Nghiên cứu mối liên hệ giữa mức đảm bảo của biên độ lắc ngang và xác suất lật định mức của tàu

CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1] Significant Ships of 1997, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008.<br /> London, MRINA.<br /> [2] Бронников А.В. Проектирование судов. Л.: Судостроение, 1991.<br /> Букшев А.В., Чан Нгок Ту. Особенности определения ширины ячеистых контейнеровозов<br /> // Морские интеллектуальные технологии. – 2011. – №2(12). – С. 11-20. ISSN 2073-7173.<br /> [4] Чан Нгок Ту. Обостнование типа малого контейнеровоза для Социалистической<br /> Республики Вьетнама: Дис. техн. наук. Санкт-петербургский государственный морской<br /> технический университет, 2013.<br /> <br /> Người phản biện: PGS.TS. Lê Hồng Bang<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU MỐI LIÊN HỆ GIỮA MỨC ĐẢM BẢO CỦA BIÊN ĐỘ LẮC<br /> NGANG VÀ XÁC SUẤT LẬT ĐỊNH MỨC CỦA TÀU<br /> RESEARCH THE RELATION BETWEEN GUARANTCE FOR AMPLITUDE SHIP<br /> ROLLING AND RATED CAPSIZE PIOBABILITY OF SHIPS<br /> GS. TSKH SO-LO-MEN-SEV O.I.<br /> NCS. LÊ THANH BÌNH<br /> Trường Đại học Tổng hợp Kỹ thuật biển Nhi-co-lai-ev<br /> Tóm tắt<br /> Bài báo giới thiệu các biểu thức gần đúng cho phép thiết lập mối quan hệ giữa xác suất<br /> lật của tàu và giá trị của biên độ lắc ngang theo quy định của phần lớn các Tổ chức Phân<br /> cấp và Đóng tàu thế giới.<br /> Abstract<br /> In this article we propose approximate equations, which conect with each other capsizing<br /> probability and roll amplitude, used in classification societies’s stability standards.<br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Theo quy định của quy phạm, tiêu chuẩn ổn định động được kiểm tra thông qua các đặc<br /> trưng của lực tác động do sóng và gió. Tác động của gió được xác định thông qua giá trị áp suất<br /> gió giả định. Tác động của sóng được xác định thông qua giá trị giả định của biên độ lắc ngang θr.<br /> Trước đây, giá trị biên độ lắc ngang θr được xác định bằng tính toán quá trình cộng hưởng<br /> lắc ngang của tàu trên sóng điều hòa với độ dốc cho trước, [1]. Sau này, biên độ lắc ngang được<br /> xác định theo sơ đồ sóng không điều hòa [6] như một đại lượng ngẫu nhiên phân bố theo quy luật<br /> phân bố Rayleigh có phương sai là Dθ và được áp dụng cho đến nay trong Quy phạm. Trong khi<br /> đó, dù xét đến việc chuyển đổi sang sơ đồ tính theo chế độ sóng không điều hòa, Quy phạm vẫn<br /> giữ nguyên các đặc trưng như đối với quá trình lắc ngang trên sóng điều hòa: độ lệch pha 90 độ<br /> giữa biên độ lắc ngang của tàu với vận tốc góc và thời điểm xác định tác động của gió giật, khi tàu<br /> đạt biên độ lắc lớn nhất. Theo đó, biên độ lắc ngang θr được giả định là giá trị lớn nhất mặc dù<br /> biên độ lắc ngang của tàu trên sóng không điều hòa được coi là một đại lượng ngẫu nhiên.<br /> Xác suất lật P0 phụ thuộc vào đặc trưng của tải trọng gió, ảnh hưởng của việc sử dụng<br /> phương pháp xác định tải trọng nói trên đến sơ đồ tính toán giá trị xác suất lật thực tế P0 đã được<br /> xét đến trong [16]. Trong trường hợp tổng quát, việc tính toán lý thuyết giá trị P0 tại một thời điểm<br /> ngẫu nhiên bất kỳ của chế độ sóng gió không cần sử dụng khái niệm biên độ lắc ngang giả định<br /> mà chỉ cần biết giá trị phương sai của biên độ lắc ngang Dθ, [2,16]. Theo quy luật phân bố<br /> Rayleigh:<br />  r   2 ln P .D  2 ln N C .D  m D<br /> Với: NCθ=TST/τθ; TST – quãng thời gian tính toán bão; τθ – chu kỳ lắc ngang của tàu; Pθ=1/NCθ<br /> – mức đảm bảo của biên độ lắc ngang của tàu; NCθ=1/Pθ – số chu kỳ lắc ngang của tàu trong thời<br /> gian tác động của chế độ sóng gió ổn định (biên độ lắc ngang không vượt quá θr nhiều hơn một<br /> lần).<br /> Trong sơ đồ tính toán ổn định của tàu giả thiết rằng NCθ=1! Vì vậy giá trị xác suất lật thực tế<br /> P0≠P0(mθ). Ở đây, tăng hoặc giảm biên độ lắc ngang k lần sẽ tương ứng với sự thay đổi của mức<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 38 – 04/2014 25<br />  CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014<br /> <br /> <br /> gió giới hạn mà tàu có thể chịu được xấp xỉ 1 / k lần, [5]. Các quy định trong Quy phạm đối với<br /> ổn định động của tàu trong điều kiện sóng và gió, tựu chung lại là xác suất lật của tàu P0 không<br /> vượt quá một giá trị định mức nào đó [P0]. Yêu cầu này được thể hiện trong Quy phạm thông qua<br /> hệ số tiêu chuẩn ổn định thời tiết K=MC /MV , với MC và MV tương ứng là mô-men nghiêng cho<br /> phép và mô-men nghiêng do gió. Theo đó, xác suất lật thực tế là P0=P0(K) và giá trị xác suất lật<br /> định mức [P0]=P0(K=1).