Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất mô hình toán cải tiến hình dáng tàu container trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm giảm lực cản tàu trên cơ sở có tính đến các điều kiện ràng buộc về tuyến luồng sông biển Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu đề xuất hình dáng tàu chở container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NCS. NGUYỄN THỊ NGỌC HOA NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số ngành: 9520116 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Người hướng dẫn 1: PGS.TS. Vũ Ngọc Bích Người hướng dẫn 2: PGS.TS. Lê Tất Hiển Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải TP.HCM
MỞ ĐẦU 1. Cơ sở lựa chọn đề tài Hiện nay, theo số liệu cục đường thủy nội địa năm 2019, ngành vận tải thủy Việt Nam đạt 250 triệu tấn/năm, trong đó riêng vận tải ven biển đã chiếm hơn 60 triệu tấn/năm, góp phần thúc đẩy ngành vận tải hội nhập kinh tế giữa các vùng miền, phát huy tối đa điều kiện ven biển tự nhiên của Việt Nam. Vấn đề sử dụng năng lượng hiệu quả cho phương tiện thủy ngày càng mang tính cấp thiết vì liên quan đến tiết kiệm nhiên liệu trong khai thác tàu và các yêu cầu bắt buộc của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC) thuộc Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) về giảm ô nhiễm môi trường và lượng phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính toàn cầu. Đối với các tàu chạy tuyến sông biển (SB), mặc dù nằm ngoài đối tượng áp dụng các quy định trên, cũng cần thỏa mãn các quy định, nghị quyết, luật Việt Nam về mục tiêu sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm. Chính vì vậy, bài toán nghiên cứu các giải pháp thiết kế phương tiện thủy nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng đang là chủ đề có tính thời sự không những đối với đội tàu chạy chuyến quốc tế của Việt Nam nói chung mà còn đối với cả đội tàu SB nói riêng. Ở Việt Nam, tháng 7-2014, sau một thời gian chuẩn bị, Bộ Giao thông vận tải (GTVT) chính thức công bố mở ba tuyến vận tải ven biển. Dự báo, trong thời gian tới, số lượng tàu SB còn tiếp tục tăng do Cục Ðăng kiểm Việt Nam đang thẩm định rất nhiều hồ sơ đăng ký đóng mới. Tuy nhiên, theo các đánh giá thì công tác thiết kế tàu SB nói chung và tàu container chạy tuyến SB còn tồn tại nhiều vấn đề như việc tối ưu hóa hình dáng thân tàu chưa được quan tâm đúng mức dẫn tới chưa có mẫu hình dáng thân tàu container chuẩn phù hợp với tuyến luồng SB Việt Nam. Chính vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán đề xuất hình dáng và xây dựng mô hình toán toàn tàu nói chung và mẫu tàu container SB nói riêng, có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng có tính khoa học và thực tiễn cao, làm phong phú các nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan trong mảng thiết kế tàu. Do đó, được sự đồng ý của giáo viên hướng dẫn, NCS đã lựa chọn đề tài “NGHIÊN
CỨU ĐỀ XUẤT HÌNH DÁNG TÀU CHỞ CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất mô hình toán cải tiến hình dáng tàu container trong giai đoạn thiết kế sơ bộ nhằm giảm lực cản tàu trên cơ sở có tính đến các điều kiện ràng buộc về tuyến luồng sông biển Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu: Phương tiện thủy container hoạt động trong vùng chịu ảnh hưởng bởi độ sâu tuyến luồng • Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng giải thuật tối ưu hình dáng dựa trên hàm mục tiêu sức cản và xây dựng hàm toán NUBS cho nhóm tàu container dưới 5000 tấn sau tối ưu, hoạt động phổ biến tại các tuyến luồng sông biển khu vực phía Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết thiết kế, kết hợp các công cụ tính toán số cụ thể như sau: • Nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp luận chung trong thiết kế tàu, tích phân số và biến đổi hình học hình dáng tàu • Nghiên cứu tính toán số: Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền (GA), thuật toán dựa trên các