Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam

Công tác thiết kế tàu hiện nay chưa tương xứng với tiềm năng phát triển của công nghiệp đóng tàu, đặc biệt là tính toán thiết kế kết cấu chủ yếu theo Quy phạm chưa thỏa mãn tính kinh tế. Với mong muốn tìm ra một giải pháp giúp cho việc thiết kế kết cấu tàu thoả mãn Quy phạm đảm bảo được yêu cầu của công tác thiết kế, em được giao đồ án tốt nghiệp: “ Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam. ”

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo Chu Hữu Dân quan tâm hướng dẫn tận tình động viên em thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Thầy Cô, đặc biệt Thầy Cô mơn Đóng Tàu thuộc Khoa Kỹ Thuật Tàu Thủy Trường Đại Học Nha Trang tận tình dạy, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho em q trình học tập vừa qua Ngồi em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô quản lý thư viện trường tạo điều kiện cho em sử dụng tài liệu cách tốt Trong q trình làm đề tài khơng có giúp đỡ bạn bè người thân em khơng thể hồn thành cơng việc ngày hôm Một lần em xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô tất bạn bè giúp đỡ em hoàn thành đề tài này! LỜI NĨI ĐẦU Việt Nam có đường bờ biển dài chạy dọc từ Bắc đến Nam, có nguồn thuỷ sản vơ to lớn Ngồi ra, Việt Nam đầu mối giao thông đường biển quan trọng Đây điều điều kiện thuận lợi để phát triển loại tàu thuyền đánh bắt cá loại tàu chở hàng… Trong năm gần đây, ngành cơng nghiệp đóng tàu nước ta phát triển mạnh mẽ Nó tác động lớn đến phát triển kinh tế xã hội, đồng thời có ý nghĩa quan trọng an ninh quốc phịng Vì vậy, việc đầu tư phát triển ngành đóng tàu yêu cầu tất yếu thiết thực Đảng Nhà nước quan tâm phát triển Minh chứng nước ta đóng tàu xuất 53000 DWT đóng tàu lớn khơng phục vụ phát triển kinh tế, quốc phòng mà cho xuất thu nguồn ngoại tệ lớn Trước nhu cầu đó, trường đại học Nha Trang trung tâm đào tạo lớn khu vực Nam Trung nước, có ngành khí đóng tàu với đội ngũ cán nghiên cứu giảng dạy sáng tạo đầy nhiệt huyết đào tạo hàng trăm kỹ sư phục vụ nhu cầu nhà máy đóng miền đất nước Công tác thiết kế tàu chưa tương xứng với tiềm phát triển công nghiệp đóng tàu, đặc biệt tính tốn thiết kế kết cấu chủ yếu theo Quy phạm chưa thỏa mãn tính kinh tế Với mong muốn tìm giải pháp giúp cho việc thiết kế kết cấu tàu thoả mãn Quy phạm đảm bảo yêu cầu công tác thiết kế, em giao đồ án tốt nghiệp: “ Phân tích lựa chọn thuật tốn thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu Quy phạm Việt Nam ” Từ đó, nội dung đề tài yêu cầu phần giải vấn đề trên, nội dung đề tài gồm có bốn chương: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Phân tích lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu Quy phạm Việt nam Chương 4: Thảo luận kết đề xuất ý kiến Kết nghiên cứu đề tài em mong muốn đóng góp phần phục vụ cho cơng tác thiết kế kết cấu tàu nước ta Sau thời gian tìm hiểu, hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn, động viên tạo điều kiện giúp đỡ thầy cô, bạn bè, em thực theo yêu cầu đề tài Song, điều kiện thời gian kiến thức có hạn nên q trình nghiên cứu khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong đón nhận ý kiến đóng góp thầy, bạn bè để đề tài ngày hoàn thiện rút