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

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC . iii

DANH MỤC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . v

DANH MỤC CÁC BẢNG . vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . viii

MỞ ĐẦU . 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG DAO ĐỘNG CỦA TÀU

THỦY TRÊN SÓNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN . 7

1.1. Mô hình cấu trúc và phương pháp mô phỏng dao động của tàu trên

sóng . 7

1.2 Tác động của sóng biển đến dao động của tàu, khả năng đo đạc và phân

tách các thành phần dao động của tàu trên sóng . 16

1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mô phỏng dao động của

tàu trên sóng . 27

1.4 Hướng nghiên cứu của luận án . 37

1.5 Kết luận Chương 1 . 41

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 . 42

2.1. 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 . 42

2.2. 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 . 47

2.3. 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” . 57

2.4. Kết luận Chương 2 . 67

Chương 3 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH

iv

THAM SỐ DAO ĐỘNG CỦA TÀU TRÊN SÓNG . 69

3.1. Yêu cầu đối với hệ đo tham số dao động của tàu trên sóng . 69

3.2. Xây dựng hệ đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng . 70

3.3. Đo thực nghiệm dao động của tàu trong điều kiện biển thực tế . 77

3.4. Kết luận Chương 3 . 86

Chương 4 GIẢI PHÁP THIẾT KẾ HỆ TẠO DAO ĐỘNG GIẢ LẬP

TRÊN NỀN TẢNG HEXAPOD 6-DOF . 87

4.1. Thiết lập phương trình chuyển động cho hệ HexaPod 6-DOF . 87

4.2. Thiết kế hệ vật lý tạo dao động giả lập trên nền tảng HexaPod . 101

4.3. Đánh giá khả năng mô phỏng của hệ tạo dao động giả lập xây dựng

trên nền tảng HexaPod . 115

4.4. Kết luận Chương 4 . 126

KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN . 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA NCS. 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 132

 

pdf152 trang | Chia sẻ: vietdoc2 | Ngày: 28/11/2023 | Lượt xem: 205 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ược bằng phương pháp tính toán số học (trên mô-đun phần mềm - bộ tích hợp số) từ tệp số liệu đo được từ thực nghiệm của dao động thật trên tàu. Mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” được đề xuất bởi luận án cho phép thực hiện tất cả các giải pháp mô phỏng dao động của tàu trên sóng giống như trường hợp đã biết mô hình thủy động lực học của tàu. 2.1.2. Đặc tính của dao động trên tàu trong không gian tín hiệu và khả năng thực hiện phép nội suy mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý”: Đặc tính dao động của tàu trong không gian tín hiệu là một trong những thông số quan trọng cho việc xây dựng mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Theo [22], [24], dao động của tàu trên sóng là tổng hợp của các thành phần dao động được hình thành do các lực và mô-men tác động lên thân tàu, được phân tích và biểu diễn toán học theo các hệ quy chiếu cụ thể. Trong đó, một số thành phần lực và mô-men phụ thuộc tuyến tính với độ cao sóng, song một số khác phụ thuộc phi tuyến tính vào độ cao sóng. Do vậy, tín hiệu dao động của tàu trên sóng có đặc tính “cộng”. Trên cơ sở đó ta có thể xây dựng mô hình toán học theo các phương pháp và lý thuyết khác nhau dựa trên nguyên lý xếp chồng lực thay vì nguyên lý xếp chồng dao động tần số thấp trong phân tích và tính toán cho từng thành phần riêng biệt. 44 Theo đó, các phương trình chuyển động của tàu trên sóng gắn với lực thủy động tác động lên thân tàu có tần số khác không thì được giải trên miền tần số. Còn các phương trình chuyển động gắn với các lực thủy động tần số bằng 0 được giải trong miền thời gian. Ngoài ra, có thể sử dụng mô hình chuyển động phi tuyến tính trong miền thời gian WISH và phương pháp bảng B-spline Rankine [17], [27] để xác định các dao động của tàu trên sóng. Các lực giảm chấn được tích hợp vào hàm biến đổi chậm hoặc được thêm trực tiếp vào các phương trình chuyển động trong miền thời gian. Ngoài ra, có thể sử dụng mô hình chuyển động phi tuyến tính trong miền thời gian WISH và phương pháp bảng B-spline Rankine. Trong đó, WISH được mở rộng và tích hợp các bài toán đi biển (chuyển động an toàn trên biển có sóng) và điều động tàu (chuyển động trên biển lặng). Lực trôi dạt do sóng dạng bậc 2 được tính toán bằng phương pháp tích hợp áp suất trực tiếp và mô hình MMG được kết hợp với mô hình đi biển. Điều đó có nghĩa rằng, tín hiệu đo dao động của tàu trên sóng có thể được xác lập dựa vào đặc tính “cộng” trong cả miền tần số và miền thời gian. Trong thực tế, việc xác định trọng tâm của tàu khi không biết tường minh mô hình thủy động lực học của tàu từ nhà thiết kế là vô cùng khó khăn. Ngay cả khi có xác định được trọng tâm của tàu thì việc triển khai thực hiện phép đo tham số dao động của tàu tại vị trí này cũng không thực hiện được. Bởi vì nó có thể là một điểm nào đó trong không gian của tàu hoặc nó bị chiếm chỗ bởi các trang thiết bị lắp đặt trên tàu. Tương tự như vậy, các vị trí cần khảo sát ảnh hưởng của dao động (vị trí lắp đặt vũ khí, trang thiết bị quân sự) cũng không dễ thực hiện được phép đo đạc thực nghiệm tại đây. Bởi vậy, vị trí mà có thể thực hiện phép đo tham số dao động của tàu thường không phải là vị trí cần khảo sát ảnh hưởng của dao