Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khoa học Hàng hải (mã số: 9840106) của nghiên cứu sinh Đỗ Thành Sen, thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Trần Cảnh Vinh tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh (bảo vệ năm 2018), tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa toán học chuyển động tàu thủy phục vụ công tác mô phỏng buồng lái.

Công ước quốc tế về tiêu chuẩn huấn luyện, cấp chứng chỉ và trực ca cho thuyền viên (STCW 1978 và sửa đổi 2010) quy định việc tăng cường ứng dụng hệ thống mô phỏng buồng lái trong đào tạo và đánh giá nghiệp vụ hàng hải. Bên cạnh mục đích huấn luyện, hệ thống mô phỏng còn được sử dụng để đánh giá tính khả thi trong thiết kế tàu, luồng hàng hải và công trình cảng biển. Tuy nhiên, phần lớn các hệ thống mô phỏng thương mại trên thế giới (như của Kongsberg, Transas, STC-Group, VStep, JMS) cũng như các hệ thống đang vận hành tại Việt Nam (tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM, Đại học Hàng hải Việt Nam, Đại học Nha Trang, Học viện Hải quân, Trường Cao đẳng Hàng hải II) chủ yếu xây dựng mô hình toán học trên 3 hoặc 4 bậc tự do và tập trung vào tàu sử dụng chân vịt truyền thống. Việc phát triển các mô hình tàu mới, đặc biệt là tàu trang bị các thiết bị đẩy phi truyền thống (như chân vịt xoay Azimuth/ASD, chân vịt Voith Schneider, chân vịt mũi), gặp nhiều hạn chế do thiếu công cụ tính toán lý thuyết đầy đủ trên 6 bậc tự do.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể theo hai nhóm:

  1. Về mặt lý thuyết:
    • Mục tiêu 1: Phát triển mô hình toán học và thuật toán mô phỏng chuyển động tàu biển trên đầy đủ 6 bậc tự do (6DOF) theo thời gian thực;
    • Mục tiêu 2: Giải quyết thuật toán chuyển động cho tàu trang bị các loại chân vịt phi truyền thống;
    • Mục tiêu 3: Xây dựng mô hình toán học hỗ trợ thiết lập và phát triển nhanh chóng các mô hình tàu mới;
    • Mục tiêu 4: Đảm bảo mô hình toán phản ánh chính xác tính năng điều động của tàu trên hệ thống mô phỏng.
  2. Về mặt ứng dụng:
    • Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các mô hình tàu mới bổ sung vào các hệ thống mô phỏng buồng lái hiện hữu;
    • Ứng dụng mô hình toán cho các công tác nghiên cứu, thiết kế và khai thác hàng hải tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là mô hình toán học và thuật toán mô phỏng chuyển động tàu thủy. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mô hình toán ứng dụng cho hệ thống mô phỏng buồng lái tại Việt Nam và mở rộng cho các hệ thống mô phỏng trên thế giới, áp dụng cho các loại tàu mặt nước trang bị nhiều dạng thiết bị đẩy khác nhau.

Tham số chuyển động Bậc tự do (DOF) Trục tọa độ Lực / Mô men Vận tốc dài / Vận tốc góc Góc xoay Euler
Chuyển động dọc (Surge) 1 Trục $Ox$ Lực dọc $X$ Vận tốc dọc $u$ Tọa độ vị trí $x$
Chuyển động ngang (Sway) 2 Trục $Oy$ Lực ngang $Y$ Vận tốc ngang $v$ Tọa độ vị trí $y$
Chuyển động đứng / nhồi (Heave) 3 Trục $Oz$ Lực đứng $Z$ Vận tốc đứng $w$ Tọa độ vị trí $z$
Lắc ngang (Roll) 4 Xoay quanh $Ox$ Mô men lắc ngang $K$ Vận tốc lắc ngang $p$ Góc nghiêng ngang $\phi$
Lắc dọc / bổ dọc (Pitch) 5 Xoay quanh $Oy$ Mô men bổ dọc $M$ Vận tốc bổ dọc $q$ Góc chúi $\theta$
Chuyển hướng / đảo lái (Yaw) 6 Xoay quanh $Oz$ Mô men chuyển hướng $N$ Vận tốc chuyển hướng $r$ Hướng mũi tàu $\psi$

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển mô hình toán học chuyển động tàu thủy khởi đầu từ các mô hình đơn giản:

