Luận văn thạc sĩ Đề tài: Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm bằng vật liệu Composite Trên cơ sở đó, nội dung đề tài gồm các phần sau : Chương 1 : Đặt vấn đề. Chương 2 : Phân tích độ bền kết cấu vỏ tàu Composite. Chương 3 : ứng dụng kết quả nghiên cứu để giải quyết bài toán thực tế. Chương 4 : Thảo luận kết quả nghiên cứu và đề xuất ý kiến.
1 giáo dục đào tạo trường đại học thủ s¶n - ngun quang thÞnh Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm vật liệu Composite luận văn thạc sỹ Chuyên ngành : Cơ Khí Tàu Thuyền Mà số : 2.03.00 Ngêi híng dÉn khoa häc : TS.TrÇn Gia Thái Nha Trang tháng năm 2005 LễỉI CAM ẹOAN Tôi xin cam đoan, công trình nghiên cứu khoa học riêng Các kết nghiên cứu luận văn chưa công bố công trình khác LờI CảM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Thuỷ sản, Phòng Quan hệ Quốc tế Sau đại học, Công ty Công nghiệp Thuỷ sản, Trung tâm nghiên cứu chế tạo tàu cá thiết bị Trường Đại học Thuỷ sản, Chi cục Bảo vệ nguồn lợi Thuỷ sản Bình Thuận đà tạo ®iỊu kiƯn gióp ®ì thêi gian häc tËp vµ thực luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với: - TS Trần Gia Thái, TS Trần Công Nghị người đà tận tình giúp đỡ trực tiếp hướng dẫn khoa học để hoàn thành tốt luận văn - Quý Thầy Cô đà dày công dạy dỗ suốt thời gian học Cao học - Quý Thầy Cô Khoa Cơ khí Trường Đại học Thuỷ sản đà tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trình thực luận văn - LÃnh đạo Chi cục Bảo vệ nguồn lợi Thuỷ sản Bình Thuận, bạn đồng nghiệp bạn đồng môn người đà khuyến khích, động viên giúp đỡ suốt trình thực luận văn LễỉI NOI ĐẦU Trong thờ i gian gần đây, với phát triể n ngành khoa học kỹ thuật, công nghiệ p đóng tàu thuỷ nói chung, công nghiệp ng tàu Composite nói riêng có bước tiến nhảy vọt Riêng nước ta, loại tàu Composite ứ ng dụ ng rộng rãi du lịch, đánh cá, thể thao … nên việc tính toán, thiết kế chế tạo loại tàu quan tâm Là cán đăng kiểm, thường xuyên kiểm tra, giám sát loại tàu vật liệu này, mong muốn thực đề tài liê n quan đến vấn đề Kết nghiê n cứu nhiều hạn chế bước đầu mang lại cho kiến thức cần thiết công việc Một lần nữa, cho xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS.Trần Gia Thái thầy TS.Trần Công Nghị tận tình hướng dẫn với giúp đỡ thầy cô giáo Khoa Cơ khí, Trung tâm nghiê n cứu chế tạo tàu cá thiế t bị Trường Đại học thuỷ sản bạn đồng môn Nhân đây, xin cảm ơn Lãnh đạo Chi cục Bảo vệ nguồn lợi Thuỷ sản Bình Thuận bạn đồng nghiệ p tạo điều kiện giúp đỡ tô i hoàn thành đề tài Qua đây, tô i mong nhận đóng gó p ý kiế n quý thầy cô giáo, bạn đồng nghiệ p quan tâm đến lónh vực để vấn đề nghiê n cứu hoàn thiện Nha Trang, tháng năm 2005 Người thực Nguyễn Quang Thịnh CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong nhữ ng năm gần đây, vật liệu Composite sử dụng phổ biến nước ta để đóng loại tàu nói chung tàu đánh cá nói riêng Do có nhiều ưu điểm nhẹ, bền, có khả chống thấm, chịu nhiệt nước biển nên loại vật liệ u đáp ứ ng tốt yêu cầu độ bền kết cấu thân tàu khai thác Tuy nhiê n, tính theo công thức Quy phạm nên kết cấu đa số tàu Composite nước ta thườ ng có xu hướng dư bền, dẫn đến làm tăng giá thành đóng ảnh hưởng không tốt đến tính tàu Do đó, vấn đề quan tâm toán đánh giá độ bề n kết cấu thân tàu, phần vỏ tàu, phận kết cấu quan trọng có ảnh hưở ng lớn đến trọ ng lượ ng tính hàng hải tàu, với mục đích lựa chọn hợp lý kích thước kết cấu sở đảm bảo độ bền với trọ ng lượng nhỏ So với vật liệ u kim loại dù ng ng tàu có tính đẳng hướng đồ ng nhất, với phương pháp tính toán độ bền kết cấu thân tàu quan tâm nghiê n cứu kỹ, Composite thuộc vật liệ u phi kim loại có tính chất bất đẳng hướng không đồng nê n phương pháp tính độ bền kết cấu tàu nói chung kết cấu vỏ tàu Composite nói riêng có nhiều điểm khác biệt mô hình tính, phương pháp giải, phân bố ứ ng suất v v Đó lý đề xuất đề tài “Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm vật liệu Composite” Kết nghiên cứu đề tài góp phần làm sở để xây dựng phương pháp tính toán đánh giá độ bền kết cấu vỏ loại tàu i chung tàu đánh cá chế tạo vật liệu Composite nói riêng Từ đó, góp phần giải số toán cò n tồ n như: thiế t kế kết cấu hợp lý tàu Composite sở vừa đảm bảo độ bền vừa tiết kiệm vật liệu, bước đầu đánh giá việc áp dụng công thức Quy phạm tính toán kết cấu tàu Composite nước ta v v… 1.2 VẬT LIỆU COMPOSITE Trong phần trình bày nhữ ng vấn đề liên quan đến vật liệu Composite, phương pháp tính Composite tổ ng t, sở để tính vỏ tàu Composite 1.2.1 Khái niệm, phân loại, ưu nhược điểm Khái niệm Vật liệu Composite vật liệu chế tạo từ hai hay nhiều thành phần khác vật liệu tạo thành có đặc tính trộ i đặc tính vật liệu thành phần xé t riêng rẽ Composite gồm hai thành phần giới hạn bở i mặt phân cách riêng biệt Thành phần liên tục Composite gọ i (matrix) Theo quan điểm thông thường, đặc tính cải thiện nhờ phối hợp với thành phần khác để tạo nê n vật liệu Composite Composite có gốm, kim loại Polymer Cơ tính ba loại khác đáng kể Các Polymer : bền môđun đàn hồi thấp; gốm : cứng vững dòn; kim loại : bền môđun đàn hồ i trung tính, có tính dễ kéo sợ i Thành phần thứ hai gọi cố t (reinfort), có tác dụng làm tăng tính cho vật liệ u nề n Thô ng thường, cốt cứng có độ cứng vững cao vật liệu Đặc trưng hình học chất gia cường thông số để xác định tính hiệu vật liệu gia cường Nói cách khác, tính vật liệu Composite hàm hình dáng kích thước sợi vật liệu gia cường Vật liệu gia cường thường dạng sợi hay hạt Phân loại Vật liệu Composite phân loại theo hình dạng theo chất vật liệu thành phần - Theo chất vật liệu thành phần : gồm số dạng sau + Composite kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim Titan) + Composite khoáng (gốm) + Composite Polymer (nhựa, cao su …) - Theo hình dáng vật liệ u cốt Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ theo hướng Dạng hạt gia cường cầu, khố i hay dạng khác Sự xếp hạt gia cường ngẫu nhiên hay theo hướng định trước Đa số vật liệu Composite cốt hạt, hướng hạt ngẫu nhiên Vật liệ u gia cường dạng sợ i đặc trưng bở i tỷ lệ chiều dài sợi diện tích mặt cắt ngang Tuy nhiê n, tỷ số (được gọi tỷ số bề mặt) biến đổi đáng kể Vật liệu Composite có lớp sợ i dài vớ i tỷ số bề mặt cao gọi Composite có sợi gia cường liê n tục, ngược lại Composite sợi không liên tục chế tạo từ sợi ngắn với tỷ số bề mặt thấp Hướ ng thường gặp Composite sợ i liên tục dạng đồng phương hai hướng vuông góc Dạng hạt, sợi hướng xếp thể trê n hình 1.1 Composite cốt hạt Composite cốt sợi không liên tục hướng xếp Composite cốt sợi không liên tục hướng ngẫu nhiên Composite cốt sợi liên tục đồng phương Composite cốt sợi liên tục hai hướng vuông góc Hình 1.1 : Một số dạng cốt thường gặp Composite nhiề u lớp thuậ t ngữ khác Composite cốt sợi Loại thường dạng nhữ ng kết cấu phẳng tạo nê n cách xếp lớp nối tiếp mộ t cách đặc biệt Tấm Composite có từ (4 40) lớ p hướng sợ i thay đổi lớp theo quy luậ t xuyên suốt chiều dày Hiện có vật liệu Composite vớ i nhựa Polymer cốt dạng chất khoáng (cacbon, thủ y tinh …) sử dụng phổ biến (chiếm 90% Composite sử dụ ng giới) Trong kỹ thuật, người ta gọi loại Composite FRP (Fiber Reinforced Plastic) Danh từ vật liệu Composite nói chung thườ ng dùng để loại Do vậy, thực tế nói đến từ “Vật liệu Composite” mà khô ng giải thích thêm, ngầm hiểu vật liệu Composite có nhựa Polymer, cốt chất khoáng Ưu – nhược điểm vật liệu FRP * Ưu điểm - Có khả kết hợp với vật liệ u khác gỗ, thép … để tạo kết cấu vừa đảm bảo chất lượng kỹ thuật, vừa có giá thành thấp - Độ kín nước cao - Dễ thi công sửa chữa, dễ tạo dáng - Rất bền với môi trường biể n, bị ăn mòn điện phân, độ bền học cao - Chi phí bảo dưỡng thấp * Nhược điểm - Giá thành sản phẩm cao - Độ bền va đập - Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào trình độ tay nghề 1.2.2 Vật liệu Composite dùng đóng tàu Vật liệu Composite sử dụ ng phổ biế n ngành đóng tàu Composite với cố t sợi thủ y tinh nhựa Polyester không no, thường gọi GRP (Glassfiber Reinforced Polyester) Vật liệu (nhựa) Hầu hết loại nhựa dù ng Việt nam sử dụng chất gia tốc chất xúc tác với hàm lượng thích hợp khoảng (0,5 2)% Từ đó, hỗn hợ p xảy phản ứng hóa học sinh nhiệt để kích thích phân tử hoạt động liên kết vớ i thành chuỗ i để tạo nê n chất dẻo trạng thái rắn Quá trình phụ thuộc vào hàm lượng chất xúc tác, chất gia tốc, nhiệt độ môi trường khí hậu 10 Sau Polyester tạo ra, nhà sản xuất tiến hành chuyển đổi đặc tính nhựa để phù hợp với ứng dụng riêng biệ t a Nhựa tạo lớp Nhựa tạo lớp loại nhựa kỵ khí, nghóa không đông cứng hoàn toàn môi trườ ng không khí Khi lớp nhựa sau dễ dàng liên kết với lớp nhựa trước Vì loại nhựa thích hợ p gia công công trình lớn tàu thủy Các đặc tính nhựa tạo lớp : - Bền, có khả chống thấm nước - Khả dính kết, có khả kết hợp với loại vật liệu khác - Khả chống phản xạ, tia cực tím thời tiết Để đảm bảo độ cứng nên sử dụng nhựa tạo lớp pha sẵn chất xúc tác chất gia tốc b Nhựa bề mặt Là loại nhựa dù ng để tạo lớp bề mặt sau cù ng Loại thường có chứa sáp hay loại chất có tính tương tự, trình biến ng xảy ra, sáp chảy loãng tráng lên bề mặt lớp mỏng làm cho nhựa đông cứng hoàn toàn Trong thực tế sản xuất người ta thường tạo nhựa bề mặt cách pha paraphin vào nhựa tạo lớp với hàm lượng khoảng 1% Nhựa bề mặt thường cứng nhựa tạo lớp, có khả chịu ăn mòn hóa học chịu tác động môi trường tố t hôn c Gelcoat 156 11 U90 12 Mat d t d t 0.01 0.01 -7.16 -9.48 -6.01 -7.16 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 -273.42 -330.08 -4426.13 -5857.05 -1979.45 -2361.13 -562.87 -747.60 0.00 0.00 0.00 0.00 Bảng 4.5 Giá trị ứng suất biến dạng kết cấu mạn tàu QN2000 với S=500 mm Lớp Mat Mat U0 U90 Mat U0 U90 U0 U90 10 Mat 11 12 U90 13 Mat 14 Maët d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d Giá trị biến dạng (x10-4) 1 2 12 -6.20 -7.27 0.16 -5.00 -5.99 0.13 -5.00 -5.99 0.13 -3.79 -4.70 0.10 -3.79 -4.70 0.10 -3.19 -4.06 0.08 -4.06 -3.19 -0.08 -3.42 -2.59 -0.06 -2.59 -3.42 0.06 -1.38 -2.14 0.03 -1.38 -2.14 0.03 -0.78 -1.50 0.02 -1.50 -0.78 -0.02 -0.86 -0.18 0.00 -0.18 -0.86 0.00 0.42 -0.22 -0.02 -0.22 0.42 0.02 0.42 1.02 0.03 1.02 0.42 -0.03 2.23 1.70 -0.06 2.23 1.7 -0.06 2.83 2.34 -0.08 2.34 2.83 0.08 2.98 3.43 0.10 3.43 2.98 -0.10 4.64 4.26 -0.13 4.64 4.26 -0.13 Giá trị ứng suaát (x103N/m2) 1 2 12 -4413.29 -4985.80 43.39 -3566.64 -4098.07 34.71 -3566.64 -4098.07 34.71 -2720.00 -3210.34 26.03 -2720.00 -3210.34 26.03 -2296.68 -2766.47 21.69 -6089.52 -1250.68 -15.34 -5125.08 -1020.83 -12.28 -1873.36 -2322.61 17.35 -1026.72 -1434.87 8.68 -1026.72 -1434.87 -603.40 -603.40 -991.01 4.34 -2231.75 -331.31 -3.07 -1267.30 -1267.30 0.00 -180.08 -547.14 0.00 243.24 -103.28 -4.34 -302.86 128.38 3.07 661.58 358.22 6.14 666.56 340.59 1513.21 1513.21 1228.32 -17.35 1513.21 1228.32 -17.35 1936.53 1672.19 -21.69 3554.91 1047.74 15.34 4519.35 1277.58 18.41 2359.85 -26.03 -26.03 3206.49 3003.78 -34.71 3206.49 3003.78 -34.71 157 Mat t 5.84 5.54 -0.16 4053.13 3891.51 -43.39 Bảng 4.6 Giá trị biến dạng ứng suất ô kết cấu mạn tàu QN2000 với S=500 mm Lớp Mat Mat U0 U90 Mat U0 U90 U0 U90 10 Mat 11 U0 12 U90 13 Mat 14 Mat Maët d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t d t Giá trị biến dạng (x10-4) 1 2 12 19.31 0.05 0.00 15.39 0.04 0.00 15.39 0.04 0.00 11.47 0.04 0.00 11.47 0.04 0.00 9.52 0.04 0.00 0.04 9.52 0.00 0.04 7.56 0.00 7.56 0.04 0.00 3.64 0.04 0.00 3.64 0.04 0.00 1.68 0.04 0.00 0.04 1.68 0.00 0.04 -0.28 0.00 -0.28 0.04 0.00 -2.23 0.04 0.00 0.04 -2.23 0.00 0.04 -4.19 0.00 -4.19 0.04 0.00 -8.11 0.04 0.00 -8.11 0.04 0.00 -10.07 0.04 0.00 0.04 -10.07 0.00 0.04 -12.03 0.00 -12.03 0.04 0.00 -15.94 0.04 0.00 -15.94 0.04 0.00 -19.86 0.04 0.00 Giá trị ứng suất (x103N/m2) 1 2 12 11937.19 1567.29 0.00 9516.38 1254.92 0.00 9516.38 1254.92 0.00 7095.57 942.55 0.00 7095.57 942.55 0.00 5885.17 786.37 0.00 529.67 3139.85 0.00 434.01 2494.14 0.00 4674.77 630.19 0.00 2253.96 317.82 0.00 2253.96 317.82 0.00 1043.56 161.63 0.00 147.01 556.99 0.00 51.34 -88.73 0.00 -166.84 5.45 0.00 -1377.24 -150.73 0.00 -44.32 -734.44 0.00 -139.99 -1380.16 0.00 -2587.65 -306.92 0.00 -5008.45 -619.28 0.00 -5008.45 -619.28 0.00 -6218.86 -775.47 0.00 -426.99 -3317.31 0.00 -522.65 -3963.02 0.00 -7429.26 -931.65 0.00 -9850.06 -1244.02 0.00 -9850.06 -1244.02 0.00 -12270.87 -1556.39 0.00 158 Từ kết bảng trê n tính tổng ứ ng suất xuất hiệ n kết cấu đáy, boong mạn a Tổng ứng suất xuất kết cấu đáy - Ứng suất lớn sinh lớp Mat : 1 = (9294,7 -2070,7+ 12017,4)x103 = 19241,4x103(N/m2)< [1] = 78,8 x106 (N/m2) 2 = (810,5 -1686,43 + 1566,05)x103 = 690,2x103 (N/m2)< [1] = 78,8 x106 (N/m2) 12 = 9,51x103 (N/m2) < [12] = 11,6 x106 (N/m2) - Ứng suất lớn sinh lớp WR : 1= (21715,8 – 2281,9 -1200,1)x103 = 18233,9x103 (N/m2) < [1] = 381x106 (N/m2) 2= (21715,8 – 1200+ 1566,1)x103 = 22081,1x103 (N/m2) < [1] = 381x106 (N/m2) 12 = 6,34x103 (N/m2) < [12] = 33 x106 (N/m2) b Tổng ứng suất xuất hiệ n kế t cấu boong - Ứng suất lớn sinh lớp Mat : 1 = (927,21 +78,40+5590,3)x103=6595,91 x 103 (N/m2) < [1] = 78,8 x106 (N/m2) 2 =(2854,32 + 723,9 + 730,26)x103=4308,48x103(N/m2)< [1] =78,8x106 (N/m2) 12 = - Ứng suất lớn sinh lớp WR : 1=(1562,8 + 1177,1 + 4159,4)x103=6899,3x103 (N/m2)< [1] = 381x106 (N/m2) 2 =(6614,9 + 572,7 + 1837,3)x103=9024,9x 103 (N/m2)< [1] = 381x106 (N/m2) 159 12 = c Tổng ứng suất xuất kết cấu mạn - Ứng suất pháp lớn lớp Mat : 1=(15569,55-4413,3+11937,19)x103=23093,45x103(N/m2) b1 h > h1 Suy ra: ; h > b vaø h1 > b1 + Đối với kết cấu : + Đối với kết cấu : W x1 W y1 W x2 (4.5) W y2 (4.6) Từ nhận thấy : Kế t cấu thứ (hình chữ nhật nằm ngang) chịu lực tác dụng theo phương x lớn kết cấu thứ hai (hình chữ nhật thẳng đứng) chịu lực tác dụng theo phương y lớn Vậy dùng kế t cấu thứ hai cho kết cấu ngang (sườn, xà ngang đáy, boong) kết cấu cho kết cấu dọc (xà dọc thân tàu) Kết cấu thứ ba thứ tư dung hoà hai kết cấu 168 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân, Hồ Văn Bính, Hồ Quang Long, Trần Hùng Nam, Trần Công nghị, Dương Đình Nguyên Sổ tay kỹ thuật đóng tàu tập 1,2 Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Hoàng Anh Dũng, Ngô Cân, Hồ Văn Bính Phân tích độ bền kết cấu tàu thủy phương pháp phần tử hửu hạn Nhà xuất Giao thông vận tải KS.Nguyễn Thị Hiệp Đoàn Lý thuyết tàu Trường Đại học Hàng Hải Quách Đình Liên Giáo trình cao học: Vật liệu Polyme Trường Đại học Thủy sản - 1995 PGS TSKH Nguyễn Văn Liên Tấm dầm nhiều lớp đàn hồi – Bài toán tiếp xúc Nhà xuất Xây dựng – 2002 TS.Trần Công Nghị, Trần Cao Vân, Ngô Quý Tiệm Cơ học kết cấu Tàu thủy Phần : Cơ học kết cấu thân tàu công trình Nhà xuất Giao thông vận tải TS.Trần Công Nghị Độ bền kết cấu vật liệu Composite tập Nhà xuất Đại Học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Phạm Thanh Nhựt 169 Nghiên cứu phương pháp tính độ bền cục kết cấu đáy tàu đánh cá vỏ Composite Đề tài thạc sỹ – CKTT 2001 GS PTS Ngô Thế Phong Kết cấu bê tông cốt thép Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – 1998 10 TS.Trần Gia Thái Giáo trình: Sức bền thân tàu Nha Trang - 2003 11 Quy phạm phân cấp đóng tàu cá biển cỡ nhỏ TCVN 7111 : 2002 12 Quy phạm kiểm tra chế tạo tàu làm chất dẻo cốt sợi thủy tinh TCVN 6282 : 1997 13 Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức Vật liệu Composite – Cơ học công nghệ Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật – 2001 14 Trần Ích Thịnh Vật liệu Composite : Cơ học tính toán kết cấu Nhà xuất Giáo dục - 1994 15 Nguyễn Văn Vượng Lý thuyết đàn hồi ứng dụng Nhà xuất Giáo dục 16 Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học công nghệ Ngành Cơ khí Khai thác thuỷ sản Trường Đại học Thuỷ saûn - 1995 17 J M Berthelot 170 Composite materials : Mechanical Behaviour and Structural Analysis Springer, 1999 18 C S Smith Design of Marine Structures in Composite Material Elsevier Science Publishers LTD, 1990 19 M W Hyer Stress Analysis of Fiber Rienforced Composite Materials McGraw – Hill, 1998 20 Edward V.Lewis Principles of Naval Architecture Second Revision – Volume I Stability and Strenght 1988 The Society of NavalArchitects and marine Engineers 601 Pavonia Avenue Jersey City, NJ - 1988• ... lý đề xuất đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm vật liệu Composite? ?? 6 Kết nghiên cứu đề tài góp phần làm sở để xây dựng phương pháp tính toán đánh giá độ bền kết cấu vỏ. .. bền kết cấu thân tàu quan tâm nghiê n cứu kỹ, Composite thuộc vật liệ u phi kim loại có tính chất bất đẳng hướng không đồng nê n phương pháp tính độ bền kết cấu tàu nói chung kết cấu vỏ tàu Composite. .. tính độ bền cục tàu Composite so với tàu vỏ thép, phần giố ng kết tính độ bền chung mô hình tải trọng tác dụ ng tính tương tự tàu vỏ thép, cụ thể vấn đề sau : + Mô hình tính kết cấu vỏ tàu Composite