Đáp án: độ bền tàu thủy pdf

Đáp án “Độ bền tàu thủy”1 Trình bày các giả thiết và công thức tính lực cắt , momen uốn thân tàu trong phần “độ bền chung”, theo thứ tự: mô hình tính thân tàu, các giả thiết, mô hình tả

Đáp án “Độ bền tàu thủy”

1) Trình bày các giả thiết và công thức tính lực cắt , momen uốn thân tàu trong phần “độ bền chung”, theo thứ tự:

mô hình tính thân tàu, các giả thiết, mô hình tải cùng các điều kiện ràng buộc, công thức tính lực cắt, momen uốn dọc.

Vẽ và giải thích đồ thị tải, lực cắt, momen uốn đặc trưng cho tàu thường gặp (ví dụ cho tàu vận tải hàng khô, trạng thái chở đầy hàng)

Thân tàu nằm trên nước tĩnh giới thiệu tại hình a Nếu ký hiệu phân bố trọng lượng tàu tại thời

điểm xem xét là p(x), hình 1.1a, còn phân bố lực nổi là b(x), hình 1.1b, phân bố tải trọng tác động

lên thân tàu sẽ là:

Phân bố trọng lượng p(x) gồm tập họp phân bố trọng

lượng tàu không, phân bố hàng chứa trên tàu vv, tùy

thuộc điều kiện khai thác Phân bố lực nổi từ nước tác

động đến thân tàu phụ thuộc cấu hình tàu, tư thế tàu

trong nước

Phân bố q(x) tính theo (a) có dạng đặc trưng giới

thiệu tại hình c

Tàu nằm cân bằng trên nước biểu đồ tại hình c thỏa

mãn điều kiện cân bằng lực, tức là diện tích dưới đường

gãy khúc, nằm trên trục Ox, bằng diện tích phần nằm

dưới trục này, và thỏa mãn đồng thời điều kiện cân bằng

momen

Biểu đồ lực cắt thân tàu trình bày tại hình d, là kết

quả phép tích phân phân bố q(x):





x

dx x q x

F

0

) ( )

x F x

M

) ( )

( )

(

trình bày tại hình e

Thân tàu như dầm trên nền đàn hồi, dưới tác động

momen uốn dọc đang xem xét sẽ bị vồng lên (hogging)

hoặc võng (sagging).

Hình 1.1 Phân bố tải, lực cắt, momen uốn tàu, tinh cho trường hợp tàu nằm trên nước

tĩnh

2) Trình bày công thức tính ứng suất do uốn dọc tàu Vẽ mặt cắt ngang tương đương tàu vận tải hàng khô thường gặp, giải thích cách tính momen quán tính mặt cắt, trục trung hòa, và công thức tính mô đun chống uốn (theo nghĩa section modulus) Vẽ biểu đồ ứng suất do uốn Ứng suất mép trên của tấm boong, mép ngoài tấm đáy tính như thế nào? Trình bày ý nghĩa mô đun chống uốn.

Mặt cắt ngang thân tàu có dạng kết cấu thành mỏng Dưới tác động của momen uốn, ứng suấttrong thân tàu, tại vị trí mặt cắt qua tọa độ x thân tàu, tính theo công thức quen thuộc:

 =  z

I

M

trong đó M - momen uốn tại mặt cắt qua x, I - momen quán tính mặt cắt so với trục trung hòa của

nó, z - khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm tính toán, đo theo trục 0z

Công thức tính ứng suất tại tấm boong, tấm đáy:

3) Trình bày công thức tính ứng suất cắt tại mặt cắt bất kỳ của dầm thẳng, trường hợp mặt cắt dầm hình chữ nhật (chiều cao h của mặt cắt lớn hơn chiều rộng b), lực cắt F Công thức tính ứng suất cắt mạn tàu vận tải mặt cắt ngang dạng hộp, biết rằng chiều rộng tàu B, chiều cao mạn H, chiều dày tôn mạn t, chiều dày boong và đáy t Lực cắt thân tàu tại mặt cắt đang nêu F Vai trò ứng suất cắt trong đánh giá độ bền tàu.

