Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt 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 Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023
Luận án được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Quang Hùng GS.TS Chu Anh Mỳ Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Văn Phúc Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Cảnh Minh Trường Đại học Giao thông vận tải Phản biện 3: TS Lê Thanh Hải Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự vào hồi…. giờ… ngày….tháng… năm….. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện KH-CN quân sự. - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
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; 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 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
2 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. 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 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 đích nghiên cứu 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 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 của đề tài 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 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 tình 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
4 nội suy để xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên các số liệu đo thực nghiệm. - 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 đề tài 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 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
5 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.
6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA TÀU THỦY TRÊN SÓNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN Chương 1 trình bày về nguyên lý và các phương pháp tạo tín hiệu dao động của tàu trên sóng cho các tàu quân sự dựa trên mô hình động lực học của tàu và sóng biển. Tổng quan tình hình nghiên cứu về mô phỏng dao động của tàu trên sóng, các xu hướng nghiên cứu về phân tích, xác định các tham số dao động của tàu trên sóng cũng được thể hiện trong chương này. Trên cơ sở bài toán đo lường và phân tách các thành phần dao động của tàu do sự ảnh hưởng của sóng biển, nghiên cứu sinh đề xuất các hướng nghiên cứu trong khuôn khổ luận án. Mô hình cấu trúc và phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng 1.1.1 Nguyên lý xây dựng và mô hình cấu trúc hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng: Các dao động của tàu trên mặt nước bao gồm: - chòng chành tịnh tiến dọc (Surge); - chòng chành tịnh tiến ngang (Sway); - chòng chành thẳng đứng Hình 1.1 Các dao động của tàu (Heave); - chòng chành mạn (Roll); - chòng chành sống chính (Pitch); - chòng chành đảo lái (Yaw). 1.1.2 Phương pháp tạo dao động mô phỏng Dựa trên mô hình hệ thống mô phỏng của tàu trên sóng, các phương pháp tạo dao động của tàu trên sóng gồm 2 thành phần: (1) tạo mô hình tín hiệu dao động; (2) tạo dao động giả lập. Tác động của sóng biển đến dao động của tàu và khả năng đo đạc, phân tách các thành phần dao động của tàu trên sóng 1.2.1 Hệ quy chiếu và các tham số dao động của tàu: Dao động của tàu trên sóng có thể được biểu diễn bằng toán học thông qua 3 hệ quy chiếu (Hình 1.7), bao gồm:
