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 Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính 1241.8.” 184 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 Đoàn Văn Hòa, Đỗ Việt Bình, Bạch Hồng Quyết*, Dương Hồng Trường Bài báo này nghiên cứu mô hình toán học chuyển động của tàu thủy, trên cơ sở đó xây dựng mô đun tính toán tham số và xem xét ảnh hưởng của giá trị góc bẻ lái khi có sự thay đổi các đặc tính chuyển động của tàu: Sự xoay vòng, góc dạt, vận tốc góc và góc mạn của tàu thủy. Trên cơ sở nghiên cứu chung trong mô hình toán lấy tham số cho tàu tên lửa 1241.8 Từ khóa: Mô hình toán học, Mô phỏng, Chuyển động của tàu, Sự lưu thông của tàu, Tàu tên lửa. 1. MỞ ĐẦU Đối với tàu chiến nói chung và tàu 1241.8 nói riêng thì ngoài việc vận hành điều động tàu còn liên quan đến hệ thống trang thiết bị vũ khí đi kèm. Nghiên cứu xây dựng mô hình toán phục vụ mục đích cung cấp các tham số xây dựng các hệ thống mô phỏng lớn của chuyển động tàu, va chạm tàu và các loại trang thiết bị, vũ khí đi kèm. Trong bài báo này nghiên cứu các mô hình toán học của các đặc tính động lực học của tàu thuỷ và các tham số của tàu tên lửa 1241.8. 2. NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC Để giải bài toán về chuyển động của tàu trong mặt phẳng ngang ta cần phải biết các lực và mô men tác động lên tàu đặc biệt là thân tàu và bánh lái. Tất cả các lực và mô men này quy chung lại thành các lực chính và mô men chính mà phân bố trên mặt phẳng đường kính tàu (hình 1). Trên hình 1 lực nâng Rz cân bằng với trọng lực G; lực cản Rx; lực kéo TE; M- mô men chính tác động lên tàu. Các lực và mô men này là nguyên nhân làm thay đổi các phần tử chuyển động của tàu, đó là: Gia tốc góc và gia tốc tuyến tính, góc dạt, vận tốc góc và vận tốc tuyến tính và chia ra các lực và mô men dạng phi quán tính và quán tính theo nguồn gốc tự nhiên của nó [1, trang 254]. Mô hình toán học chuyển động của tàu được thiết đặt bằng phương trình vi phân không tuyến tính. Nghiệm của phương trình là các tham số chuyển động của tàu: toạ độ trọng tâm tàu (xg, yg, zg); các góc(góc lắc ngang θ, góc lắc dọc ψ, góc hướng φ), và giá trị tương ứng của vận tốc, gia tốc và bán kính xoay vòng R . Hai hệ thống tọa độ được sử dụng: Hệ toạ độ gắn với trái đất OgXgYgZg (gốc toạ độ trùng với điểm xuất phát của tàu, trục OXg – trùng với hướng chuyển động ban đầu của tàu, OgYg – vuông góc với OgXg trong mặt phẳng ngang, OgZg trục thẳng đứng hướng xuống dưới) và hệ toạ độ OXYZ (gốc toạ độ trùng với trọng tâm của tàu, trục OX – trùng với hướng mặt phẳng đường kính dọc của tàu hướng về phía trước, OY – vuông góc với OX trong mặt phẳng ngang, OZ trục thẳng đứng hướng xuống dưới) . Phương trình miêu tả chuyển động của tàu [2, trang 20] : Hình 1. Các lực tác động lên tàu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 185 11 22 33 ( )( ) ( ) v ( ) v x y z z y x x M dv m m m F F dt             (1) 22 11 33 ( )( ) ( ) v ( ) v y z x y x y y M dv m m m F F dt             (2) 33 11 22 z( )( ) ( ) v ( ) v z z y y z z M dv m m m v F F dt            (3)  44 66 55 33 22 ( )( ) (J ) ( ) vxx z y y z y z x x M d J J v M M dt                     (4)  55 44 66 11 33 y( )( ) (J ) ( ) v y y z y x z x z y M d J J v M M dt                     (5)  66 55 55 22 11 z( )( ) (J ) ( ) vxz y x z y y z z M d J J v M M dt                     (6) cos cos (sin cos sin cos sin ) (cos cos sin sin sin )g x y dx v v dt                  (7) sin cos (sin sin sin cos cos ) (cos sin sin sin cos )g x y dy v v dt                  (8) sin sin cos cos cosg x y dz v v dt          (9) sinx d d dt dt      (10) cos cos siny d d dt dt        (11) cos cos sinz d d dt dt        (12) Ở đây m là khối lượng của tàu (m = ρ*LBP*CB, ρ-trọng lượng riêng của nước; L, B, T là chiều dài, chiều rộng và chiều