Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "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 thực hiện bởi nghiên cứu sinh Vũ Tài Tú, chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9 52 02 03), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Quang Hùng và GS.TS Chu Anh Mỳ tại Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Bộ Quốc phòng (bảo vệ năm 2023).

Về tính cấp thiết, Việt Nam sở hữu đường bờ biển dài trên 3.260 km, giữ vị trí địa bàn chiến lược trọng yếu về quốc phòng và an ninh. Nhằm đáp ứng yêu cầu tác chiến trên biển, nhiều chương trình khoa học và công nghệ đã triển khai nghiên cứu, chế tạo và cải tiến các loại vũ khí trang bị kỹ thuật lắp đặt trên tàu quân sự, bao gồm: pháo 37 mm hai nòng đặt trên tàu Hải quân, pháo 25 mm trên tàu Cảnh sát biển, đạn pháo Hải quân ĐPST 630, cụm thân pháo AK630 và đạn nhiễu ĐN-10. Khi hoạt động trên biển, chuyển động và tương tác của sóng biển tạo ra các dao động phức tạp theo 6 bậc tự do, làm suy giảm độ ổn định, độ chính xác và hiệu quả khai thác của các tổ hợp vũ khí, khí tài. Việc thử nghiệm, hiệu chỉnh trang thiết bị đòi hỏi số liệu thống kê ở nhiều điều kiện biển, cấp sóng, vận tốc tàu và góc tới của sóng khác nhau. Tuy nhiên, việc thực hiện toàn bộ các phép thử nghiệm trực tiếp trên biển (sea trial) gặp trở ngại lớn do chi phí kinh tế rất cao và điều kiện khí tượng phức tạp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là: Các phương pháp mô phỏng dao động truyền thống dựa trên tính toán lý thuyết thuần túy (như sử dụng các phần mềm mô phỏng hàng hải) đòi hỏi phải có đầy đủ mô hình thủy động lực học chi tiết của thân tàu—thông tin thường bị bảo mật hoặc khó tiếp cận đối với các loại tàu quân sự. Ngược lại, phương pháp thực nghiệm mô hình trong bể thử đòi hỏi chi phí đầu tư hạ tầng rất lớn, còn phương pháp đo đạc trực tiếp trên biển cho từng cấp sóng thì tốn kém và khó bao quát mọi kịch bản khai thác. Do đó, yêu cầu đặt ra là phải xây dựng một giải pháp kỹ thuật mô phỏng dao động tàu trên sóng kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, cho phép xác lập mô hình dao động khi không có sẵn mô hình thủy động lực học chi tiết của tàu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là đề xuất 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, phục vụ cho công tác thử nghiệm, hiệu chỉnh vũ khí và khí tài lắp đặt trên tàu quân sự.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể qua 4 nội dung:

  1. Nghiên cứu tổng quan về mô phỏng dao động của tàu trên sóng, phân tích mô hình và đề xuất hướng xây dựng hệ thống mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm phù hợp với điều kiện Việt Nam.
  2. Nghiên cứu xây dựng giải pháp xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng dựa trên phép nội suy từ số liệu đo thực nghiệm trong điều kiện biển thực tế kết hợp với các mô hình lý thuyết về sóng biển và thủy động lực học trong bộ công cụ Marine Systems Simulator (MSS).
  3. Nghiên cứu xây dựng giải pháp đo và hệ thống thiết bị đo để xác định các thông số dao động của tàu trên sóng trong điều kiện thực tế, đảm bảo phân tách các thành phần dao động theo 6 bậc tự do, cung cấp dữ liệu cho phép nội suy.
  4. Nghiên cứu giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng HexaPod 6-DOF, đáp ứng yêu cầu phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng dao động đến hoạt động của trang thiết bị quân sự lắp đặt trên tàu.