7 Hình 1.7. Các hệ quy chiếu được sử dụng để biểu diễn toán học dao động của tàu. Một là, hệ quy chiếu cố định gắn trên bờ OnXnYnZn – gọi là hệ quy chiếu “n-frame”, có trục OXn chỉ về hướng Bắc, trục OYn chỉ về hướng Đông và trục OZn hướng xuống dưới, được sử dụng để xác định vị trí và hướng của tàu cũng như hướng gió và dòng chảy. Hai là, hệ quy chiếu cố định gắn trên tàu và chuyển động cùng với tàu ObXbYbZb - gọi là hệ quy chiếu “b-frame”, được sử dụng để xây dựng các phương trình chuyển động của tàu. Các phép đo gia tốc và vận tốc góc tuyến tính được thực hiện trên tàu được quy về hệ quy chiếu này. Trong hệ quy chiếu này, một số điểm được định nghĩa, gồm: CO - gốc tọa độ Ob nằm tại giao điểm giữa mặt phẳng sườn giữa với đường nước thiết kế của tàu; CG - trọng tâm của tàu; CB - tâm nổi của tàu; CF - tâm diện tích đường nước. Ba là, hệ quy chiếu di động so với tàu nhưng cố định so với trạng thái cân bằng của tàu OhXhYhZh - gọi là hệ quy chiếu “h-frame” (hệ quy chiếu đi biển), được sử dụng trong thủy động lực học để tính toán lực và chuyển động do tương tác giữa thân tàu và sóng trong các tình huống cụ thể. Trong hệ quy chiếu n-frame, vị trí tổng quát của tàu được biểu diễn trên phương trình (1.1): η  ( pn )T , ΘT    n, e, d, , ,   T T   (1.1) Trong đó, T là toán tử chuyển vị của ma trận. pn là vị trí của tàu trong hệ tọa độ trái đất, được biểu diễn như sau: pn  n e d T (1.2) Với n, e, d lần lượt là toạ độ của tàu trên các trục OnXn, OnYn và OnZn.  là góc nghiêng của tàu (cũng chính là góc lệch giữa hệ toạ độ ObXbYbZb và hệ tọa độ OnXnYnZn), thường được gọi là góc Euler. Nó có dạng như sau:
8 Θ      T (1.3) Trong đó ϕ, θ, ψ lần lượt là góc quay của tàu theo trục X, Y, Z. Trong hệ quy chiếu b-frame, chuyển động của tàu được biểu diễn trên phương trình về vận tốc dài và vận tốc góc như sau: - Vận tốc dài: v 0   u , v, w  T b (1.4) Với u, v, w lần lượt và vận tốc tịnh tiến theo các trục X, Y, Z. - Vận tốc góc: ω0   p, q , r  T b (1.5) Với p, q, r lần lượt là vận tốc góc quay quanh các trục X, Y, Z. Vận tốc tổng quát của tàu tại vị trí CO được biểu diễn dưới dạng: v   vb , ω0    u , v, w , p, q, r  b T T  0  (1.6) Theo hệ quy chiếu h-frame, lực và mô-men tác dụng lên tàu được biểu diễn trên phương trình (1.7) và (1.8): Lực tác dụng lên tàu: f ob   X Y Z  T (1.7) Mô-men tác dụng lên tàu: mb  K M N T o (1.8) Và lực tổng quát tác động lên tàu sẽ được biểu diễn bởi phương trình (1.9): τ RB  f ob , mo    X, Y, Z, K, M, N  b T T   (1.9) Với mục đích xác định vị trí chuyển động của tàu trong hệ tọa độ trục trái đất thì vận tốc dài, vận tốc góc phải được chuyển đổi từ hệ quy chiếu trên tàu (b- frame) sang hệ quy chiếu cố định trên bờ (n-frame). Lúc này, vận tốc dài của tàu trong hệ tọa độ trái đất được biểu diễn như sau: vo  R n (Θ)vo n b b (1.10) 0  trong đó, vn  p n , và R n (Θ) là ma trận chuyển đổi hệ quy chiếu và được b xác định như sau (Công thức 1.11):
9 R (Θ )  R z ,  R y ,  R x ,  n b cos  cos   sin  cos   cos  sin  sin  sin  sin   cos  sin  cos     sin  cos  cos  cos   sin  sin  sin   cos  sin   sin  sin  cos       sin   cos  sin  cos  cos    (1.11) vận tốc của tàu trong hệ tọa độ trái đất được biểu diễn như sau:  Θ  T (Θ)ωb (1.12)  0 Trong đó, TΘ (Θ) là ma trận chuyển đổi hệ quy chiếu, có dạng như sau: 1 sin  tan  cos  tan    TΘ ( Θ)   0  cos   sin   ,     (1.13) 2 0 sin  / cos  cos  / cos    Như vậy, vận tốc tổng quát của tàu theo 6-DOF trong hệ tọa độ trái đất được biểu diễn như sau:  η  J ( Θ )v (1.14)  R n (Θ ) 033   với J(Θ)   b ,  .  033 T (Θ) 2 Theo lý thuyết đi biển (seakeeping), dao động của tàu trên sóng được giả định là sự xếp chồng dao động ở trạng thái cân bằng cộng với nhiễu loạn. Trạng thái cân bằng được xác định bởi sự ổn định của góc hành trình ψ và tốc độ tàu u. Còn sự nhiễu loạn ξ được thể hiện qua thành phần dao động có trung bình bằng 0 gây ra bởi các lực kích thích sóng bậc nhất. Do đó, dao động của tàu thường được mô tả theo trạng thái cân bằng hay hệ quy chiếu h-frame. 