  • Mô hình 2 bậc tự do mô tả chuyển động quay trở và dạt được Davidson và Schiff thiết lập năm 1946 trên tạp chí SNAME, cùng các công bố trên tạp chí Zosen Kiokai số 99.
  • Mô hình 3 bậc tự do (surge, sway, yaw) được Norrbin phát triển năm 1971 (Gothenburg Technical Report số 63) và Inoue tiếp tục hoàn thiện năm 1981 (International Shipbuilding số 325).
  • Mô hình 4 bậc tự do tích hợp thêm chuyển động lắc ngang (roll) được công bố bởi Eda (1980, Ocean Engineering số 7), Hirano (1980, báo cáo Akishima Laboratory) và Oltmann (1993, hội thảo quốc tế MARSIM).
  • Mô hình 6 bậc tự do bổ sung chuyển động nhồi (heave) và chúi dọc (pitch) được Ankudinov trình bày năm 1983 tại International Workshop on Ship and Platform Motions. Sau đó, Thor Fossen (1994, 2011) đã hệ thống hóa mô hình 6 bậc tự do dưới dạng phương trình trạng thái ma trận tổng quát:

$$M_S \dot{\nu} + M_A \dot{\nu} + C_S(\nu)\nu + C_A(\nu)\nu + D\nu + D_n(\nu)\nu + g(\eta) + g_0 = f$$

Trong đó $M_S, M_A$ là ma trận khối lượng tàu và khối lượng nước kèm; $C_S(\nu), C_A(\nu)$ là ma trận hệ số lực Coriolis của tàu và nước kèm; $D, D_n(\nu)$ là ma trận lực cản tuyến tính và phi tuyến; $g(\eta)$ là ma trận lực/mô men hồi phục thủy tĩnh; $g_0$ là trọng lượng tàu; $f$ là véc tơ tổng hợp ngoại lực và lực kích động.

Về việc xác định các thành phần cụ thể cấu thành phương trình chuyển động:

  • Khối lượng nước kèm ($M_A$): Dubua giới thiệu khái niệm lượng nước kèm năm 1776; Stokes (1843) và Green (1883) giải bài toán cho vật thể hình cầu; Alexandr I. Korotkin tổng hợp cho các vật thể chuyển động trên nhiều bậc tự do. Các phương pháp lý thuyết tính toán mặt cắt đối xứng được Ursell (1949) và Frank (1967) đề xuất. Keil (1974) kết hợp phương pháp Ursell với phép biến đổi Lewis để tính cho vùng nước có độ sâu bất kỳ. Tuck và Odd Faltinsen (1970) đưa ra phương pháp tính chuyển động và tải trọng sóng. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chưa cung cấp một phương pháp đơn lẻ nào có khả năng xác định đầy đủ 36 thành phần $m_{ij}$ của ma trận $M_A$.
  • Ma trận lực cản ($D(\nu)$): Lực cản thế năng tuyến tính $D$ và lực cản nhớt phi tuyến $D_n(\nu)$ được nghiên cứu bởi J. Hooft (1994), Abkowitz (1964), Fedyaevsky và Sobolev (1963), Roseman (1987), Sissel Tjøswold (1972), Clarke (1997), Lee, Kijima và Nakiri (2003), Letki, Hudson và Sergey Zaikov. Các công thức trước đây chủ yếu là bán thực nghiệm hoặc thực nghiệm mô hình thu nhỏ và chỉ áp dụng cho một số bậc tự do giới hạn (thường là 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang).
  • Lực tác động ($f$): Các nghiên cứu của Thor Fossen (2011), J. Biran và Rubén López-Pulido (2014) tính toán lực môi trường sóng, gió; Trần Công Nghị (2007), Nikolai Kornev (2013) tính lực bánh lái; Breslin và Andersen (1994), Øyvind Notland Smogeli (2006) khảo sát lực đẩy chân vịt ($K_T, K_Q, C_T^, C_Q^$). Dù vậy, các công trình này chủ yếu khảo sát thiết bị đẩy độc lập, chưa tích hợp đầy đủ hệ thống nhiều thiết bị đẩy đặt tại các vị trí khác nhau cùng với các ngoại lực như tàu lai, dây buộc, hiệu ứng bờ và tương tác giữa các tàu vào phương trình 6DOF.

Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết:

  1. Xây dựng phương pháp tổng hợp có khả năng xác định và hàm hóa đầy đủ 36 thành phần của ma trận khối lượng nước kèm $M_A$ và ma trận hệ số Coriolis $C_A(\nu)$ trên cơ sở lý thuyết giải tích;
  2. Thiết lập phương pháp dự đoán và hàm hóa toàn diện ma trận lực cản $D(\nu)$ cho 6 bậc tự do, thích ứng với dải vận tốc và góc dạt lớn của tàu trang bị thiết bị đẩy phi truyền thống;
  3. Xây dựng mô hình tổng hợp lực $f$ tích hợp đồng thời nhiều loại thiết bị đẩy (chân vịt truyền thống, chân vịt xoay Azimuth, chân vịt Voith Schneider, chân vịt mũi), hệ thống bánh lái và các dạng ngoại lực phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các khung lý thuyết nền tảng của thủy động lực học, động lực học vật thể rắn và thủy tĩnh học tàu thủy:

  • Khung phương trình vi phân chuyển động 6 bậc tự do dạng ma trận của Fossen;
  • Lý thuyết thế vận tốc chất lỏng lý tưởng thỏa mãn phương trình Laplace để tính toán động năng và khối lượng nước kèm;
  • Mô hình hình học Ellipsoid kéo dài (elongated ellipsoid) 3 chiều đại diện cho phần chìm thân tàu;
  • Lý thuyết mảnh (Strip theory) kết hợp phép biến đổi bảo giác Lewis (Lewis transformation) để số hóa hình học các lát cắt ngang thân tàu trên mặt phẳng phức $\zeta = y + iz$;
  • Lý thuyết cánh có tỉ lệ góc mạn nhỏ (slender body theory / low aspect ratio wing theory) để xác định lực nâng thủy động (Lift) kết hợp với đường đặc tính ma sát theo tiêu chuẩn ITTC-1957 (International Towing Tank Conference) để xác định lực cản nhớt (Drag);
  • Lý thuyết 4 góc phần tư (4 quadrants) của chân vịt để tính toán các hệ số lực đẩy và mô men xoắn ($K_T, K_Q, C_T^, C_Q^, C_n^*$).

Phương pháp nghiên cứu thực hiện qua 4 bước chính:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Tổng hợp các công trình động lực học, thủy động lực học trong và ngoài nước để đề xuất khung tính toán thống nhất;
  • Phương pháp giải tích: Xây dựng các biểu thức toán học giải tích để dự đoán các hệ số thủy động của phương trình vi phân 6DOF;
  • Phương pháp mô hình hóa và số trị: Thiết lập thuật toán giải phương trình vi phân chuyển động theo thời gian thực và lập trình phần mềm mô phỏng trên môi trường Matlab;
  • Phương pháp so sánh và phân tích thực nghiệm: Đối chiếu kết quả tính toán và mô phỏng của mô hình toán với dữ liệu thử nghiệm mô hình bể thử (tàu Motora), dữ liệu thiết kế hình học (tàu container Triple-E) và hồ sơ thử tàu thực tế (tàu khách Genting Dream).

Nguồn tư liệu, dữ liệu và công cụ thực hiện:

  • Phần mềm máy tính: Ngôn ngữ và môi trường tính toán Matlab;
  • Cơ sở vật chất và hệ thống mô phỏng: Hệ thống mô phỏng K-Sim (phiên bản v.4) của hãng Kongsberg tại Horten (Na Uy), Trung tâm Mô phỏng hàng hải Simwave tại Barendrecht (Hà Lan), và Trung tâm Đào tạo Nguồn nhân lực Hàng hải (UT-STC) tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.HCM;
  • Dữ liệu tàu mẫu: Hồ sơ kỹ thuật và dữ liệu thực nghiệm của tàu thử nghiệm Motora, tàu container 18.000 TEU Triple-E và tàu khách Genting Dream (chiều dài $L = 335\text{ m}$, rộng $B = 39,7\text{ m}$, mớn nước $T = 8,6\text{ m}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu mô hình toán học chuyển động tàu

Chương 1 trình bày tổng quan lịch sử phát triển của mô hình toán chuyển động tàu thủy từ 2 bậc tự do (Davidson, Schiff), 3 bậc tự do (Norrbin, Inoue), 4 bậc tự do (Eda, Hirano, Oltmann) đến 6 bậc tự do (Ankudinov, Fossen). Chương phân tích chi tiết cơ sở lý thuyết và các công trình nghiên cứu trước đây liên quan đến từng thành phần trong phương trình vi phân chuyển động tổng quát (1.1):

  • Thành phần khối lượng tàu $M_S$ và hệ số Coriolis $C_S(\nu)$ được xác định theo lý thuyết thủy tĩnh thông thường;
  • Khối lượng nước kèm $M_A$ gồm 36 thành phần $m_{ij}$. Tác giả điểm lại các nghiên cứu của Dubua, Stokes, Green, Korotkin, Ursell, Frank, Keil, Tuck và Faltinsen, chỉ ra rằng các phương pháp hiện hữu chưa đủ để xác định toàn bộ các giá trị $m_{ij}$;
  • Thành phần lực cản $D(\nu) = D + D_n(\nu)$ được phân tích qua các công trình của Hooft, Abkowitz, SNAME, Fedyaevsky, Roseman, Clarke, Kijima. Tác giả kết luận lực cản rất phức tạp, chủ yếu dựa trên thực nghiệm hạn chế và chưa bao quát 6 bậc tự do;
  • Thành phần lực thủy tĩnh $g(\eta)$ và trọng lượng $g_0$ được tính toán dưới dạng động theo thời gian;
  • Thành phần lực tác động $f$ gồm lực môi trường (gió, sóng, dòng chảy), lực kích động (chân vịt, bánh lái) và các ngoại lực (dây buộc, neo, va chạm, mắc cạn, tàu lai, hiệu ứng bờ, tương tác tàu-tàu).