<br /> Các phương pháp khác nhau để xác định giá trị của mθ được đề cập đến trong các nghiên<br /> cứu [3,5,8,12]. Thực tế, tiêu chuẩn áp dụng cho tàu biển mθ=2,11 (Pθ = 0,108) [6], với giàn khoan<br /> nổi mθ=3 (Pθ = 0,011) [9]. Nhưng các phương pháp trong các nghiên cứu nói trên vẫn chưa cho<br /> phép thiết lập được mối quan hệ rõ ràng, trực tiếp giữa giá trị xác suất lật định mức [P0] và mức<br /> đảm bảo của biên độ lắc ngang Pθ (hay tương tự là giá trị mθ). Bài toán trên mang ý nghĩa thực<br /> tiễn với mục tiêu là luận chứng kinh tế-kỹ thuật xây dựng tiêu chuẩn ổn định của tàu [14,15].<br /> Mục tiêu của nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu là thiết lập mối quan hệ rõ ràng giữa mức<br /> đảm bảo của biên độ lắc ngang của tàu được thiết kế với giá trị xác suất lật định mức của nó và sử<br /> dụng làm luận chứng kinh tế-kỹ thuật xác định tiêu chuẩn ổn định cho tàu.<br /> Các kết quả nghiên cứu. Xét ổn định của tàu trong giới hạn một chu kỳ lắc ngang. Quan hệ<br /> năng lượng của tàu có dạng như sau, [2,13,16]:<br /> Е ( )  W ( ); (1)<br /> J X    2<br /> Е ( )   ( t  ) ; W ( )  W ( )  W1 ( )  W2 ( );<br /> 2<br />  md<br /> <br /> W ( )  M<br />  t <br /> h ( )d D[d ( md )  d (t   )]<br /> <br />  md  тd<br /> <br /> W1 ( )  <br />  t <br /> М N 1 ( )d ; W2 ( )   [М<br />  t <br /> N2 ( )  М N 1 ( )]d ;<br /> <br /> <br /> t : Dl (t )  M N 1 (t ) ; d ( )   l ( )d<br /> 0<br /> Trong đó: E(),W() – động năng và thế năng của<br /> tàu; WΣ() – tổng dự trữ thế năng; ΔW1(), ΔW2() – M Mh<br /> lượng hiệu chỉnh thế năng đo gió tĩnh và gió động;  –<br /> lượng chiếm nước của tàu; l(), d() – tay đòn mô-<br /> men hồi phục tĩnh và động tại góc nghiêng ; JX,  – MN2<br /> mô-men quán tính và mô-men quán tính kèm của tàu khi<br /> lắc ngang; md – góc nghiêng động lớn nhất do gió; r –<br /> MN1<br /> biên độ lắc ngang của tàu;  – tần số sóng điều hòa; <br /> – pha ban đu.<br /> Trong phần lớn các yêu cầu về tiêu chuẩn ổn t md <br /> định, xét ổn định tàu trong trường hợp tác động của gió <br /> giật và giả thiết rằng: không có tác dụng của gió tĩnh ban md<br /> đầu(hay MN1 = 0 và θt = 0), vận tốc gió giật trong chế độ<br /> gió đã định là đại lượng không ngẫu nhiên, độ lệch pha Hình 1. Sơ đồ tác động của sóng, gió<br /> giữa biên độ lắc ngang và biên độ vận tốc góc là một đại trong tính toán tiêu chuẩn ổn định động<br /> lượng xác định và bằng 90 độ, thời điểm tác động của<br /> gió giật cũng được xác định và tương ứng với một pha nào đó của chu kỳ lắc ngang của tàu, trạng<br /> thái tải trọng là xác định và được chọn là trạng thái bất lợi nhất.<br /> Trong quá trình thiết lập các tiêu chuẩn trên, giả thiết rằng, gió giật luôn tác dụng lên tàu vào<br /> thời điểm khi biên độ lắc ngang của tàu đạt giá trị cực đại θr, như vậy θ = -θr và   0 (θ lấy dấu<br /> dương nếu chiều của nó trùng với hướng tác dụng của gió giật và ngược lại). Trong thực tế các<br /> điều kiện trên (gọi chung là tổ hợp X) xuất hiện với xác suất rất nhỏ PX(X,K). Khi đó, nếu tổ hợp<br /> trên trong điều kiện K = 1 xảy ra với xác suất bằng 1 (100%) hay [PX(X)] = PX(X,1) = 1, biểu thức<br /> năng lượng (1) có dạng như sau: W ( r )  W2 ( r )<br /> <br /> Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 38 – 04/2014 26<br />  CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG 01/04/1956 - 01/04/2014<br /> <br /> <br /> Giả thiết rằng độ lớn của mô-men nghiêng MN2 không phụ thuộc vào góc nghiêng. Khi đó:<br />  [d ( md )  d ( r )]  M N 2  md   r  , (2)<br /> d ( тd )  d ( r )<br /> Và điều kiện tất định để tàu bị lật là: М N 2    max M d ( ).<br />  md   r<br /> Ở đây Mdθ(θ) là đồ thị mô-men động đề xuất bởi Vaevodin năm 1954, [4]. Với θr = 0, điều<br /> kiện tất định để tàu bị lật khi thỏa mãn tổ hợp X là М N 2  max M C   ; MCθ(θ) là đồ thị mô-men<br /> trung bình.<br /> Giả thiết rằng, đồ thị ổn định tĩnh là tuyến tính trong đoạn 0