1.2.2 Phương trình chuyển động của tàu thủy: Phương trình cơ bản mô tả sự chuyển động của tàu trên mặt nước có thể được biểu diễn dưới dạng sau:  M RB ν  CRB ( ν )ν  τ RB (1.18) Trong đó, M RB - ma trận quán tính của tàu được xác định theo công thức:  mI33  mS( rgb ) M RB   b  (1.19)  mS( rg ) Io  T Trong đó, rgb   x g yg zg  là véc tơ từ O đến OG được phân tách trong   hệ quy chiếu b-frame, m là khối lượng nước tàu chiếm chỗ, S – ma trận đối xứng
10 xiên, S  S , S  R T 3x 3 . Và CRB ( ν) - ma trận hướng tâm có thể được tính từ M RB như sau:  033 S  M11 ν1  M12 ν 2   C( ν )    (1.20)  S  M11 ν1  M12 ν 2  S  M 21 ν1  M 22 ν 2   với ν1   u , v, w  , ν 2   p, q , r  . T T Trong đó, các ma trận con Mi,j, i, j = 1, 2 là các ma trận vuông, kích thước 3x3 được trích suất từ ma trận M RB có kích thước 6x6. Và khi xét chi tiết yếu tố tác động và cấu thành, phương trình động lực học mô tả chuyển động của tàu trên biển được xác định ở dạng:   MRB ν  CRB ( ν )ν  MA ν r  CA ( ν) ν r  D( ν) ν r  μ  g( η)  τ  τw (1.21) ở đây: M RB - ma trận quán tính của tàu, MRB  R 6x6 ; CRB ( ν) - ma trận hướng tâm của tàu; M A - ma trận quán tính của khối lượng nước bổ sung; CA ( ν ) - ma trận hướng tâm của khối lượng nước bổ sung; D( ν ) - ma trận giảm chấn; μ - lực ảnh hưởng bổ sung do độ nhớt của nước; g( η) - vec-tơ lực và mô-men hồi phục (nổi); τ - vec-tơ lực động lực hành trình; τ w - vec-tơ nhiễu lực (gây ra do sóng, gió và dòng hải lưu). 1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô phỏng dao động của tàu trên sóng Về tồn tại của các nghiên cứu: Nghiên cứu về mô phỏng dao động của tàu trên sóng đã và đang diễn ra trên tất cả các hướng với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Từ nội dung và kết quả nghiên cứu đạt được cho phép nhận định rằng: - Các nghiên cứu về mô phỏng dao động của tàu trên sóng đều thống nhất áp dụng nguyên lý xếp chồng các thành phần dao động gây ra do các yếu tố tác động lên tàu với nguyên lý xếp chồng lực và mô-men tác động lên thân tàu, tức là thừa nhận “đặc tính cộng” của dao động của tàu trên sóng. - Hầu hết các mô hình mô phỏng đều được xây dựng trên nền tảng Matlab/Simulink và được thiết kế dạng mô-đun nên hoàn toàn có thể sử dụng tích hợp các mô-đun từ nhiều phần mềm khác nhau để giải các bài toán mô phỏng dao động của tàu trên sóng.
11 - Sai lệch giữa kết quả tính toán dựa theo các mô hình toán học lý thuyết và kết quả đo đạc thực nghiệm thường chỉ nằm trong khoảng nhỏ hơn 10%. Đây là mức sai lệch có thể chấp nhận được khi nghiên cứu đánh giá tác động dao động của tàu trên sóng đến hoạt động của các hệ thống trên tàu. Hướng nghiên cứu của luận án: Hiện nay, phần lớn các tàu quân sự được trang bị trong Quân đội đều được tài trợ hoặc mua sắm từ nước ngoài, nên các thông số thiết kế kỹ thuật của tàu không được công bố. Do vậy, ảnh hưởng rất lớn đến công tác khai thác, bảo quản bảo dưỡng và nâng cao hiệu quả hoạt động của các trang thiết bị, vũ khí, khí tài lắp đặt trên tàu. Trong những năm gần đây, lực lượng kỹ thuật trong quân đội ta đã và đang tập trung nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng dao động của tàu trên sóng với các trang thiết bị lắp đặt trên tàu. Tuy nhiên, phần lớn các giải pháp này đều đo đạc các dao động của tàu trong điều kiện hoạt động thực tế trên biển. Nhược điểm chính