Ứng suất cắt tính theo biểu thức:

b x I

S x F s

h z y

h z

y

I

Mz dA

I

z dM M bdx

y

bI dx

bI dx

Diện tích A = b.(h/2 – z1); tâm diện tích A so với trục trung hòa y 212h z1

F b I

F

2 3

Ví dụ : Xác định phân bố ứng suất cắt tại mặt cắt giữa tàu tàu dầu cỡ nhỏ, chiều rộng B, chiều cao

D, chịu tác động lực cắt F Chiều dày tôn boong t 1 , tôn mạn t 2 , tôn tấm đáy t 3.

Từ tính chất đối xứng kết cấu, chỉ sử dụng ½ mặt cắt vào tính toán, tại đường đối xứng mặtcắt ứng suất nhận bằng 0

 =0

 =0

2

3

Ứng suất cắt thân tàu dầu cỡ nhỏ

Trục trung hòa, momen quán tính mặt cắt tính theo công thức:

t BD t D   t t B t D

2 1

 t t B t D

z D t BD t

0

3 2 3 2 2

Ứng suất cắt tính cho tấm boong: D z s s y

I

F s

1 ( 2 2

3

0 2

3

FB t

1 0

B t

t s s z I

F s

y

Nhờ tính đối xứng, tổng lực cắt theo hướng ngang bằng 0, lực cắt theo chiều đứng trở thành:

D

y

F I

t DBz D

t t z D F ds s t

0

3 0

3 2 2

1 2 0 2 2

1 max

, 2

2 z

B t

t z I

Những điều kiện để đưa chi tiết tham gia thành phần dầm tương đương như sau

- Kết cấu dọc phải đủ độ dài về mặt cơ học Độ dài tối thiểu về mỗi phía của mặt cắt không nhỏhơn một lần chiều cao mạn tại vùng đang xét Xà dọc boong dưới thượng tầng có chiều dài lớn hơn7,5%L và không ngắn hơn 3 lần chiều cao thượng tầng, tính từ mặt cắt, mời đủ điều kiện tham gia.Thượng tầng dài dưới 15%L hoặc chiều dài này ngắn hơn 6 lần chiều cao chính nó sẽ không đượctính vào thành phần mặt cắt ngang tính toán

Những chi tiết thay đổi đột ngột tại các mặt cắt như mạn, tấm boong giữa các nắp hầm hàng chỉđược đưa một phần vào tham gia mặt cắt tương đương, và phần này nằm giữa mép dọc tạo góc 20với mép kết cấu đang đề cập

Hình Những thành phần được đưa vào tính toán

- Các lỗ khoét với chiều rộng không lớn hơn 20 lần chiều dài tôn tại vị trí cùng vùng không cần

để ý đến khi tính Các lỗ khoét lớn chỉ bỏ qua khi tính nếu có hệ thống gia cố đủ cứng vững cho lỗkhoét Với các miệng hầm hàng chỉ được phép đưa một số vùng tham gia thành phần mặt cắt tươngđương

Tàu làm bằng các vật liệu khác nhau, ví dụ vỏ tàu làm bằng thép, thượng tầng bằng hợp kimnhôm, cần hiệu chỉnh để đưa về vật liệu “đồng nhất tương đương” Thực hiện hiệu chỉnh chomomen tĩnh, momen quán tính và mođun đàn hồi vật liệu Trong các phép hiệu chỉnh không thayđổi trọng tâm các diện tích kết cấu, hình 9.21.

Điều kiện đồng biến dạng các lớp lân cận cho phép viết các biểu thức sau:

Ea, E - mođun đàn hồi tương ứng

Hiệu chỉnh momen quán tính các chi tiết không phải thép theo công thức:

trong đó hi- chiều cao tương đương của kết cấu không phải từ thép

Hình Mặt cắt tàu làm từ hai loại vật liệu

5) Trình bày mô hình tàu bị xoắn trên sóng xiên bằng hình vẽ Giải thích công thức tính ứng suất do xoắn tàu, giả sử momen xoắn T tại mặt cắt tính toán đã biết Giải thích khái niệm xoắn tự do, xoắn vênh, không nêu công thức Trong phần tìm hiểu xoắn thân tàu hãy cho biết khi nào phải xem xét đến hiện tượng xoắn vênh.

Momen xoắn thân tàu xuất hiện rõ trong trường hợp tàu chạy cắt sóng xiên, hình 1.36 Momenxoắn này gây ra ứng suất xoắn thân tàu, có thể làm hại kết cấu

Momen xoắn tính cho một đơn vị dài thân tàu:

) ( ).

( v )

( v )

( )

Đồ thị m(x) và MT(x) trình bày tại cùng hình 1.36.

Hình 1.36 Momen xoắn tàu do sóng

6) Giải thích hiện tượng mất ổn định của tấm thuộc kết cấu vỏ tàu, trường hợp chịu ứng suất nén dọc tàu So sánh tải giới hạn (tải Euler) tính cho tấm thuộc kết cấu theo hệ thống ngang và kết cấu theo hệ thống dọc Giải thích ý nghĩa các công thức xác định ứng suất giới hạn sau đây:

Dưới tác động ứng suất nén cùng ứng suất cắt trong tấm thuộc thân tàu có thể đạt giá trị đủ để

chuyển tấm, các nẹp cứng sang giai đoạn mất ổn định

Từ lý thuyết tấm trình bày tại “Cơ học kết cấu tàu thủy” đã xác định ứng suất gây mất ổn địnhtrong giới hạn đàn hồi của tấm chữ nhật kích thước axb, tựa tại các mép như sau:

2 2 2

m t b

2

2 2 1

Hình a

Hình b

Giá trị K xác định từ đồ thị tại hình b, K = 4, với   m

Từ công thức xác định ứng suất Euler đang nêu có thể cải biên cách tính dựa vào cách làm củaJohnson khi nghiên cứu ổn định cột, đề xuất công thức qui phạm:

trong đó  - hệ số cải biên kiểu Johnson

2 /

1

2 4

1

Y E

Y E

E

Y E

2 9

l

t CE

Hệ số C đọc từ bảng:

E – mô đun đàn hồi vật liệum 2,06x105 N/mm2

t - chiều dày tấm, mm

la - chiều ngắn tấm, mm

Bảng : Hệ số C tùy thuộc  = a/b

Công thức kinh nghiệm xác định ứng suất giới hạn  cr

Tấm bố trí ngang

2 5 2

2

10 2 1

E - mô đun đàn hồi, nhận bằng 2,1.105 MPa;

 - hệ số Poisson, nhận bằng 0,3 cho thép đóng tàu

Tấm bố trí theo hệ thống kết cấu dọc

2 5 2

2

10 1

E k

Tấm dài, trường hợp cuối, hệ số k xấp xỉ 8, có nghĩa cr tấm hệ thống dọc lớn hơn 4 lần nếu so với

hệ thống ngang

7) Để đánh giá độ bền kết cấu tàu đi biển tổ chức Đăng kiểm tàu quốc tế IACS đưa ra công thức sau:

Yêu cầu bền khi tính độ bền chung tàu dầu:

trong đó  VM - ứng suất von Mises,  BAR - ứng suất dầm BAR,  Y - ứng suất chảy vật liệu đóng tàu Những kết quả

VM ,  BAR nhận từ bảng tính theo phương pháp phần tử hữu hạn hoặc từ một phương pháp hữu hiệu, được công nhận Giá trị của const tùy thuộc vào thành phần kết cấu, ví dụ cụ thể của tàu dầu như sau đây.

