Luận văn Ứng dụng phần mềm ipca để lập thông báo ổn định cho tàu hàng bách hóa tổng hợp kết hợp chở gỗ trên boong 8700 DWT

Đỗ Đức Hiếu 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC ỨNG DỤNG PHẦN MỀM IPCA ĐỂ LẬP THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH CHO TÀU HÀNG BÁCH HÓA TỔNG HỢP KẾT HỢP CHỞ GỖ TRÊN BOONG 8700 DWT Người trình bày: K.S Đỗ Đức Hiếu 11/2014 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. LÊ HỒNG BANG Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đỗ Đức Hiếu 2 Mục tiêu của luận văn:  Tìm hiểu và áp dụng các yêu cầu của Quy phạm và các Công ước quốc tế quy định về việc lập thông báo ổn định cho thuyền trưởng.  Nghiên cứu, khai thác một cách hiệu quả phần mềm IPCA vào việc lập thông báo ổn định cho thuyền trưởng và ứng dụng phần mềm IPCA để lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – gỗ 8700 DWT. Đỗ Đức Hiếu 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu:  Đối tượng: Ổn định tàu chở hàng bách hóa – gỗ có chiều dài trên 100 m.  Phạm vi nghiên cứu: Đề tài đi sâu vào lập bảng tính và tìm ra các đường cong giới hạn về ổn định như: đường cong chiều cao tâm nghiêng cho phép h0CF , họ đồ thị đường cong ổn định tĩnh phụ thuộc vào thang chia không đều của góc sinq, đồ thị chu kỳ chòng chành ngang Tq (s) theo các giá trị h0 giả thiết. Đỗ Đức Hiếu 4 Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài: - Cơ sở khoa học của đề tài: Áp dụng các yêu cầu của Quy phạm và Công ước quốc tế về lập thông báo ổn định cho thuyền trưởng. - Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Kết quả của đề tài được áp dụng tính toán và xây dựng bản thông báo ổn định cho các loại tàu vận tải biển nói chung tàu chở hàng bách hóa-gỗ nói riêng, giúp thuyền trưởng nhanh chóng tìm ra giới hạn ổn định cho tàu đang khai thác. Đỗ Đức Hiếu 5 1.1 Nguyên tắc lập thông báo ổn định cho thuyền trƣởng: Thông tin ổn định phải dựa trên nguyên tắc thống nhất và có 4 nội dung cơ bản sau:  Đặc trưng ổn định chung của tàu và các chỉ dẫn.  Chỉ dẫn về ổn định cho các trường hợp chất tải điển hình.  Các tài liệu để đánh giá tính ổn định.  Các tài liệu để xác định chính xác các chỉ tiêu ổn định và tư thế tàu. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Đỗ Đức Hiếu 6 1.2.1 Đặc trƣng ổn định chung của tàu và các chỉ dẫn: Chỉ ra vùng hoạt động của tàu và hạn chế cụ thể về vùng hoạt động, mùa và thời tiết đối với các tàu hoạt động trong vùng hạn chế. 1.2.2 Chỉ dẫn về ổn định cho các trƣờng hợp chất tải điển hình:  Ngoài các phương án tính toán bắt buộc theo qui phạm, trong chỉ dẫn này nên đưa ra các trường hợp tải trọng mà qui phạm không đưa ra nhưng tàu có thể gặp phải trong khai thác.  Đưa ra các bảng tính, sơ đồ dịch chuyển hàng trên tàu cùng với các số liệu về chiều chìm, các bảng tính có các khối lượng hàng (có kể đến ảnh hưởng mặt thoáng hàng lỏng) và so sánh với các đặc trưng tính toán ổn định với yêu cầu qui phạm. Đỗ Đức Hiếu 7 1.2.3 Các tài liệu để đánh giá tính ổn định: Các tài liệu để đánh giá tính ổn định một cách độc lập của tàu và được Đăng kiểm cho phép lập. Các tài liệu này cần phải cung cấp cho thuyền trưởng và các sỹ quan trên tàu tốn ít thời gian nhưng vẫn xác định đủ chính xác độ ổn định của tàu ở các trường hợp tải trọng không điển hình có thỏa mãn yêu cầu của qui phạm hay không. 