nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép

1 MỤC LỤC MỤC LỤC CHƯƠNG : ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP 1.3.1.Đặc điểm chung kết cấu tàu vỏ thép 1.3.2.Phân loại hệ thống kết cấu : 1.3.3.Đặc điểm kết cấu khung sườn tàu vỏ thép : 12 1.4 MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 1.5.GIỚI HẠN NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 17 CHƯƠNG : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.2 MƠ HÌNH BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KẾT CẤU 18 2.3 CÁC YẾU TỐ CỦA BÀI TỐN TỐI ƯU HĨA KẾT CẤU 19 2.3.1.Biến thiết kế 19 2.3.2.Hàm mục tiêu 19 2.3.3 Hệ ràng buộc 20 2.4 PHÂN LOẠI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU HĨA KẾT CẤU 21 2.4.1.Bài tốn tối ưu hóa tuyến tính có ràng buộc 21 2.4.2.Bài tốn tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc 21 2.4.3.Bài tốn tối ưu hóa phi tuyến khơng có ràng buộc 21 2.5.CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TRONG TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU 22 2.5.1.Phương pháp đồ thị: 22 2.5.2.Phương pháp đơn hình: 24 2.5.2.Phương pháp nhân tử Lagrange: 24 2.5.4.Phương pháp Gradien: 25 2.5.5.Phương pháp tuyến tính hóa: 26 2.5.6.Phương pháp tìm kiếm trực tiếp: 27 CHƯƠNG : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 28 3.1 XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU 29 3.1.1 Mô hình tải trọng tác dụng lên khung sườn tàu 29 3.1.2 Mơ hình kết cấu khung sườn tàu 35 3.2 XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU VÀ CÁC HÀM RÀNG BUỘC 41 3.2.1 Xây dựng hàm mục tiêu 41 3.2.2 Xây dựng hệ hàm ràng buộc 42 3.3.PHƯƠNG PHÁP TƠI ƯU HĨA KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP.46 3.3.1 Lựa chọn phương pháp tối ưu hóa kết cấu khung sườn tàu vỏ thép 46 3.3.2 Nghiên cứu xây dựng phương pháp tối ưu hóa kết cấu khung sườn 48 3.4 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 53 3.5 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 55 3.5.1 Giới thiệu tàu tính tốn 55 3.5.2 Rời rạc hóa kết cấu 57 3.5.3 Xác định tải trọng 60 3.5.4 Xây dựng bảng tiết diện mối quan hệ đặc trưng học 64 3.5.5 Chọn hệ số an toàn cho kết cấu khung sườn 71 3.5.6 Kết tính tối ưu 71 3.5.7 Lựa chọn tiết diện kiểm tra 73 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 4.1 KẾT LUẬN 78 4.2 KIẾN NGHỊ 78 PHỤ LỤC 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 LỜI NÓI ĐẦU Trong năm gần đây, với phát triển mạnh nhiều ngành kỹ thuật ngành đóng tàu có bước tiến nhảy vọt, mặt số lượng chất lượng Riêng Việt nam, ngành đóng tàu thật có thay đổi mạnh mẽ xuất nhiều loại tàu đặc biệt tàu cỡ lớn có trọng tải lên đến 100.000 Chính thế, tốn tối ưu hóa kết cấu nói chung tốn kết cấu thân tàu nói riêng trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn với nhiều người, mục tiêu tối ưu hóa kết cấu mục tiêu kinh tế - kỹ thuật mà người thiết kế mong muốn đạt Bản thân cán giảng dạy Bộ môn Cơ học Trường Đại học Nha trang nên mong muốn thực đề tài có