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: sự tương tác giữa thân tàu và sóng biển, các thiết bị đo lường chuyên dụng, hệ cơ cấu cơ điện Stewart - Gough Platform (HexaPod), và hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các vấn đề lý thuyết và thực nghiệm nhằm xây dựng hệ thống mô phỏng dao động; đối tượng thử nghiệm thực tế trên biển là tàu HQ285 tại vùng biển Việt Nam.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong Chương 1 của luận án hệ thống hóa tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba hướng chính:

Hướng thứ nhất: Phát triển công cụ phần mềm phân tích và mô phỏng dao động tàu.

  • Bộ công cụ Marine Systems Simulator (MSS) được phát triển từ năm 2004 tại Đại học Khoa học và Công nghệ Na Uy (NTNU) trên nền tảng Matlab/Simulink, tích hợp từ Marine GNC Toolbox, MCSim và DCMV; cung cấp các mô hình toán học giải quyết bài toán động lực học hàng hải và thiết kế điều khiển.
  • Bộ phần mềm Motions của Bentley Communities (MAXSURF Motions, MOSES Motions, SACS Motions) ứng dụng lý thuyết dải và phương pháp bảng (6-DOF Panel Method) để tính toán toán tử đáp ứng biên độ (RAO) cho 6 bậc tự do, tính toán lực bức xạ, nhiễu xạ và lực trôi dạt.
  • Phần mềm ShipMo3D do công ty DSA Ocean phát triển từ năm 2005 (phiên bản 4.3 hỗ trợ giao diện đồ họa và xuất định dạng ProteusDS) dùng để mô phỏng chuyển động tàu trong nước tĩnh và nước có sóng.
  • Các công trình xây dựng mô hình toán bổ trợ: Øyvind N. Smogeli và cộng sự tại NTNU (2005) đề xuất mô hình không gian trạng thái phi tuyến giảm bậc cho lực bức xạ trên nền MSS; Min-Guk Seo và cộng sự tại Đại học Quốc gia Seoul (2011) tích hợp bài toán đi biển WISH và mô hình cơ động MMG; Kristian Koskinen tại Thụy Điển (2012) xây dựng mô hình hợp nhất phi tuyến trên Matlab; Karl J. Schoop-Zipfel tại Đức (2016) giải phương trình chuyển động phụ thuộc tần số trong miền tần số và chuyển động tần số bằng không trong miền thời gian.

Hướng thứ hai: Phát triển ứng dụng mô hình mô phỏng và hệ tạo dao động vật lý.

  • David Leonardo Lencastre Sicuro tại Học viện Hải quân Hoa Kỳ (2003) xây dựng buồng lái ảo 3D tích hợp năm mô hình môi trường biển và sử dụng kỹ thuật nội suy tuyến tính để giảm tải tính toán.
  • Ba Huang và cộng sự tại Học viện Công nghệ Cáp Nhĩ Tân (2009) mô phỏng dao động tàu chở dầu/LNG dựa trên phổ hướng và lý thuyết SeaKeeper.
  • Shyh-Kuang Ueng, David Lin và Chieh-Hong Liu tại Đại học Hải dương Quốc gia Đài Loan (2014) phát triển hệ thống mô phỏng thời gian thực 6 bậc tự do dựa trên lưới tọa độ mặt biển.
  • Edwar Y. tại Viện Khoa học Indonesia (2017) kết hợp hộp công cụ MSS với hệ cơ cấu Stewart 6-DOF và thiết bị đo quán tính (IMU) để tái tạo dao động của tàu, chỉ ra rằng khi trạng thái biển phức tạp thì sai số mô phỏng gia tăng.

Hướng thứ ba: Các nghiên cứu xác định tham số dao động và sai số so với thực nghiệm.