1.2.4 Các tài liệu để xác định chính xác các chỉ tiêu ổn định và tƣ thế tàu: Các tài liệu này dùng để đánh giá chính xác hơn so với phần ba về ổn định và tư thế tàu ở các trường hợp chất tải bất thường của tàu, khi mà độ ổn định của tàu nằm ở mức giới hạn. Đỗ Đức Hiếu 8 2.1 Các tiêu chuẩn ổn định: Qui phạm phần ổn định được tuân theo tiêu chuẩn của tổ chức Hàng hải Quốc tế IMO (International Maritime Organization), chỉ xét với các tàu chịu hai hoặc ba ngoại lực tác dụng đồng thời. Gồm 3 tiêu chuẩn: 1. Tiêu chuẩn về thời tiết (hay còn gọi là tiêu chuẩn cơ bản). 2. Tiêu chuẩn khai thác hay tiêu chuẩn về chiều cao tâm nghiêng ban đầu h0 và đồ thị ổn định: l = l(q). 3. Tiêu chuẩn bổ sung. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN Đỗ Đức Hiếu 9 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) Theo tiêu chuẩn này, ổn định của tàu hoạt động ở vùng biển không hạn chế, hạn chế cấp I, II và III được coi là đủ, nếu:  Góc quay (q0) gây ra do gió 1 chiều nhỏ hơn 16 o hoặc góc bằng 80% góc nhúng nước mép boong lấy góc nào nhỏ hơn.  Phần diện tích b lớn hơn hoặc bằng phần diện tích a (hình 2.1). GZ b a L w 1 L w 2 q0 q2 qc GZ q1 Đỗ Đức Hiếu 10 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) Trong đó : Phần diện tích a - Công của mô men nghiêng do gió giật tác dụng ngược chiều (m.rad). Phần diện tích b - Công của mô men hồi phục do gió giật tác dụng ngược chiều (m.rad). GZ b a L w 1 L w 2 q0 q2 qc GZ q1 Đỗ Đức Hiếu 11 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) Lw1 – Giá trị mô men nghiêng do gió 1 chiều tác dụng được tính bằng công thức : Lw1=(0.0514AZ/D) (m) A: Phần diện tích hứng gió phía trên mặt nước của tàu có bao gồm hàng hóa (m2). Z: Khoảng cách thẳng đứng giữa trọng tâm hứng gió và tâm của phần ngâm nước (có thể tính gần đúng như một nửa chiều chìm) (m). D: Lượng chiếm nước. (t). Đỗ Đức Hiếu 12 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) Lw2 – Giá trị mô men nghiêng do gió giật tác dụng được tính bằng công thức : Lw2= 1.5 Lw1 (m). qr – Góc nghiêng ngược. Tính bằng công thức (q0-q1) (độ). qc – Góc giao giữa đường Lw2 và đường cong ổn định tĩnh (độ). q2 – Góc lặn được lấy bằng qc hoặc 50 o lấy trị số nào nhỏ hơn. q0 – Góc nghiêng dưới sự tác dụng của gió 1 chiều. q1 - Góc nghiêng trả lại của tàu sau khi chịu tác dụng của sóng. Đỗ Đức Hiếu 13 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) q1= X1 - Giá trị thu được trong bảng 2.1 phụ thuộc vào giá trị của B/d’. Trong trường hợp giá trị B/d’ở vị trí trung gian thì X1 sẽ được xác định bằng nội suy. B – Chiều rộng thiết kế của tàu (m). d’ – Chiều chìm trung bình tại giữa tàu. Bảng 2.1 Bảng giá trị X1 rskXX 21109 B/d' ≦2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 X1 1.0 0.98 0.96 0.95 0.93 0.91 B/d' 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 ≧3.5 X1 0.90 0.88 0.86 0.84 0.82 0.80 Đỗ Đức Hiếu 14 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) X2 – Giá trị thu được trong bảng 2.2 theo hệ số béo Cb thể tích. Cb = L’ – Chiều dài đường nước (m). Bảng 2.2 Bảng tra giá trị X2 ''025.1 BdL  Cb ≦0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 ≧0.70 X2 0.75 0.82 0.89 0.95 0.97 1.0 Đỗ Đức Hiếu 15 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) k - Giá trị được xác định như sau. k=1 cho tàu có hông tròn không có