cao mớn nước của tàu; CB -hệ số); Jx, Jy, Jz – Momen quán tính của toạ độ của thân tàu; λ11, λ22,λ66- Phần trọng lượng bù thêm; vx,vy,vz – Các thành phần vận tốc của thân tàu; ωx,ωy,ωz – Các thành phần vận tốc góc của thân tàu; ΣFx, ΣFy, ΣFz, ΣMx,ΣMy, ΣMz - Thành phần tổng các lực, thành phần tổng các mô men. Trong bài báo này xem xét mô hình chuyển động của tàu dựa trên sự bỏ qua một số yếu tố sau: Xem tàu chuyển động trong dòng nước sâu tĩnh bỏ qua sự tác động của các yếu tố ngoại cảnh (sóng, gió, dòng chảy, hiệu ứng bờ.vv.) khi đó θ=0. Sự dịch chuyển của tàu theo phương thẳng đứng rất ít và có thể bỏ qua (ψ=0); chuyển động của tàu xem như xẩy ra trong mặt phẳng mớn nước. Xem độ nghiêng của tàu trong mặt phẳng nghiêng của sườn tàu là nhỏ và không ảnh hưởng đến đại lượng các lực thuỷ động học. Khi tính toán các lực quán tính mà tác động lên tàu coi tàu là đối xứng không chỉ đối với mặt phẳng đường kính tàu mà còn mặt phẳng giữa của khung tàu, nghĩa là trọng tâm của tàu phân bố trong mặt Tên lửa & Thiết bị bay Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính 1241.8.” 186 phẳng giữa của khung tàu. Trong khoảng thời gian dt tốc độ tàu xem là không thay đổi và giả sử rằng bánh lái của tàu được chuyển ngay tức thì (thực tế thì thời gian chuyển lái của bánh lái tàu thực là 8-15 giây [1,trang 69]) ..và 1 số điều kiện khác. Tính đến các điều kiện trên phương trình chuyển động của tàu miêu tả các mối liên hệ động học thu được như sau: 0 ; dd dt R dt       (13) 0;    (14) cos ;g dx dt   (15) sin ;g dy dt   (16) 0 22 0 11 0 2 2 2 2 1 0 2 0 0 1 (1 ) cos (1 ) cos ( ) ( 0, 2 2 d r p p d V k V k dt L c c S S                                    (17) 2 2 2 2 66 0 0 1(1 ) ( 0, (18) 2 2 2 p d d d r p p d L I k q S L q S L l S dt                              2 0 2 *( / ) , (( / ) 1,9) R L R L     (19) Ở đây, β0 –góc dạt là góc giữa trục OX và hướng vận tốc trọng tâm tàu; v-vận tốc trọng tâm tàu; ω-vận tốc góc xoay của tàu; γ - góc vận tốc là góc tạo bởi hướng vận tốc tàu và trục OgXg;R- bán kính xoay vòng của trọng tâm tàu. Điều kiện ban đầu: 0 0 0 0 0 0 0| | | | | | 0,t t t t t tx y              0 0|t   Khác với các mô hình toán học khác như mô hình Voikunskovo [1] trong các phương trình này từng phần có tính đến sự thay đổi của vận tốc bằng cách tính toán các giá trị của nó trên mỗi bước theo sự thay đổi theo thời gian dt, cũng như loại trừ sự cho phép tính đến góc dịch chuyển không vượt quá 10 − 15 độ và cos β0 =1. Bảng 1. Dữ liệu ban đầu của tàu tên lửa 1241.8. Stt Tên các đại lượng Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị 1 Thể tích choán nước V m3 Theo [3] 500 2 Chiều dài tàu theo đường mớn nước L m Theo [3] 49,50 3 Chiều rộng tàu theo đường mớn nước B m Theo [3] 8,74 4 Mớn nước trung bình T m Theo [3] 2,20 6 Khoảng cách từ trục bánh lái đến giữa l m Theo [3] 23,27 7 Tốc độ ban đầu của tàu υ0 m/s Mặc định cho trước 8 8 Trọng lượng tàu m T Theo [3] 490 9 Mô men quán tính của I T*m*s2 I = 0,05ρVL2 12500 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 187 Stt Tên các đại lượng Kí hiệu Đơn vị Cách xác định Giá trị trọng lượng tàu 10 Hệ số trọng lượng liên kết k11 Theo đồ thị [1,t.66, hình 17] 0,46 11 Hệ số trọng lượng liên kết k22 Theo đồ thị [1,t.67, hình 17] 0,61 12 Hệ số mô men quán tính liên kết k66 Theo đồ thị [1,t.69, hình 18] 0,54 13 Hệ số góc của lực nâng bánh lái μ Theo tính toán trong [1] 1,85 14 Khoảng cách tương đối từ bánh lái đến giữa ε ε=l/L 0,47 15 Hệ số hoàn chỉnh của mặt phẳng đường kính σd Theo tính toán của tài liệu [1] 0,95 16 Hệ số của lực bình thường c1 Theo đồ thị [1,trang 552, hình 21] 0,1 17 Hệ số của lực bình thường c2 Theo đồ thị [1,trang 552, hình 22] 1,6 18 Hệ số mô men vị trí qv Theo đồ thị [1,trang 554, hình 23] 0,81 19 Hệ số mô men giảm xóc qd Theo đồ thị [1,trang 554, hình 24] 0,64 20 Hệ số ảnh hưởng của thân vỏ φ1 Theo tính toán của tài liệu [1] 0,9 21 Tiết diện của bánh lái Sp m 2 Theo tính toán của tài liệu [2] 8 22 Hệ số giảm của ảnh hưởng thân vỏ tàu χp Theo tính toán của tài liệu [1] 0,3 23 Mặt phẳng đường kính tàu Sd m 2 S = LTσd 103.78 3. MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN Mô hình toán chuyển động của tàu được viết trên ngôn ngữ Delphi. Để giải các phương trình vi phân nhận được sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4. Trong bảng 1 đã đưa ra các dữ liệu đầu vào được sử dụng để tính toán dựa trên các công thức và các giá trị trong tài liệu [1, 3, 4]. Trong các giai đoạn của thực nghiệm tính toán đã thực hiện nghiên cứu trên sự thay đổi các đặc tính của tàu trong trường hợp khi các góc bẻ lái khác nhau. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của đặc tính chuyển động của tàu trong trường hợp góc chuyển lái α thay đổi từ 00 đến 800 độ với bước thay đổi là 100 trình bày trên hình 2. Phân tích các kết quả tính toán chỉ ra rằng góc bẻ lái càng lớn thì tàu càng lệch nhiều so với hướng đã chọn tức là góc hướng và sự lưu thông của tàu sẽ lớn nhưng tàu càng nhanh lệch ra khỏi quỹ đạo ổn định chuyển động của trọng tâm tàu (hình 2). Tên lửa & Thiết bị bay Đ.V.Hoà, Đ.V.Bình, B.H.Quyết, D.H.Trường “Nghiên cứu các đặc tính 1241.8.” 188 Hình 2. Sự xoay vòng của tàu khi các giá trị góc bẻ lái khác nhau. Hình 3. Độ thị phụ thuộc góc dạt theo thời gian khi các góc bẻ lái khác nhau. Khi giá trị góc bẻ lái càng lớn thì tàu càng nhanh đi vào quỹ đạo chuyển động ổn định tức là các góc dạt, vận tốc góc nhanh đạt đến giá trị ổn định. Và góc dạt càng lớn khi góc bẻ lái càng lớn. Ví dụ như với α= 100 thì thời gian β0 đạt giá trị ổn định là 90s và β0 = 0,180; còn với α= 40 0 thì thời gian β0 đạt giá trị ổn định chỉ là 40s và β0 = 0,28 0. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này trên cơ sở mô đen toán học điều khiển chuyển động tàu thuỷ dựa trên mô hình của Voitkimski [1] các tác giả đã mở rộng thêm các điều kiện là tính toán khi góc bẻ lái bé và tốc độ tàu thay đổi và áp dụng các thông số cho tàu tên lửa 1241.8. Mô đun phần mềm được viết trên ngôn ngữ Delphi và dựa trên các mô hình toán nhận được và thực hiện các tính toán thực nghiệm. Nghiên cứu sự ảnh hưởng của giá trị góc bẻ lái trên các đặc tính động lực học của tàu: sự xoay vòng, góc dạt, tốc độ góc và góc mạn của tàu. Kết quả nghiên cứu của bài báo là cơ sở để nghiên cứu sâu hơn các đặc tính động lực học Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 189 của tàu khi có các tác động của điều kiện ngoại cảnh khác nhau cũng như là cơ sở để xây dựng các hệ thống mô phỏng chuyển động tàu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. “Справочник по теории корабля. Ходкость и управляемость”. Л.: Судпромгиз, 1960. 688 с. [2]. NAVI TRAINER. “Matematical models”. Technical discription. Transas Marine LTD. July 2003. [3]. [4]. %9Bp_Molniya ABSTRACT RESEARCH OF THE DYNAMICS CHARACTERISTICS OF SHIPBUILDING PROBLEM FOR MOVEMENT SIMULATION OF MISSILE BOARD 1241.8 This paper presents a study on a mathematical model of ship motion. Based on this model, we developed a module to calculate parameter and examine impact of steering lock value, accidental deflection angle when there are changes in ship motion characteristics: angular motion, leeway angle, angular speed and alongside angle of the ship. General study on computational model provides parameters for missile boat 1241.8. Keywords: Math Modules, Simulation, Ship motion, Trafic ship, Misile board Nhận bài ngày 11 tháng 3 năm 2015 Hoàn thiện ngày 15 tháng 8 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 9 năm 2015 Địa chỉ: Viện công nghệ thông tin, Viện KH&CNQS. *Email: bachhongquyet@gmail.com