  • Masami Hamamoto và Taizau Akiyoshi (1988) dùng giả thuyết Froude-Krylov và lý thuyết tàu thon để tính chuyển động lắc ngang (roll), lắc dọc (pitch) và đảo lái (yaw), ghi nhận sai lệch dưới 6% so với bể thử.
  • Nakos D. (1991) dùng phương pháp Rankine Panel tính chuyển động pitch và heave cho tàu hàng Series 60, cho sai lệch trên 10% so với bể thử.
  • O. Faltinsen và R. Zhao (1991) ứng dụng lý thuyết dòng thế cho tàu cao tốc, sai lệch đạt từ 3% đến 7%.
  • J. Brian Roberts và Julian F. Dunne (1992) nghiên cứu lắc ngang trên sóng ngẫu nhiên, sai lệch dưới 5%.
  • Gabriele Bulian và Alberto Francescutto (2004) tính toán chuyển động roll trên sóng điều hòa và không điều hòa, sai lệch từ 2% đến 6%.
  • David G. Wilson, Frederick Stern (2005), Robert V. Carrica, Fred Stern (2006) và Pablo M. Wilson (2007) dùng phương pháp URANS tính dao động tàu chiến DTMB của Hoa Kỳ, sai lệch từ 3% đến 7%.
  • Jørgen Juncher Jensen và cộng sự (2004) sử dụng phương pháp bán thực nghiệm tính pitch và heave, sai lệch dưới 10%.
  • Zhao X., Xu Roger và Kwan Chiman (2004) dùng phương pháp phân tích thành phần nhỏ (MCA) để ước tính 6 thông số dao động tàu.
  • Marcelo A.S. Neves và Claudio A. Rodriguez (2006) tính toán pitch, heave, roll trên sóng tới, sai lệch từ 4% đến 7%.

Tình hình nghiên cứu trong nước:

  • Trần Gia Thái (2014) kết hợp Autoship và mô-đun AQWA của ANSYS để phân tích CFD chuyển động tàu hàng trên sóng điều hòa.
  • Đỗ Thành Sen và Trần Cảnh Vinh (2016) đề xuất mô hình toán học tổng hợp lực phục vụ tính toán chuyển động tàu.
  • Đoàn Hữu Khánh và nhóm tác giả Đại học Hàng hải Việt Nam (2017) mô hình hóa chuyển động tàu 6-DOF tương tác với bánh lái, sóng gió và hải lưu trên nền tảng Unity3D.
  • Đào Quang Thủy (2012) đo đạc và phân tích sóng ngẫu nhiên trong bể thử phục vụ bài toán điều khiển tốc độ tàu.
  • Lê Tiến Dũng (2013) tính toán dao động lắc dọc, lắc ngang và thẳng đứng của tàu trên sóng điều hòa nhằm đánh giá động lực học pháo 37 mm hai nòng, nhưng chưa đối chứng với thử nghiệm thực tế trên biển.

Vị trí của luận án: Luận án giải quyết khoảng trống giữa phương pháp tính toán lý thuyết thuần túy (đòi hỏi biết trước mô hình vỏ tàu) và phương pháp đo đạc thực nghiệm toàn phần (chi phí quá lớn). Luận án đề xuất quy trình thu thập dữ liệu dao động thực tế của tàu trên biển ở một điều kiện cụ thể, dùng phép nội suy toán học để xác định mô hình thủy động lực học tàu "hợp lý", sau đó tích hợp vào bộ công cụ MSS để ngoại suy mô phỏng cho các cấp sóng tiêu chuẩn khác trên hệ thử nghiệm HexaPod 6-DOF.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng ba hệ quy chiếu chuẩn trong cơ học hàng hải để mô tả trạng thái chuyển động và tương tác lực của tàu:

  1. Hệ quy chiếu cố định gắn trên bờ $O_n X_n Y_n Z_n$ ($n$-frame): Trục $O X_n$ hướng về phía Bắc, $O Y_n$ hướng về phía Đông, $O Z_n$ hướng thẳng đứng xuống tâm Trái Đất; dùng để xác định vị trí địa lý, góc hướng hành trình của tàu cũng như hướng gió và dòng chảy.
  2. Hệ quy chiếu gắn cố định trên tàu $O_b X_b Y_b Z_b$ ($b$-frame): Chuyển động cùng với tàu. Gốc tọa độ $O_b$ đặt tại điểm $CO$ (giao điểm giữa mặt phẳng sườn giữa với mặt phẳng đường nước thiết kế). Trong hệ này xác định các điểm đặc trưng: trọng tâm tàu ($CG$), tâm nổi ($CB$) và tâm diện tích đường nước ($CF$). Các cảm biến gia tốc và vận tốc góc đo đạc tín hiệu trực tiếp trên hệ tọa độ này.
  3. Hệ quy chiếu đi biển $O_h X_h Y_h Z_h$ ($h$-frame): Di động cùng với vận tốc tịnh tiến trung bình của tàu nhưng giữ trạng thái cố định so với vị trí cân bằng tĩnh; dùng để tính toán các tương tác thủy động lực học và sóng biển bậc nhất, bậc hai.