động. Chính vì vậy, ta cần thiết phải thực hiện phép chuyển đổi tọa độ trong không gian tín hiệu. Hay nói cách khác, tín hiệu dao động của tàu trên sóng cần được xét trong mối liên hệ không gian. 45 Giả sử, 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: - Tọa độ trọng tâm tàu G( b b bx y z ); - Tọa độ điểm đo thực nghiệm D( d d dx y z ) với các góc Ơle d , d , d ; - Tọa độ nơi lắp đặt vũ khí V( v v vx y z ) với các góc Ơle v , v , v . Giả sử rằng, ta thực hiện phép đo tham số dao động của tàu tại điểm D với toạ độ (xi, yi, zi), và vị trí của điểm đo trong hệ không gian có dạng trên biểu thức (2.1):  Tiiiiiidi den  ,,,,,η (2.1) Khi đó, ta xác định được ma trận η tại vị trí trọng tâm G của tàu như sau: dii ηTη . (2.2) Hình 2.1. Mô hình liên kết không gian tọa độ của các điểm trên tàu. Dựa trên ma trận tại vị trí trọng tâm G ta hoàn toàn có thể xác định được ma trận tại một vị trí bất kỳ. Do đó, ma trận ηv tại vị trí lắp đặt vũ khí (điểm V trên Hình 2.1) được thể hiện trên biểu thức (2.3) ηTηηTη .. 1 VVVV (2.3) Trong đó, Ti là ma trận chuyển đổi tại tọa độ của điểm D (xi, yi, zi) 46 trong hệ quy chiếu định tâm G (xb, yb, zb), có thể được xác định theo (2.4): i i ii z i y i x i x y z T R R R T( ). ( ). ( ).    (2.4) với   i i i i z i cos sin 0 0 sin cos 0 0 ; 0 0 1 0 0 0 0 1                R   i i y i i i cos 0 sin 0 0 1 0 0 sin 0 cos 0 0 0 0 1                R   i ix i i i 1 0 0 0 0 cos sin 0 ; 0 sin cos 0 0 0 0 1 R                i i i i i x y z i 1 0 0 x 0 1 0 y 0 0 1 z 0 0 0 1             T . (2.5) 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. Ngoài ra, cũng chính từ đặc tính không gian của dao động cơ học, tùy theo chức năng của tàu mà khi thiết kế thân vỏ người ta đã tính toán thiết kế sao cho có thể hạn chế được những tác động của một số thành phần lực và mô-men gây ra những dao động không mong muốn đến mức có thể, nhằm đảm bảo các chỉ tiêu kỹ thuật đặc thù. Đối với tàu quân sự việc tính toán thiết kế đã được tối ưu hóa nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của lực gió và lực hay mô-men do dòng hải lưu đến mức có thể bỏ qua. Do vậy, để đơn giản trong tính toán mà không làm mất đi tính phổ quát, trong mô hình mô phỏng tín hiệu của tàu trên sóng đề xuất ta cũng giả định ảnh hưởng của lực gió và lực hay mô-men do dòng hải lưu là 47 không đáng kể và có thể bỏ qua. Khi đó, bài toán triết tách thành phần dao động gây ra từ thủy động lực học của tàu có thể đồng nhất và đưa về bài toán xử lý thông tin tín hiệu trên nền nhiễu. Tuy nhiên, do tính đặc thù của sóng biển cũng như tác động của nó nên việc xử lý thông tin tín hiệu cần phải có những giải pháp và cách thức đặc biệt, như: lý thuyết dải, phương pháp bảng cũng như mô hình trạng thái phi tuyến hoặc tích hợp 2 thang thời gian,...Từ đó, ta hoàn toàn có thể trích xuất được thành phần dao động do lực sóng bằng phép cộng tuyến tính của các dao động được triết tách từ số liệu đo thực nghiệm với các dao động của tàu do lực sóng bằng các mô-đun tính toán hay bộ công cụ có sẵn của phần mềm chuyên dụng như MSS hay MOTIONS,... Sau khi tách thành phần dao động do lực sóng ta có thể xem thành phần còn lại là thành phần dao động gây ra bởi mô hình thủy động lực của tàu ứng với lực điều động xác định. Do mô hình sóng có tính thống kê và việc xác định mô hình thủy động lực học tàu trong trường hợp này chỉ với một độ chính xác nhất định nên gọi là mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý”. 