Ứng dụng phần mềm thiết kế tàu cá vỏ gỗ trên địa bàn tỉnh Nghệ An

1. Đặt vấn đề

Phần mềm thiết kế tàu cá là phần mềm có tính năng giúp các con tàu đóng ra có được mẫu mã đẹp, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy phạm đóng tàu của Nhà nước quy định. Tuy nhiên, một thực tế hiện nay là những tàu đánh bắt thuỷ sản ở nước ta nói chung và tỉnh Nghệ An nói riêng đều thuộc loại tàu nhỏ, do các ngư dân tự liên hệ để đóng nên hầu như không có thiết kế kỹ thuật, mà chủ yếu đóng theo kinh nghiệm và mẫu dân gian truyền thống của từng địa phương. Hồ sơ thiết kế hoàn công tàu chỉ được tiến hành lập trong khi đóng hoặc sau khi đóng xong. Do đó, đường hình thường được xây dựng trên cơ sở đo đạc và vẽ lại mẫu tàu đã đóng. Trong thời gian gần đây, khi mà các cơ quan quản lý nhà nước yêu cầu các tàu nghề cá đóng mới phải có hồ sơ thiết kế kỹ thuật thì quá trình thiết kế đường hình của loại tàu này nói chung thường cũng chỉ dừng lại ở việc vẽ đường hình theo các mẫu tàu có sẵn bằng phần mềm thông dụng Autocad và thực hiện tính toán tính năng tàu theo chương trình do một số nhà thiết kế tàu tự viết, chủ yếu dựa vào các phương pháp tính truyền thống. Điều đó gây nên nhiều vấn đề phức tạp trong công tác quản lý kỹ thuật và ảnh hưởng xấu đến sự an toàn và hiệu quả khai thác tàu cá.

Đóng tàu cá vỏ gỗ là nghề truyền thống ở nhiều địa phương ven biển của tỉnh Nghệ An. Hiện nay, hoạt động khai thác thuỷ sản trên địa bàn tỉnh phát triển mạnh, nhiều ngư dân đã đầu tư đóng mới tàu khai thác xa bờ nên nghề này có điều kiện phát triển hơn. Bài toán thiết kế đường hình tàu phù hợp với các yêu cầu thực tế đa dạng của tàu nghề cá nhằm định hình mẫu tàu chuẩn cho địa phương là vấn đề có ý nghĩa quan trọng, đang được cơ quan quản lý nước ta quan tâm. 

2. Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng phương pháp và thuật toán tự động hoá thiết kế tối ưu đường hình, bắt đầu từ khâu xác định đặc điểm hình học, vẽ đường hình, tính toán tính năng đáp ứng yêu cầu thực tế đa dạng và phong phú của tàu nghề cá Việt Nam.

Viết phần mềm thiết kế tối ưu đường hình mẫu tàu cá Việt Nam, sử dụng đơn giản, nhanh chóng, trực quan nhằm hướng tới người dùng là các cơ sở đóng tàu gỗ ở các địa phương.

Khảo sát thực tế để xây dựng nhiệm vụ thư (NVT) thiết kế đáp ứng yêu cầu tàu cá hiện nay và vẽ lại đường hình các mẫu tàu dân gian điển hình từng địa phương.

Xây dựng phương pháp và thuật toán tính tối ưu đặc điểm hình học tàu đáp ứng các yêu cầu nhiệm vụ thư thiết kế và các yêu cầu của hàm mục tiêu đặt ra.

Xây dựng phương pháp và thuật toán vẽ đường hình đáp ứng đặc điểm hình học tối ưu đã chọn và phù hợp mẫu dân gian của từng địa phương.

Nghiên cứu thuật toán tự động hoá tính toán tính năng hàng hải của tàu.

3. Các vấn đề cần giải quyết của phần mềm

3.1. Đặc điểm nhiệm vụ thư thiết kế tàu cá Việt Nam

Khảo sát thực tế nhận thấy, ngoài các nội dung quy định, cần bổ sung thêm các nội dung cần thiết trong NVT khi thiết kế tàu cá nước ta để đáp ứng yêu cầu về ngư trường, kiểu dáng, tính năng, khả năng đóng theo mẫu dân gian...

Các kích thước chính:Theo đề nghị của ngư dân hoặc bị hạn chế bởi các điều kiện về ngư trường khai thác, luồng lạch, bãi đậu…

Hệ động lực:Yêu cầu về công suất máy chính hoặc tốc độ tàu.

Mẫu tàu:Yêu cầu theo mẫu địa phương để phù hợp với ngư trường đánh bắt, thói quen, ý thích, khả năng thi công tàu vỏ gỗ…

Hàm mục tiêu:Yêu cầu về tính năng tàu thiết kế, do chủ tàu hay người thiết kế đưa ra để lựa chọn tối ưu đặc điểm hình học tàu như trọng tải hay sức chở, tốc độ hay công suất máy, các đại lượng đặc trưng tính năng như chiều cao tâm ổn định ho, chu kỳ lắc T...