Chương 1 kết luận về 3 vấn đề cốt lõi cần giải quyết: (1) Cần phương pháp tổng hợp để xác định và hàm hóa đầy đủ 36 thành phần của ma trận $M_A$; (2) Cần phương pháp lý thuyết xác định toàn bộ ma trận lực cản $D(\nu)$ cho 6 bậc tự do ở góc dạt lớn; (3) Cần phương pháp tổng hợp tất cả hệ động lực và ngoại lực tác động lên tàu.

Chương 2. Nghiên cứu phát triển mô hình toán chuyển động tàu

Chương 2 tập trung giải quyết 3 nội dung nghiên cứu lớn đã đặt ra:

  1. Xác định các thành phần khối lượng nước kèm $M_A$ và ma trận Coriolis $C_A(\nu)$:
  • Dựa vào tính đối xứng của ma trận ($m_{ij} = m_{ji}$) và tính đối xứng hình học của vỏ tàu qua mặt phẳng trục dọc, tác giả chứng minh 18 thành phần bằng 0: $m_{32}=m_{34}=m_{36}=m_{52}=m_{54}=m_{56}=0$; $m_{23}=m_{43}=m_{63}=m_{25}=m_{45}=m_{65}=0$; $m_{12}=m_{21}=m_{14}=m_{41}=m_{16}=m_{61}=0$. Đồng thời, hai thành phần $m_{13}, m_{31}$ có giá trị rất nhỏ nên được bỏ qua ($m_{13}=m_{31}=0$).
  • Để xác định 18 thành phần còn lại, tác giả kết hợp 3 phương pháp:
    • Áp dụng mô hình vật thể 3 chiều hình Ellipsoid kéo dài (elongated ellipsoid) để tính toán các thành phần chính: $m_{11}, m_{22}, m_{33}, m_{44}, m_{55}, m_{66}$ thông qua hệ số thủy động $k_1, k_2, k'$ và các tích phân thể tích/mô men quán tính ($I_x$);
    • Áp dụng lý thuyết mảnh (Strip theory) kết hợp phép biến đổi bảo giác Lewis để tính toán các thành phần $m_{22}, m_{33}, m_{44}, m_{26}, m_{35}, m_{62}, m_{53}$ qua việc tích phân các lát cắt 2D theo chiều dài tàu với các hệ số hiệu chỉnh $\mu_i(\lambda)$;
    • Đối với hai thành phần khó xác định $m_{15}$ và $m_{51}$, tác giả đề xuất công thức tính dựa trên khối lượng nước kèm $m_{11}$ tác động qua tâm nổi $Z_B$ của tàu: $m_{15} = m_{51} = m_{11} Z_B$; tương tự xác định $m_{24} = m_{42} = -m_{22} Z_B$ và rút ra mối quan hệ $m_{15} = m_{51} = -m_{24}$.
  • Từ ma trận $M_A$ thu được, tác giả xây dựng công thức giải tích xác định ma trận hệ số lực Coriolis của lượng nước kèm $C_A(\nu)$ và của thân tàu $C_S(\nu)$.
Thành phần $M_A$ Biểu thức / Phương pháp xác định Ghi chú
$m_{11}$ $m k_1$ (theo mô hình Ellipsoid kéo dài 3D) Khối lượng nước kèm theo trục dọc $Ox$
$m_{22}$ $\mu_2(\lambda) \int T(x) k_4(x) dx$ (Lý thuyết mảnh & Lewis) Khối lượng nước kèm theo trục ngang $Oy$
$m_{33}$ $\mu_3(\lambda) \int B(x) k_4(x) dx$ (Lý thuyết mảnh & Lewis) Khối lượng nước kèm theo trục đứng $Oz$
$m_{44}$ $k' I_x$ hoặc tích phân mặt cắt kết hợp $\mu_4(\lambda)$ Mô men quán tính nước kèm lắc ngang quanh $Ox$
$m_{55}, m_{66}$ Tích phân lý thuyết mảnh dọc thân tàu kết hợp $x^2$ Mô men quán tính nước kèm bổ dọc và chuyển hướng
$m_{26}, m_{62}$ $\mu_2(\lambda) \int T(x) k_4(x) x dx$ Thành phần liên kết chuyển động ngang và đảo lái
$m_{35}, m_{53}$ $-\mu_3(\lambda) \int B(x) k_4(x) x dx$ Thành phần liên kết chuyển động đứng và bổ dọc
$m_{15}, m_{51}$ $m_{11} Z_B = -m_{24}$ Đề xuất giải tích qua tâm nổi $Z_B$
$m_{24}, m_{42}$ $-m_{22} Z_B$ Thành phần liên kết chuyển động ngang và lắc ngang
18 thành phần triệt tiêu $= 0$ (do tính đối xứng hình học và ma trận) $m_{12}, m_{14}, m_{16}, m_{23}, m_{25}, m_{32}, m_{34}, m_{36}, \dots$
  1. Xác định các thành phần ma trận lực cản $D(\nu)$:
  • Phân tích lực cản tác động lên từng mặt cắt vỏ tàu thành 2 thành phần thủy động độc lập: Lực nâng (Lift, $L$) vuông góc với mặt cản và Lực cản nhớt (Drag, $D$) trượt dọc theo mặt cản.
  • Hệ số lực nâng $C_L(x)$ được tính theo thuyết cánh góc mạn nhỏ: $C_L(x) = \frac{1}{2} \pi AR \sin(\beta(x))$, với $AR = \text{Span}^2/\text{Area} = 2T/L$.
  • Hệ số lực cản nhớt $C_D(x)$ xác định theo tiêu chuẩn ITTC-1957: $C_D = (1+k)C_F + C_R + C_A$, với $C_F = \frac{0,075}{(\log_{10} R_n - 2)^2}$ (quy định ngưỡng $R_{n,\min} = 10^6, C_{F,\min} < 0,001$), hệ số hình dáng $k$ ($0,1$ cho tàu thông thường; $0,2$ cho tàu DP), hệ số ma sát nhám $C_A = [105(k_s/L_{WL})^{1/3} - 0,64] \times 10^{-3}$ với độ nhám bề mặt mặc định $k_s = 150 \times 10^{-6}\text{ m}$.
  • Phân tích và chuyển đổi vận tốc dài ($u, v, w$) cùng các thành phần vận tốc góc ($p, q, r$) tác động lên diện tích mạn và diện tích đáy tàu:
    • Vận tốc dọc tổng hợp: $u(x) = u + y_m(x)r + z_m(x)q$;
    • Vận tốc ngang tổng hợp: $v(x) = v + x_m(x)r + z_m(x)p$;
    • Vận tốc đứng tổng hợp: $w(x) = w + y_m(x)p + x_m(x)q$.
  • Tích phân lực cản dọc theo chiều dài tàu để thu được các phân lực $X, Y, Z$ và các mô men cản $K, M, N$.
  1. Xây dựng mô hình tổng hợp lực tác động $f$:
  • Thiết lập mô hình véc tơ tổng hợp $f = [X, Y, Z, K, M, N]^T$ bao gồm:
    • Lực môi trường: Gió ($f_{wi}$), sóng ($f_{wa}$), dòng chảy ($f_{cu}, f_{ml}$);
    • Lực kích động: Hệ thống bánh lái ($f_r$, xét góc bẻ lái $\delta$ và cánh tay đòn $x_i, y_i, z_i$), hệ thống chân vịt ($f_p$) gồm chân vịt truyền thống, chân vịt xoay Azimuth ($360^\circ$), chân vịt Voith Schneider và chân vịt mũi (bow thruster), áp dụng đường cong đặc tính 4 góc phần tư ($K_T, K_Q, C_T^, C_Q^, C_n^*$);
    • Ngoại lực: Hiệu ứng Squat ($f_{sq}$), hiệu ứng bờ ($f_{bk}$), tương tác giữa các tàu ($f_{ir}$), lực kéo tàu lai ($f_{pl}$), lực đẩy tàu lai ($f_{ph}$), lực căng dây neo/dây buộc tàu, lực mắc cạn ($f_{gr}$) và lực va chạm ($f_{cl}$).