kinh nghiệm hữu ích sau Nhân dịp cho em gửi lời biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn: Th.S Chu Hữu Dân, thầy cô, người làm việc phòng ban, bạn bè…đã hết lịng giúp đỡ tạo điều kiện cho em hồn thành đề tài thời gian qua Nha Trang, tháng 10 năm 2007 Sinh viên thực Nguyễn Hữu Lộc CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN Như biết tàu thủy công trình kỹ thuật phức tạp bao gồm ba hệ thống động – vỏ tàu chân vịt, phần vỏ tàu với kết cấu bên có nhiệm vụ quan trọng đảm bảo độ cứng vững cho tàu Thiết kế kết cấu thân tàu tốn quan trọng q trình thiết kế tàu thuỷ, nhằm mục đích xác định kích thước, hình dáng, mối liên kết kết cấu v.v…Để tạo nên hệ thống kết cấu đảm bảo đủ bền ổn định tác động ngoại lực Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế kết cấu tàu khác như: thiết kế theo Quy phạm, thiết kế tính tốn lý thuyết v.v Nhưng phổ biến thiết kế kết cấu thân tàu theo yêu cầu Quy phạm Phương pháp cho phép người thiết kế tính chọn tồn kết cấu tàu xét mà khơng cần phải thực mơ hình hố kết cấu giải toán học kết cấu phức tạp Việc lựa chọn thuật tốn tính tốn kết cấu tàu nhằm đơn giản q trình tính tốn, đạt kích thước kết cấu tối ưu mong muốn thỏa mãn yêu cầu quy phạm quan tâm Các cơng thức tính kết cấu Quy phạm xây dựng dựa cở sở lý thuyết độ bền, nhiên q trình xây dựng cơng thức, Quy phạm đưa vào hệ số để hiệu chỉnh công thức dạng phù hợp với thực tế sử dụng tàu Cần lưu ý yêu cầu Quy phạm thật nghiêm ngặt song tồn hạn chế chưa phản ánh đầy đủ điều kiện môi trường thiên nhiên người hoạt động nên gây tốn vật liệu, cơng sức thực hiện, khơng đảm bảo tính kinh tế thân kết cấu chưa phải dạng tối ưu Việc nghiên cứu ứng dụng thuật tốn để khắc phục hạn chế cơng thức tính kết cấu theo Quy phạm nhằm đưa đựợc kết cấu thân tàu dạng tối ưu mong muốn người làm công tác thiết kế Kết cấu thân tàu dạng tối ưu, đủ bền đồng thời thỏa mãn tính kinh tế Từ phân tích trên, em giao thực đề tài “Phân tích lựa chọn thuật tốn thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu Quy phạm Việt Nam” với mục tiêu lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép thỏa yêu cầu Quy phạm Việt Nam đề xuất giải pháp khắc phục hạn chế công tác thiết kế nâng cao hiệu thiết kế kết cấu theo Quy phạm 1.2 TÌM HIỂU KHÁI QT VỀ THUẬT TỐN 1.2.1 Khái niệm thuật toán Chúng ta làm quen với khái niệm thuật tốn giáo trình tốn học giáo trình khác thuật tốn giải phương trình bậc hai, hệ phưong trình Ví dụ thuật tốn giải phương trình bậc P(x): ax + b = c ( a, b, c số thực ), tập hợp số thực bước giải sau : Bước 1: a = - b = c P(x) có nghiệm - b # c P(x) vơ nghiệm Bước 2: a # P(x) có nghiệm x = ( c-b)/a Có nhiều quan điểm thuật tốn, nơm na thuật tốn thủ tục tính tốn định nghĩa kỹ, sử dụng giá trị tập hợp giá trị làm đầu vào cho giá trị tập hợp giá trị làm kết xuất Do đó, thuật tốn trình tự bước tính tốn biến đổi đầu vào thành kết xuất Cũng xem thuật tốn cơng cụ để giải tốn thật cụ thể Phát biểu toán định tổng qt mối quan hệ nhập/xuất cần thiết Thuật tốn mơ tả thủ tục tính tốn cụ thể để đạt mối quan hệ nhập/xuất Khái niệm thuật tốn nhà toán học Ả Rập Kharezmi nêu từ cuối kỷ thứ đầu kỷ thứ đưa quy tắc tính số học Con người với hoạt động thường phải sử dụng thuật