ky đáy hoặc vây giảm lắc. k=0.7 cho tàu có hông bẻ góc. k lấy giá trị trong bảng 2.3 khi tàu có ky đáy, vây giảm lắc mạn. Ak: Tổng diện tích của vây giảm lắc, diện tích phần nhô, ky hoặc tổng diện tích (m2). Bảng 2.3 Bảng tra giá trị k 100Ak/L'B 0 1.0 1.5 2.0 k 1.0 0.98 0.95 0.88 100Ak/L'B 2.5 3.0 3.5 ≧4.0 k 0.79 0.74 0.72 0.70 Đỗ Đức Hiếu 16 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) r - Giá trị thu được từ công thức sau (r luôn ≤1) r = 0.73 ± 0.6 OG: Khoảng cách từ trọng tâm tàu đến đường nước(m) và dương khi trọng tâm nằm trên đường nước. s - Giá trị thu được từ bảng 2.4 phụ thuộc vào trị số của T Trong trường hợp T đạt giá trị trung gian, giá trị của s sẽ được tính bằng phương pháp nội suy. Bảng 2.4 Bảng tra giá trị s 'd OG T ≦6 7 8 12 14 16 18 ≧20 s 0.100 0.098 0.093 0.065 0.053 0.044 0.038 0.035 Đỗ Đức Hiếu 17 2.1.1 Tiêu chuẩn thời tiết (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.2) T – Chu kỳ lắc được tính bằng công thức (giây) GoM: Chiều cao tâm nghiêng có kể đến ảnh hưởng mặt thoáng. Đỗ Đức Hiếu 18 2.1.2 Tiêu chuẩn khai thác (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.1). Chiều cao tâm nghiêng ban đầu được điều chỉnh của tàu trong mọi điều kiện tải trọng trừ trạng thái “tàu không” phải có giá trị dương, tức GoM (h0 ) > 0 (nếu h0 < 0 phải được sự đồng ý của Đăng kiểm) Kiểm tra theo 2 điều kiện:  Tiêu chuẩn khai thác với tàu không chở gỗ trên boong (2.2.1 chương 2 phần U của Đăng kiểm NK 2009).  Tiêu chuẩn khai thác khi tàu chở hàng bách hóa kết hợp với chở gỗ trên boong. Đỗ Đức Hiếu 19 2.1.2 Tiêu chuẩn khai thác (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.1).  Tiêu chuẩn khai thác khi tàu chở hàng bách hóa thông thường : Hình 2.2 Đường cong ổn định tĩnh theo tiêu chuẩn khai thác Đỗ Đức Hiếu 20 2.1.2 Tiêu chuẩn khai thác (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.1).  Tiêu chuẩn khai thác khi tàu chở hàng bách hóa thông thường : A1 - Diện tích ở dưới đường cong GZ  0.055 m.rad khi góc nghiêng 30o. A1+A2 - Diện tích ở dưới đường cong GZ  0.090 m.rad khi góc nghiêng qu. A2 - Diện tích ở dưới đường cong GZ  0.030 m.rad ở gữa góc nghiêng 30o và qu. Cánh tay đón ổn định tĩnh GZ  0.2m tại góc nghiêng  30o. Cánh tay đón ổn định tĩnh GZ lớn nhất tại góc qmax  25 o. Chiều cao tâm nghiêng ban đầu GoM  0.15m. Trong đó: qu : góc vào nước qf hoặc 40 o chọn góc nào nhỏ hơn. Đỗ Đức Hiếu 21 2.1.2 Tiêu chuẩn khai thác (IMO Res. A749(18) chƣơng 3.1).  Tiêu chuẩn khai thác khi tàu chở hàng bách hóa kết hợp với chở gỗ trên boong : A1+A2 - Diện tích ở dưới đường cong GZ  0.08 m.rad khi góc nghiêng qu. Cánh tay đón ổn định tĩnh GZ  0.25m. Chiều cao tâm nghiêng ban đầu GoM  0.1m. Trong đó: qu : góc vào nước qf hoặc 40 o chọn góc nào nhỏ hơn. Đỗ Đức Hiếu 22 2.1.3 Tiêu chuẩn bổ sung (ảnh hƣởng của mặt thoáng hàng lỏng). Nếu két được đổ đầy chất lỏng, không có sự dịch chuyển của chất lỏng thì ảnh hưởng đến ổn định của tàu hoàn toàn giống với trường hợp két chứa vật rắn. Khi mức chất lỏng trong két giảm thì mặt thoáng đã ảnh hưởng bất lợi đến ổn định của tàu:  Giảm cánh tay đòn ổn định tĩnh GZ.  Sự tăng ảo của cao độ trọng tâm tàu CGZ Đỗ Đức Hiếu 23 2.1.3 Tiêu chuẩn bổ sung (ảnh hƣởng của mặt thoáng hàng lỏng).  