hàm toán xấp xỉ Non-Uniform B-spline (NUBS) cho tuyến hình tàu • Nghiên cứu ứng dụng: Đánh giá chất lượng tuyến hình dựa trên đặc tính trơn, liên tục và mô phỏng số bằng phần mềm chuyên dụng 5. Ý nghĩa khoa học-thực tiễn và tính mới • Ý nghĩa khoa học: Kết quả đạt được của luận án thông qua mô hình toán hình dáng tàu container là bước đầu quá trình tích hợp tự động hóa thiết kế hình dáng tàu vào các hướng nghiên cứu chuyên sâu trong mảng tính toán lưu chất và kết cấu tàu. • Ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả tính toán là cơ sở để hỗ trợ các đơn vị tư vấn thiết kế có thể xây dựng và lựa chọn phương án đề xuất hình dáng mẫu tàu container phù hợp với điều kiện tuyến luồng khác nhau tại Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác đào tạo trong nhà trường nói riêng và công tác nghiên cứu khoa học nói chung trong mảng thiết kế tàu. • Những đóng góp mới của luận án: - Luận án đã tổng hợp, phân tích và lựa chọn được phương pháp tính toán lực cản tàu với độ tin cậy chấp nhận được trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, điều mà các đơn vị tư vấn thiết kế chưa có điều kiện thực hiện. - Luận án đã xây dựng thành công thuật giải tối ưu di truyền bằng ngôn ngữ Matlab, nhằm đề xuất các hệ số hình dáng và hoành độ tâm nổi phù hợp tàu container có xem xét ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng sông biển. Kết quả nhận được từ giải thuật tính toán là hoàn toàn đáng tin cậy. - Luận án đã xây dựng thành công mô hình toán cho hình dáng tàu sau tối ưu dưới dạng hàm NUBS. Đây là mô hình toán hình học hiệu quả và có tính ứng dụng cao trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, thiết kế kỹ thuật và có khả năng phục vụ các tính toán số trong các nghiên cứu chuyên sâu. - Chương trình tính toán là chương trình tổng hợp, có thể sử dụng là công cụ hỗ trợ đề xuất hình dáng tàu phù hợp và có khả năng thương mại hóa. Kết quả của luận án là đề xuất tuyến hình tàu container hợp lý hơn trên cơ sở có xét đến ảnh hưởng tuyến luồng, trong đó giải thuật tối ưu di truyền được xây dựng nhằm giảm sức cản, hướng đến tiết kiệm nhiên liệu và xây dựng mô hình toán tàu container sau tối ưu, thể hiện qua sơ đồ nghiên cứu sau:
Sơ đồ nghiên cứu của luận án 6. Bố cục của luận án Sau phần Mở đầu với các mục theo quy định, các nội dung nghiên cứu của luận án được trình bày trong 5 chương như sau: Chương 1: Tổng quan về xây dựng hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển Việt Nam Chương 2: Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêu sức cản tàu container sông biển Chương 3: Nghiên cứu, xây dựng thuật toán tối ưu thông số hình dáng tàu container sông biển Chương 4: Nghiên cứu, mô hình hóa hình dáng tàu container sông biển theo hàm tham số NUBS Chương 5: Đánh giá hiệu quả thuật toán xây dựng hình dáng tàu mẫu container SB Kết luận và kiến nghị sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu của đề tài, đề xuất một số định hướng nghiên cứu tiếp theo.
1 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER PHÙ HỢP TUYẾN LUỒNG SÔNG BIỂN VIỆT NAM 1.1. Tổng quan về tuyến vận tải thủy sông biển Việt Nam Vận tải thủy (đường sông, đường biển) góp phần hiện thực hóa chiến lược biển của nhiều quốc gia, là nhân tố quan trọng của nền kinh tế. Năm 2016, chỉ tính số liệu từ cục đường thủy nội địa, vận chuyển bằng đường thủy nội địa chiếm 17,1% thị phần toàn ngành giao thông vận tải, mô tả theo Bảng 1.1. Năm 2019, theo số liệu thống kê từ tổ chức kinh tế thương mại thuộc hệ thống liên hợp quốc (UNCTAD) tại [1], hoạt động khai thác vận tải thủy ở khu vực châu Á chiếm tỉ trọng lớn nhất trên thế giới, tập trung ở Trung Quốc và khu vực lân cận. Bảng 1.1 Lưu lượng hàng hóa nội địa theo các phương thức vận tải tại Việt Nam (Cục đường thủy nội địa, 2016) Khối lượng Tỷ lệ đảm nhận Cự ly vận Phương thức vận tải vận chuyến khối lượng vận tải tải trung (triệu tấn) (%) bình (km) Vận tải đường bộ 