tốn để giải công việc cụ thể Bất kỳ hình thức lao động chân tay gồm số thao tác cụ thể theo trật tự định, ta gọi lao động chân tay hoạt động theo thuật tốn Tóm lại nói thuật tốn hay cịn gọi thuật giải tập hợp hữu hạn thị hay phương cách định nghĩa rõ ràng cho việc hoàn tất việc từ trạng thái ban đầu cho trước, thị áp dụng triệt để dẫn đến kết sau dự đốn Nói cách khác, thuật tốn qui tắc hay qui trình cụ thể nhằm giải vấn đề số bước hữu hạn, nhằm cung cấp kết từ tập hợp kiện đưa vào Lưu ý: Khi thuật tốn hình thành ta khơng xét đến việc chứng minh thuật tốn mà trọng đến việc áp dụng bước theo hướng dẫn có kết Việc chứng minh tính tính đầy đủ thuật tốn phải đựơc tiến hành xong trước có thuật tốn Nói rõ hơn, thuật tốn việc áp dụng cơng thức hay qui tắc, qui trình cơng nhận hay chứng minh mặt toán học 1.2.2 Những đặc trưng thuật tốn là: - Tính xác: Để đảm bảo kết tính hay thao tác mà máy tính thực xác - Tính tổng quát: Thuật tốn khơng đề cập tốn riêng lẻ mà bao hàm lớp toán kiểu, có đầu vào tương tự - Có giới hạn: Thuật toán phải gồm số hữu hạn bước tính tốn, q trình biến đổi từ thơng tin ban đầu đến kết cuối qua số giới hạn biến đổi - Tính nhất: Tồn trình biến đổi, trật tự thực phải xác định Như dùng thuật toán tin tức ban đầu phải cho kết Thuật toán giai đoạn phải nêu xác bước tiếp theo, có nghĩa thứ tự thực hiện, thao tác định phải quy định rõ ràng - Tính rõ ràng: Thuật toán phải thể câu lệnh minh bặch, câu lệnh xếp theo thứ tự định 1.2.3 Phân loại thuật tốn: Theo cấu trúc phân loại thuật tốn sau : - Thuật tốn khơng phân nhánh - Thuật tốn có phân nhánh - Thuật tốn theo chu trình có bước lặp xác định - Thuật tốn theo chu trình có bước lặp khơng xác định Thuật tốn khơng phân nhánh thuật tốn đơn giản Trong thực tế thường gặp thuật toán phân nhánh theo diều kiện so sánh sai Phổ biến toán thực tế thuật tốn gồm nhiều chu trình, theo nhiều nhánh, đặc trưng thuật toán giải toán khoa hoc kỹ thuật 1.3 KHÁI QUÁT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU 1.3.1 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu : - Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm: Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp kinh nghiệm thiết kế kết cấu, chế tạo, sửa chữa sử dụng Ngày nay, kiến thức học kết cấu ngày mở rộng, Quy phạm kết cấu thân tàu hoàn chỉnh Thiết kế kết cấu theo Quy phạm phương pháp thiết kế tương đối đơn giản thực dụng, thường đảm bảo sức bề thân tàu Phương pháp áp dụng rộng rãi thiết kế tàu dân dụng Tuy nhiên, tàu có kích thước tính đặc biệt phải xét riêng Điều kiện cần thiết để áp dụng phương pháp kích thước tàu, tỷ lệ kích thước, đặc trưng kỹ thuật, loại tàu… nằm phạm vi mà Quy phạm đóng tàu chấp nhận - Thiết kế kết cấu thân tàu theo tính tốn lý thuyết: Do hình dáng thân tàu, loại máy bố trí tàu …khơng giống nhau, đặc biệt tàu cỡ lớn, loại tàu đặc biệt, Quy phạm bao gồm tất đặc trưng Do phải vận dụng kiến thức học kết cấu, dùng phương pháp tính tốn sức bền để thiết kế kết cấu thân tàu Theo đà phát triển khoa học kỹ thuật nhờ có máy tính điện tử cho phép giải toán lớn, việc ứng dụng phương pháp tính tốn sức bền thiết kế kết cấu thân tàu ngày hồn thiện Dựa vào tính toán độ bền thân tàu chọn kết cấu chịu độ bền chung