Chương 19: KHÁI QUÁT BÀI TOÁN SỨC BỀN CỤC BỘ CÁC KẾT CẤU THÂN TÀU Kết cấu thân tàu là tổ hợp bao nhiều loại kết cấu khác nhau như thanh, dầm, các kết cấu dạng tấm, vỏ như tôn đáy, tôn boong, … hầu hết các kết cấu này đều tham gia vào việc đảm bảo độ bền dọc chung thân tàu. Đồng thời, các kết cấu này còn chịu tác dụng các tải trọng ngang như áp lực nước, trọng lượng các tải trọng và các thi ết bị … Do đó ngoài biến dạng do uốn chung kết cấu thân t àu còn ch ịu biến dạng riêng do cục bộ thân tàu gây ra. Vì vậy mục đích của bài toán sức bền cục bộ là xác định giá trị ứng suất và biến dạng riêng xuất hiện trong kết cấu thân tàu khi uốn cục bộ và đảm bảo sao cho các ứng suất và biến dạng gây ra không được lớn hơn giá trị ứng suất và biến dạng cho phép. Bài toán tính sức bền cục bộ của kết cấu thân tàu sẽ dẫn đến việc phân tích các kết cấu chủ yếu như: Khung giàn đáy, khung giàn boong, mạn, … tương ứng với các phương pháp tính sức bền khác nhau, mô hình tính toán của các kết cấu trong các bài toán s ức bền cục bộ cũng khác nhau. 3.5.1. Lựa chọn phương pháp tính. Theo phương pháp tính sức bền cổ điển, mô hình toán học của những kết cấu chính là hệ dầm trực giao, dầm phẳng, hệ khung phẳng, còn điều biên có trong mô hình toán học là những liên kết động học phổ biế n: ngàm hoặc khớp. Trong mô hình tính này, phương pháp tính áp dụng có hiệu quả nhất là phương pháp tính chuyển vị và dựa trên cơ sở ước định về sự làm việc của từng kết cấu có trong hệ đang xét. Theo phương pháp tính hiện đại: Khi tính sức bền cục bộ củ a k ết cấu thân tàu theo phương pháp phần tử hữu hạn thường sử dụng hai mô hình tính toán là mô hình hệ dầm trực giao và mô hình h ệ tấm có sườn gia cường, còn điều kiện biên trong mô hình là các liên k ết động học: ngàm cứng, khớp xoay hoặc gối tựa. Riêng các kết cấu vỏ tàu được mô hình hóa bằng các kết cấu tấm phẳng. Việc đánh giá ứng suất và biến dạng được tíên hành dựa trên cơ sở tổ hợp kết quả của b ài toán sức bền chung và các bài toán s ức bền cục bộ. Rõ ràng với phương pháp tính cổ điển kết quả đánh giá có nhi ều hạn chế. Do đó phương pháp tính sức bền cục bộ theo phương pháp phần tử hữu hạn là chính xác hơn. Cùng với đó, việc ứng dụng máy tính để tính sức bền cục bộ một số kết cấu thân t àu theo các mô hình toán h ọc của phương pháp phần tử hữu hạn sẽ cho kết quả tính có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn nhiều so với mô hình tính toán theo phương pháp cổ điển. Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích độ bền kết cấu trên cơ sở thay thế kết cấu thực bằng mô hình rời rạc. Mô hình tính bao g ồm một số hữu hạn các điểm nút, còn ngoại lực tác dụng được đưa về các lực tương đương tác dụng lên điểm nút, kết quả l à một trường ứng suất, biến dạng v à những điểm nút. 3.5.1.1 Trình tự giải bài toán độ bền kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 1. Xây dựng mô hình tính toán gồm chọn hệ trục tọa độ, chọn phần tử mẫu và chia các kết cấu ra thành một số hữu hạn các phần tử (thanh, dầm, hai chiều, ba chiều, …). Mỗi phần tử liên kết với một số nút nhất định. 2. Đánh số các phần tử và các nút. 3. Xây d ựng ma trận độ cứng kết cấu trong các hệ trục tọa độ. 4. Xác định phương trình của phần tử. [F e ] = [K e ].