957,5 77,2 59 Vận tải đường thủy nội địa 212,5 17,1 212 Vận tải ven biển 64,8 5,2 2046 Vận tải đường sắt 5,2 0,4 615 Vận tải đường hàng không 0,3 0,0 2333 Theo báo cáo của ngân hàng thế giới và các công trình nghiên cứu của J. Kruse và Kos [2], vận tải thủy lợi thế trong việc giảm mức độ tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải khí CO2 trên mỗi tấn hàng hóa - km luân chuyển so với vận tải đường bộ và tàu hỏa, được trình bày tại Bảng 1.2. Bảng 1.2 So sánh hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu và lượng phát thải khí CO2 của phương thức vận tải thủy so với các phương thức vận tải đường bộ và đường sắt Hiệu quả vận tải Đường thủy Đường sắt Đường bộ Tấn – Dặm / Gallon 576 413 155 g khí CO2/ Tấn - Km 20 - 65 30 - 80 65 - 125
2 Chế độ thủy - hải văn, dưới tác động của dòng chảy ven bờ, động lực học sóng biển hoàn toàn phù hợp tiêu chí phân cấp tàu hoạt động trên tuyến luồng sông biển theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 72: 2013/BGTVT. Theo các nghiên cứu của H.V. Huan và viện Chiến lược và Phát triển giao thông vận tải (Bộ Giao thông vận tải), tuyến luồng khu vực phía Nam khá thuận lợi theo tác động của quy luật thủy triều, với chiều rộng tối thiểu của các sông là 30-100 mét và độ sâu tối thiểu là 2.5–4.0 mét [3]. Trong luận án này, hình dáng phương tiện thủy container được nghiên cứu có xét đến độ sâu tuyến luồng SB tại Việt Nam. 1.2. Tổng quan kích thước cơ bản và ràng buộc thiết kế cho hình dáng tàu container tuyến luồng sông biển trên thế giới và tại Việt Nam Hình dáng tàu container thể hiện qua mối quan hệ các thông số kích thước cơ bản được trình bày trong kết quả nghiên cứu của Takahashi [4] và Charchalis [5]. Hình dạng thân tàu container có xu hướng hẹp hơn so với các tàu hàng khác, tàu chở dầu, nhưng yêu cầu tốc độ hoạt động cao hơn. Tại Việt Nam, kích thước cơ bản tàu container phù hợp tuyến luồng dựa trên các số liệu thống kê tàu mẫu, cảng và tuyến hoạt động, quy hoạch đội tàu và các tổ chức phân cấp đăng kiểm. Thời gian gần đây, các nghiên cứu tối ưu dựa trên thuyết tiến hóa đang được áp dụng rộng rãi trong bài toán thiết kế phương tiện thủy dựa trên liệt kê các tập khả thi hệ số hình dáng tàu mẫu và chọn lọc ngẫu nhiên [6]. Từ năm 1995, Ray và cộng sự đề xuất giải thuật mô phỏng tôi luyện nhằm tối ưu cho tàu container cỡ lớn theo hướng giảm trọng lượng [7]. Tương tự, tối ưu hình dáng hướng đến giảm sức cản sử dụng thuật giải toàn phương tuần tự với các nhân tử Lagrange (SQP) cho tàu mẫu Wigley giảm sức cản xấp xỉ 0.32% [8]. Nghiên cứu liên quan đến giảm sức cản tàu container dựa trên hoành độ tâm nổi LCB, mũi quả lê và vòm đuôi được trình bày trong các nghiên cứu của Bertram, Kim và cộng sự [9]. Theo đó, LCB được hiệu chỉnh tại vị trí phù hợp ở khu vực giữa tàu giúp cải thiện giảm xấp xỉ 2 – 4 % sức cản toàn tàu. Năm 2012, Han và cộng sự đã đề xuất kết hợp phần mũi tàu chở khí hóa lỏng LPG vào thiết kế hình dáng tàu container, kết quả sức cản giảm xấp xỉ 5% [10]. Năm 2018, Ang và cộng sự đề xuất giải pháp
3 tích hợp trí tuệ nhân tạo trong quy trình thiết kế tàu thỏa mãn yêu cầu về sức cản và khả năng xoay trở [11]. Các giải thuật tối ưu trong thiết kế hình dáng tàu được nhóm Priftis và các cộng sự [12] tích hợp để cải thiện sức cản xấp xỉ 3% cho mẫu container Post-Panamax. Trong luận án này, khác với mô hình tối ưu của các nghiên cứu đã công bố dựa trên thiết kế mới, NCS tập trung nghiên cứu bài toán cải thiện sức cản tàu container mẫu, có xem xét các ràng buộc về điều kiện độ sâu luồng lạch. Năm 1960, Ferguson mô tả đường cong tham số với hàm cơ sở Hermite. Vấn đề chất lượng đường cong Hermite được khắc phục khi Bezier đưa ra hàm cơ sở đa thức Bernstein [13]. Năm 1976, Rogers [14] giới thiệu giải thuật Non-uniform rational B-spline dùng phổ biến trong tuyến hình tàu có sự hỗ trợ của máy tính. Các phương pháp này sử dụng các điểm điều khiển NURBS nên thuận lợi khi