liên quan đến vấn đề này, với ý muốn ứng dụng để giảng dạy môn lý thuyết tối ưu thiết kế kết cấu, môn học thiết kế kễt cấu thân tàu Khoa Kỹ thuật tàu thủy Trường Vì lý nên thực luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ thuật tàu thủy, mạnh dạn đề xuất đề tài Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính tốn tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép với chương Chương : Đặt vấn đề Chương : Cơ sở lý thuyết Chương : Kết nghiên cứu Chương : Kết luận kiến nghị Kết nghiên cứu luận văn, hạn chế thực mang lại cho nhiều kiến thức cần thiết giảng dạy nghiên cứu khoa học Nhân dịp này, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha trang, Phòng Đào tạo Đại học Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật tàu thủy bạn đồng nghiệp Bộ mơn Đóng tàu, Bộ môn Cơ học Khoa Kỹ thuật tàu thủy, quan, đơn vị cá nhân hỗ trợ động viên chúng tơi hồn thành đề tài Cuối cùng, xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thấy TS Trần Gia Thái, người hướng dẫn khoa học giúo đỡ nhiều trình thực đề tài Chương ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Trong năm gần đây, với phát triển mạnh mẽ ngành đóng tàu, vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu công trình biển nói chung kết cấu thân tàu nói riêng đáp ứng hàm mục tiêu đặt ra, có vai trị quan trọng mang tính chất cấp thiết, cho phép xác định kích thước hợp lý kết cấu sở vừa đảm bảo độ bền, vừa đảm bảo trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng với chi phí nguyên vật liệu thấp Đặc biệt, việc tính tốn tối ưu kết cấu thân tàu không cho phép tiết kiệm vật liệu để làm giảm giá thành sản phẩm mà ảnh hưởng tốt đến tính tàu thiết kế Do việc ứng dụng phương pháp tối ưu vào tính kết cấu thân tàu cần thiết, yêu cầu mặt tốc độ, sức chở giá thành vật liệu ngày tăng cao lý đề xuất đề tài Nghiên cứu tính tốn tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép Như biết, thiết kế kết cấu tốn quan trọng q trình thiết kế tàu thủy, nhằm lựa chọn cách hợp lý chi tiết kết cấu kích thước, cách bố trí, hình thức liên kết v v… sở đảm bảo đầy đủ độ bền với trọng lượng thân tàu nhỏ Tuy nhiên, tính chất phức tạp vấn đề nên đa số nước thường tính tốn, thiết kế kết cấu thân tàu dựa theo yêu cầu Quy phạm đóng tàu Thực tế nhận thấy, công thức Quy phạm xây dựng dựa sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm nghiêm ngặt phản ánh hết điều kiện nơi tàu hoạt động nên tính theo phương pháp thường phải chấp nhận tốn vật liệu tăng trọng lượng tàu thân kết cấu chưa dạng hợp lý Mặt khác, hình dáng, yêu cầu bố trí chung tàu thường khơng giống nhau, tàu cỡ lớn hay tàu có tính đặc biệt nên quy phạm đóng tàu bao gồm hết nên hầu hết Quy phạm cho phép khuyến khích người thiết kế tính chọn lại kích thước kết cấu thân tàu dựa theo lý thuyết tối ưu, vấn đề quan tâm thời gian gần nhờ phát triển mạnh công nghệ thông tin sở lý thuyết phương pháp tính tốn tối ưu Ngồi cách tính tốn, thiết kế kết cấu theo u cầu Quy phạm trình bày, cịn