3.2. Thuật toán tính tối ưu đặc điểm hình học tàu

Đặc điểm hình học là các đặc trưng kích thước và hình dáng hình học tàu gồm các kích thước chính L, B, H, T, các tỷ số kích thước L/B, B/H, H/T và các hệ số hình dáng a, b, d.

Đặc điểm hình học là cơ sở để xác định các tính năng và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tàu nên việc tính chính xác, hợp lý các đại lượng này có vai trò và ý nghĩa quan trọng. Về nguyên tắc, các đặc điểm hình học tối ưu của tàu thiết kế được xác định trên cơ sở hai yêu cầu chính:

- Đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong NVT

- Đảm bảo các tính năng tàu tốt nhất và đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tiên tiến

Có nhiều phương pháp nhưng chỉ cho phép tính gần đúng và không chủ động đáp ứng yêu cầu của NVT khi thiết kế tàu.

Phần mềm sử dụng thuật toán, tạm gọi là thuật toán so sánh các phương án, xây dựng trên cơ sở:

+ Thiết lập tất cả các phương án phối hợp các đặc điểm hình học có thể xảy ra đối với loại tàu thiết kế.

+ Tính toán tính năng và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật các phương án vừa xây dựng.

+ So sánh các phương án để chọn phương án tàu hợp lý nhất theo hàm mục tiêu đặt ra.

Tóm tắt trình tự:

- Xác định phạm vi thay đổi đặc điểm hình học của loại tàu thiết kế

(L/B)min ≤ L/B ≤ (L/B)max

amin    ≤ a ≤ amax        

(B/H)min ≤ B/H ≤ (B/H)max                     

bmin   ≤ b ≤ bmax

(H/T)min ≤ H/T ≤ (H/T)max                      

dmin    ≤ d ≤ dmax         

- Lập tất cả phương án đặc điểm hình học có thể xảy ra đối với tàu thiết kế bằng cách thay đổi giá trị của từng đặc điểm hình học với gia số (hay bước nhảy) nhất định Di trong giới hạn của chúng. 

Phương án 1: (L/B)min, (B/H)min, (H/T)min, amin, dmin

Phương án 2: (L/B)min + Di, (B/H)min, (H/T)min, amin, dmin...

Phương án n: (L/B)max, (B/H)max, (H/T)max, amax, dmax

- Tính tính năng và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật ứng với từng phương án đặc điểm hình học đã có: Dùng các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật tiên tiến làm hàm mục tiêu để chọn phương án tàu hợp lý nhất trong tất cả phương án tàu đã tính.

- Xây dựng các hàm mục tiêu:

+ Hàm mục tiêu về trọng tải:

Chọn phương án có trọng tải D lớn nhất (d lớn) trong các phương án có cùng tốc độ V với giá trịd nhỏ hơn giá trị giới hạn dgh xác định nhằm hạn chế việc tăng sức cản hay công suất máy quá mức.

+ Hàm mục tiêu về tốc độ:

Chọn phương án có tốc độ V lớn nhất trong các phương án có cùng trọng tải D và nhỏ hơn giá trị giới hạn Vgh xác định nhằm hạn chế việc tăng sức cản hay công suất máy quá mức.

+ Hàm mục tiêu về chu kỳ lắc:

Chọn phương án tàu lắc êm nhất trên cơ sở xác định tỷ số B/H đảm bảo chu kỳ lắc tàu nằm trong phạm vi 4 đến 6 giây (hoặc người sử dụng tự cho giá trị chu kỳ lắc nếu muốn).

3.3. Thuật toán vẽ đường hình theo mô hình 3D

Vẽ đường hình tàu mẫu:

Vẽ đường hình thực tế 2D mẫu tàu cá điển hình từng địa  phương

Nhập toạ độ vào chương trình để vẽ đường hình tàu mẫu 2D này nhằm lấy hình dáng bên ngoài cho tàu thiết kế để đáp ứng yêu cầu phù hợp mẫu dân gian, vật liệu gỗ, thói quen và khả năng thi công.

- Trình tự thuật toán vẽ đường hình 3D:

Dùng thuật toán và công cụ có trong CAD để tạo và phủ mặt cong phức tạp lên các đường lưới vừa vẽ để tạo mô hình 3D dạng khối mặt (surfaces). 

3.4. Vẽ đường hình tàu thiết kế 

Đường hình tàu thiết kế sẽ được vẽ theo đường hình 3D của tàu mẫu bằng cách điều chỉnh mô hình 3D tàu mẫuđến các thông số hình học cần thiết của tàu thiết kế theo trình tự

Dùng cách vẽ đồng dạng với các tỷ lệ đồng dạng kích thước để chuyển mô hình tàu mẫu 3D về các kích thước của tàu thiết kế.

Dùng ngôn ngữ lập trình LISP có trong các chương trình CAD phân tích thông tin mô hình khối mặt 3D tàu ở mớn nước đã cho để tínhđặc tính hình học của mô hình khối mặt biểu diễn bề mặt vỏ tàu như diện tích MĐN, thể tích phần chìm, toạ độ tâm nổi..., cơ sở để tính toán chính xác giá trị các hệ số hình dáng a, d.  