2.2. 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 nay, có ba mô hình sóng biển phổ biến được khuyên nghị bởi các nhà thủy động lực học [12] và Hiệp hội bể thử thế giới (ITTC - The International Towing Tank Conference) [48], [57], [58] như sau: - Mô hình sóng điều hòa (regular waves); - Mô hình sóng không điều hòa (irregular waves); - Mô hình sóng ngẫu nhiên (random waves). 2.2.1. Mô hình sóng điều hòa Mô hình sóng điều hòa là mô hình truyền thống và đơn giản nhất khi mô hình hóa sóng biển. Và sóng được biểu diễn dưới dạng hàm số sau [24]: 48  ( , ) sin  x t r t kx (2.6) trong đó: r – biên độ sóng; ω = 2π/τ – tần số góc; k = 2π/λ – số sóng (số lượng chiều dài bước sóng, được đặt tại đoạn 2π mét); - chiều dài bước sóng;  - chu kỳ sóng. Đỉnh sóng chuyển động dọc theo trục Ox với vận tốc c, khi đó: c k      (2.7) Sóng điều hòa không tồn tại trong tự nhiên, và đây chỉ là một trong những mô hình toán có thể có của sóng biển. Hình 2.2. Các yếu tố của sóng tuyến tính. 2.2.2. Mô hình sóng không điều hòa: Sóng không điều hòa được tạo lên do sự thất thường của từng cơn gió và sự thay đổi hướng gió. Về mặt lý thuyết, sóng không điều hòa có thể xem là sự kết hợp tuyến tính của các sóng điều hòa có chiều cao, tần số và phương lan truyền sóng khác nhau. Do vậy, trong nghiên cứu của luận án sóng không điều hòa được mô hình hóa bằng một tín hiệu điều hòa đa thành phần. Luận án tập trung nghiên cứu mô phỏng các sóng không điều hòa hai chiều và ba chiều. Sóng không điều hòa hai chiều là sóng có một vài hướng sóng chính và đỉnh sóng có sự kéo dài. Sóng không điều hòa ba chiều có thể hiểu là sự kết hợp của tập hợp các sóng đơn giản, các sóng điều hòa chính tắc với biên độ, tần số và hướng lan truyền khác nhau (Hình 2.5). 49 Do hầu hết các thông số của sóng không điều hòa thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian, nên khi mô tả nó người ta thường áp dụng phương pháp xác suất - thống kê. Để làm được điều này thì các thông số của sóng sẽ được đo đạc một cách có hệ thống và xử lý theo trình tự như sau: đầu tiên được xác định là chiều cao sóng, kế tiếp xác định tham số ngẫu nhiên của sóng (ví dụ: Tần suất, xác suất phân bố, giá trị trung bình, phương sai) dựa trên chiều cao sóng. Giả sử, ta đo được chiều cao của n con sóng dựa vào máy đo sóng. Các giá trị chiều cao h có thể được nhóm lại thành một nhóm (Hình 2.3): 1 1i i ih h h h     (2.8) trong đó: i – số đoạn. Hình 2.3. Sự lặp lại và mật độ xác suất chiều cao sóng. Tần suất, xuất hiện của sóng có chiều cao hi, được biểu diễn như sau: 100%ii nf n   (2.9) trong đó: ni – số sóng trong nhóm i. Mật độ xác suất chiều cao sóng hi: ii fp h   (2.10) Xác suất để chiều cao sóng không lớn hơn giá trị của chiều cao sóng 50 tiêu chuẩn - h0: 0 0 0 ( ) ( ) h P h h p h dh   (2.11) Nếu cận trên của tích phân thay đổi, khi đó ta sẽ thu được hàm tích phân phân bố chiều cao sóng (Hình 2.4): F(h) = P(h ≤ hi). Hàm mật độ xác suất của chiều cao sóng nhận được từ việc lấy vi phân của hàm phân bố: ( )( ) dF hp h dh  (2.12) Xác suất để chiều cao sóng lớn hơn giá trị h0, được gọi là mức đảm bảo chiều cao sóng: 0 0( ) ( ); ( ) 1 ( )Q h P h h Q h F h    (2.13) Hình 2.4. Các thông số vi phân và tích phân của sự phân bố chiều cao sóng. Hầu hết định luật mô tả sự phân bố có thể được áp dụng đối với tần số sóng, chiều dài bước sóng, chu kỳ sóng và các thông số ngẫu nhiên khác. Giá trị trung bình của đại lượng ngẫu nhiên h: max 0 ( ) h tbh p h hdh  (2.14) 51 Phương sai tương ứng với chiều cao sóng trung bình: max 2 0 ( )( ) h h tbD p h h h dh  (2.15) Độ lệch bình phương nhỏ nhất: h hD  (2.16) Sóng phát triển có tính chất dừng. Điều này có nghĩa là các thông số xác suất của nó có được trên cơ sở lựa chọn một lượng đủ lớn các sóng (khoảng 1000 sóng). Trên thực tế chúng là như nhau đối với các vị trí và thời gian đo khác nhau. Do vậy người ta thường sử dụng các công thức tổng quát về mức đảm bảo chiều cao sóng và mức đảm bảo chu kỳ sóng (tương ứng với các tham số không thứ nguyên / tbh h h ). Trong đó, Mức đảm bảo chiều cao sóng (định luật Rayleigh): 2 00.25 0( ) hQ h e  (2.17) và mức đảm bảo chu kỳ sóng: 2 /3 00.25 0( )Q e   (2.18) Trong các tính toán người ta sử dụng các giá trị chiều cao sóng (σz – độ lệch chuẩn cao độ sóng) [24]: 3% 5, 29 zh  – chiều cao sóng với mức đảm bảo 3%; 1/3 4 zh  – chiều cao trung bình của 1/3 các con sóng lớn nhất; 2 2,5tb z zh    – chiều cao sóng trung bình; 2m zh  – chiều cao sóng có xác suất lớn nhất (Hình 2.4). Phổ sóng có một vai trò rất quan trọng trong việc xây dựng mô hình tạo tín hiệu dao động của tàu trên sóng. Trong nội dung khuôn khổ của luận án, NCS trình bày một số phổ sóng thông dụng, sẽ được sử dụng trong việc tính toán mô phỏng trong chương 3 và chương 4. 52 a – sóng hai chiều; b – sóng ba chiều Hình 2.5. Mô hình phổ sóng không điều hòa. Theo chuỗi Fourier sóng điều hòa 2 chiều được xem như tổ hợp tuyến tính của rất nhiều các dao động điều hòa với biên độ và tần số khác nhau. 1 ( , ) sin(k )w n n n n z x t r x t     (2.19) Do chiều dài sóng gió rất nhỏ so với kích thước của mặt biển, nên có thể bỏ qua thành phần dao động bậc thấp. Khi đó, phổ tần của sóng hai chiều là những vạch phổ phân bố dày đặc. Ngoài ra, khi xét đến sai số ngẫu nhiên các thông số của sóng, phổ tần số có thể được coi là liên tục, và ta có thể chuyển chúng sang tích phân Fourier: 2 ( , ) ( )sin         wz x t r x t dg (2.20) Năng lượng của sóng không điều hòa thường được xếp chồng bởi năng lượng của các sóng điều hòa thành phần. Dưới góc độ thủy động lực học của sóng ta biết rằng năng lượng của sóng trên một đơn vị chiều rộng của nó là: 21 1 2  E gr (2.21) 53 Khi đó mật độ năng lượng (năng lượng trên một đơn vị diện tích) của sóng bao gồm tập hợp các sóng điều hòa sẽ là: 2 1 2 nn e g r  (2.22) Trên miền tần số liên tục, mật độ năng lượng của sóng được biểu diễn như sau: ( )       re g S d gD (2.23) ở đây: Dr – phương sai của biên độ sóng; 2 1( ) ( ) 2 S r  – phổ mật độ sóng hay phổ năng lượng. Ngoài ra, hàm này còn được gọi là phổ tần số sóng hay phổ sóng, đặc trưng cho sự phân bố năng lượng sóng theo tần số (Hình 2.6). Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hình dáng của phổ sóng như: sức gió và thời gian thổi, chiều dài xuất phát của sóng, độ sâu, hình dáng đường bờ biển, dòng chảy, .v.v. Hình 2.6. Phổ sóng. Để tính toán dao động của tàu trên sóng, người ta thường áp dụng các phổ tổng quát tiêu chuẩn, ví dụ: Phổ II của Hội nghị bể thử quốc tế về độ bền tàu (II IPSC); Phổ 12 của Hiệp hội bể thử quốc tế (12 ITTC); Phổ JONSWAP. Các 54 hướng dẫn sử dụng các phổ trên được trình bày trong các tài liệu [9], [56].  Phổ Pierson - Moskowitz (PM) Phổ sóng được tính theo công thức sau [9]: 4 2 4 55 5( ) exp 16 4PM s p p S H                  (2.24) ở đây: 2 / p pT - tần số góc cực đại; Hs – chiều cao sóng đáng kể; ( )PMS  - phổ Pierson - Moskowitz.  Phổ JONSWAP (JW) Phổ JONSWAP ứng dụng cho vùng biển gần bờ, chế độ sóng đang phát triển. Đây là phổ được ITTC khuyến nghị sử dụng. Phổ JONSWAP được biểu diễn qua biểu thức toán học sau [9]: 2 exp 0.5 ( ) ( ) p p J PMS A S                   (2.25) trong đó: ( )PMS  - phổ Pierson - Moskowitz;  - tham số tính đến hình dáng đỉnh của phổ;  - tham số tính đến độ rộng của phổ ( a  khi p  , b  khi p  );   ln287,01A . Các giá trị trung bình của phổ JONSWAP có được dựa trên các số liệu thực nghiệm như sau: 3,3 ; 07,0a ; 09,0b . Với 1  , phổ JONSWAP chính là phổ Pierson - Moskowitz. Phổ JONSWAP được coi là một phổ hợp lý đối với dải chu kỳ và chiều cao sóng nằm trong dải: 56,3  sp HT (2.26) trong đó: Tp – chu kỳ sóng cực đại, s; Hs[m]– chiều cao sóng đáng kể. Ảnh hưởng của γ đến hình dáng đỉnh của phổ được biểu diễn trên Hình 2.7. Từ hình 2.7 ta thấy khi hệ số γ càng tăng thì mức năng lượng của phổ tín hiệu cũng tăng theo trong khí đó độ rộng thu hẹp lại. Nghĩa là khi γ tăng thì mức 55 độ tập trung năng lượng cũng tăng theo. Hình 2.7. Phổ JONSWAP đối với Hs = 4.0 m, TP = 8.0 s,  = 1,  = 2,  = 5.  Phổ ITTC sử dụng hai tham số Công thức phổ ITTC hai tham số có dạng như sau: 2 5 4 4 173 691( ) expsITTC HS T f T f        , (2.27) trong đó: Hs - chiều cao sóng đáng kể, T- chu kỳ sóng, f - tần số sóng. 2.2.3. Mô hình sóng ngẫu nhiên: Sóng ngẫu nhiên cũng giống như sóng không điều hòa, đó là hình dạng sóng bề mặt ( , , )x y t là một quá trình ngẫu nhiên. Mô hình sóng ngẫu nhiên gồm 2 mô hình: mô hình sóng ngẫu nhiên tuyến tính và mô hình sóng ngẫu nhiên phi tuyến [9], [18], [28], [30]. Mô hình sóng ngẫu nhiên tuyến tính là tổ hợp của nhiều các con sóng điều hòa nhỏ có biên độ, chu kỳ khác nhau và phương truyền sóng khác nhau. Các pha của chúng là ngẫu nhiên so với nhau, được biểu diễn bởi công thức [10]: 1 ( ) cos( ) N n n n n t a t      (2.28) trong đó: ( )t - tập hợp của n con sóng điều hòa, an - biên độ của các sóng điều hòa thành phần, (2 / )n n T  - chu kỳ của các con sóng; n - pha ngẫu 56 nhiên nằm trong dải từ 0 đến 2. Mô hình sóng ngẫu nhiên phi tuyến là mô hình sóng có tính đến tương tác của các sóng điều hòa thành phần với các tần số khác nhau [10], [9]. 2.2.4. Mô hình sóng biển trong MSS và trong bài toán xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng: Trong thực tế, sóng biển có dạng không điều hòa, và để tính toán được dao động của tàu trên sóng thì cần phải mô hình hóa gần đúng hình dạng của sóng. Mô hình sóng biển trong MSS được mô tả thông qua hàm phổ sóng ( , ) ( ) ( )S S D    , ở đây phổ tần số ( )S  mô tả sự phân bố năng lượng sóng ứng với từng tần số sóng đơn lẻ khác nhau và hàm ( )D  mô tả sự phân bố năng lượng sóng theo hướng lan truyền sóng trong hệ quy chiếu h-frame. Và trạng thái biển tổng quát được biểu diễn thông qua các tham số sóng, bao gồm: biên độ sóng  j , tần số sóng  j , phương lan truyền sóng  j và pha ngẫu nhiên  j . Trong bài toán xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng mà ta đang xét, phép nội suy mô hình thủy động lực học tàu “hợp lý” được thực hiện dựa trên đặc tính “cộng” của dao động trên tàu. Phép nội suy chính là sự xếp chồng thêm thành phần dao động được tạo nên từ mô hình sóng lý thuyết với mong muốn thực hiện phép bù trừ thành phần dao động gây ra do sóng biển thực tế đã hàm chứa trong số liệu đo đạc thực nghiệm. Việc sử dụng mô hình sóng lý thuyết này chính là yếu tố lý thuyết của bài toán xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng mà luận án đề xuất. Từ phân tích trên cho thấy, việc sử dụng mô hình sóng biển được mô tả thông qua phổ sóng ( , ) ( ) ( )S S D    như trong MSS cũng là phương án thuận lợi và hợp lý nhất ở bài toán này. Và việc sử dụng các mô-đun mô hình sóng biển của MSS đang được dùng phổ biến hiện nay vào bài toán này cũng 57 là sự lựa chọn tối ưu. Điều này không phải chỉ vì nó đã có sẵn mà còn cho phép thực hiện các phép kiểm tra, so sánh và đánh giá các phép mô phỏng trong bài toán mô phỏng dao động của tàu trên sóng mà luận án đang xét. 2.3. 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: Cơ sở khoa học của phép nội suy toán học mô hình thủy động lực học tàu xuất phát từ đặc tính “cộng” các dao động của tàu trên sóng. Theo đó, dao động của tàu trên sóng là sự kết hợp tuyến tính của các dao động, mà các dao động này được gây ra bởi các lực và mô men tác động lên thân tàu, trong đó có tác động của lực sóng. Dựa trên các tham số hành trình, tham số sóng đã biết và mô hình sóng lý thuyết nhận được từ phần mềm MSS ta có thể xác định được thành phần dao động của tàu gây ra do lực sóng. Bằng cách kết hợp các thành phần dao động của tàu thu được từ mô hình lý thuyết với thành phần dao động đo được trong thực nghiệm thì thành phần dao động tương ứng với mô hình động lực học tàu hợp lý do lực điều động tàu được trích xuất. Các thành phần dao động của tàu do lực sóng của mô hình tàu giả lập phải thỏa mãn điều kiện độ sai lệch giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm là tối thiểu. Để thỏa mãn điều kiện tối ưu này một hệ thống kiểm soát khép kín được thực hiện. Hình 2.8 biểu diễn sơ đồ diễn giải hoạt động của hệ thống mô phỏng dao động của tàu trên sóng theo phương pháp kết hợp. 58 Hình 2.8. Sơ đồ diễn giải phép nội suy. Để xây dựng hệ thống tạo dao động giả lập thì ta cần phải xác định được các dao động của tàu trên sóng từ thực nghiệm và lý thuyết. 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. Thuật toán 3 giai đoạn đề xuất bởi luận án có thể được tóm lược như sau: Giai đoạn 1: Thực hiện phép đo thực nghiệm trên tàu ở điều kiện biển thực tế. Bằng việc lựa chọn phương pháp đo hợp lý và sử dụng thiết bị đo thích hợp ta tiến hành các phép đo thực nghiệm. Các phép đo này được thực hiện tại một hay một số vị trí cụ thể trên tàu thực ở điều kiện biển thực tế dựa trên phép đo của cảm biến vi cơ điện tử (MEMS). Hình 2.9 diễn giải phép đo Tọa độ khảo sát Mô hình sóng biển Chuyển tọa độ định tâm Tạo dao động HexaPod 6-DOF Khối điều khiển Xác lập tín hiệu dao động của tàu Đo xác định tham số dao động Xác lập thủy động lực học tàu “hợp lý” Số liệu đo thực nghiệm  J*T Mô hình ngoại lực Mô hình lực gió Mô hình lực sóng 1 Mô hình lực sóng 2 Giảm chấn phi tuyến Mô hình bức xạ Phương trình chuyển động của tàu Lực hồi phục HS P W2 W1 Dao động của tàu Gió Sóng Wind 1 Dòng hải lưu   d r J* c Lực đẩy * 59 trên thực nghiệm (Hình chữ nhật màu nâu). Hình 2.9. Sơ đồ diễn giải hoạt động khi thực hiện phép đo thực nghiệm. Trong đó, mô-đun đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng phải được thiết kế nhỏ gọn và đảm bảo khả năng hoạt động độc lập khi thực nghiệm trên biển. Mô-đun này phải đáp ứng được các yêu cầu về số tham số dao động của tàu, và có phương thức biểu diễn số liệu đo thực nghiệm phù hợp với yêu cầu của các phép xử lý tính toán tiếp theo. Số điểm đo và số lượng phép đo tại mỗi điểm có thể lựa chọn tùy theo yêu cầu về độ chính xác. Giai đoạn 2: Dựa trên dao động đo được từ thực nghiệm trong giai đoạn 1, NCS tiến hành mô phỏng trên máy tính trong phòng thí nghiệm. Khi này, số liệu về các dao động đo được từ mô-đun đo xác định tham số dao động của tàu trên sóng trong giai đoạn 1 chính là tham số đầu vào của hệ thống mô phỏng. Hình 2.10 diễn giải hoạt động của hệ thống khi thực hiện chế độ mô phỏng từ số liệu thực nghiệm. Mô hình thủy động lực học tàu Mô hình sóng biển Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ cần khảo sát Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ định tâm Xác định thủy động lực học tàu “hợp lý” Mô hình sóng biển Tham số môi trường Tạo dao động vật lý giả lập HexaPod 6-DOF DUT Tham số điều động Tọa độ cần khảo sát Mô hình thủy động lực học tàu “có sẵn” 60 Hình 2.10. Sơ đồ diễn giải hoạt động khi mô phỏng từ số liệu thực nghiệm. Tọa độ không gian của các điểm đo dao động trong thực nghiệm được nhập thủ công vào phần mềm mô phỏng. Tại đây, mô-đun xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng sẽ thực hiện 2 bài toán cơ bản: - Bài toàn 1: Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ định tâm. Bài toán này sẽ tiến hành khôi phục tín hiệu dao động tại tọa độ đo thực nghiệm theo phương trình 2.1.  TD den  ,,,,,η (2.1) Tín hiệu dao động tại tọa độ định tâm (tại vị trí trọng tâm G của tàu) được xác định thông qua biểu thức 2.2: DηTη  (2.2) - Bài toán 2: Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ mong muốn dựa trên phần mềm mô phỏng. Bài toán này thực hiện xác định tín hiệu dao động Mô hình thủy động lực học tàu Mô hình sóng biển Xác lập mô hình tín hiệu dao động của tàu trên sóng Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ cần khảo sát Xác lập tín hiệu dao động tại tọa độ định tâm Xác định thủy động lực học tàu “hợp lý” Mô hình sóng biển Tham số môi trường Tạo dao động vật lý giả lập HexaPod 6-DOF DUT Tham số điều động Tọa độ cần khảo sát Mô hình thủy động lực học tàu “có sẵn” 61 của tàu tại vị trí mong muốn phục vụ cho bài toán xây dựng hệ thống dao động giả lập của tàu trên sóng. Ứng dụng các phép chuyển đổi tọa độ ứng với chính tọa độ đo thực nghiệm theo các biểu thức từ 2.3 đến 2.5, NCS hoàn toàn có thể xác định được tín hiệu dao động của tàu: 1TN  η T η (2.3)       xyzxyz TRRRT   (2.4)                 1000 0100 00cossin 00sincos   zR ;                 1000 0cos0sin 0010 0sin0cos   yR ;                 1000 0cossin0 0sincos0 0001  xR ;

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_xac_dinh_tham_so_dao_dong_cua_tau_thuy_hoat_dong_tro.pdf
  • pdfQĐ cấp Viện NCS Vũ Tài Tú.pdf
  • docThongTin KetLuanMoi LuanAn NCS VuTaiTu.doc.doc
  • pdfTomTat LuanAn NCS VuTaiTu_TiengAnh.pdf.pdf
  • pdfTomTat LuanAn NCS VuTaiTu_TiengViet.pdf.pdf
  • docTrichYeu LuanAn NCS VuTaiTu.doc.doc
Tài liệu liên quan