thiết kế mới, nhưng chưa áp dụng với phương pháp thiết kế dựa trên tàu mẫu sau hiệu chỉnh thông số hình dáng. Vấn đề này khiến cho các kết quả nghiên cứu vẫn còn khó khăn khi đưa vào ứng dụng, được liệt kê trong bảng 1.3 và 1.4. Bảng 1.3: Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan đến hàm toán tham số tàu Nhóm nghiên Quốc gia Năm Hướng nghiên cứu Phương pháp cứu D. Taylor Mỹ 1915 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm toán đa thức Benson Anh 1940 Xây dựng hình dáng Hàm toán đa thức Lackenby Anh 1950 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm toán đa thức Taggart Mỹ 1955 Xây dựng hình dáng Hàm toán đa thức Xây dựng hình dáng Kaiser et al. Đức 1968 tàu, xử lý mất liên tục Hàm toán đa thức tuyến hình
4 Mitsubishi, Xây dựng và Hiệu Hoshino et al. 1966 Hàm toán đa thức Nhật chỉnh hình dáng TU Berlin, Xây dựng và Hiệu Breitung 1969 Hàm toán đa thức Đức chỉnh hình dáng Rogers et al. Mỹ 1976 Xây dựng hình dáng Hàm toán tham số Tây Ban Perez et al. 2008 Hiệu chỉnh hình dáng Hàm toán tham số Nha Khai et al. Vietnam 2009 Xây dựng hình dáng Hàm toán đa thức Kim et al. Hàn Quốc 2009 Xây dựng hình dáng Hàm toán tham số Herbert et al. Hà Lan 2013 Xây dựng hình dáng Hàm toán tham số Trung Wang et al. 2019 Xây dựng hình dáng Hàm toán tham số Quốc Bảng 1.4 : Tóm lược các tiếp cận nghiên cứu chính liên quan liên quan đến giải thuật tối ưu hình dáng tàu Nhóm Quốc gia Năm Hướng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Mô phỏng tôi Hỗ trợ thiết kế hình dáng tàu luyện T. Ray Mỹ 1995 container 1336 TEU, đề xuất (simulated thông số kích thước cơ bản annealing) Tối ưu hình dáng giảm sức Thuật toán Jun et al. Nhật 2004 cản sóng tàu 2 thân theo tiến hóa Mitchell Tối ưu hình dáng giảm sức Gregory et Thuật toán Hi Lạp 2010 cản sóng tàu theo lý thuyết al. tiến hóa mặt cắt Tahara et Tối ưu hình dáng dựa trên Thuật toán Nhật 2006 al. phân tích CFD tiến hóa Thuật toán Tối ưu hình dáng theo hướng Saker et al. Banglades 2011 toàn phương tiết kiệm nhiên liệu tuần tự (SQP)
5 Tối ưu hình dáng giảm sức Thuật toán Sun et al. Trung Quốc 2012 cản sóng theo Mitchell phần tiến hóa mũi quả lê Tối ưu hình dáng giảm chòng Thuật toán Guha et al. Mỹ 2015 chành tàu tiến hóa Tối ưu hình dáng theo kinh Thuật toán Ang et al. Anh 2017 nghiệm chuyên gia tiến hóa Tối ưu hình dáng theo hướng Priftis et Strathclyde, Thuật toán 2018 tiết kiệm nhiên liệu và ổn al. Anh tiến hóa định Tối ưu hình dáng giảm sức Thuật toán Kim et al. Hàn Quốc 2019 cản sóng theo Mitchell tiến hóa Kết luận Tại Việt Nam, việc nghiên cứu hình dáng tàu vận tải container SB đa phần dựa trên kinh nghiệm của đơn vị thiết kế và tập hợp dữ liệu tàu mẫu. Tuy nhiên, để đề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển cần dựa trên những nghiên cứu chuyên sâu và cơ sở lý thuyết vững chắc, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các phương pháp thực nghiệm và tập trung giải quyết một số vấn đề sau trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Theo khảo sát phân tích cho nhóm tàu container trong nghiên cứu này, các tàu SB có thể đi qua các cửa sông với mớn nước đầy tải của tàu được xem xét phù hợp với độ sâu luồng phải đạt tối thiểu từ 2,5 đến 4,5m để các tàu có trọng tải từ 600 đến 5000DWT có thể ra vào cảng. Dựa trên giới hạn về chiều sâu luồng lạch trên tuyến pha sông biển Việt Nam và cơ sở phân tích đội tàu mẫu, phạm vi kích thước hình dáng gồm chiều dài, chiều rộng, mớn nước đầy tải phương tiện thủy container cần lựa chọn phù hợp. Đây cũng là các ràng buộc trong hàm mục tiêu cải tiến hình dáng thân tàu trên cơ sở có xét đến ảnh hưởng của độ sâu luồng lạch. Trên cơ sở phân tích các cách tiếp cận trong cải tiến tuyến hình tàu ở trên, NCS sẽ sử dụng phương pháp tối ưu kết hợp phương pháp tham số hóa trong hiệu chỉnh tuyến hình và mô phỏng CFD làm phương pháp nghiên cứu và kiểm chứng cải tiến hình dáng thân tàu container trong luận án này.