Các tấm vách không kín nước kể cả nẹp vách, xà dọc vv …, đà ngang, đà dọc:

1,0 khi đưa momen uốn trên nước tĩnh M S và momen uốn bổ sung trên sóng M W vào tính

0,8 khi chỉ đưa M S vào tính

Các tấm boong, mạn, tấm hông, vách dọc, đà ngang kín nước, đà dọc kín nước, sườn khỏe:

0,9 khi đưa momen uốn trên nước tĩnh M S và momen uốn bổ sung trên sóng M W vào tính

0,72 khi chỉ đưa M S vào tính

Hãy giải thích:  VM - ứng suất von Mises,  BAR - ứng suất phần tử dầm BAR hay còn gọi phần tử TRUSS,  Y - ứng suất chảy Giải thích ý nghĩa công thức đánh giá bền

Nếu ứng suất toàn phần tại bát diện xác định theo công thức:

3

2 2

2 1 2

2 3

2 2

2 1 2

2 2

9

1 3

n A

2 3 2

2 2 1 2

2 3 2

2 2 1

0 0 0

3

2 3

1 3 2 3 2 2 2

Phần tử BAR hay còn gọi phần tử TRUSS, ROD

Xây dựng ma trận cứng phần tử có thể tiến hành theo cách trực tiếp Phần tử 1-2 dài L, diện tích mặt cắt ngang A, làm từ vật liệu mô đun đàn hồi E, chịu tác động lực dọc trục F Chuyển vị núttính theo công thức  = FL/(AE) Hãy ký hiệu chuyển vị nút 1 là u1, nút 2 là u2 Lực tác động lên phần tử F tính từ biểu thức F = (AE/L) Trường hợp cụ thể này:

2 22

12 1 21

L

AE F

F u L

AE F

1

11

11

F

F u

u L

Momen uốn tàu, lực cắt tàu trên nước gồm momen uốn trên nước tĩnh MS, lực cắt trên nước tĩnh

FS tính theo cách truyền thống, momen uốn bổ sung và lực cắt bổ sung trên sóng MW, FW tính từphương pháp thống kê Các công thức tính MW, FW xây dựng cho tàu đi biển, dùng chung cho cáckiểu tàu

Momen sóng tính theo qui phạm1 được các Đăng kiểm đưa ra từ 1990:

Mw(+) = +190 M C L2 B CB x 10-3 (kN-m) khi momen mang dấu (+) (1.89)

Mw(-) = -110 M C L2 B (CB + 0,7)x 10-3 (kN-m) khi momen mang dấu (-) (1.90)trong đó M = hệ số trình bày phân bố momen MW - momen uốn do sóng gây2:

Hình a

C =

2 / 3

100

300 75

1 The rule wave bending moment

2 wave induced bending moment

= 10,75 với 300m < L < 350m (1.91b)Qui ước dấu cho lực cắt và momen uốn tàu như nêu tại hình 1.7

Với tàu thông dụng biểu đồ momen uốn, lực cắt có dạng nêu tại hình 1.7a

Lực cắt tàu trên sóng tính theo công thức:

Fw(+) = +30 F1 C L B (CB + 0,7) x10-2 (kN) khi lực mang dấu (+) (1.93)

Fw(+) = -30 F2 C L B (CB + 0,7) x10-2 (kN) khi lực mang dấu (-) (1.93)trong đó F1, F2 = phân bố lực dọc theo tàu, như hình 1.23

Mô đun chống uốn nhỏ nhất của mặt cắt giữa tàu vỏ thép, chiều dài trong phạm vi 90m  L

trong đó f phụ thuộc vào qui cách kết cấu mặt cắt ngang tàu.