xác định kích thước kết cấu thân tàu dựa sở đáp ứng yêu cầu độ bền, gồm độ bền chung độ bền cục bộ, gọi thiết kế kết cấu tàu tính tốn lý thuyết Vấn đề đặt điều kiện cho trước trên, cần tính tốn lựa chọn kích thước kết cấu sở đảm bảo trọng lượng kết cấu xét nhỏ Cách giải này, đảm bảo trọng lượng kết cấu tính nhỏ khơng dùng hết vật liệu, tức ứng suất kết cấu không đạt đến giá trị cho phép Nếu q trình thiết kế cần thay đổi số kích thước mặt cắt ngang, ví dụ chiều cao mạn, vị trí boong, chiều cao đáy đơi , kể vật liệu chế tạo v…v , nảy sinh vấn đề tìm trọng lượng tối ưu dựa sở đảm bảo tiêu chuẩn bền cho Bài tốn thiết lập với ý nghĩa rộng hơn, tức tối ưu kết cấu không theo trọng lượng mà theo hàm mục tiêu tiêu kinh tế - công nghệ khác chi phí lao động chế tạo kết cấu, chi phí sữa chữa hư hỏng, tuổi thọ kết cấu v v Thực tế cho thấy, vấn đề đặt có ý nghĩa quan trọng tốn thiết kế kết cấu giải cách dùng lý thuyết tối ưu kết hợp tính kết cấu máy tính Tuy nhiên nay, nghiên cứu vấn đề tối ưu hóa kết cấu thân tàu thủy giai đoạn ban đầu nên trình bày tài liệu chun ngành Riêng kết cấu khung sườn tàu thép, đa phần kết cấu siêu tĩnh nên thiết kế thường phải chọn trước thông số hình học nó, sau tiến hành kiểm tra bền Như lúc người thiết kế xác định thơng số hình học phù hợp, đảm bảo kết cấu đủ bền mà lại có chi phí, trọng lượng vật liệu thấp Do tốn thiết kế tối ưu đặt nhằm mục đích tính chọn kết cấu tàu vừa đảm bảo đủ yêu cầu độ bền, lại vừa có trọng lượng kết cấu hay giá thành nhỏ Kết nghiên cứu đề tài có ý nghĩa quan trọng mặt lý thuyết thực tế, khơng cho phép tiết kiệm vật liệu, hạ giá thành sản phẩm mà nâng cao tính hàng hải tàu, mặt tốc độ nhờ việc giảm bớt trọng lượng tàu, từ giúp quan quản lý tư vấn cho đơn vị thiết kế chế tạo tàu lựa chọn kích thước kết cấu tàu an tồn, kinh tế dựa sở để so sánh hiệu chỉnh yêu cầu cơng thức tính kết cấu Quy phạm Việt nam TCVN 6282 : 1997 1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA Như biết, thiết kế tối ưu trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đề nghị áp dụng thiết kế kết cấu Thực chất toán trình tìm kiếm giá trị cực trị thỏa mãn điều kiện cho trước tìm kiếm khách quan không phụ thuộc trực giác hay lực người thiết kế Ngay từ năm 1869, nhà khoa học Maxwell (Mỹ) đề xuất sở lý thuyết tối ưu kết cấu ông người nghiên cứu lĩnh vực Đến năm 1904, Mitchell (Mỹ) phát triển lý thuyết ứng dụng vào việc tính tốn tối ưu sơ đồ hình học hệ giàn nhằm đạt trọng lượng nhỏ tác dụng tải trọng đơn chịu ràng buộc ứng suất Đến khoảng đầu thập niên 1950, nhiều nhà khoa học công bố cơng trình nghiên cứu ứng dụng phương pháp quy hoạch tốn học vào cực tiểu hóa trọng lượng kết cấu khung, nhà khoa học Foulkes (1954), Baker cộng (1956), Prager (1956) thiết lập toán tối ưu dẻo trọng lượng phương pháp quy hoạch tuyến tính Đến 1960, nhà khoa học Schmit đưa khái niệm tổng hợp kết cấu (structural synthesis) kết hợp phương pháp quy hoạch tốn học với phương pháp phần tử hữu hạn Tiếp sau đó, nhà khoa học Moses (1964), Romstad Wang (1968) nghiên cứu thiết kế tối ưu đàn hồi kết cấu hệ khung giàn dùng chuỗi phương trình tuyến tính, ràng buộc chuyển vị tuyến tính hóa ứng suất phép khai triển Taylor bậc Năm 1966, nhà khoa học Brown Ang đề xuất phương pháp thiết kế tối ưu khung thép tiết diện chữ I phép chiếu độ dốc thiết lập mối quan hệ đặc trưng tiết diện mơ men qn tính I, mơ men kháng uốn W diện tích tiết diện F Đến năm 70 kỷ XX, người ta nhận thấy việc áp dụng phương pháp quy hoạch toán học kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn gặp nhiều khó khăn khối lượng biến thiết kế lớn vấn đề tìm hàm ràng buộc tường minh trở nên khó nên nghiên cứu tập trung vào giải toán tối ưu cách hiệu Các nhà khoa học Schmit Farshi (1974), Schmit Miura (1976) xây dựng khái niệm xấp xỉ nhằm tăng hiệu phương pháp quy hoạch toán học với kỹ thuật liên kết biến thiết kế, xóa bỏ ràng buộc, tuyến tính hàm ràng buộc hàm mục tiêu khai triển Taylor v v… áp dụng để giảm bớt khối lượng tính tốn máy tính Trong năm cuối kỷ XX, xuất thuật tốn tính tối ưu có tên thuật tốn di truyền xây dựng sở mô bước lặp trình thiết kế tối ưu theo trình di truyền tự nhiên, nhiên phương pháp lại gặp khó khăn thuật tốn q cồng kềnh thời gian giải lớn so với phương pháp khác Mặt khác lại tách rời khỏi ý nghĩa vật lý, học toán, đồng thời thơng số tính tốn ứng suất, chuyển vị kết cấu lại mã hóa thành bit nhị phân nên làm cho người thiết kế hình dung tối ưu q trình tính toán Trong năm gần đây, với bùng nổ công nghệ thông tin xuất máy tính có khả tính lớn tạo thuận lợi cho việc giải toán thiết kế tối ưu Do xuất xu hướng thay phương pháp quy hoạch toán học với phép xấp xỉ cách cho máy tính tìm kiếm trực tiếp nghiệm tối ưu không gian biến thiết kế Phương pháp tỏ thuận lợi lúc hàm ràng buộc ứng suất, chuyển vị không cần hàm tường minh có nhược điểm khối lương tính tốn lớn, nhiên giải nhờ việc lập trình tính tốn máy tính đại Riêng tốn thiết kế tối ưu kết cấu áp dụng từ sớm chủ yếu ứng dụng tính tốn, thiết kế kết cấu thép ngành Xây dựng [1], [3], [6],[7] với kết cấu tính tối ưu kết cấu giàn kèo [1, tr.65-78], [7, tr.99-109] môn học Thiết kế tối ưu kết cấu đưa vào giảng dạy số trường đại học Ở nước ta có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu chủ yếu tập trung vào tính tốn kết cấu ngành xây dựng Riêng vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu thân tàu nói chung thiết kế tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép nói riêng chưa nghiên cứu cơng bố Khơng Việt Nam mà nước có cơng nghiệp đóng tàu phát triển chúng tơi chưa tìm thấy tài liệu cơng trình nghiên cứu vấn đề Trong tổ chức nghiên cứu kết cấu thân tàu có uy tín Ủy ban kết cấu tàu Mỹ (Ship Structure Committee) với trang web http://shipstructure.org/ đăng tải nghiên cứu nhà khoa học giới từ năm 1945 đến không thấy nghiên cứu vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu khung sườn tàu, Do thấy vấn đề đặt luận văn 1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP 1.3.1.Đặc điểm chung kết cấu tàu vỏ thép Về mặt độ bền, phận kết cấu thân tàu tính chọn bố trí đảm bảo độ bền dọc tàu uốn chung độ bền cục tác dụng tải trọng riêng Theo quan điểm này, toàn thân tàu xem dầm tổng hợp thành mỏng, chịu tác dụng hai lực ngược chiều trọng lượng thân tàu lực đẩy nước Kết tác dụng hai hệ lực làm thân tàu bị uốn cong lên võng xuống, làm xuất mômen uốn, lực cắt gây biến dạng làm phá hủy kết cấu thân tàu Để đảm bảo độ bền dọc độ bền cục nói trên, kết cấu hình thành nên khung xương tàu thường chia thành hai hệ thống kết cấu sau [8, 13] 1.Hệ thống kết cấu dọc Hệ thống kết cấu dọc nhằm đảm bảo độ bền dọc gồm kết cấu bố trí dọc tàu sống chính, đà dọc đáy, sống dọc mạn, sống dọc hông xà dọc boong v v… Ngoài kết cấu trên, tham gia đảm bảo độ bền dọc cịn có kết cấu dọc khác tôn đáy, tôn boong, dải tôn hông, dải tôn mép mạn, tôn mạn, vách dọc Khi uốn dọc, đáy boong kết cấu thân tàu đảm đương vai trị chính, cịn phận kết cấu vách dọc, tơn mạn đóng vai trị phụ tính độ bền chung Trong trường hợp lực cắt xuất kết cấu thân tàu đạt đến giá trị lớn phận kết cấu vách dọc, thành mạn tàu đóng vai trị chịu tác dụng lực cắt Về mặt độ bền, kết cấu hệ thống dọc đảm đương vai trò cụ thể sau : - Sống chính, sống dọc, sống dọc boong chịu ứng suất kéo ứng suất nén lúc tàu bị uốn chung bị uốn cục khung giàn đáy, khung giàn boong - Sống dọc mạn chủ yếu chịu tác dụng uốn cục - Tôn mạn vách dọc đóng vai trị thành đứng kết cấu dầm chịu lực, giữ hoạt động giàn đáy, boong chịu gần toàn lực cắt uốn dọc Riêng tôn mạn chịu tác dụng cục áp lực hàng hóa từ bên áp lực nước từ tàu bị xoắn chung, tôn mạn chịu thêm ứng suất xoắn - Tấm đáy boong chủ yếu làm việc chế độ kéo nén lúc tàu bị uốn chung Do nằm cách xa vị trí trục trung hịa nên giá trị ứng suất kéo ứng suất nén hai đạt giá trị lớn hai chịu tải trọng cục áp lực nước hàng hóa tác dụng vng góc với Ngồi bị xoắn chung, đáy vỏ xuất ứng suất trình xoắn thân tàu gây 2.Hệ thống kết cấu ngang Hệ thống kết cấu ngang nhằm đảm bảo độ bền ngang cho kết cấu thân tàu, bao gồm kết cấu bố trí theo mặt cắt ngang thân tàu : - Sườn ngang gồm dầm đặt mặt phẳng ngang nằm dọc theo mạn tàu - Sườn khỏe dầm tăng cường đặt buồng máy khoang hàng - Đà ngang đáy gồm dầm đặt ngang đáy tàu, làm đế tựa cho tôn đáy sống dọc đáy - Xà ngang boong dầm ngang đặt mặt boong để đỡ tôn boong - Xà ngang boong cụt xà ngang đặt vùng lỗ khoét mặt boong, chạy từ mạn tới lỗ khoét - Xà ngang boong khỏe xà ngang boong có kích thước lớn nhằm kết hợp với sườn khỏe để tạo thành khung sườn khỏe 1.3.2 Phân loại hệ thống kết cấu Tùy theo cách bố trí dầm dọc dầm ngang kết cấu thân tàu mà ta chia kết cấu thân tàu thành hệ thống kết cấu sau : 1.Hệ thống kết cấu ngang (Transverse Framing) Ở hệ thống ngang, kết cấu bố trí theo chiều dài dày theo chiều ngang tàu Hình thức kết cấu thường áp dụng tàu cỡ nhỏ cỡ vừa có mơmen uốn nhỏ phận mũi đuôi tàu để khai thác ưu điểm hệ thống ngang 10 2.Hệ thống kết cấu dọc (Longitudinal Framing) Ở