tải trọng cục Trước thiết kế kết cấu tàu, người thiết kế phải giải đáp vấn đề liên quan sức bền thân tàu : - Tải trọng bên ngồi cần để tính sức bền chung tải trọng cục - Ứng suất cho phép vật liệu tạo tiết thân - Điều kiện môi trường làm việc kết cấu Kết tính tốn phải nêu rõ giá trị ứng suất lớn kết cấu tỷ lệ chúng với ứng suất cho phép Trong tất trường hợp tính tốn thiết tính đến ổn định kết cấu nhằm đạt yêu cầu không chi tiết ổn định làm việc Ngồi phép tính túy học trên, độ tin cậy kết cấu việc không tránh thiết kế kết cấu tàu Thông thường cách này, người thiết kế chọn kết cấu vừa đủ bền đồng thời đạt giá trị tối ưu tính kinh tế Tính tốn thiết kế kết cấu tàu trình cân nhắc, đối chiếu, so sánh nhằm tìm phương án tốt cho kết cấu, thỏa mãn yêu cầu bền, ổn định phù hợp với mơi trường làm việc điều kiện làm việc Nhìn chung tàu dân dụng thông thường, chủ yếu dựa vào Quy phạm, để thiết kế kết cấu thân tàu, cần thiết dùng phương pháp tính tốn sức bền để nghiệm lại, nhằm bổ sung chỗ chưa hoàn hảo quy phạm Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp đựợc kinh nghiệm thiết kế kết cấu, chế tạo, sửa chữa sử dụng Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm phương pháp thiết kế tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo sức bền Phương pháp cho phép người thiết kế tính chọn tồn kết cấu tàu xét mà không cần phải thực mơ hình hố kết cấu giải tốn học kết cấu phức tạp 1.3.2 Những yêu cầu chủ yếu thiết kế kết cấu thân tàu : - Tính an tồn: Thiết kế kết cấu phải đảm bảo tác dụng ngoại lực, tàu có sức bền định, tính ổn định độ cứng cần thiết Khơng sức bền khơng đủ 10 kết cấu ổn định mà gây lên phá hủy kết cấu, biến dạng vượt phạm vi cho phép - Tính sử dụng: Việc bố trí lựa chọn kích thước kết cấu phải phù hợp với yêu cầu kinh doanh Ví như, khoang chở hàng bao kết cấu bố trí cho thuận tiện xếp dỡ hàng, buồng hành khách thuyền viên phải có lối thuận tiện độ cao thích đáng - Tính hồn chỉnh: Tàu thủy cơng trình kiến mặt nước bố trí phức tạp, tàu có nhiều loại máy móc, thiết bị, dụng cụ sinh hoạt hệ thống…Các phận liên kết mật thiết với bố trí kết cấu việc lựa chọn kích thước kết cấu Thiết kế kết cấu phải phối hợp chặt chẽ với thiết kế tổng thể thiết kế hệ thống, tạo nên cấu trúc hoàn chỉnh, đảm bảo hoạt động bình thường tất phận tàu - Tính cơng nghệ: Việc lựa chọn hình thức kết cấu, hình thức liên kết phận kết cấu thân tàu phải đảm bảo thi công dễ dàng, giảm nhẹ cường độ lao động nâng cao suất lao động Mặt khác, lựa chọn vật liệu phải ý đến vật tư khai thác nước, giảm bớt quy cách vật liệu cách thích đáng, tiện cho việc mua, dự trữ vật liệu quy trình cơng nghệ nhà máy Phải vào đặc điểm nhà máy, tình hình thiết bị nhà máy để chọn phương án công nghệ hợp lý, áp dụng biện pháp công nghệ tiên tiến - Tính kinh tế: Trên sở đảm bảo sức bền cần thiết kết cấu, cân nhắc kỹ đến độ dư ăn mòn vật liệu, yêu cầu sử dụng sửa chữa bảo dưỡng…Phải cố gắng giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí lựa chọn vật liệu thỏa đáng, đảm bảo tính kinh tế cao sử dụng kết cấu 1.3.3 Thực trạng cơng tác tính tốn thiết kế kết cấu thân tàu Việt Nam Qua việc tìm hiểu thực tế, chúng tơi nhận thấy vấn đề thiết kết cấu thân tàu nước ta thường thực sau: