Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép

Đối với bài toán tính sức bền tàu thì việc áp dụng phần mềm trong khi tính toán đã trở nên rất phổ biến. Do đó để có thể có cái nhìn đầy đủ hơn về việc áp dụng phần mềm trong việc tính toán kết cấu tàu hiện nay em đã chọn phần mềm 3D Beam để kiểm tra độ bền kết cấu cho tàu chở hàng khô 2000 tấn. Qua đề tài: “Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép”

1 LỜI NÓI ĐẦU Trên giới, hầu có ngành cơng nghiệp tàu thủy phát triển sử dụng phần mềm ứng dụng vào công việc liên quan thiết kế bản, thiết kế kết cấu tính tốn kiểm tra độ bền cho kết cấu… Ở nước ta nay, hầu hết loại tàu đóng tàu cỡ nhỏ đóng theo phương pháp kinh nghiệm tàu mẫu chủ yếu Để đóng tàu có trọng tải lớn phải mua vẽ thiết kế từ nước ngoài, việc ứng dụng phần mềm lĩnh vực thiết kế tàu giai đoạn đầu chưa phổ biến rộng rãi Do đó, cơng trình tốt nghiệp em thực đề tài “Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép” Đề tài thực theo năm chương với nội dung sau: Chương 1: Đặt vấn đề Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Mơ hình hóa kết cấu Chương 4: Phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép Chương 5: Kết luận đề xuất Qua đề tài giúp tiếp cận thêm phần mềm ứng dụng sử dụng việc phân tích, kiểm tra độ bền cho kết cấu thân tàu Trong trình thực đề tài em có nhiều cố gắng thời gian hiểu biết cịn hạn chế khó tránh khỏi nhiều thiếu sót Vì em mong nhận đóng góp ý kiến từ thầy bạn đề tài hoàn thiện Qua đây, em xin trân thành cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy Huỳnh Lê Hồng Thái, thầy cô khoa bạn giúp đỡ em hồn thành cơng trình tốt nghiệp Nha Trang, ngày 25 tháng 11 năm 2007 Sinh viên thực hiện: Vũ Văn Ngưu CHƯƠNG ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu chung ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam Trong năm gần ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam có bước phát triển mạnh mẽ tất lĩnh vực như: đóng mới, sửa chữa, vận tải thương mại dịch vụ…Được đầu tư phát triển Nhà nước, nhiều nhà máy đóng tàu trọng tải lớn mở rộng quy mô sản xuất xây dựng như: nhà máy đóng tàu Hạ Long, Dung Quất, Cam Ranh… Dựa mạnh vị trí địa lý có đường bờ biển dài, nhiều cảng nước sâu, cửa ngõ giao thông đường biển giới Do đặt mục tiêu đưa Việt Nam trở thành quốc gia có ngành cơng nghiệp Đóng tàu phát triển hàng đầu giới Nhưng bên cạnh tất tàu lớn đóng Việt Nam phải mua thiết kế từ nước chịu giám sát Đăng kiểm nước ngồi Vì vậy, vấn đề đặt cho thiết kế tàu có trọng tải lớn vừa đảm bảo độ bền, độ tin cậy hoạt động biển lại có giá thành vừa phải nhiệm vụ quan ngành Công nghiệp tàu thủy Việt Nam Trong tốn vấn đề tính độ bền cho kết cấu thân tàu tốn phức tạp q trình thiết kế tàu, việc giải tốt tốn góp phần thúc đẩy lực thiết kế lên tầm cao Nó giúp thiết kế tàu tối ưu việc đáp ứng đủ độ bền kết cấu, chi phí vật liệu thấp giá thành hợp lý 1.1.2 Giới thiệu đề tài Tàu thủy công trình kỹ thuật có hình dạng kết cấu phức tạp, hoạt động môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng nhiều yếu tố khác như: tải trọng tàu, va đập sóng, gió….Do việc giải toán học kết cấu thân tàu nhằm đảm bảo mặt sức bền thân tàu có vai trị quan trọng q trình hoạt động thực tế tàu Trước việc giải toán học kết cấu thân tàu thường sử dụng phương pháp truyền thống như: phương pháp lực, phương pháp chuyển vị Các cách giải tốn địi hỏi nhiều thời gian cho việc phân tích tính tốn người giải Ngày nay, việc giải toán học kết cấu thân tàu chủ yếu phương pháp đại, việc ứng dụng phần tử hữu hạn kết hợp với trợ giúp máy tính trở nên phổ biến ứng dụng rộng rãi Bên cạnh lại có nhiều phần mềm phân tích, tính tốn độ bền kết cấu nước ngồi có mặt Việt Nam Mỗi phần mềm có ưu điểm nhược điểm riêng chúng dựa sở lý thuyết khác nên phần mềm có độ xác kết tính khác Do khả ứng dụng loại phần mềm vào tốn cụ thể địi hỏi người sử dụng phải cân nhắc thật kỹ lựa chọn Đối với tốn tính sức bền tàu việc áp dụng phần mềm tính tốn trở nên phổ biến Do để có nhìn đầy đủ việc áp dụng phần mềm việc tính tốn kết cấu tàu em chọn phần mềm 3D Beam để kiểm tra độ bền kết cấu cho tàu chở hàng khô 2000 Qua đề tài: “ Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép” giúp cho tiếp cận thêm phần mềm phân tích, tính tốn độ bền kết cấu thân tàu Phần mềm tổ chức Nauticus thuộc quan đăng kiểm Na Uy (DNV – DET NORSKE VERITAS) sử dụng để kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu thiết kế đóng tàu thủy Để hiểu rõ việc sử dụng phần mềm ứng dụng chúng lĩnh vực em đề cập vấn đề phần 1.2 Tổng quan phần mềm phân tích kết cấu Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật việc ứng dụng thành tựu ngành công nghệ thông tin vào lĩnh vực đời sống xã hội trở nên phổ biến Sự đời phần mềm máy tính giúp người thực cơng việc cách dễ dàng nhanh chóng Trong lĩnh vực học kết cấu thân tàu xuất nhiều phần mềm phân tích, tính tốn kết cấu đa số phần mềm dựa thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn Nhờ việc sử dụng phần mềm mà nhà thiết kế tạo sản phẩm có độ xác, chất lượng độ tin cậy cao Sau số phần mềm dựa thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn có mặt Việt Nam: + SAP (Structural Analysis Program) có khả phân tích tĩnh động kết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện phần tử hữu hạn phong phú, ứng xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên dùng phân tích rộng tốn kết cấu thực tế SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính tốn biểu kết tính tốn cuối trực quan rõ ràng tạo nhiều thuận lợi cho người sử dụng + Hệ thống STRAND Úc chương trình phân tích kết cấu tương tự SAP Phiên cuối có mặt nước ta STRAND6, có khả phân tích SAP, sử dụng thiết kế kiểm tra thiết kế phức tạp STRAND6 phát triển cao hệ thống STRAND, trở thành sản phẩm phần mềm thương mại lĩnh vực nghiên cứu thiết kế xây dựng + STAAD.PRO Mĩ, chương trình phân tích thiết kế kết cấu Về khả phân tích kết cấu STAAD.PRO dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải toán tĩnh động, phẳng không gian với mức độ phức tạp đáp ứng yêu cầu thiết kế cơng trình thực tế Về khả thiết kế kết cấu STAAD.PRO chương trình hoàn thiện nhằm thực việc thiết kế kết cấu với trợ giúp máy tính điện tử Chương trình có hỗ trợ phần đồ hoạ tốt nên cho hình ảnh mơ hình đẹp, dễ nhìn cho người sử dụng + ANSYS chương trình phần mềm giải quyểt toán ứng suất dao động ngẫu nhiên, toán truyền nhiệt, xạ nhiệt, dịng chảy thuỷ lực…ANSYS có khả liên kết với phần mềm khác Pro/Eng, FLOTRAN…để phân tích kiểm tra thiết kế ANSYS khai thác sử dụng có hiệu nghiên cứu khoa học, giảng dạy sản xuất + RDM (Resistances des Materiaux) Pháp, phần mềm phần tử hữu hạn dùng để tính tốn kết cấu dầm, khung giàn, toán đàn hồi lực phẳng, truyền nhiệt uốn tấm… + LUSAS chương trình phân tích kết cấu tĩnh học động học, kết cấu phẳng không gian xây dựng chế tạo khí vận tải, chương trình có quy mơ lớn có khả giải rộng rãi tốn kết cấu, kể kết cấu ơtơ, máy bay… + 3D Beam chương trình dùng phân tích tĩnh kết cấu tàu kết cấu xa bờ, đặc biệt hiệu với kết cấu sườn tàu điển hình kết cấu khung giàn tàu 3D Beam phát triển Det Norske Veritas (cơ quan Đăng kiểm Na Uy – DNV) phần công việc tổ chức Nauticus việc kiểm tra kết cấu thân tàu Phần mềm có giao diện đẹp, dễ sử dụng, cho phép người sử dụng làm việc mơ hình 2D với hệ tọa độ khác mơ hình 3D kết cấu mơ hình Solid dễ nhìn 1.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu Với cách đặt vấn đề trên, nhận thấy việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu tàu vấn đề quan trọng Tuy nhiên để thực tốn khơng địi hỏi mặt kiến thức chun mơn mà cịn phải bỏ nhiều thời gian để mơ hình hóa kết cấu tàu tính tốn kết Trong đề tài em đề cập tới việc phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu chở hàng khô vỏ thép có trọng tải 2000 thơng qua việc sử dụng phần mềm 3D Beam Kết cấu tàu 2000 sử dụng lấy từ đề tài “ Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn” tác giả Trương Văn Phương lớp 43TT Trong đề tài tác giả tiến hành tính tốn độ bền chung độ bền cục cho tàu thiết kế Mà chất toán phân tích độ bền chung xác định ứng suất biến dạng xuất kết cấu thân tàu tác dụng ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng khơng tính đến ngoại lực tác dụng ngang lực đẩy chân vịt, lực cản mơi trường…vì ứng suất uốn lực nằm ngang gây kết cấu thường không lớn bỏ qua Thực tế cho thấy, ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không theo chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu bị uốn sinh ứng suất biến dạng Mà đoạn thân ống tàu vỏ thép lực tác dụng theo phương thẳng đứng xem phân bố Mặt khác thời gian thực đề tài có hạn nên đề tài em đề cập tới việc phân tích độ bền cục kết cấu phần thân ống tàu Các vấn đề đề cập tới đề tài bao gồm: - Phân tích độ bền cục khung giàn đáy, khung giàn mạn khung giàn boong phần thân ống phần mềm 3D Beam - Phân tích độ bền cục khung sườn tàu phần thân ống tàu phần mềm 3D Beam RDM6 - Phân tích độ bền cục sống tàu phần mềm 3D Beam Cuối từ kết tính ta đưa nhận xét chung khả ứng dụng phần mềm 3D Beam toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu Từ thực tế ta nhận thấy rằng, để đảm bảo cho tàu hoạt động an toàn tin cậy khai thác địi hỏi chi tiết kết cấu phải đáp ứng điều kiện sau: + Kết cấu phải đủ bền để không bị nứt, vỡ hay phá hủy + Kết cấu phải đủ cứng để đảm bảo không bị biến dạng mức cho phép + Kết cấu phải ổn định để giữ hình dạng ban đầu Để giải vấn đề đặt cần tiến hành phân tích độ bền nhằm mục đích xác định giá trị ứng suất biến dạng xuất kết cấu thân tàu tính, sở để thực kiểm tra đánh giá độ an toàn kết cấu thân tàu điều kiện thực tế Có thể nhận thấy tăng kích thước phận kết cấu lên sử dụng vật liệu tốt khả đáp ứng yêu cầu đặt dễ dàng thực Tuy nhiên tăng kích thước kết cấu lên khơng làm tăng giá thành tàu mà làm cho khối lượng kết cấu lớn có ảnh hưởng xấu đến chất lượng tính hàng hải tàu Do phân tích độ bền kết cấu thân tàu vấn đề có vai trị ý nghĩa quan trọng q trình thiết kế chế tạo tàu thủy Qua việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu cịn nhằm giải hai toán sau: + Bài toán thuận để kiểm tra đánh giá độ bền kết cấu thân tàu cụ thể nhằm đảm bảo kết cấu có đủ độ bền để tàu hoạt động an toàn tin cậy tác dụng ngoại lực + Bài tốn ngược để tính tốn, lựa chọn hình dạng kích thước kết cấu thân tàu cách hợp lý sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với chi phí vật liệu thấp Tuy nhiên, kết cấu thân tàu phức tạp bao gồm nhiều loại hình kết cấu khác nên việc tìm mơ hình thể đầy đủ xác đặc điểm làm việc kết cấu thực khó, đồng thời kết cấu thân tàu lại chịu tác dụng ngoại lực phức tạp ba chiều khơng gian nên phân tích độ bền kết cấu thân tàu toán phức tạp thường có lời giải xác Tùy theo đặc điểm việc xây dựng mơ hình tính chia tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu thành hai nhóm sau: - Phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mơ hình tổng thể: theo mơ hình tồn kết cấu thân tàu xem hệ kết cấu không gian đặt đàn hồi, gồm nhiều loại hình kết cấu dầm, tấm, vỏ, khối… liên kết với Khi đó, phận kết cấu thân tàu khung giàn đáy, boong, mạn, khung sườn chi tiết hình thành nên chúng hệ dầm gia cường, tôn bao xem làm việc đồng thời mơ hình Các điều kiện biên xây dựng sở xem toàn kết cấu thân tàu vật thể đàn hồi nằm cân tác dụng trọng lượng tải trọng có tàu phản lực lực đẩy Mơ hình thể xác điều kiện làm việc thực tế kết cấu thân tàu phức tạp q trình tính tốn - Phân tích độ bền thân tàu theo mơ hình ước định: theo mơ hình tính ước định tồn kết cấu thân tàu thường mô dạng thành mỏng đặt đàn hồi chịu tác dụng tương ứng với lực tác dụng lên thân tàu Khi tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường chia làm hai toán là: phân tích độ bền chung phân tích độ bền cục 2.1.1 Bài tốn phân tích độ bền chung Phân tích độ bền chung tốn xác định giá trị ứng suất biến dạng xuất mặt cắt ngang kết cấu thân tàu, tác dụng hệ ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng khơng tính đến ngoại lực tác dụng ngang lực đẩy chân vịt, lực cản mơi trường…vì ứng suất uốn lực nằm ngang gây kết cấu thường không lớn bỏ qua Thực tế ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không dọc theo chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu nói chung thường bị uốn, bị xoắn vừa bị uốn xoắn đồng thời Tuy nhiên, q trình uốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền kết cấu nên tốn phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng suất uốn chung xuất kết cấu Khi đó, kết cấu thân tàu dạng vỏ mỏng kín nước với kết cấu gia cường bên xem thành mỏng với mặt cắt ngang kín hay hở có đặc điểm khác nhau, chịu tác dụng lực thẳng đứng, tương ứng với ngoại lực tác dụng lên kết cấu thân tàu áp lực thuỷ tĩnh nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa thiết bị tàu Bài tốn uốn chung thân tàu đưa toán uốn chung tương đương đặt đàn hồi chịu tác dụng ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực lực Kết tính tốn phân tích độ bền chung cho giá trị ứng suất tàu bị uốn chung  Trong toán tồn trường hợp ứng với mơ hình cần tính ứng suất uốn trường hợp tàu nằm nước tĩnh nằm sóng sau: + Trường hợp tàu nằm nước tĩnh 1700T 1600T 1900T 150T 200T 1700T 300T 1900T 800T 2500T 300T 1900T 1900T 100T 120T 10  LTK a) Tàu nằm đỉnh sóng + Trường hợp tàu nằm sóng  LTK b) Tàu nằm đáy sóng Hình 2.1 Mơ hình tàu nước tĩnh sóng