br /> 17 Hệ số của lực bình thường c2 Theo đồ thị [1,trang 1,6<br /> 552, hình 22]<br /> 18 Hệ số mô men vị trí qv Theo đồ thị [1,trang 0,81<br /> 554, hình 23]<br /> 19 Hệ số mô men giảm xóc qd Theo đồ thị [1,trang 0,64<br /> 554, hình 24]<br /> 20 Hệ số ảnh hưởng của thân φ1 Theo tính toán của 0,9<br /> vỏ tài liệu [1]<br /> 21 Tiết diện của bánh lái Sp m2 Theo tính toán của 8<br /> tài liệu [2]<br /> 22 Hệ số giảm của ảnh hưởng χp Theo tính toán của 0,3<br /> thân vỏ tàu tài liệu [1]<br /> 23 Mặt phẳng đường kính tàu Sd m2 S = LTσd 103.78<br /> 3. MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN<br /> Mô hình toán chuyển động của tàu được viết trên ngôn ngữ Delphi. Để giải các phương<br /> trình vi phân nhận được sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4.<br /> Trong bảng 1 đã đưa ra các dữ liệu đầu vào được sử dụng để tính toán dựa trên các<br /> công thức và các giá trị trong tài liệu [1, 3, 4]. Trong các giai đoạn của thực nghiệm tính<br /> toán đã thực hiện nghiên cứu trên sự thay đổi các đặc tính của tàu trong trường hợp khi các<br /> góc bẻ lái khác nhau.<br /> Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của đặc tính chuyển động của tàu trong trường hợp góc<br /> chuyển lái α thay đổi từ 00 đến 800 độ với bước thay đổi là 100 trình bày trên hình 2. Phân<br /> tích các kết quả tính toán chỉ ra rằng góc bẻ lái càng lớn thì tàu càng lệch nhiều so với<br /> hướng đã chọn tức là góc hướng và sự lưu thông của tàu sẽ lớn nhưng tàu càng nhanh lệch<br /> ra khỏi quỹ đạo ổn định chuyển động của trọng tâm tàu (hình 2).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 187<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sự xoay vòng của tàu khi các giá trị góc bẻ lái khác nhau.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Độ thị phụ thuộc góc dạt theo thời gian khi các góc bẻ lái khác nhau.<br /> Khi giá trị góc bẻ lái càng lớn thì tàu càng nhanh đi vào quỹ đạo chuyển động ổn định<br /> tức là các góc dạt, vận tốc góc nhanh đạt đến giá trị ổn định. Và góc dạt càng lớn khi góc<br /> bẻ lái càng lớn. Ví dụ như với α= 100 thì thời gian β0 đạt giá trị ổn định là 90s và β0 =<br /> 0,180; còn với α= 400 thì thời gian β0 đạt giá trị ổn định chỉ là 40s và β0 = 0,280.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này trên cơ sở mô đen toán học điều khiển chuyển động tàu thuỷ dựa<br /> trên mô hình của Voitkimski [1] các tác giả đã mở rộng thêm các điều kiện là tính toán khi<br /> góc bẻ lái bé và tốc độ tàu thay đổi và áp dụng các thông số cho tàu tên lửa 1241.8. Mô<br /> đun phần mềm được viết trên ngôn ngữ Delphi và dựa trên các mô hình toán nhận được và<br /> thực hiện các tính toán thực nghiệm. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của giá trị góc bẻ lái trên<br /> các đặc tính động lực học của tàu: sự xoay vòng, góc dạt, tốc độ góc và góc mạn của tàu.<br /> Kết quả nghiên cứu của bài báo là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn các đặc tính động lực học<br /> <br /> <br /> 188 Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính… 1241.8.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> của tàu khi có các tác động của điều kiện ngoại cảnh khác nhau cũng như là cơ sở để xây<br /> dựng các hệ thống mô phỏng chuyển động tàu.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. “Справочник по теории корабля.<br /> Ходкость и управляемость”. Л.: Судпромгиз, 1960. 688 с.<br /> [2]. NAVI TRAINER. “Matematical models”. Technical discription. Transas Marine<br /> LTD. July 2003.<br /> [3]. http://and-kin2008.narod.ru/pr1241.html<br /> [4]. http://vi.wikipedia.org/wiki/T%C3%A0u_t%C3%AAn_l%E1%BB%ADa_l%E1%BB<br /> %9Bp_Molniya<br /> ABSTRACT<br /> RESEARCH OF THE DYNAMICS CHARACTERISTICS OF SHIPBUILDING<br /> PROBLEM FOR MOVEMENT SIMULATION OF MISSILE BOARD 1241.8<br /> This paper presents a study on a mathematical model of ship motion. Based on<br /> this model, we developed a module to calculate parameter and examine impact of<br /> steering lock value, accidental deflection angle when there are changes in ship<br /> motion characteristics: angular motion, leeway angle, angular speed and alongside<br /> angle of the ship. General study on computational model provides parameters for<br /> missile boat 1241.8.<br /> Keywords: Math Modules, Simulation, Ship motion, Trafic ship, Misile board<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 11 tháng 3 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 15 tháng 8 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 9 năm 2015<br /> <br /> Địa chỉ: Viện công nghệ thông tin, Viện KH&CNQS.<br /> *Email: bachhongquyet@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 189<br />