{q e } (3 – 26) V ới [F e ]: Véctơ ứng lực nút tương đương. {q e }: Véctơ chuyển vị phần tử. [K e ]: ma trận độ cứng phần tử. Việc xác định ma trận độ cứng K và véctơ tải trọng phải dựa trên cơ sở giả thiết về quy luật biến thi ên của chuyển vị bên trong các ph ần tử. 5. Xác định phương trình phần tử toàn hệ: [F] = [K].{q} (3-26*) F, K là véctơ tải trọng và ma trận độ cứng toàn hệ. 6. Giải phương trình đại số tuyến tính để xác định chuyển vị nút của toàn hệ. 7. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của các phần tử theo kết quả chuyển vị trên. Trong ph ần tính sức bền cục bộ kết cấu thân tàu thiết kế, sử dụng phần mềm tính sức bền là DRM6 sau khi được thực hiện mô hình hóa các chi tiết kết cấu. Phầm mềm DRM6 là một phần mềm tính sức bền dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn và được ứng dụng rộng rãi, đưa ra kết quả khá chính xác với mô hình đưa ra nên việc lựa chọn phương pháp này sẽ giảm được thời gian tính mà vẫn cho kết quả tin cậy cao. 3.5.1.2. Xây dựng mô hình và tính sức bền cục bộ một số kết cấu chính. Để thực hiện mô hình tính cần đảm bảo một số nguyên tắc mô hình hóa kết cấu sau: + Khi thực tách kết cấu từ phức tạp về đơn giản cần lưu ý: k ết cấu có độ cứng lớn hơn phải đảm bảo làm chỗ tựa cho kết cấu có độ cứng thấp hơn, và đáp ứng các y êu cầu sau: - Mô hình tính phản ánh chính xác đặc điểm làm việc của các kết cấu trước khi tách. - Đảm bảo kết cấu trước và sau khi tách cần bằng về lực, moment và chuyển vị. - Cần vận dụng tối đa tính chất đối xứng của kết cấu và tải trọng. 3.5.2 Tính sước bền cục bộ cho một số chi tiết chính: Với bài toán sức bền cục bộ này thì tôi chỉ đi tính với một số chi tiết chính: sống chính, đà ngang đay, sườn. 3.5.2.1. Tải trọng tác dụng lên các chi tiết kết cấu. Tải trọng tác dụng lên chi tiết kết cấu bao gồm áp lực hàng hóa và áp l ực nước từ bên ngoài tàu: P = P n – P hh + Áp lực tải trọng tác dụng của hàng hóa:P hh = K. h .H (tấn/m 2 ). + Áp l ực thủy tĩnh: P n . 2 s h T (tấn/m 2 ). Trong đó: h : trọng lượng riêng hàng chở trên tàu (t/m 3 ). H: chiều cao hàng (m); Với tàu thiết kế H = 1,8 (m) K: hệ số tính đến sự không đồng đều từng mặt hàng, với tàu cá ch ọn K=0,6 P hh = 0,6 . 1 . 1,8 = 1,08 (tấn/m 2 ) Áp l ực thủy tĩnh được tính trong trường hợp nguy hiểm nhất là tàu nằm trên đỉnh sóng với bước sóng bằng chiều dài tàu. Chiều cao sóng h s = 1,9 (m). Suy ra áp l ực thủy tĩnh: P n = 1,025.(1,8 + 1,9/2) = 2,82 (tấn/m 2 ) T ừ trên ta có : P = 2,82 – 1,08 = 1,74 (tấn/m 2 ). . Chương 19: KHÁI QUÁT BÀI TOÁN SỨC BỀN CỤC BỘ CÁC KẾT CẤU THÂN TÀU Kết cấu thân tàu là tổ hợp bao nhiều loại kết cấu khác nhau như thanh, dầm, các kết cấu dạng tấm, vỏ như tôn đáy,. cao. 3.5.1.2. Xây dựng mô hình và tính sức bền cục bộ một số kết cấu chính. Để thực hiện mô hình tính cần đảm bảo một số nguyên tắc mô hình hóa kết cấu sau: + Khi thực tách kết cấu từ phức tạp về đơn. ph ần tính sức bền cục bộ kết cấu thân tàu thiết kế, sử dụng phần mềm tính sức bền là DRM6 sau khi được thực hiện mô hình hóa các chi tiết kết cấu. Phầm mềm DRM6 là một phần mềm tính sức bền