Quan hệ chuyển động 6 bậc tự do (6-DOF) của tàu thủy được thể hiện trong bảng sau:

DOF Tên thành phần dao động Vị trí và góc Euler Lực và mô-men Vận tốc dài và vận tốc góc
1 Tịnh tiến dọc (Surge) $x$ $X$ $u$
2 Tịnh tiến ngang (Sway) $y$ $Y$ $v$
3 Tịnh tiến đứng (Heave) $z$ $Z$ $w$
4 Lắc ngang / Chòng chành mạn (Roll) $\phi$ $K$ $p$
5 Lắc dọc / Chòng chành sống chính (Pitch) $\theta$ $M$ $q$
6 Đảo lái / Chòng chành đảo lái (Yaw) $\psi$ $N$ $r$

Phương trình tổng quát mô tả chuyển động của tàu trên sóng dựa trên phương trình Euler - Lagrange được biểu diễn theo dạng ma trận: $$M_{RB} \dot{\nu} + C_{RB}(\nu)\nu = \tau_{RB}$$

Khi xét đầy đủ các thành phần tương tác thủy động lực học, phương trình chuyển động trong hệ $b$-frame có dạng: $$M \dot{\nu} + C(\nu)\nu + D(\nu)\nu_r + g(\eta) + \mu = \tau + \tau_w$$ Trong đó:

  • $M = M_{RB} + M_A$: Tổng ma trận quán tính của thân tàu $M_{RB}$ và ma trận khối lượng nước bổ sung $M_A$. Với tàu quân sự, ma trận $M_A$ chứa các hệ số gia số khối lượng theo các trục chính: $X_{\dot{u}}, Y_{\dot{v}}, Y_{\dot{r}}, N_{\dot{v}}, N_{\dot{r}}$.
  • $C(\nu) = C_{RB}(\nu) + C_A(\nu)$: Ma trận lực Corolis và hướng tâm của tàu cùng lượng nước kèm.
  • $D(\nu)$: Ma trận hệ số giảm chấn thủy động lực học.
  • $g(\eta)$: Véc-tơ lực và mô-men hồi phục thủy tĩnh, phụ thuộc vào diện tích đường nước $A_{wp}$, chiều cao tâm nghiêng ngang $GM_T$, chiều cao tâm nghiêng dọc $GM_L$, thể tích chiếm nước $\nabla$ và khối lượng riêng của nước $\rho$. Đối với góc lắc nhỏ của tàu quân sự, phương trình tuyến tính hóa có dạng $g(\eta) \approx G\eta$.
  • $\tau_w$: Nhiễu lực do môi trường biển, bao gồm lực sóng bậc nhất $W_1^$ (tuyến tính với chiều cao sóng) và lực sóng bậc hai $W_2^$ (thành phần phi tuyến gây dạt trôi thân tàu).
  • Mô hình sóng: Sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính và phổ sóng tiêu chuẩn JONSWAP với chiều cao sóng đáng kể $H_s = 4\text{ m}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ:

  • Thu thập dữ liệu thực tế: Sử dụng cụm cảm biến dao động chuyên dụng IB6 kết hợp bộ thu thập và phân tích dữ liệu đa kênh DEWE3020 gắn trên tàu HQ285 trong điều kiện hành trình trên biển thực tế.
  • Xử lý và tính toán mô phỏng: Sử dụng bộ công cụ MSS trên môi trường Matlab/Simulink để thực hiện thuật toán nội suy tham số thủy động lực học từ dữ liệu thực đo.
  • Mô phỏng cơ điện vật lý: Thiết kế hệ HexaPod 6-DOF (dạng cơ cấu Stewart - Gough Platform) điều khiển bằng bộ điều khiển NI myRIO-1900, kết hợp vi điều khiển Arduino UNO, cảm biến quán tính MPU6050 và lập trình thuật toán điều khiển PID trên LabVIEW.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về mô phỏng dao động của tàu thủy trên sóng và hướng nghiên cứu của luận án