Chương 3. Thiết lập thuật toán và xây dựng chương trình mô phỏng

Chương 3 chuyển hóa các kết quả mô hình toán học giải tích thành thuật toán số trị và phần mềm ứng dụng:

  • Xây dựng thuật toán mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do giải hệ phương trình vi phân chuyển động trong miền thời gian thực.
  • Thiết lập quy trình tính toán tuần hoàn tại mỗi bước thời gian: Nhận tín hiệu điều khiển (góc bẻ lái, vòng quay/góc xoay chân vịt) và thông số môi trường $\rightarrow$ Tính toán các lực kích động và ngoại lực $\rightarrow$ Cập nhật các ma trận khối lượng tổng quát $(M_S + M_A)$, ma trận Coriolis $(C_S + C_A)$, ma trận lực cản $D(\nu)$ và lực thủy tĩnh $g(\eta)$ $\rightarrow$ Giải hệ phương trình vi phân để tính gia tốc $\dot{\nu} = [\dot{u}, \dot{v}, \dot{w}, \dot{p}, \dot{q}, \dot{r}]^T$ $\rightarrow$ Tích phân số trị ra vận tốc $\nu$ và vị trí, góc xoay Euler $\eta = [x, y, z, \phi, \theta, \psi]^T$.
  • Lập trình xây dựng gói phần mềm mô phỏng hoàn chỉnh trên môi trường Matlab.
  • Thiết kế các mô đun giao diện đồ họa người dùng (GUI) gồm:
    1. Cửa sổ mô phỏng quỹ đạo và vết chuyển động của tàu trên mặt nước;
    2. Bảng điều khiển tích hợp cho các nhóm chân vịt (truyền thống, Azimuth, Voith Schneider, chân vịt mũi) và hệ thống bánh lái;
    3. Cửa sổ hiển thị trực quan các chuyển động góc xoay (lắc ngang - rolling, bổ dọc - pitching, chuyển hướng - yawing);
    4. Cửa sổ hiển thị trạng thái chuyển động 6DOF theo thời gian thực;
    5. Cửa sổ xuất đồ thị biến thiên của các thông số động học và động lực học theo thời gian.