của giải pháp này là chi phí lớn và không phải lúc nào cũng có thể thực hiện đo đạc tại điều kiện sóng biển khác nhau. Do vậy, việc nghiên cứu xây dựng hệ mô phỏng dao động của tàu trên sóng cho mục đích này là vô cùng cấp thiết. Bài toán mô phỏng dao động vật lý của tàu trên sóng theo hướng nghiên cứu của luận án có thể được giải quyết thông qua 3 vấn đề cơ bản sau: Một là, xây dựng giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, trong đó có sử dụng phép nội suy từ số liệu thực nghiệm và mô hình lý thuyết về lực sóng. Hai là, xây dựng giải pháp đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng, sao cho vừa đảm bảo độ chính xác cho phép và vừa có khả năng phân tách các thành phần dao động. Ba là, xây dựng hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng một hệ HexaPod 6-DOF vừa đảm bảo cung cấp dao động vật lý giống như dao động của tàu trên sóng, vừa có khả năng kiểm soát và hỗ trợ quá trình nội suy xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng với độ chính xác cao. Để giải quyết 3 vấn đề cơ bản nêu trên và kế thừa kết quả từ các công trình nghiên cứu trước đây, trên cơ sở kiến thức kỹ thuật điện tử, cơ khí động lực và đo lường thử nghiệm, luận án đi sâu nghiên cứu 3 giải pháp: - Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên phép nội suy mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” từ số liệu đo thực nghiệm. - Xây dựng giải pháp đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng với độ chính xác phù hợp và có khả năng phân tách các thành phần dao động.
12 - Xây dựng giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng một hệ HexaPod 6-DOF. 1.4 Kết luận chương 1 Trong chương 1, luận án đã tập trung nghiên cứu tổng quan trong nước và thế giới về mô phỏng dao động của tàu trên sóng, các nguồn dao động chính gây ra dao động của tàu trên sóng, các phương pháp tạo tín hiệu mô phỏng cho từng loại dao động này. Ngoài ra, Chương 1 đã tổng hợp, phân tích các nghiên cứu về tác động của sóng biển đến dao động của tàu trên sóng và khả năng đo đạc, phân tách các thành phần dao động của tàu trên sóng. Bên cạnh đó, luận án cũng đã nghiên cứu và phân tích bài toán tổng quát về xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng dựa trên các phân tích mô hình thuỷ động lực học của tàu. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất định hướng về giải pháp kỹ thuật về xây dựng hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng dùng cho nghiên cứu ảnh hưởng các dao động này đến độ tin cậy, hiệu quả các vũ khí, khí tài và trang thiết bị được lắp đặt trên tàu, các định hướng này sẽ được nghiên cứu và thảo luận trong các nội dung 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 ĐO THỰC NGHIỆM Trong chương này, luận án tập trung nghiên cứu về xác định mô hình thuỷ động lực học tàu hợp lý dựa trên phương pháp nội suy từ dữ liệu đo đạc được trong thực nghiệm và đi sâu phân tích các đặc tính dao động của sóng biển và tàu trong không gian tín hiệu. Trên cơ sở về mô hình thuỷ động lực học tàu hợp lý, luận án tập trung vào phân tích và đề xuất phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Dựa trên phương pháp kết hợp đề xuất, trong chương này, luận án cũng đề xuất thuật toán 3 giai đoạn cho xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng với mục tiêu giảm thiểu chi phí, làm tăng tính khả thi của hệ thống mô phỏng khi áp dụng trong các điều kiện biển khác nhau mà không cần thực hiện nhiều các phép đo thực nghiệm. 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 Sự liên kết không gian tọa độ của các điểm đang xét trên tàu được mô tả như Hình 2.1. Theo đó, ta có:
13 Hình 2.1. Mô hình liên kết không gian tọa độ của các điểm trên tàu. - Tọa độ trọng tâm tàu G( x b yb z b ); - Tọa độ điểm đo thực nghiệm D( xd yd zd ) với các góc Ơle d , d , d ; - Tọa độ nơi lắp đặt vũ khí V( x v yv z v ) với các góc Ơle v , v , v . Giả sử rằng, ta thực hiện phép đo tham số dao động của tàu tại điểm D(xi, yi, zi), và có được: ηdi   n i , ei , d i , i , i , i  T (2.1) Khi đó, ta xác định được ma trận η tại vị trí trọng tâm G của tàu bằng biểu thức: η  Ti .ηdi (2.2) Và ta cũng xác định ma trận ηV tại vị trí đặt vũ khí V là: η  TV .ηV  ηV  TV1 .η  (2.3) Ở đây, Ti là ma trận chuyển đổi tại tọa độ của điểm D(xi, yi, zi) trong hệ quy chiếu định tâm G(xb, yb, zb), có thể được xác định bằng: Ti  R z (i ).R y (i ).R x (i ).Txi yi zi (2.4) với  cos i sin i 0 0 cos i 0 sin i 0   sin  cos i  0 0  0 1 0 0 R z  i    i ; R y  i      0 0 1 0  sin i 0 cos i 0      0 0 0 1  0 0 0 1
14 1 0 0 0 1 0 0 x i  0 cos   sin i 0  0 1 0 y  R x  i    i ; Tx y z   i . (2.5) 0  sin i cos i 0  i i i 0 0 1 zi      0 0 0 1 0 0 0 1  Từ các phân tích ở trên, dao động của tàu trên sóng hay thông tin tín hiệu dao động cơ học đo được từ thực nghiệm trên tàu được coi là tổng hợp của nhiều thành phần dao động gây ra do các lực và mô-men khác nhau tác động lên thân tàu. Đây được xem là đặc tính “cộng” của các dao động cơ học hay thông tin trong không gian tín hiệu, và cũng chính là cơ sở toán học cho các phép xử lý “không gian - thời gian” của thông tin tín hiệu dao động đo được từ thực nghiệm. 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 Để mô phỏng dao động của tàu trên sóng, ta cần thiết phải sử dụng mô hình sóng biển. Hiện tại, các nhà thủy động lực học và Hiệp hội bể thử thế giới (ITTC - The International Towing Tank Conference) đã xây dựng và đang sử dụng các mô hình sóng biển sau: - Mô hình sóng điều hòa (regular waves); - Mô hình sóng không điều hòa (irregular waves); - Mô hình sóng ngẫu nhiên (random waves). 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” 2.3.1 Xác định mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” dựa thuật toán 3 giai đoạn: Luận án đề xuất một thuật toán 3 giai đoạn cho việc triết xuất các dao động của mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” dựa trên bài toán nội suy. 2.3.2 Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý”: Dựa vào mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” đã được xác định trong thuật toán 3 giai đoạn, ta có thể xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng tại vị trí cần khảo sát tương đương như trường hợp đã biết trước về mô hình thủy động lực học của tàu. Và khi đó, hệ thống mô hình dao động tín hiệu của tàu trên sóng đề xuất sẽ hoạt động tương tự như phương pháp lý thuyết. Kết luận Chương 2 Trong chương 2, luận án đã nghiên cứu mô hình hoá sóng biển điều hoà, sóng biển không điều hoà và sóng biển ngẫu nhiên bằng phương pháp xác suất