Lực cắt giới hạn4 tính theo biểu thức:

3 allowable values for bending moment M s

4 allowable shear forces

Hình b

Hình c

) ( ) ( 455

,

I t

w

)()(455

,

I t

trong đó t s - chiều dày tấm mạn, mm

I, m, F w (+) và F w(-) tính theo hướng dẫn ghi trong qui phạm đóng tàu của Đăng kiểm Việtnam

Đồ thị trình bày lực cắt, momen uốn tàu cùng lực cắt giới hạn, momen uốn giới hạn lập chotàu dầu trình bày tại hình 1.24

Hình Lực cắt, momen uốn và lực cắt giới hạn, momen uốn giới hạn

Độ bền cục bộ

9) Xác định tải tĩnh bên ngoài tác động lên kết cấu khoang hàng tàu chở hàng: áp suất thủy tĩnh nước ngoài mạn, tải hàng rời trong khoang, tải do chứa hàng nặng trong hầm hàng, tải hàng lỏng Sơ đồ truyền tải đến kết cấu thân tàu tính cho trường hợp kết cấu theo hệ thống ngang.

Trình bày mô hình tính độ bền kết cấu khung tàu của tàu vận tải một boong, kết cấu theo hệ thống ngang Giải thích đầy đủ nguyên lý xác định cấu hình, gối đàn hồi, tải áp đặt vv Nêu các phương án có thể dùng giải khung (không đi sâu công thức)

Tàu kết cấu theo hệ thống ngang:

Áp suất nước áp đặt lên bề mặt vỏ tiếp xúc trực tiếp  các sườn (đà ngang)  mạn, vách dọc, (đà dọc) Một phần của tải trọng này được truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua

các đà ngang hoặc sườn

Tàu theo hệ thống kết cấu dọc:

Tải trọng từ nước trực tiếp áp đặt lên vỏ  các đà dọc đáy  các đà ngang  mạn, vách dọc.

Một phần của tải trọng này được truyền đến mạn tàu, vách dọc, vách ngang mà không qua các đàdọc hoặc sườn

Áp suất nước bên ngoài vỏ tàu

Trường hợp tàu đứng trên nước tĩnh, ở trạng thái cân bằng, mức nước tàu xác định phần thân

tàu chiếm trong nước Áp suất nước p tác dụng lên vỏ tàu, tính bằng kG/cm 2 hoặc [kN/m2], phân bố

theo hình tam giác, chiều cao h là mức nước ngoài tàu, cạnh đáy mang giá trị .h, với  là trọng lượng riêng của nước, T/m 3 , [kN/m 3 ] Đại lượng h tính bằng m.

Áp suất nước tác động lên tấm vỏ ngoài của đáy phẳng có giá trị không đổi, bằng .h.

Khi tính độ bền kết cấu cục bộ chịu tác động lực thủy tĩnh, giá trị h phải được lựa chọn phù

hợp với thực tế sử dụng Mức nước tàu đo trên nước tĩnh, tàu nằm cân bằng, không trùng với giá trịlúc tàu nghiêng dọc hoặc nghiêng ngang Lúc chạy trên sóng, mức nước thân tàu ở vùng đỉnh sóng

đi qua có giá trị cao hơn giá trị đo trên nước tĩnh

- Tính đến ảnh hưởng của sóng h = T + ½ h w

ở đây T – chiều chìm trung bình của tàu, hw - chiều cao sóng

- Nếu đỉnh sóng cao hơn boong tàu, nước phủ tràn lên mặt boong, chiều cao cột nước h tính bằng

chiều cao mạn tàu

Trong nhiều trường hợp tính toán, cần thiết tính đến hiệu ứng Smith cho trường hợp tàu nằm trênđỉnh sóng hay đáy sóng

Hình 5.3 Mô hình áp suất nước ngoài mạn Tải trọng tác động lên tấm đáy tàu rộng B (m), dài a (m), tính theo cách vừa nêu:

Fbott = [T + (hw /2)].B.a, kN

Áp suất nước tác động lên đáy tàu có mạn không thẳng đứng, đáy tàu không phẳng mà là hình chữ

V hoặc tương tự, phân bố áp suất nước p bott tại đáy tàu được cải biên theo dạng sau

Với tàu mũi hình nêm:

2 w

bott

h T

3 w

bott

h T

TẢI TRỌNG CỤC BỘ TỪ HÀNG CHỞ TRÊN TÀU

Khác với trường hợp tính sức bền dọc tàu, trình bày trong chương 1, khi tính sức bền cục

bộ vai trò trọng lượng bản thân kết cấu có thể bỏ qua Hàng hoá mang theo trong tàu đóng vai tròchính trong thành phần lực tác động lên kết cấu riêng lẻ Hàng hoá có thể là hàng rời chứa trên mặtsàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động trên diện tich không lớn, hàng lỏng chứatrong khoang Các két tác động đều lên sàn gây áp suất hình tam giác lên thành két chứa

1) Áp suất trung bình do hàng hóa gây ra trên sàn:

b L

W p



trong đó: W - trọng lượng hàng, L, b - chiều dài và chiều rộng tấm đặt W

2) Áp suất hàng lỏng và hàng rời được tính cụ thể cho mỗi trường hợp

Hàng rời: tác động lên các vách theo luật hình tam giác, với chiều rộng đáy tính theo công thức:

do đó áp suất tác động lên đáy, vách, mạn cũng thay đổi theo chiều cao cột áp

Với tàu chở hàng lỏng cần chú ý tới điều kiện sau: nếu gặp sự cố, nước từ bên ngoài tàu có thểtràn vào khoang chứa chất lỏng nhiều tới mức cột nước thật trong khoang có thể đạt tới miệng ống

thoát khí Trong trường hợp này, cột áp của tam giác áp suất không chỉ cao bằng chiều cao mạn tàu

mà còn phải tính theo cả chiều cao ống thoát khí của khoang Nếu trên tàu có két dự phòng giãn nở

thì chiều cao bổ sung cho cột áp phải lớn hơn 0.75h (với h là chiều cao két giãn nở).

10) Trình bày mô hình tính đà ngang đáy tàu vận tải đi biển, biết rằng kết cấu tàu theo hệ thống ngang: mô hình hình học kết cấu đà ngang, điều kiện biên, áp đặt tải, phương pháp giải Dựa vào kết quả đó giải thích công thức sau đây trong qui phạm đóng tàu:

Theo Qui phạm tàu biển: Mô đun chống uốn Z không nhỏ hơn giá trị sau: K.hSl 2 , với K – hằng số, h – chiều cao cột áp tính toán dùng xác định độ lớn phân bố tải, S – khoảng sường thực, l – chiều dài sải đà.

Từ qui phạm tàu sông: mô đun chống uốn tiết diện đà ngang đáy không nhỏ hơn trị số tính theo công thức: Z = 4,2K 1 K 2 B 2 d 1 (d + r + m), với K 1 , K 2 – các hằng số, d 1 – khoảng cách đà ngang đáy, B – hiểu là chiều dài sải, d – chiều chìm tàu, r – nửa chiều cao sóng tính toán, m - trị số chọn cho tàu các cấp khác nhau.

Trong mô hình dầm bị ngàm dùng cho nẹp dọc đáy, tải trọng phân bố đều p = h trên diệntích Sxl, trái lại, trên mô hình sườn tàu, tải trọng phân bố theo luật hình tam giác Mặc dầu vậy, môhình tính momen uốn tại hai đầu dầm và điểm đặc trưng giữa dầm vẫn có thể viết dưới dạng chungsau:

Ngày nay trong các qui phạm do đăng kiểm các nước ấn hành, trong chương bàn về tính độ bềntàu người ta luôn ghi sẵn công thức dạng vừa nêu tại vị trí dễ để ý nhằm giúp người tính toán

nhanh chóng nắm bắt và thực hiện công việc theo hướng dẫn Ví dụ với dầm dài l bị ngàm hai đầu,

hệ số m áp dụng cho momen uốn tính tại ba vị trí đặc trưng m1 – đầu bên trái, m3 – đầu phía phải và

m2 – tại giữa dầm sẽ là:

Tại vị trí 1 và 3: m = 12,0 hay là K = 1/12;

Tại vị trí 2: m = 24,0 hay là K = 1/24