6 CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU SỨC CẢN TÀU CONTAINER SB 2.1. Cơ sở thiết kế hình dáng tàu container SB Thiết kế tàu với sự hỗ trợ của máy tính là lựa chọn hình dáng tàu phù hợp, có tích hợp mô hình hóa vào toàn bộ quy trình thiết kế nhằm giảm sai sót trong giai đoạn thi công. Trên thực tế, phương pháp thiết kế theo mẫu dựa trên phân tích thực nghiệm tập hợp dữ liệu tàu mẫu được áp dụng phổ biến, như Hình 2.1. Hình 2.1 Quy trình thiết kế hình dáng tàu theo tàu mẫu [15] 2.2. Nghiên cứu, xây dựng hàm mục tiêu sức cản theo phương pháp Holtrop Theo Froude (1868), lực cản tàu CTS bao gồm thành phần ma sát CFS và các hệ số hình dáng k; thành phần sức cản dư, bị chi phối bởi sức cản sóng CW và các thành phần sức cản phụ khác. Sức cản sóng được phát triển từ lý thuyết lát cắt phẳng (strip theory) [16], hàm Green từ nguồn di động do Havelock đề xuất [17]. Việc tính toán sức cản tàu thủy dựa trên lý thuyết lớp biên và lý thuyết sóng là vô cùng phức tạp, phụ thuộc vào giả thuyết về hàm thế và các nguồn tạo sóng chuyên sâu trong lĩnh vực thủy động học. Ngoài ra, các thành phần sức cản bổ sung bao gồm độ nhám bề mặt vỏ tàu, không khí, cơ cấu phụ được đề cập trong các nghiên cứu liên quan. Với số lượng và vị trí sắp xếp đa dạng các container
7 trên tàu theo nhu cầu vận chuyển hàng hóa, tải trọng gió có tác dụng như lực cản lên hình dáng toàn tàu và có ảnh hưởng trong việc tính toán tiết kiệm chi phí cho hoạt động khai thác tàu. Việc đánh giá các thành phần sức cản bổ sung và ảnh hưởng của hệ số khí động học lên sức cản không khí tàu container vẫn đang được nghiên cứu tính toán. Trong luận án này, hàm mục tiêu sức cản tập trung vào thành phần ma sát và thành phần sức cản hình dáng liên quan đến dòng chảy bao quanh tàu, được xây dựng dựa trên phương pháp Holtrop là phù hợp cho mẫu tàu container chạy ở dãy vận tốc thấp. Sức cản toàn tàu được tính toán như sau [18]. 𝑅𝑅 = 𝑅𝑅𝐹𝐹 (1 + 𝑘𝑘1 ) + 𝑅𝑅𝑤𝑤 + Rkhác (2-1) Trong đó: RF : sức cản ma sát theo ITTC 1957 [19] 1 0.075 Rf = C f ρ SV 2 với C = (2-2) ( log ( Rn ) − 2 ) f 2 2 10 Hệ số hình dáng: (1 = + k1 ) { c13 0.93 + c12 ( B LR ) 0.92497 × ( 0.95 − CP ) −0.521448 × (1 − CP + 0.0225LCB ) 0.6906 } (2-3) Sức cản sóng 𝑅𝑅𝑤𝑤 = 𝑐𝑐1 𝑐𝑐2 𝑐𝑐5 𝛻𝛻𝛻𝛻𝛻𝛻 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒{𝑚𝑚1 𝐹𝐹𝑛𝑛𝑑𝑑 + 𝑚𝑚2 cos(𝜆𝜆𝐹𝐹𝑛𝑛−2 )} (2-4) Sức cản Rkhác, chỉ có thể tính toán chính xác nếu có các bản vẽ hoàn chỉnh trong giai đoạn thiết kế chế tạo và chưa được xét đến trong nghiên cứu này Ngoài ra, NCS cũng xây dựng thuật giải tích phân gần đúng Simpson dựa trên hình dáng tàu thực tế thay cho công thức kinh nghiệm, giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán các hệ số hình dáng, diện tích mặt ướt, thể tích chiếm nước ∇, với A(x) là diện tích đường sườn lý thuyết tại vị trí x. 𝐿𝐿  = ∫0 𝐴𝐴(𝑥𝑥). 𝑑𝑑𝑑𝑑 (2-5) Trong đó: A(x) là diện tích đường sườn lý thuyết tại vị trí x Hiệu quả của giải thuật là hàm mục tiêu sức cản cho tàu container theo phương pháp sức cản Holtrop có tích hợp tích phân gần đúng được kiểm chứng với kết quả thực nghiệm mẫu tàu container KCS của viện Nghiên cứu Tàu và Kỹ thuật Hàng Hải Hàn Quốc (KRISO) [20], được công bố trong các tạp chí chuyên ngành, như trình bày tại Bảng 2.1.
8 Bảng 2.1 So sánh kết quả sức cản tàu container KCS theo thực nghiệm và Holtrop có tích hợp tích phân số Vận tốc tàu Fn E%D [hải lý / h] 0.1 – 0.26 9.25 – 24 2.28 > 0.26 > 24 12.2 Do vậy, phương pháp Holtrop có tích hợp tích phân gần đúng trong tính toán các hệ số hình dáng tàu hoàn toàn phù hợp là hàm mục tiêu sức cản trong bài toán tối ưu cho tàu container. Giới hạn sử dụng phương pháp nằm trong phạm vi hệ số Fn từ 0.1083 đến 0.26 với sai số hệ số sức cản nhỏ hơn 3% là hoàn toàn tin cậy và phù hợp với các công trình nghiên cứu đã công bố. 2.3. Tích hợp ảnh hưởng vùng nước hạn chế đến sức cản toàn tàu Đối với phương tiện thủy container SB, theo TCVN 11419:2016, ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng tác động đáng kể đến hiệu quả năng lượng thông qua sự gia tăng sức cản tàu [21]. Ở vận tốc thấp, góc chúi động và chiều chìm không thay đổi so với độ sâu mực nước, sức cản hình dáng tàu container SB ảnh hưởng bởi dòng chảy nhớt bao quanh thân tàu. Năm 2018, Kulczyk đề xuất hệ số sức cản ma sát có xét đến độ sâu luồng lạch được tính toán theo độ sâu tuyến luồng, chiều chìm và vận tốc tàu [22], hệ số ma sát trong nghiên cứu này được giới hạn cho mẫu tàu hàng và nhóm sà lan, không xét đến ảnh hưởng của các thông số hình dáng tàu. Dựa trên thực nghiệm tại bể thử kéo DST (Đức), Kamar bổ sung các hệ số hình dáng k theo ảnh hưởng của luồng lạch [23]. 𝑇𝑇 1.845 𝛥𝛥𝛥𝛥 = 80.967𝐶𝐶𝑥𝑥 � � (2-6) 𝐻𝐻 √𝐵𝐵𝐵𝐵 𝐵𝐵 Trong đó: 𝐶𝐶𝑥𝑥 = 𝐶𝐶𝐵𝐵 𝐿𝐿 𝐿𝐿 thể hiện mối liên hệ với thông số hình dáng tàu
9 Kết luận Chương này trình bày phương pháp luận trong thiết kế tuyến hình tàu SB và phân tích, trình bày được hàm mục tiêu sức cản dựa trên phương pháp bán thực nghiệm Holtrop, có xét ảnh hưởng độ sâu tuyến luồng được thể hiện theo Hình 2.2. • Luận án đã xây dựng các nhóm tích phân số để tính toán diện tích mặt ướt, thể tích chiếm nước thay cho công thức kinh nghiệm trong phương pháp bán thực nghiệm Holtrop. - Các dữ liệu về đường sườn từ bảng trị số tuyến hình tàu, kết quả hoàn toàn sát với hình dáng tàu cần thiết kế. - Đường cong diện tích sườn tính toán theo tích phân số, cho kết quả đáng tin cậy và tương đồng với phần mềm thiết kế tàu Maxsurf, với sai lệch dưới 2% đối với các hệ số hình dáng tàu và thể tích chiếm nước. - Kết quả tính toán sức cản sai lệch dưới 3% trong khoảng hệ số Fn là 0.1 – 0.26 so với dữ liệu đo đạc thực nghiệm tàu container KCS tại bể thử KRISO. • Luận án tích hợp điều kiện ràng buộc về tỉ số mớn nước thiết kế / độ sâu tuyến luồng, hệ số béo thể tích CB và các thông số liên quan Do đó, hàm mục tiêu sức cản được xây dựng trong luận án là hoàn toàn đáng tin cậy, phù hợp với dãy vận tốc tàu container SB tại Việt Nam. Hình 2.2 Sơ đồ tích hợp ràng buộc độ sâu luồng lạch và sụt giảm vận tốc vào hàm mục tiêu sức cản trong luận án
10 CHƯƠNG 3 : NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU THÔNG SỐ HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB 3.1. Cơ sở giải thuật tối ưu di truyền trong kỹ thuật Những phương pháp tính tối ưu kỹ thuật theo lý thuyết cổ điển dựa trên hàm grandient, khả năng tìm nghiệm tối ưu nhanh và chính xác. Các giá trị nghiệm tối ưu cực đại / cực tiểu là gradient của hàm nhiều biến, là vector gồm các thành phần đạo hàm riêng ∂f/∂x1, ∂f/∂x2..., ∂f/∂xn, ký hiệu bằng ∇f(x) [24]. Tuy nhiên, các phương pháp này dễ rơi vào vùng nghiệm cục bộ trong bài toán kỹ thuật có nhiều vùng nghiệm khả thi và tập giải pháp đa dạng. Giải thuật di truyền (GA), được phát triển bởi Holland và đồng sự, dựa trên học thuyết của Darwin đáp ứng các tiêu chí cho bài toán tối ưu kỹ thuật và nghiệm toàn cục [25]. Trong công tác hỗ trợ thiết kế hình dáng tàu, các thuật giải tối ưu đa mục tiêu đang được nghiên cứu và triển khai áp dụng. Như vậy, trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, tác giả đề xuất áp dụng giải thuật di truyền nhằm đề xuất các các thông số hình học tàu phù hợp theo hướng giảm sức cản. 3.2. Xây dựng giải thuật tối ưu di truyền trong đề xuất hình dáng phương tiện thủy Trong công tác hỗ trợ thiết kế hình dáng tàu, sức cản sóng và sức cản ma sát đồng thời được khảo sát trong hàm mục tiêu tối ưu, các biến số là các thông số hình dáng tàu gồm hoành độ tâm nổi LCB, hệ số béo lăng trụ Cp, hệ số béo sườn giữa CM và các hệ số hình dáng phụ thuộc được phân tích trong chương 2. Cơ chế mã hóa và chọn lựa Theo Golberg [26], một vector chứa những giải pháp 𝑥𝑥 ∈ 𝑋𝑋được gọi là một cá thể (theo cách gọi sinh học), được mã hóa gồm các thông số hình dáng tàu là hoành độ tâm nổi LCB, các hệ số béo hình học, như ví dụ Hình 3.1.
11 Mô tả đặc tính cá thể: Cá thể. x1 = LCB Cá thể. x2 = CP Cá thể. x3 = CM Hình 3.1 Kỹ thuật mã hóa hệ số hình dáng trong luận án Cơ chế lai ghép Hệ số béo lăng trụ Cp, các nhóm mã nhị phân được lựa chọn ngẫu nhiên giữa cặp Cha mẹ 1. Cp và Cha mẹ 2. Cp để tạo ra hai cá thể Con 1. Cp và Con 2. Cp. Theo đó, các vị trí mã hóa của Cha mẹ 1. Cp và Cha mẹ 2. Cp sẽ được hoán đổi ngẫu nhiên tạo ra 2 cặp cá thể mới là Con 1. Cp và Con 2. Cp. Tương tự, cho hệ số béo diện tích sườn giữa CM và hoành độ tâm nổi LCB. Các hệ số hình dáng hình học phụ thuộc như hệ số béo thể tích CB, hệ số diện tích mặt đường nước Cwp được cập nhật tính toán tự động theo các hoán đổi trên. Cơ chế đột biến Hệ số béo lăng trụ Cp, các nhóm mã nhị phân được lựa chọn ngẫu nhiên giữa cặp Cha mẹ 1. Cp để tạo ra cá thể Con 1. Cp, như trình bày Hình 3.2. Tương tự, phương án đột biến cho hệ số béo diện tích sườn giữa CM và hoành độ tâm nổi LCB được thực hiện tương tự. Các hệ số hình dáng hình học khác như hệ số béo thể tích CB, hệ số diện tích mặt đường nước Cwp được cập nhật tính toán tự động theo các biến đổi trên. Hình 3.2 Kỹ thuật lai ghép & đột biến trong giải thuật GA trong luận án Các ràng buộc thông số hình dáng tàu dựa trên đường cong diện tích sườn SAC Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, biến số ràng buộc liên quan đến đường cong sườn lý thuyết SAC như Cp, Lpf & Lpa, ∇, LCB được phân tích, đánh giá. Hoành độ tâm nổi LCB, theo khuyến nghị của Jensen [27], LCB nên ở phía sau sườn
12 giữa tàu trong trường hợp hệ số béo CB thấp hơn 0,7. Hệ số Cp thấp cho phép sự phân bố thể tích theo chiều dọc tập trung ở khu vực giữa tàu giúp sức cản ma sát toàn tàu giảm, tuy nhiên có thể dẫn đến sự thay đổi đột ngột từ khu vực mũi sang đoạn giữa tàu. Hệ số béo sườn giữa CM và các công thức kinh nghiệm phổ biến liên quan đến hệ số CM được đề xuất bởi Benford, Schneekluth & Bertram. Về cơ bản, độ sâu luồng lạch thể hiện rõ nét qua hiệu ứng Bernoulli, trong đó sự gia tăng vận tốc dòng chảy dẫn đến hiện tượng sụt áp và gia tăng sức cản vỏ tàu. ITTC 1987 [28] chỉ ra rằng các hiệu ứng nước nông thể hiện dấu hiệu rõ rệt khi tỷ lệ độ sâu của nước so với mớn nước thiết kế tàu nhỏ hơn 4.0. Raven nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiệu chỉnh các thành phần sức cản dựa trên ảnh hưởng của độ sâu vùng nước hoạt động của tàu. Tóm lại, các hệ số hình dáng tàu thường được chọn theo kinh nghiệm trong phạm vi cho phép của các nghiên cứu, khảo sát thực nghiệm đã được công bố. Về mặt toán học, việc tính toán giá trị tối ưu đồng thời các thông số này là rất phức tạp nếu không có phương án tìm kiếm nghiệm toàn cục phù hợp. Ngoài ra, trong quá trình khai triển giải thuật tối ưu hóa, tập hợp hàm ràng buộc nhằm hạn chế sự biến đổi hình dáng không mong muốn và hình dáng tàu tối ưu gần với mẫu tàu thiết kế ban đầu. Giải thuật tối ưu hóa hình dáng tàu được xây dựng trong luận án được mô tả trong Hình 3.3. Hình 3.3 Quy trình vận hành của GA trong luận án
13 Kết luận: Chương 3 đã xây dựng thuật toán tối ưu hóa và các lưu đồ thực hiện giải thuật di truyền áp dụng cho bài toán phân tích, chọn lựa thông số hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng sông biển theo hướng giảm sức cản. Kết quả tính toán thể hiện GA là phương pháp tối ưu phù hợp và cho kết quả đáng tin cậy với cách tiếp cận thiết kế theo tàu mẫu. • Luận án đã mã hóa được các biến số tối ưu và điều kiện ràng buộc gồm hoành độ tâm nổi LCB, các hệ số béo hình học CP, CM, các hệ số hình dáng khác được cập nhật tương ứng. Tập biến số hình dáng tàu được mô tả dưới dạng cá thể trong bài toán GA, là cơ sở cho việc đề xuất hình dáng tàu container phù hợp tuyến luồng SB. - Cá thể. x1 = Hoành độ tâm nổi LCB - Cá thể. x2 = Hệ số béo lăng trụ CP - Cá thể. x3 = Hệ số béo diện tích sườn giữa CM - Cá thể. x4 … xn = Các hệ số hình dáng khác trong hàm mục tiêu sức cản Holtrop được cập nhật thay đổi theo 3 biến số trên • Luận án thiết lập nhóm ràng buộc không thay đổi về kích thước cơ tiếp cận thiết kế dựa trên tàu mẫu, các phạm vi cho phép của ràng buộc được liệt kê gồm: - Chiều dài tàu thiết kế L = const - Chiều rộng tàu thiết kế B = const - Chiều chìm tàu thiết kế T = const • Luận án thiết lập nhóm ràng buộc thay đổi lượng chiếm nước và hệ số hình dáng trong phạm vi giới hạn cho phép của tàu container tuyến luồng sông biển, bao gồm: - Giới hạn thay đổi lượng chiếm nước δΔ < 3 % - Giới hạn thay đổi hoành độ tâm nổi LCB = [-5%, 5%], - Giới hạn thay đổi hệ số béo lăng trụ Cp, = [0.80 – 0.90] - Giới hạn thay đổi hệ số béo sườn giữa CM = [0.90 – 0.99]
14 CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU, MÔ HÌNH HÓA HÌNH DÁNG TÀU CONTAINER SB THEO HÀM THAM SỐ NUBS 4.1. Cơ sở hiệu chỉnh thiết kế hình dáng tàu dựa trên đường cong SAC Việc thiết kế hình dáng tàu từ tàu mẫu thông qua hiệu chỉnh các hệ số hình dáng và hoành độ tâm nổi LCB giúp giảm rủi ro so với thiết kế mới mà vẫn giữ đặc tính thủy tĩnh và động lực học của tàu mẫu. Phương pháp hiệu chỉnh thiết kế 1 – Cp là quá trình điều chỉnh chênh lệch hệ số béo hình dáng lăng trụ 𝛿𝛿𝐶𝐶𝑃𝑃 và chênh lệch hoành độ tâm nổi 𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿 từ tàu mẫu nhưng nhược điểm là chiều dài đoạn thân ống và hệ số lăng trụ phụ thuộc lẫn nhau, không thể tách riêng xử lý. Phương pháp hiệu chỉnh Swing xử lý độc lập hoành độ tâm nổi LCB nhưng các thông số lượng chiếm nước, Cp, CB không được xét đến. Lackenby (1950) đề xuất phương pháp khắc phục sự phụ thuộc các thông số Cp, Lpf & Lpa trong việc biến đổi hình dáng tàu thiết kế so với tàu mẫu [10]. 𝛿𝛿𝐿𝐿 𝑥𝑥𝑓𝑓,𝑎𝑎 −𝐿𝐿𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 1−𝛿𝛿𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 𝛿𝛿𝑥𝑥𝑓𝑓,𝑎𝑎 = (1 − 𝑥𝑥𝑓𝑓,𝑎𝑎 ){ 𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 + (𝛿𝛿𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 − 𝛿𝛿𝐿𝐿𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 . 1−𝛿𝛿𝐿𝐿 )} (4-1) 1−𝐿𝐿 𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 𝐴𝐴𝑓𝑓,𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑃𝑃,𝑎𝑎 Tuy nhiên, phương pháp Lackenby sử dụng hàm tuyến tính dịch chuyển của các sườn sẽ không đảm bảo tính trơn liên tục và chất lượng triển khai tôn vỏ trong các giai đoạn thiết kế công nghệ sau này. Gunter đề xuất thuật toán B-splines của đường cong diện tích sườn SAC nhưng không đảm bảo tính liên tục phân đoạn mũi (1), thân ống (2)và phân đoạn lái (3) [29], như mô tả Hình 4.1. Hình 4.1 Mất liên tục phân đoạn mũi, lái và thân ống sau hiệu chỉnh Lackenby