15 thống kê, phương pháp phân tích phổ, đã xác định được mối quan hệ giữa phổ sóng và sự phân bố năng lượng của sóng theo các hướng lan truyền sóng trong không gian. Từ đó luận án lựa chọn được mô hình sóng tối ưu dùng cho mô phỏng dao động của tàu trên sóng. Các kết quả này được công bố trong công trình [CT2]. Chương 2 cũng đã trình bày các đặc tính dao động của tàu trong không gian tín hiệu và giải pháp xây dựng mô hình thuỷ động lực tàu hợp lý dựa trên phép nội suy từ dữ liệu đo đạc được trong thực nghiệm. Để thực hiện xây dựng mô hình thuỷ động lực tàu hợp lý từ dữ liệu thực nghiệm luận án đề xuất thuật toán 3 giai đoạn. Trong đó, giai đoạn xác định mô hình thuỷ động lực tàu hợp lý được thực hiện qua hai bài toán: (1) Xác lập tín hiệu dao động tại toạ độ định tâm; (2) Xác lập tín hiệu dao động tại toạ độ đo thực nghiệm. Trên cơ sở đó, Chương 2 đề xuất phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm cho xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Mô hình này được xây dựng để thực hiện chức năng hiệu chỉnh toàn bộ hệ thống mô phỏng trong quá trình khai thác, đánh giá sự ảnh hưởng các dao động của tàu trên sóng đến hiệu quả khai thác các trang bị vũ khí lắp đặt trên tàu. Các kết quả của các giải pháp đề xuất này được công bố trong công trình [CT1]. Từ các kết quả nghiên cứu bài toán xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng từ mô hình thuỷ động lực học tàu hợp lý dựa trên phương pháp kết hợp, trong phần tiếp theo luận án sẽ nghiên cứu các giải pháp đo thực nghiệm trong xác định các tham số dao động của tàu trên sóng. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG Trong chương này, luận án tập trung nghiên cứu, tính toán và đề xuất giải pháp đo thực nghiệm cho xác định tham số dao động của tàu trên sóng. Trước tiên, luận án xác định các yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng. Sau đó, Chương 3 thực hiện xây dựng hệ đo tham số dao động tàu trên sóng trên cơ sở tích hợp các thiết bị đo lường có sẵn trên thị trường. Theo đó, hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng sẽ gồm một thiết bị cảm biến đo dao động 6 bậc tự do IB6 và thiết bị thu thập, phân tích tín hiệu đa kênh DEWE3020. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất quy trình đo tham số dao động của tàu trên sóng trong các điều kiện biển khác nhau. Nhằm đánh giá tính đúng đắn và hợp lý của quy trình đo đề xuất, các kết quả đo thực nghiệm trong điều kiện biển thực tế được thực hiện và so sánh với các số liệu được tính toán từ lý thuyết. Yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng - Yêu cầu về tham số đo;
16 - Yêu cầu về dải đo và độ chính xác; - Yêu cầu về tốc độ lấy mẫu; - Yêu cầu về phương pháp biểu diễn số liệu đo. Xây dựng hệ đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng Thiết bị đo sử dụng trong thực nghiệm đo dao động của tàu trên sóng là IMU 6 bậc tự do, tích hợp trong đó 3 gia tốc kế và 3 con quay hồi chuyển đo vận tốc góc của 3 trục. Đó là cảm biến đo dao động IB6 của hãng Texense - Pháp, chuyên sử dụng để đo dao động của hệ chuyển động dựa trên cảm biến gia tốc trên 3 trục và vận tốc góc của 3 trục. Từ giá trị 6 tham số đo được của IMU sẽ tiến hành phân tích, tính toán ra các tham số dao động của tàu gồm: lắc ngang (Roll), chòng chành sống chính (Pitch), chòng chành đảo lái (Yaw), chuyến động tính tiến theo các trục Ox, Oy và Oz (Surge, Sway, Heave). Thành phần của hệ đo dao động bao gồm: Thiết bị IMU kết nối với máy tính, phần mềm thực hiện đo, tính toán và phân tích. Ngoài ra còn sử dụng thiết bị phân tích và thu thập dữ liệu DEWE3020 (của hãng DEWETRON - Áo) để xử lý tín hiệu đo. Với hệ thống thiết bị trên, quy trình đo được tiến hành theo 6 bước: 1- Khảo sát đối tượng và vị trí lắp đặt thiết bị đo trên tàu; 2- Hiệu chỉnh cân bằng thiết bị đo dao động; 3- Triển khai thiết bị đo tại vị trí khảo sát; 4- Thực hiện đo dao động của tàu; 5- Xử lý kết quả đo (lọc nhiễu, tính toán độ sai lệch...); 6- Phân tích tín hiệu dao động của tàu trên sóng trên miền thời gian – tần số; 7- Trích xuất kết quả đo. Đo thực nghiệm dao động của tàu trong điều kiện biển thực tế 3.3.1 Lựa chọn mẫu tàu phục vụ cho thực nghiệm Mẫu tàu được thực nghiệm là tàu HQ285 được thiết kế hoạt động trên vùng biển Việt Nam tương đương vùng hoạt động cấp hạn chế II theo Quy phạm “Phân cấp và đóng tàu cao tốc” của Đăng kiểm Việt Nam năm 1998. Bảng 3.3. Các thông số kỹ thuật của tàu HQ285 Kích Các thông số hình học Ký hiệu Đơn vị thước tàu Chiều dài lớn nhất Lmax [m] 27,60 Chiều dài thiết kế Ltk [m] 25,33 Chiều rộng lớn nhất Bmax [m] 6,50 Chiều rộng thiết kế Btk [m] 5,80
17 Kích Các thông số hình học Ký hiệu Đơn vị thước tàu Lượng chiếm nước đầy tải Δmax [t] 84,7 Lượng chiếm nước trung bình Δtb [t] 78,00 Công suất máy chính Ps [BHP] 02x1500 Tốc độ tàu lớn nhất ở lượng chiếm nước V [knots] 25,00 trung bình Khả năng đi biển của tàu: chịu được cấp sóng 6 cấp gió 8 trong thang Beaufort 3.3.2 Lựa chọn điều kiện thử nghiệm Việc thực nghiệm đo đạc dao động của tàu dưới tác động của sóng biển thực, được thực hiện dưới các điều kiện sau: - Khu vực diễn ra thử nghiệm: được tiến hành cách bờ 18 hải lý tại khu vực biển Bạch Long Vĩ. Tọa độ và khu vực tiến hành phép đo tại vị trí 20.54’864, 107.09’821 (Hình 3.6). - Điều kiện môi trường: được thực hiện trong điều kiện sóng cấp 4 theo bảng cấp gió và sóng của Việt Nam (tốc độ gió; chiều cao sóng trung bình), tốc độ dòng chảy thực tế. - Phương truyền sóng so với phương chuyển động của tàu: Tàu chạy ngược sóng (sóng tới). - Tàu chạy tại chiều chìm T = 4.85m, với độ chúi bằng không, chạy ở tốc độ V = 10 knots. 3.3.3 Tiến hành đo đạc thực nghiệm Trên Hình 3.8 trình bày hình ảnh thiết bị và quá trình đo đạc các dao động của tàu trên sóng trên tàu thực HQ285. Hình 3.8. Hình ảnh kết quả đo đạc các dao động của tàu trên sóng tàu HQ285
18 Kết quả đo các thông số dao động của tàu thu được ở các điều kiện khai thác khác nhau và so sánh với kết quả mô phỏng tính toán ở điều kiện tương ứng. Hình 3.9. Kết quả đo đạc và mô phỏng dao động lắc ngang của tàu trên sóng chéo w  450 Từ các phân tích ở trên ta có thể kết luận rằng, phương pháp đo dao động tàu thực tế ngoài biển mà NCS đề xuất là tin cậy và có thể sử dụng để đo các dao động trên tàu. - Biên độ dao động roll (lắc ngang) của tàu đạt giá trị lớn nhất khi tàu chạy trên sóng chéo w  900 . Đây là trường hợp đặc biệt nguy hiểm có thể dẫn đến lật tàu và trong thực tế khai thác người ta không chạy tàu theo phương sóng cặp mạn; - Dao động heave (thẳng đứng) của tàu lớn nhất khi tàu chạy trên sóng theo và nhỏ nhất khi chạy trên sóng cặp mạn; - Dao động pitch (chòng chành sống chính) của tàu đạt giá trị lớn nhất khi tàu chạy trên sóng chéo w  450 và w  1350 và đạt giá trị cực tiểu khi nó chạy trên sóng cặp mạn; - Các kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết tương đối phù hợp với quy luật thực tế dao động của tàu trên sóng tại các phương truyền sóng khác nhau. Kết quả đo thực nghiệm và tính toán lý thuyết có sự khác nhau về biên độ, pha do trong tính toán lý thuyết không thể bổ sung các yếu tố ảnh hưởng như gió, dòng hải lưu. Tuy nhiên, sự chênh lệch này là khá nhỏ. Ngoài ra, các kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết dao động của tàu cũng tương đồng với kết quả nghiên cứu của Zhang và các cộng sự. Các phân tích ở trên có thể cho phép kết luận rằng, giải pháp đo thực nghiệm xác định tham số dao động của tàu ở điều kiện biển thực tế theo đề xuất của luận án như trên có độ chính xác cao và tin cậy. Giải pháp đo và hệ thống