Dùng thuật toán vòng lặp, thuật toán hay dùng trong lập trình với giá trị hệ số hình dáng a, dđã cho trước là điều kiện thoát vòng lặp, để tính và điều chỉnh dần MĐN và MCN của mô hình tàu 3D đã vẽở trên cho đến khi đạt được giá trị hệ số hình dáng a, dđã cho.

Quá trình điều chỉnh bắt đầu từ mô hình tàu 3D đã đồng dạng từ tàu mẫu với giá trị hệ sốa, d đã tính nhờ các lệnh phân tích thông tin khối mặt.

Bằng thuật toán vòng lặp, máy tính sẽ tính toán và điều chỉnh dần toàn bộ bề mặt vỏ tàu, được hiểu như là quá trình nắn đều các bề mặt cong vỏ tàu theo ba chiều trong không gian cho đến vị trí tương ứng giá trịa, dđã cho.

3.5. Tự động hoá thiết kế và vẽ 3D chân vịt

Chân vịt có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc tàu nên tự động hoá thiết kế và chế tạo chân vịt trên máy công nghệ cao là vấn đề có ý nghĩa quan trọng và hiện rất được quan tâm.

Các nội dung cần nghiên cứu:

- Xây dựng thuật toán và viết chương trình tính toán, thiết kế chân vịt.

- Xây dựng thuật toán và viết chương trình vẽ mô hình không gian 3D cánh chân vịt theo các thông số thiết kế. 

- Nghiên cứu chuyển mô hình chân vịt không gian 3D sang các phần mềm CAD/CAM để chế tạo chân vịt trên máy phay công nghệ cao.

4. Kết quả ứng dụng

Phần mềm thiết kế tối ưu đường hình đáp ứng nhu cầu đa dạng tàu cá từ xác định đặc điểm hình học tối ưu, cho đến vẽ đường hình, tính toán các tính năng, tính sức cản và chân vịt theo mô hình 3D được truy xuất sang bản vẽ 2D.

Hiện nay, phần mềm đã được chuyển giao cho một số đơn vị thiết kế tại Nghệ An: Công ty TNHH 1 thành viên đóng tàu thuyền Hải Châu; Hợp tác xã đóng tàu thuyền Trung Kiên; Công ty TNHH công trình thuỷ bộ Xuân Phú và đã được ứng dụng thiết kế tàu cá đạt kết quả tốt. Bên cạnh đó đã xây dựng được 10 bộ mẫu tàu cá truyền thống cho tỉnh Nghệ An và đã được ứng  dụng  trong sản xuất đáp ứng được

nhu cầu, giảm kinh phí cho bà con ngư dân. Kết quả: Công ty TNHH 1 thành viên đóng tàu thuyền Hải Châu thiết kế đóng mới 02 tàu; Hợp tác xã đóng tàu thuyền Trung Kiên thiết kế, đóng mới 07 tàu; Công ty TNHH công trình thuỷ bộ Xuân Phú thiết kế kỹ thuật 10 tàu.

Hướng phát triển trong thời gian tới: Áp dụng cơ sở lý thuyết và thuật toán trong phần mềm để viết phần mềm thiết kế đường hình tối ưu một số loại tàu khác như tàu cao tốc, tàu du lịch, tàu giao thông…; Nghiên cứu thuật toán chuyển mô hình 3D của vật thể từ khối mặt sang khối rắn (solid) để xác định các đặc tính về khối lượng, cơ sởđể giải quyết nhiều bài toán quan trọng khác; Phát triển các ứng dụng trên mô hình 3D bề mặt vỏ tàu và chân vịt để ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích độ bền tổng thể kết cấu thân tàu hoặc độ bền cánh chân vịt nhờ mô hình không gian 3D, bài toán mô phỏng chuyển động của chân vịt./.

Tài liệu tham khảo

1.TS.Phạm Ngọc Hòe, Nghiên cứu thiết kế các loại tàu cá cỡ nhỏ có khả năng hoạt động trên vùng biển Trường Sa-dk1.

2. Hồ Quang Long, Sổ tay thiết kế tàu thủy, Nxb Khoa học và Kỹ thuật.

3. TS.Trần Gia Thái, Lý thuyết tàu thủy, Trường Đại học Nha Trang, lưu hành nội bộ.

4. Trần Công Nghị, Sổ tay thiết kế tàu thủy, Nxb Xây dựng.

5. Trần Công Nghị, Lý thuyết tàu thủy, tập 1, Nxb Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh.

6. Đăng kiểm Việt Nam, (2002), Qui phạm phân cấp và đóng tàu cá biển cỡ nhỏ Việt Nam (TCVN 7111:2002).

7. PGS.TS. Nguyễn Đức Ân, Lý thuyết tàu thuỷ, tập 1, Nxb Giao thông vận tải, Hà Nội, 2004.