Hiệu chỉnh cánh tay đòn ổn định tĩnh GZ. GZ()= KN()-dGZ1()-dGZ2() Trong đó: dGZ1()= CGZ.sin +CGY.cos (m) dGZ2() –sự hiệu chỉnh do ảnh hưởng của mặt thoáng trong két. CGZ (m) – cao độ trọng tâm tàu với tải trọng, nước dằn và dự trữ so với đường cơ bản. CGY (m) - hoành độ trọng tâm tàu với tải trọng, nước dằn và dự trữ KN() (m) – cao độ tâm nghiêng.  (độ) – góc nghiêng ngang. Đỗ Đức Hiếu 24 2.1.3 Tiêu chuẩn bổ sung (ảnh hƣởng của mặt thoáng hàng lỏng). Sự hiệu chỉnh đúng của mặt thoáng trong két là tổng các hiệu chỉnh cho mỗi phần được điền đầy của két (m4)  (t/m3) – khối lượng riêng của chất lỏng trong két. CGZ() (m) – sự thay đổi cao độ trọng tâm của chất lỏng trong két không đầy. CGY() (m) –sự thay đổi hoành độ trọng tâm của chất lỏng trong két không đầy, MV() (m4) – moment nghiêng do ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng trong mỗi két;     )(. )( 2   V Z M dG   cos).(sin).(.)( YZV CGCGVM  Đỗ Đức Hiếu 25 2.1.3 Tiêu chuẩn bổ sung (ảnh hƣởng của mặt thoáng hàng lỏng).  Hiệu chỉnh cao độ tâm nghiêng ban đầu. Sự hiệu chỉnh do mặt thoáng trong két là tổng các hiệu chỉnh cho mỗi phần của két (két chứa không đầy). (m) Trong đó: Mfs (t.m) - momen hiệu chỉnh của mặt thoáng cho mỗi phần được điền đầy của két. Ixx (m 4) - momen quán tính của mặt thoáng trong két.  (t/m3) – khối lượng riêng của chất lỏng trong két.  (t) – khối lượng tàu. Chiều cao tâm nghiêng được hiệu chỉnh: GM = GMo – dGM    fsM dGM xxfs IM . Đỗ Đức Hiếu 26 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM IPCA LẬP THÔNG BÁO ỔN ĐỊNH CHO TÀU CHỞ HÀNG BÁCH HÓA KẾT HỢP CHỞ GỖ TRÊN BOONG. 3.1 Giới thiệu về phần mềm IPCA của đăng kiểm Nhật Bản Phần mềm IPCA (chữ viết tắt của Integrated Program for Determining Ship Performance Capability) là phần mềm chuyên dụng để kiểm tra tính năng tàu do cơ quan đăng kiểm Nhật Bản ( NK-Nippon Kaiji Kyokai) nghiên cứu và ứng dụng. Đỗ Đức Hiếu 27 Phần mềm được cấu trúc như sau:  Phần 1: Hull Form System: Tạo hình dáng con tàu, tính toán Bonjean, tính toán các yếu tố đường cong thủy lực.  Phần 2: Compartment System: Tạo khoang két trên tàu.  Phần 3: Loading Condition System : Tính toán các trạng thái tải trọng trong quá trình hàng hải của tàu để kiểm tra tính nổi, tính ổn định, sức bền dọc chung thân tàu  Phần 4: Probabilistic Damage Stability System: Kiểm tra ổn định tai nạn theo lý thuyết xác suất Đỗ Đức Hiếu 28  Phần 5: Freeboard System: Tính toán và kiểm tra mạn khô cho tàu  Phần 6: Loading Manual System: Tính toán các phương án làm hàng  Phần 7: Container Stowage System: Tính toán phương án xếp container.  Phần 8: Generate Hull Form System: Tạo hình dáng thân tàu dựa trên tàu mẫu sẵn có.  Phần 9: Grain Heeling Moment System: Tính toán mômen nghiêng khi tàu chở hàng hạt. Đỗ Đức Hiếu 29 3.2 Tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu hàng bách hóa–gỗ trọng tải 8700 DWT đóng tại Tổng công ty công nghiệp tàu thủy Hạ Long áp dụng phần mềm IPCA 3.2.1 Giới thiệu về tàu hàng bách hóa-gỗ trọng tải 8700 DWT:  Các thông số chủ yếu của tàu:  Chiều dài toàn bộ LOA: 111.7 m.  Chiều dài giữa 2 đường vuông góc Lpp: 103.6 m.  Chiều rộng thiết kế B: 18.6 m.  Chiều cao mạn D: 9.65 m.  Chiều chìm toàn tải d: 7.6 m.  Trọng tải: 8735 MT.  Tấn đăng kí GT 5691 Đỗ Đức Hiếu 30 Công suất máy chính: 3309kWx220 vòng/phút. Biên chế: 19 người. Phân cấp NK, NS*(BC-I,EQCLB)MNS* Khối lượng tàu không 3116.71 t Trọng tâm tàu không LCG = 6.1m (tính so với sườn giữa) VCG =7.98 m. Các khối lượng không đổi: 79.1 t Đỗ Đức Hiếu 31 BINGO Bố trí chung. Đỗ Đức Hiếu 32 3.2.2 Trình tự tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – chở gỗ trên boong. 1. Nhập thông số đầu vào: Các kích thước chính Tuyến hình và trị số tuyến hình Sơ đồ khoang két, hầm hàng trong tàu Trọng lượng, trọng tâm tàu không (thu được dựa trên kết quả thử nghiêng) Trọng tâm, trọng lượng các phần không thay đổi trên tàu qua các trạng thái Đỗ Đức Hiếu 33 3.2.2 Trình tự tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – chở gỗ trên boong. 1. Các bước tính toán: Tính toán Bonjean, thủy lực dựa trên tuyến hình và trị số tuyến hình tàu; Tính toán dung tích, trọng tâm, mô men quán tính mặt thoáng đường nước các khoang két. Tính toán tư thế, trọng lượng tàu (có điều chỉnh theo tư thế), chiều cao tâm nghiêng ban đầu (sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của mặt thoáng chất lỏng), độ ngập chong chóng tại từng trạng thái tải trọng. Thiết lập đường cong tay đòn ổn định tĩnh, kiểm tra các tiêu chuẩn ổn định ở tại từng trạng thái. Xây dựng đường cong GoMcf chỉ rõ giới hạn vùng trạng thái an toàn và không an toàn. Đỗ Đức Hiếu 34 3.2.2 Trình tự tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – chở gỗ trên boong. 1. Các bước tính toán: Thiết lập và xây dựng các bảng tra, bảng tính, đường cong phục vụ cho thuyền trưởng tra cứu tính toán các thông số tàu một cách nhanh nhất với trạng thái tàu hiện tại hoặc trạng thái tàu mong muốn; Lập bảng tra hiệu chỉnh chiều chìm, trọng lượng tàu theo độ chúi. Lập bảng tra yếu tố thủy lực dựa vào trọng lượng tàu. Đỗ Đức Hiếu 35 3.2.2 Trình tự tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – chở gỗ trên boong. 1. Các bước tính toán: Lập bảng tra các yếu tố từng khoang két phụ thuộc vào chiều sâu điền đầy (chiều sâu này sẽ được hiệu chỉnh theo hình dáng thực tế của ống đo trên tàu) Lập bảng tra và xây dựng đường cong diện tích hứng gió và chiều cao tâm hứng gió phụ thuộc vào chiều chìm tàu. Lập bảng tra trị số cánh tay đòn ổn định hình dáng (G'Z) phụ thuộc vào trọng lượng và góc nghiêng. Đỗ Đức Hiếu 36 3.2.2 Trình tự tính toán, lập thông báo ổn định cho tàu chở hàng bách hóa – chở gỗ trên boong. 1. Các bước tính toán: Xây dựng đường cong cánh tay đòn ổn định tĩnh GZ tại từng chiều chìm 2m đến 8,5m (bước nhảy 0,5m) ứng với mỗi GoM (từ 0.5m đến 4m) Lập bảng tra độ chúi khi thêm trọng lượng (thường là 100T) vào các két hoặc khoang hàng. Lập bảng tính trọng lượng từ mớn nước mũi lái tàu. Đỗ Đức Hiếu 37 3.3 Kết quả.  Kết quả kiểm tra các trạng thái tải trọng theo các tiêu chuẩn: Đồ thị GoMcf Đỗ Đức Hiếu 38 Luận văn đã đạt được:  Khái quát lý thuyết và các đặc trưng về tính nổi cũng như tính ổn định của tàu, và đặc biệt là các yêu cầu đối với tàu hàng chở gỗ trên boong.  Hướng dẫn thuyền trưởng và các sỹ quan trên tàu biết cách sử dụng, tra cứu và tính toán khi tàu khai thác ở các trạng thái khác nhau, từ đó đưa ra các phương án bố trí, xếp dỡ hàng hóa cho phù hợp, an toàn. Kết luận: Đỗ Đức Hiếu 39  Trên cơ sở kết quả nghiên cứu hiện tại, nếu có thời gian đề tài sẽ được phát triển tiếp tục để có thể có được kết quả nghiên cứu một cách tổng thể cho các chủng loại hàng hóa khác nhau. Kiến nghị: Đỗ Đức Hiếu 40 Xin trân trọng cảm ơn!