Chương 4. Đánh giá kết quả phát triển mô hình toán

Chương 4 thực hiện đánh giá, kiểm nghiệm mô hình toán học và phần mềm mô phỏng thông qua đối chiếu với 3 mô hình tàu mẫu:

  • Đánh giá khai triển tuyến hình tàu: Sử dụng thuật toán biến đổi Lewis trên Matlab để khai triển tuyến hình sườn 2D và mô hình phối cảnh 3D cho tàu Motora, tàu Triple-E và tàu khách Genting Dream. Kết quả cho thấy tuyến hình tính toán mô tả chính xác hình học phần chìm của vỏ tàu.
  • Đánh giá phương pháp tính khối lượng nước kèm $M_A$:
    • So sánh kết quả xác định 36 thành phần $m_{ij}$ trên tàu mẫu Motora giữa mô hình toán của luận án với các kết quả thực nghiệm và tính toán lý thuyết đã công bố trong các tài liệu quốc tế. Các giá trị $m_{11}, m_{22}, m_{33}, m_{44}, m_{55}, m_{66}, m_{26}, m_{35}, m_{24}$ đạt độ tương thích cao.
    • Tính toán và tổng hợp bảng giá trị ma trận $M_A$ hoàn chỉnh cho tàu container Triple-E và tàu khách Genting Dream.
  • Đánh giá hệ số lực cản: Khảo sát các đồ thị hệ số lực cản dọc, ngang, xoay theo các biến vận tốc ($u, v, r$), thể hiện đúng quy luật thủy động học phi tuyến ở góc dạt lớn.
  • Đánh giá khả năng mô phỏng điều động trên tàu khách Genting Dream:
    • Nghiệm pháp dừng quán tính (Coasting): So sánh đồ thị suy giảm vận tốc dọc $u$ theo thời gian giữa kết quả chạy mô phỏng và số liệu trong hồ sơ thử tàu thực tế;
    • Nghiệm pháp quay trở (Turning circle) khi bẻ lái sang phải $15^\circ$: So sánh quỹ đạo vết quay trở, đường cong vận tốc dọc ($u$), vận tốc ngang ($v$), vận tốc đứng ($w$), tốc độ quay trở ($r$), góc dạt ($\beta$), tốc độ lắc ngang ($p$), tốc độ bổ dọc ($q$) và hướng mũi tàu ($\psi$) giữa mô phỏng và hồ sơ thử tàu;
    • Nghiệm pháp điều động dạt ngang bằng chân vịt mũi: Kiểm nghiệm phản ứng động học của tàu (vận tốc dọc $u$, ngang $v$, hướng tàu $\psi$) dưới tác động của lực đẩy chân vịt mũi.

Kết quả thử nghiệm khẳng định mô hình toán học phản ánh sát các đặc tính điều động thực tế của tàu mẫu.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả và đóng góp mới cụ thể:

  1. Đóng góp về mặt lý luận và khoa học:
  • Xây dựng thành công phương pháp giải tích kết hợp giữa lý thuyết vật thể 3 chiều Ellipsoid kéo dài, lý thuyết mảnh (Strip theory) - phép biến đổi bảo giác Lewis và phương pháp xác định cánh tay đòn tâm nổi $Z_B$ để xác định và hàm hóa đầy đủ 36 thành phần của ma trận khối lượng nước kèm $M_A$ và ma trận hệ số lực Coriolis $C_A(\nu)$ cho chuyển động tàu 6 bậc tự do trên cơ sở thuần túy lý thuyết;
  • Phát triển phương pháp thủy động học xác định và hàm hóa toàn diện ma trận lực cản $D(\nu)$ (bao gồm thành phần thế năng tuyến tính và thành phần nhớt phi tuyến) trên 6 bậc tự do dựa trên sự phân tách lực nâng (Lift) và lực cản nhớt (Drag) trên mạn và đáy tàu, áp dụng được cho tàu chuyển động với dải vận tốc rộng và góc dạt lớn;
  • Xây dựng mô hình toán học tổng hợp lực tác động $f$ tích hợp đầy đủ hệ động lực nhiều loại thiết bị đẩy (chân vịt truyền thống, chân vịt xoay Azimuth, chân vịt Voith Schneider, chân vịt mũi), hệ thống bánh lái và các ngoại lực phức tạp (hiệu ứng bờ, squat, tương tác tàu-tàu, tàu lai kéo/đẩy, dây buộc, neo, va chạm, mắc cạn).
  1. Đóng góp về mặt thực tiễn:
  • Thiết lập thuật toán và lập trình hoàn chỉnh phần mềm mô phỏng chuyển động tàu 6 bậc tự do theo thời gian thực trên môi trường Matlab, tích hợp đầy đủ giao diện điều khiển đa thiết bị đẩy và hệ thống hiển thị đồ họa trực quan;
  • Cung cấp công cụ toán học và thuật toán hỗ trợ việc xây dựng và phát triển nhanh chóng các mô hình tàu mới cho các hệ thống mô phỏng buồng lái hiện hữu tại Việt Nam và trên thế giới, khắc phục các giới hạn của mô hình 3-4 bậc tự do truyền thống;
  • Cung cấp mô hình tính toán phục vụ công tác nghiên cứu tính năng điều động tàu trong luồng lạch hạn chế và khu nước cảng biển.
  1. Kiến nghị và đề xuất:
  • Đề xuất ứng dụng mô hình toán học và phần mềm mô phỏng của luận án vào việc nâng cấp các hệ thống mô phỏng buồng lái hàng hải tại các trường đại học, cao đẳng và trung tâm huấn luyện thuyền viên trong nước;
  • Ứng dụng mô hình toán trong việc mô phỏng, thử nghiệm tính khả thi của các dự án luồng hàng hải, bến cảng tiếp nhận tàu trọng tải lớn và tàu chuyên dụng trang bị hệ thống đẩy hiện đại.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Phép biến đổi tuyến hình Lewis không áp dụng được cho các mặt cắt sườn tàu có dạng lõm hoặc bất đối xứng (phải giới hạn các hệ số hình học trong vùng khuyến cáo áp dụng);
  • Trong ma trận $M_A$, hai thành phần $m_{13}, m_{31}$ được giả định triệt tiêu do giá trị rất nhỏ; việc xác định các thành phần $m_{15}, m_{51}, m_{24}, m_{42}$ thông qua cánh tay đòn tâm nổi $Z_B$ mang tính chất gần đúng;
  • Một số thành phần ngoại lực phức tạp (như lực va chạm, lực mắc cạn) chủ yếu được thiết lập trên mô hình giải tích lý thuyết, cần thêm dữ liệu thực tế chuyên sâu để hiệu chỉnh chi tiết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Nghiên cứu mở rộng các phương pháp khai triển hình học sườn tàu khác để áp dụng cho các dạng đường sườn phức tạp vượt ngoài giới hạn của phép biến đổi Lewis;
  • Tiếp tục tối ưu hóa mã nguồn thuật toán để nhúng trực tiếp vào phần cứng của các hệ thống mô phỏng buồng lái toàn phần (Full Mission Bridge Simulator) đa kênh hình ảnh;
  • Mở rộng khảo sát và kiểm chứng mô hình toán trên nhiều dạng tàu chuyên dụng khác trong các điều kiện khí tượng thủy văn khắc nghiệt.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên ngành Khoa học Hàng hải, Kỹ thuật Tàu thủy, Động lực học Công trình Thủy: Có thể tham khảo phương pháp giải tích tính toán 36 thành phần khối lượng nước kèm $M_A$, phương pháp phân tách lực nâng/lực cản nhớt trong ma trận $D(\nu)$ và cấu trúc phương trình vi phân 6DOF;
  • Các kỹ sư phát triển phần mềm mô phỏng hàng hải: Tham khảo cấu trúc thuật toán thời gian thực, phương pháp hàm hóa hệ động lực đa thiết bị đẩy (Azimuth, Voith Schneider, chân vịt mũi) và mã nguồn thuật toán Matlab trình bày trong luận án;
  • Các chuyên gia tư vấn thiết kế cảng - đường thủy và người làm chính sách an toàn hàng hải: Tham khảo mô hình tổng hợp lực ngoại cảnh (hiệu ứng bờ, squat, tương tác tàu-tàu, tàu lai) để đánh giá an toàn điều động tàu trong các luồng hàng hải hẹp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương trình vi phân trạng thái tổng quát mô tả chuyển động tàu 6 bậc tự do trong luận án có cấu trúc như thế nào?

Phương trình trạng thái tổng quát được biểu diễn dưới dạng ma trận theo cấu trúc của Fossen: $$M_S \dot{\nu} + M_A \dot{\nu} + C_S(\nu)\nu + C_A(\nu)\nu + D\nu + D_n(\nu)\nu + g(\eta) + g_0 = f$$ Trong đó:

  • $M_S, M_A$ là ma trận quán tính khối lượng của tàu và khối lượng nước kèm;
  • $C_S(\nu), C_A(\nu)$ là ma trận hệ số lực Coriolis của tàu và lượng nước kèm;
  • $D, D_n(\nu)$ là ma trận hệ số lực cản tuyến tính (thế năng) và phi tuyến (nhớt);
  • $g(\eta)$ là ma trận lực và mô men hồi phục thủy tĩnh;
  • $g_0$ là trọng lượng tàu;
  • $f = [X, Y, Z, K, M, N]^T$ là ma trận tổng hợp các lực và mô men tác động từ môi trường, thiết bị đẩy, bánh lái và ngoại lực.

2. Luận án đã giải quyết việc xác định 36 thành phần của ma trận khối lượng nước kèm $M_A$ bằng cách nào?

Tác giả đã kết hợp tính chất đối xứng và 3 phương pháp lý thuyết:

  • Dựa vào tính đối xứng qua đường chéo ($m_{ij} = m_{ji}$) và tính đối xứng qua mặt phẳng trục dọc của tàu, 18 thành phần được xác định bằng 0, hai thành phần $m_{13}, m_{31}$ được bỏ qua;
  • Áp dụng mô hình Ellipsoid kéo dài 3 chiều để tính các thành phần đường chéo chính ($m_{11}, m_{22}, m_{33}, m_{44}, m_{55}, m_{66}$);
  • Áp dụng lý thuyết mảnh kết hợp phép biến đổi bảo giác Lewis cho các mặt cắt ngang 2D để tính $m_{22}, m_{33}, m_{44}, m_{26}, m_{35}$;
  • Đề xuất công thức xác định $m_{15} = m_{51} = m_{11} Z_B$ và $m_{24} = m_{42} = -m_{22} Z_B$ thông qua vị trí tâm nổi $Z_B$, từ đó hoàn thiện việc hàm hóa toàn bộ 36 thành phần của ma trận $M_A$.

3. Phương pháp tính toán ma trận lực cản $D(\nu)$ cho 6 bậc tự do trong Chương 2 được thiết lập ra sao?

Lực cản được tính toán trên cơ sở thủy động lực học bằng cách phân tách độc lập tại mỗi mặt cắt thân tàu thành:

  • Lực nâng (Lift, $L$): Vuông góc với mặt cản, tính theo thuyết cánh có tỉ lệ góc mạn nhỏ ($C_L(x) = \frac{1}{2} \pi AR \sin\beta(x)$);
  • Lực cản nhớt (Drag, $D$): Trượt dọc mặt cản, tính theo công thức ma sát tấm phẳng ITTC-1957 kết hợp hệ số hình dáng $k$ và độ nhám $k_s$;
  • Vận tốc dài và vận tốc góc ($p, q, r$) được quy đổi thành vận tốc dài cục bộ trên mạn và đáy tàu, sau đó tích phân lực dọc theo chiều dài tàu để thu được 3 thành phần lực cản ($X, Y, Z$) và 3 thành phần mô men cản ($K, M, N$).

4. Luận án đã kiểm chứng mô hình toán trên những tàu mẫu nào và bằng các bài thử nghiệm gì?

Mô hình toán học được kiểm chứng qua 3 tàu mẫu:

  • Tàu Motora: Kiểm chứng việc khai triển đường sườn bằng phép biến đổi Lewis và so sánh 36 thành phần ma trận khối lượng nước kèm $m_{ij}$ với số liệu thực nghiệm bể thử;
  • Tàu Triple-E (container 18.000 TEU): Kiểm chứng khai triển hình học vỏ tàu 3D và tính toán ma trận $M_A$;
  • Tàu Genting Dream (tàu khách): Kiểm chứng toàn diện mô hình mô phỏng chuyển động qua 3 bài thử điều động đối chiếu trực tiếp với hồ sơ thử tàu thực tế: nghiệm pháp dừng quán tính (Coasting), nghiệm pháp quay trở khi bẻ lái phải $15^\circ$, và nghiệm pháp điều động dạt ngang bằng chân vịt mũi.

5. Hệ thống phần mềm mô phỏng của luận án được xây dựng trên nền tảng nào và có các chức năng gì?

Phần mềm mô phỏng được lập trình trên môi trường Matlab, bao gồm các mô đun chức năng:

  • Giải thuật số trị hệ phương trình vi phân chuyển động 6 bậc tự do theo thời gian thực;
  • Bảng điều khiển tích hợp cho phép thao tác nhiều nhóm thiết bị đẩy (chân vịt truyền thống, chân vịt xoay Azimuth, chân vịt Voith Schneider, chân vịt mũi) và bánh lái;
  • Hệ thống giao diện đồ họa hiển thị vết chuyển động của tàu, trạng thái lắc góc (roll, pitch, yaw), chuyển động 6DOF và đồ thị biến thiên của các thông số động học theo thời gian.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Đỗ Thành Sen đã xây dựng thành công mô hình toán học giải tích chuyển động tàu thủy trên 6 bậc tự do, giải quyết trọn vẹn việc hàm hóa ma trận khối lượng nước kèm 36 thành phần, ma trận lực cản phi tuyến ở góc dạt lớn và mô hình tổng hợp lực đa thiết bị đẩy. Kết quả nghiên cứu được lập trình thành phần mềm mô phỏng thời gian thực trên Matlab và kiểm chứng chính xác qua số liệu thực nghiệm của các tàu mẫu Motora, Triple-E và Genting Dream. Công trình có giá trị khoa học và thực tiễn cao, cung cấp công cụ phục vụ nâng cấp hệ thống mô phỏng buồng lái hàng hải và nghiên cứu điều động tàu.