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về dao động của tàu thủy trên sóng theo 6 bậc tự do (Surge, Sway, Heave, Roll, Pitch, Yaw) và các nguồn lực tác động từ môi trường biển. Tác giả phân tích hai phương pháp mô phỏng dao động hiện có: buồng lái thực tế ảo phục vụ đào tạo lái tàu và hệ tạo dao động giả lập cơ điện phục vụ đánh giá trang thiết bị kỹ thuật. Văn bản phân tích cấu trúc hệ thống mô phỏng truyền thống gồm: phân hệ phần mềm (các mô-đun thủy động lực học tàu, mô hình sóng biển, bộ xác lập tín hiệu) và phân hệ phần cứng (khối điều khiển, bàn rung Stewart - Gough Platform).

Chương 1 chỉ ra giới hạn của phương pháp lý thuyết khi thiếu dữ liệu thủy động lực học chi tiết của vỏ tàu, cũng như sự tốn kém của phương pháp bể thử và thử nghiệm trực tiếp ngoài biển. Từ đó, tác giả đề xuất mô hình cấu trúc hệ thống mô phỏng kết hợp lý thuyết và thực nghiệm: bổ sung hệ thống đo tham số dao động thực tế trên biển, dùng thuật toán nội suy để xây dựng mô hình thủy động lực học "hợp lý", sau đó tích hợp vào mô-đun phần mềm để tạo tín hiệu điều khiển hệ bàn rung HexaPod 6-DOF.

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

Chương 2 trình bày cơ sở toán học và thuật toán xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu. Tác giả phân tích đặc tính của sóng biển qua các hàm phân bố xác suất chiều cao sóng, các thông số tích phân/vi phân của phổ sóng không điều hòa và lựa chọn phổ sóng tiêu chuẩn JONSWAP (với thông số chiều cao sóng đáng kể $H_s = 4\text{ m}$) làm mô hình sóng kích động đầu vào.

Dựa trên nguyên lý xếp chồng dao động và nguyên lý xếp chồng lực trong hệ quy chiếu đi biển ($h$-frame), tác giả thiết lập quy trình giải bài toán ngược: từ bộ số liệu chuyển động đo đạc thực nghiệm trên tàu HQ285 ở một trạng thái biển thực tế, áp dụng thuật toán nội suy để hiệu chỉnh và xác định các hệ số trong ma trận quán tính bổ sung $M_A$ và ma trận cản $D(\nu)$, qua đó thiết lập mô hình thủy động lực học tàu "hợp lý". Mô hình này sau đó được tích hợp vào bộ công cụ MSS trong Matlab/Simulink để tính toán, tái tạo tín hiệu dao động của tàu tại mọi cấp sóng và hướng sóng tiêu chuẩn mà không cần phải thực hiện lại các phép đo ngoài biển.

Chương 3: Xây dựng giải pháp đo thực nghiệm xác định tham số dao động của tàu trên sóng

Chương 3 tập trung xây dựng cấu hình phần cứng và quy trình đo đạc thực nghiệm thông số dao động tàu. Tác giả xác định các tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ đo: dải đo biên độ, dải tần số làm việc của dao động tàu, khả năng phân tách độc lập 6 thành phần dao động trong hệ quy chiếu $b$-frame. Cấu hình hệ đo bao gồm:

  • Cảm biến đo dao động IB6: thiết bị chuyên dụng đo chuyển động góc và gia tốc dài.
  • Thiết bị thu thập và phân tích dữ liệu đa kênh DEWE3020: đóng vai trò khối thu nhận tín hiệu tương tự/số tốc độ cao, xử lý lọc nhiễu sơ bộ và lưu trữ dữ liệu thời gian thực.

Tác giả trình bày quy trình chuẩn bị và thực hiện đo thử nghiệm trên tàu HQ285 tại tọa độ xác định ở vùng biển Việt Nam (vĩ độ $20^\circ\text{N}$). Quá trình đo được tiến hành tại các chế độ vận hành: các góc truyền sóng tới $\beta_w = 45^\circ$ (sóng chéo đón), $\beta_w = 90^\circ$ (sóng mạn), $\beta_w = 135^\circ$ (sóng chéo đuôi). Kết quả đo đạc thực nghiệm các thành phần dao động lắc ngang ($\phi$), lắc dọc ($\theta$) và tịnh tiến đứng ($z$) được so sánh trực tiếp với kết quả tính toán từ mô hình lý thuyết, cho thấy sự tương thích về pha và biên độ dao động, chứng minh tính đúng đắn của dữ liệu đo làm đầu vào cho phép nội suy.

Chương 4: Giải pháp thiết kế hệ tạo dao động giả lập trên nền tảng HexaPod 6-DOF

Chương 4 giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ vật lý tạo dao động giả lập trong phòng thí nghiệm. Tác giả thiết lập phương trình động học thuận và động học ngược cho cơ cấu HexaPod 6 bậc tự do dựa trên nền tảng Stewart - Gough Platform, xác định tọa độ các khớp cầu nối giữa bàn đế tĩnh và bàn gá động thông qua các góc quay Euler.

Về cấu trúc phần cứng và điều khiển:

  • Cơ cấu chấp hành gồm 6 chân xy-lanh truyền động động cơ một chiều (DC).
  • Khối điều khiển trung tâm sử dụng Kit NI myRIO-1900 kết nối với máy tính điều khiển qua giao tiếp I/O.
  • Tầng đo lường phản hồi vị trí và tư thế sử dụng vi điều khiển Arduino UNO giao tiếp qua chuẩn I2C với cảm biến đo góc nghiêng và gia tốc MPU6050 (tích hợp bộ xử lý chuyển động số DMP).
  • Thuật toán điều khiển: Lập trình bộ điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân (PID) trong không gian thao tác trên môi trường LabVIEW, thực hiện vòng lặp đọc tín hiệu cảm biến, lọc dữ liệu số, tính toán sai lệch quỹ đạo và phát tín hiệu điều khiển độ dài 6 chân xy-lanh.

Tác giả đánh giá khả năng mô phỏng của hệ thống qua hai nội dung:

  1. Đánh giá sai lệch quỹ đạo: So sánh giữa quỹ đạo thiết lập và quỹ đạo chuyển động thực tế của từng chân trong 6 chân xy-lanh qua hai kịch bản mô phỏng, ghi nhận mức độ sai lệch nhỏ, các chân bám sát tín hiệu đặt.
  2. Kiểm nghiệm dao động vật lý trên bàn gá động: Tái tạo các kịch bản sóng biển gồm sóng cấp 3 (hướng sóng $180^\circ$), sóng cấp 5 (hướng sóng $180^\circ$), sóng cấp 7 (hướng sóng $180^\circ$) và sóng cấp 3 (hướng sóng $45^\circ$). Kết quả đo đạc đáp ứng chuyển động trên bàn gá động chứng minh hệ thống tái lập được các chuyển động lắc dọc, lắc ngang và tịnh tiến đứng tương ứng với điều kiện sóng biển đặt ra.

Kết quả và những đóng góp mới

Theo công bố của tác giả trong văn bản luận án, các kết quả và đóng góp mới bao gồm:

Về mặt khoa học và lý luận:

  • Bổ sung vào lĩnh vực mô phỏng dao động tàu thủy phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm. Phương pháp này giải quyết được bài toán xác lập mô hình tín hiệu dao động 6 bậc tự do thông qua phép nội suy từ bộ số liệu thực nghiệm đo được trên tàu trong điều kiện biển thực tế kết hợp với mô hình sóng biển (phổ JONSWAP) và công cụ tính toán thủy động lực học trong bộ công cụ Marine Systems Simulator (MSS).
  • Thiết lập quy trình toán học phân tách và tái hợp các thành phần lực sóng bậc nhất, lực trôi dạt bậc hai và mô-men phục hồi mà không phụ thuộc vào việc phải có trước bản vẽ thiết kế vỏ tàu chi tiết.

Về mặt thực tiễn và kỹ thuật:

  • Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động tàu trên sóng khả thi trong điều kiện kỹ thuật của Việt Nam, tiết kiệm chi phí đầu tư so với việc xây dựng bể thử quy mô lớn hoặc tổ chức đo đạc thực nghiệm kéo dài ngoài biển.
  • Chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh hệ đo đạc thông số dao động tàu chuyên dụng (sử dụng cảm biến IB6, thiết bị DEWE3020) và hệ tạo dao động vật lý giả lập HexaPod 6-DOF (sử dụng NI myRIO-1900, Arduino UNO, cảm biến MPU6050 và phần mềm LabVIEW điều khiển PID).
  • Tạo tiền đề kỹ thuật trực tiếp phục vụ công tác kiểm tra, thử nghiệm, đánh giá và hiệu chỉnh các tổ hợp pháo hải quân (pháo 37 mm, pháo 25 mm, pháo AK630) và các hệ thống khí tài quang điện tử, đạn nhiễu lắp đặt trên tàu chiến trong điều kiện phòng thí nghiệm.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất:

  • Áp dụng hệ thống mô phỏng kết hợp vào quy trình đánh giá chất lượng hoạt động của vũ khí trước khi tiến hành bắn đạn thật trên biển nhằm giảm thiểu rủi ro và chi phí khai thác.
  • Tiếp tục hoàn thiện mô-đun phần mềm nội suy để tích hợp thêm các yếu tố phi tuyến của sóng biển khi tàu hoạt động ở các cấp sóng lớn hơn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản luận án nêu rõ các giới hạn kỹ thuật trong phạm vi nghiên cứu:

  • Giả thiết động lực học bỏ qua ảnh hưởng của lực gió và lực dòng hải lưu, chỉ tập trung xem xét thành phần lực kích động do sóng biển tác động lên vỏ tàu.
  • Mô hình tuyến tính hóa giả định biên độ dao động lắc ngang (roll) và lắc dọc (pitch) của tàu ở mức độ nhỏ ($\Theta_{sb} \approx 0$). Khi trạng thái biển động rất mạnh (sóng cấp cao, hiệu ứng phi tuyến lớn), độ chính xác của phép nội suy tuyến tính có xu hướng giảm.
  • Số liệu đo đạc thực nghiệm mới chỉ thực hiện trên một mẫu tàu quân sự cụ thể (tàu HQ285) tại một khu vực tọa độ trên vùng biển Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả định hướng:

  • Mở rộng thuật toán nội suy cho các trường hợp tàu cơ động với vận tốc cao và góc lắc lớn, bổ sung mô hình tác động tương hỗ của gió và dòng chảy.
  • Nâng cấp công suất tải trọng và đáp ứng tần số của hệ cơ cấu HexaPod 6-DOF để có thể thử nghiệm trực tiếp các cụm vũ khí, khí tài có khối lượng lớn hơn trong điều kiện giả lập sóng cấp cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo kỹ thuật trong các lĩnh vực:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật điện tử, Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật tàu thủy và Vũ khí hải quân: Cung cấp phương pháp luận mô hình hóa hệ thống động lực học phức tạp, thuật toán điều khiển động học ngược cho cơ cấu Stewart - Gough Platform và phương pháp xử lý tín hiệu đo lường 6-DOF.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế tại các viện nghiên cứu và nhà máy đóng tàu quân sự: Cung cấp giải pháp kỹ thuật xây dựng bàn thử nghiệm dao động giả lập phục vụ kiểm tra độ bền cơ học và độ ổn định bám bắt mục tiêu của các hệ thống ngắm bắn quang điện tử, radar và bệ pháo tàu.
  • Đối với các cơ quan quản lý kỹ thuật thuộc quân chủng Hải quân và Cảnh sát biển: Hỗ trợ cơ sở khoa học để xây dựng quy chuẩn đánh giá, thử nghiệm trang thiết bị kỹ thuật đặt trên tàu trong điều kiện mô phỏng phòng thí nghiệm trước khi trang bị thực tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết bài toán gì khi không thể tiếp cận mô hình thủy động lực học chi tiết của tàu?
Luận án giải quyết bài toán này bằng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm: tiến hành đo đạc thực nghiệm dao động của tàu trong điều kiện biển thực tế ở một thời điểm, sau đó dùng thuật toán nội suy toán học để xác định mô hình thủy động lực học tàu "hợp lý" (các ma trận khối lượng bổ sung và hệ số cản) dựa trên bộ công cụ Marine Systems Simulator (MSS). Mô hình "hợp lý" này được dùng để ngoại suy dao động của tàu ở các cấp sóng và hướng sóng tiêu chuẩn khác.

2. Hệ đo tham số dao động thực nghiệm trên biển gồm những thiết bị chính nào?
Hệ đo được xây dựng gồm cụm cảm biến dao động chuyên dụng IB6 (đo vận tốc góc và gia tốc dài) kết hợp với thiết bị thu thập, phân tích dữ liệu đa kênh DEWE3020, được lắp đặt trên tàu HQ285 để thu thập các thành phần chuyển động theo 6 bậc tự do tại vùng biển thử nghiệm.

3. Hệ tạo dao động giả lập trong phòng thí nghiệm được cấu thành từ những phần cứng nào?
Hệ tạo dao động giả lập được xây dựng trên nền tảng HexaPod 6-DOF (cơ cấu Stewart - Gough Platform) gồm 6 chân xy-lanh động cơ DC, khối điều khiển NI myRIO-1900 kết nối máy tính, vi điều khiển Arduino UNO giao tiếp qua I2C với cảm biến MPU6050, được điều khiển bằng thuật toán PID lập trình trên nền tảng LabVIEW.

4. Dữ liệu thực nghiệm trên biển được đo ở các góc tới của sóng nào và đối chứng những thành phần dao động nào?
Dữ liệu thực nghiệm trên tàu HQ285 được thu thập ở ba hướng sóng tới gồm: sóng chéo $\beta_w = 45^\circ$, sóng mạn $\beta_w = 90^\circ$ và sóng chéo đuôi $\beta_w = 135^\circ$. Các thành phần dao động được đối chứng giữa đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết gồm: dao động lắc ngang (roll), dao động lắc dọc (pitch) và dao động tịnh tiến đứng (heave).

5. Cơ sở để bỏ qua tác động của gió và dòng hải lưu trong mô hình toán học của luận án là gì?
Theo lý thuyết chuyển động tàu quân sự được tác giả viện dẫn, tàu quân sự thường được thiết kế tối ưu hình dáng khí động học và thủy động học nhằm giảm thiểu lực cản; trong các điều kiện biển thử nghiệm thông thường, lực kích động do sóng biển là thành phần chiếm ưu thế chủ đạo tác động trực tiếp lên dao động thân tàu, do đó lực gió và dòng hải lưu được giả thiết là nhỏ và có thể bỏ qua trong bài toán xác lập mô hình tín hiệu.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Tài Tú đã hoàn thành việc đề xuất và kiểm chứng giải pháp xây dựng hệ thống mô phỏng dao động tàu thủy trên sóng biển theo phương thức kết hợp tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm. Công trình đã làm chủ quy trình xác lập mô hình tín hiệu dao động từ dữ liệu biển thực tế trên tàu HQ285 thông qua bộ công cụ MSS, đồng thời chế tạo thành công hệ thử nghiệm cơ điện HexaPod 6-DOF điều khiển bằng LabVIEW và NI myRIO-1900. Kết quả nghiên cứu đáp ứng yêu cầu kỹ thuật thử nghiệm và hiệu chỉnh các hệ thống vũ khí, khí tài quân sự trên tàu trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Việt Nam.