CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THÂN TÀU. Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có hình dạng và kết cấu phức tạp, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố như: sóng, gió, va đập, tải trọng trên tàu,…vì v ậy việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu nhằm đảm bảo yêu cầu về mặt độ bền thân tàu có vai trò quan trọng trong quá trình sử dụng con tàu. Trong thực tế để đảm bảo cho con tàu hoạt động an to àn, tin cậy trong điều kiện khai thác đòi hỏi các chi tiết kết cấu thân tàu phải đáp ứng được những yêu cầu cụ thể như: - 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. - Kết cấu phải ổn định để luôn luôn giữ được hình dạng ban đầu. Về mặt lý thuyết, để giải quyết các vấn đề đặt ra trên đây cần tiến hành phân tích độ bền nhằm mục đích xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu thân tàu, cơ sở để thực hiện kiểm tra và đánh giá độ an toàn của các kết cấu thân tàu trong điều kiện thực tế. Do đó việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu là một trong những vấn đề có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết kế chế tạo tàu thủy nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản: - Bài toán thuận để kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu cụ thể nhằm đảm bảo kết cấu có đủ độ bền để tàu có th ể hoạt động an toàn và tin cậy dưới tác dụng của các ngoại lực. - Bài toán ngược để tính toán, lựa chọn hình dáng và kích thước kết cấu thân tàu một cách hợp lý nhất trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân t àu với chi phí vật liệu là thấp nhất. Trong thực tế, do kết cấu thân tàu rất phức tạp và bao gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau nên việc tìm mô hình hóa để thể hiện đầy đủ và chính xác đặc điểm làm việc của kết cấu thực là khó, đồng thời do kết cấu thân tàu lại chịu tác dụng của ngoại lực phức tạp ở cả ba chiều trong không gian nên phân tích độ bền kết cấu thân tàu là bài toán phức tạp và thường ít có lời giải chính xác. Trước kia, người ta thường giải quyết bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo các phương pháp truyền thống. Các phương pháp này có nhược điểm l à mô hình tính không phản ánh được chính xác kết cấu thực tế, tốn nhiều công sức v à thời gian. Do đó hiện nay thường giải quyết bài toán này theo phương pháp phần tử hữu hạn. Mô hình tính theo phương pháp này phản ánh được kết cấu thực tế n ên cho kết quả chính xác hơn. Công việc và kh ối lượng tính toán đơn giản hơn nhiều nhờ sự trợ giúp của máy tính điện tử, nên nó thay thế dần phương pháp tính truyền thống và ngày nay được sử dụng rộng rãi. Hi ện nay, bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường dựa trên một trong hai mô hình sau. 1.1.1. Mô hình tổng thể. Theo mô hình tổng thể kết cấu thân tàu xem như hệ kết cấu không gian gồm nhiều loại hình kết cấu như: Dầm, tấm, khối liên k ết với nhau và đặt trên nền đàn hồi. Trong mô hình này các kết cấu khung dàn đáy, khung dàn mạn, khung dàn boong,… đều tham gia làm việc đồng thời trong mô hình tính. Các điều kiện biên được xây dựng trên cơ sở xem vật thể đàn hồi dưới tác dụng của hai nhóm lực: Trọng lượng các tải trọng trên tàu và phản lực của nền đàn hồi chính l à áp lực của nước. Mô hình tổng, thể thể hiện tương đối chính xác t ình trạng làm việc của con tàu nhưng mô hình tính toán tương đối phức tạp. 1.1.2. Mô hình ước định. Theo mô hình ước định, ta xem toàn bộ kết cấu thân tàu như một thanh thành mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng của các ngoại lực tương ứng với các ngoại lực tương ứng tác dụng lên thân tàu. Khi đó bài toán phân tích độ bền phân thành hai nội dung chính: phân tích độ bền chung và phân tích độ bền cục bộ. 1.1.2.1. Phân tích độ bền chung Là bài toán xác định ứng xuất và biến dạng chung xuất hiện trong các mặt cắt ngang dưới tác dụng của ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng, khi đó to àn bộ kết cấu thân tàu xem như một thanh tương đương đặt tr ên nền đàn hồi và chịu tác dụng của hai lực thẳng đứng là trọng lực và lực nổi, quá trình tính cho ta ứng suất chung.Ví dụ về sự uốn chung thân tàu và mô hình thanh tương đương được mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1: Mô hình uốn thân tàu trên nước tĩnh. 1.1.2.2. Phân tích độ bền cục bộ. Phân tích độ bền cục bộ là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong những kết cấu thân tàu dưới tác dụng của các ngoại lực đặt riêng lên từng kết cấu. Ví dụ, kết cấu khung dàn đáy ngoài việc chịu uốn chung dưới tác dụng của trọng lực v à l ực nổi còn chịu uốn cục bộ do tác dụng của áp lực nước bên ngoài và áp l ực hàng hóa trong các khoang. Giải bài toán độ bền cục bộ thường dẫn đến việc giải bài toán cơ học kết cấu thân t àu cụ thể như khung dàn, tôn vỏ, khung sườn ngang … v à kết quả sẽ cho giá 400 1200 1400 1700 1600 1100 200 200 900 1700 2000 1500 1000 4 00 200 T 200 T 100 T 300 T 100 T 200 T 100 T 300 T 200 T trị ứng suất cục bộ. Cuối cùng, giá trị ứng suất tại một điểm bất kỳ trên kết cấu thân tàu được xác định trên cơ sở tổng hợp kết quả bài toán tính độ bền chung và bài toán tính độ bền cục bộ. Việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định hay mô hình tổng thể có các ưu nhược điểm riêng đồng thời đòi h ỏi những điều kiện để thực hiện khác nhau. Thực tế cho thấy, mô hình tổng thể cho kết quả tính gần sát thực tế hơn so với mô hình ước định vì nó bảo toàn được những tính chất vật lý và cơ học của kết cấu thực ở mức độ khá cao nhưng đòi hỏi nhiều công sức trong việc lập mô hình, chuẩn bị số liệu và phân tích kết quả tính. Hơn nữa mô hình này chỉ có tính khả thi khi có chương trình phân tích độ bền kết cấu và máy tính với cấu hình cao, một điều kiện mà không ph ải lúc nào cũng có thể đáp ứng được. Còn các mô hình ước định, tuy đơn giản hơn và không đòi hỏi điều kiện tính phức tạp như đối với mô hình tổng thể nhưng với cách đặt vấn đề như thế, mô hình vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm, nhất là khi thực hiện phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, các tàu chuyên d ụng hay tàu có kích thước và đặc điểm nằm ngoài phạm vi của các quy phạm hiện hành dẫn đến kết quả thường ít chính xác hơn. Đồng thời, việc chia quá tr ình tính ra hai giai đoạn như trên tuy cũng có cơ sở khoa học nhất định nhưng chỉ là quy ước mang tính chất định tính nhiều hơn là tình trạng làm việc thực tế của kết cấu và việc nâng cao chất lượng mô phỏng quá trình tính cũng còn gặp nhiều hạn chế, xuất phát từ thuật toán xác định ranh giới các thông số vật lý và cơ học giữa độ bền chung và độ bền cục bộ. Tuy nhiên trong t ừng bài toán cụ thể, việc nâng cao chất lượng mô hình tính c ũng có thể thực hiện và cho hiệu quả ở mức độ nhất định nên tính theo mô hình ước định thường đơn giản hơn rất nhiều. Trong điều kiện khoa học kỹ thuật của nước ta hiện nay, với khả năng chỉ có thể trang bị các máy tính cỡ vừa và nhỏ thì việc thực theo mô hình tính ước định tỏ ra phù hợp hơn vì quá trình phân tích và x ử lý kết quả theo mô hình này không nhiều như theo mô hình tổng thể. . ngoại lực tương ứng tác dụng lên thân tàu. Khi đó bài toán phân tích độ bền phân thành hai nội dung chính: phân tích độ bền chung và phân tích độ bền cục bộ. 1. 1.2 .1. Phân tích độ bền chung Là. học kết cấu thân t àu cụ thể như khung dàn, tôn vỏ, khung sườn ngang … v à kết quả sẽ cho giá 400 12 00 14 00 17 00 16 00 11 00 200 200 900 17 00 2000 15 00 10 00 4 00 200 T 200 T 10 0 T 300 T 10 0. Hi ện nay, bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường dựa trên một trong hai mô hình sau. 1. 1 .1. Mô hình tổng thể. Theo mô hình tổng thể kết cấu thân tàu xem như hệ kết cấu không gian gồm