hệ thống dọc, kết cấu bố trí theo chiều dài thưa theo chiều ngang tàu Hình thức kết cấu hay áp dụng tàu cỡ lớn tàu có tỷ số L/B lớn (hình 1.1) Hình 1.1 : Kết cấu tàu dầu theo hệ thống dọc - Boong, - Vách ngang, - Sườn thường, - Sườn khỏe, - Xà ngang boong khỏe, - Đà ngang đáy, - Vách dọc, - Nẹp dọc boong, - Xà dọc mạn, 10 - Boong mũi Ngồi cịn có hệ thống kết cấu hỗn hợp hệ thống kết cấu liên hợp 3.Hệ thống kết cấu hỗn hợp Hệ thống gồm hai hình thức trên, có phận kết cấu theo hệ thống ngang, có phận lại kết cấu theo hệ thống dọc nhằm tận dụng ưu điểm hai hệ thống Hình thức chủ yếu thường áp dụng cho tàu dầu, tàu chở hàng khơ cỡ trung lớn, kết cấu khung giàn đáy khung giàn boong kết cấu theo hệ thống dọc, khu vực mũi, lái, mạn kết cấu theo hệ thống ngang để tăng độ bền cục 4.Hệ thống kết cấu liên hợp Trong hệ thống này, khoảng cách kết cấu theo chiều dài ngang Kết cấu theo hệ thống khơng có lợi trọng lượng độ cứng lại giải vấn đề gia cường cục cho kết cấu khung giàn, thường áp dụng khu vực chịu tải cục tải va đập lớn mũi đuôi, khoang hàng v v… 75 Hình 3.35 hình 3.36 biểu thị biểu đồ lực dọc mơmen uốn tính từ SAP Hình 3.35 : Biểu đồ lực dọc, Kg Hình 3.36 : Biểu đồ mơ men uốn, Kg.cm 76 Tổng hợp kết tính tốn tiết diện lựa chọn thể bảng 3.12 Bảng 3.12: Kết tính tốn kiểm tra tiết diện lựa chọn σ Mmax N A W (Kg.cm) Phần tử (Kg) (cm2) (cm3) [σ] (Kg/cm2) (Kg/cm2) 76882,65 7767,72 132,92 3085,7 83,36 2160 218386,52 7767,72 132,92 3085,7 129,21 2160 649610,47 7767,72 132,92 3085,7 268,97 2160 649610,47 5922,86 63,77 359,5 1899,76 1920 285089,24 5922,86 63,77 359,5 885,85 1920 263440,35 5922,86 63,77 359,5 825,63 1920 263440,35 3687,78 67,82 271,4 1024,90 1440 Từ kết nhận thấy, giá trị ứng suất lớn kết cấu phần tử số 4, gần ứng suất cho phép vật liệu (σ = 1899,8 KG/cm2 < [σ] = 1899,8 KG/cm2) với mức sai khác 1%, kết chấp nhận tính độ bền kết cấu thân tàu Bảng 3.13 so sánh tiết diện phần tử kết cấu theo kết lựa chọn tối ưu tiết diện thực tế sử dụng cho kết cấu khung sườn 34 (khơng tính phần mép kèm) Bảng 3.13: So sánh tiết diện tối ưu tiết diện thực tế Tối ưu Tiết diện Hình dạng Quy cách Thực tế Diện tích tiết diện (cm2) Quy cách Diện tích tiết diện (cm2) Đà ngang đáy Chữ nhật 750x10 75 750x10 75 Sườn mạn Chữ T 100x8/250x10 33 120x10/400x8 44 Xà ngang boong cụt Chữ T 100x8/200x10 28 100x10/400x8 42 77 Để thấy rõ tối ưu mặt trọng lượng kết cấu khung sườn tàu tính, so sánh trọng lượng kết cấu theo kết tính tối ưu trọng lượng kết cấu thực tế nhận kết bảng 3.14 Bảng 3.13: So sánh tiết diện tối ưu tiết diện thực tế Tính tốn tối ưu Các kết cấu Chiều dài (cm) Diện tích tiết diện (cm2) Kết cấu thực tế Trọng lượng Diện tích tiết diện Trọng lượng (Kg) (cm2) (Kg) Đà ngang đáy 540 75 317.9 75 317.9 Sườn mạn 342 33 88.6 44 118.1 Xà ngang boong cụt 220.7 28 48.5 42 72.8 Tổng trọng lượng kết cấu 455 509 Như vậy, so với trọng lương kết cấu thực tế thiết kế G = 509 (Kg) chọn kích thước theo kết tính tối ưu giảm trọng lượng kết cấu 10,6 % Điều khơng có nghĩa theo kết tính tối ưu tàu hoạt động an tồn mơ hình tính khung sườn tàu xây dựng dựa sở mơ hình cho bỏ qua hàng loạt yếu tố gây ảnh hưởng nguy hiểm tàu hoạt động ví dụ chưa tính tải trọng va đập sóng lên kết cấu tàu lên boong tàu v v… Mặt khác tốn thực tính tối ưu theo yêu cầu độ bền, chưa tính đến tiêu khác độ ổn định, độ bền mỏi xuất kết cấu v v… Tuy nhiên trình bày phần giới hạn nội dung nghiên cứu luận văn này, mục đích luận văn chủ yếu xây dựng phương pháp thuật tốn để tính tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép sâu vào xây dựng mơ hình tính Nghĩa là, với phương pháp thuật tốn đề nghị tìm kích thước tối ưu cho mơ hình tính cụ thể, trường hợp cụ thể, việc xây dựng mơ hình kết cấu tải trọng tác dụng lên khung sườn tàu không nằm phạm vi luận văn 78 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1.KẾT LUẬN Như trình bày, kết nghiên cứu luận văn có ý nghĩa quan trọng mặt lý thuyết khả áp dụng thực tế, tóm tắt sau : Xây dựng phương pháp thuật tốn tính tối ưu kết cấu khung phẳng nói chung kết cấu khung sườn tàu thủy nói riêng dựa sở cho phép tiết kiệm vật liệu, hạ giá thành sản phẩm giảm trọng lượng tàu Viết chương trình tính tốn tối ưu cho kết cấu có ba loại tiết diện phần tử, phù hợp với đặc điểm kết cấu khung sườn tàu vỏ thép thông dụng Kết tính tối ưu kích thước kết cấu khung sườn tàu theo chương trình viết tàu cụ thể cho thấy kích thước tính theo yêu cầu quy phạm tăng khoảng 10% phù hợp với thực tế hầu hết Quy phạm đóng tàu có xu hướng tăng kích thước kết cấu lên so với thực tế để đảm bảo yêu cầu độ bền trường hợp chưa thể tính hết yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động tàu 4.2 KIẾN NGHỊ Từ kết nhận được, phát triển thêm số hướng nghiên cứu khác : - Nghiên cứu phương pháp thuật toán tính tối ưu cho kết cấu khơng gian - Đưa thêm tiêu tối ưu khác tiêu độ bền vào tính tối ưu kết cấu khung sườn tàu nói riêng kết cấu thân tàu nói chung - Chương trình viết ngơn ngữ Matlab ngôn ngữ dễ hiểu cho phép can thiệp vào chương trình để bổ sung sửa chữa mã nguồn đơn giản Tuy nhiên, giao diện chương trình làm việc khơng đẹp chạy môi trường làm việc Matlab nên không thật thuận lợi với người sử dụng, đòi hỏi người dùng cần phải biết sử dụng Matlab chạy chương trình 79 Để giải vấn đề sử dụng ngơn ngữ lập trình khác Visual Basic, C++ v v… để nâng cấp chương trình có mặt giao diện, sau kết nối với Matlab để tính tốn tối ưu kết nối với phần mềm tính kết cấu SAP, STAAD, NAUTICUS để phân tích kết cấu tối ưu tính Phần phụ lục trình bày mã nguồn chương trình tính tối ưu kết cấu ngơn ngữ Matlab 80 PHỤ LỤC Chương trình tính tốn tối ưu (file main.m) clear all %Xoa cac bien truoc day clc % Xoa man hinh format long dauvao dauvaotai drawtopo Zmin=L*Fmin; Zmax=L*Fmax; %========================Kiem tra voi TD be nhat========================= F1=Ftdmin(1); F2=Ftdmin(2); F3=Ftdmin(3); F=[F1 F1 F1 F2 F2 F2 F3]; analysis testDK if DK==1 disp('chon cac tiet dien be nhat bang') else Zd=Zmin end %========================Kiem tra voi TD lon nhat========================= F1=Ftdmax(1); F2=Ftdmax(2); F3=Ftdmax(3); F=[F1 F1 F1 F2 F2 F2 F3]; analysis testDK if DK==0 disp('Khong the chon tiet dien thep theo bang vi tai qua lon') else Zt=Zmax end %==============================tim Zd syms F1 F2 F3 F=[F1 F1 F1 F2 F2 F2 F3]; DK=0; while (Zt-Zd)>=1 | DK==0 Z=(Zt+Zd)/2 tinhz %Z=L*subs(F'); if DK==0 Zd=Z else Zt=Z end end clc disp('DIEN TICH TIET DIEN THEP TOI UU'); F=[F1 F1 F1 F2 F2 F2 F3] disp('DIEN TICH TIET DIEN DA NGANG DAY TOI UU'); F1 disp('DIEN TICH TIET DIEN SUON MAN TOI UU'); F2 disp('DIEN TICH TIET DIEN XA NGANG BOONG CUT TOI UU'); F3 81 Chương trình nhập liệu đầu vào (file dauvao.m) %file so lieu dau vao cua ket cau % THONG TIN CHUNG CUA KET CAU Nnode=8; %TONG SO NUT CUA KHUNG Nel=7; % TONG SO PHAN TU CUA KHUNG %=================================================== % TOA DO NUT CooJo_X=[0 -160 -320 -540 -540 -540 -540 -320]; CooJo_Y=[0 0 220 370 540 543.2]; %=================================================== %CHUYEN VI BI RANG BUOC %Chuyen vi nao bi rang buoc thi danh so 1, khong rang buoc danh so BdaryU=[1 1 0 0 0 0 0 0 1 0]; %=================================================== %NUT BI RANG BUOC for i=1:Nnode if BdaryU(i*3-2)==1|BdaryU(i*3-1)==1|BdaryU(i*3)==1 Bdary(i)=1; else Bdary(i)=0; end end %=================================================== %NUT DAU VA CUOI CUA PHAN TU ie=[1 7]; je=[2 8]; for i=1:Nel str=num2str(i); L(i)=((CooJo_X(je(i))-CooJo_X(ie(i)))^2+(CooJo_Y(je(i))-CooJo_Y(ie(i)))^2)^0.5; C(i)=(CooJo_X(je(i))-CooJo_X(ie(i)))/L(i); S(i)=(CooJo_Y(je(i))-CooJo_Y(ie(i)))/L(i); end %=================================================== %MO DUYN DAN HOI VA UNG SUAT CHO PHEP CUA PHAN TU E=10^5*[20 20 20 20 20 20 20]; USC=[2400 2400 2400 2400 2400 2400 2400]; n=[0.9 0.9 0.9 0.8 0.8 0.8 0.6]; for i=1:Nel USCP(i)=n(i)*USC(i); end %=================================================== %TONG SO LOAI TIET DIEN Nsec=3; %============================================================================ ================') %NHAP Fmax VA Fmin CHO PHAN TU Ftdmin=[132.92 58.77 67.82]'; Ftdmax=[155.92 85.57 94.62]'; Fmax=[Ftdmax(1) Ftdmax(1) Ftdmax(1) Ftdmax(2) Ftdmax(2) Ftdmax(2) Ftdmax(3)]'; Fmin=[Ftdmin(1) Ftdmin(1) Ftdmin(1) Ftdmin(2) Ftdmin(2) Ftdmin(2) Ftdmin(3)]'; 82 Chương trình nhập tải trọng quy vecto tải (file dauvaotai.m) clc Pe=zeros(Nel,6); %TAI PHAN BO TREN PHAN TU QUY VE NUT qe=[0 -2882 -76853.33 -2882 76853.33 -2882 -76853.33 -2882 76853.33 -3962.75 -145300.8 -3962.75 145300.8 -3563.45 -125779.5 -3031.05 116018.8 -1608.21 -38653.88 -1359.99 35551.13 -1092.522 -28708.78 -775.438 24216.76 -484.066 -17751.51 -484.066 17751.51]; %TAI TAP TRUNG TREN PHAN TU QUY VE NUT Qe=[0 0 0 0; 0 0 0; 0 0 0; 0 0 0; 0 0 0; 0 0 0; 0 0 0]; %TAI TAP TRUNG TAI NUT Pn=[0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ]; %CHUYEN CAC THANH PHAN qe VA Qe VE HE TOA DO TONG THE for i=1:Nel Pe(i,1)=Pe(i,1)+qe(i,1)*C(i)-qe(i,2)*S(i)+Qe(i,1)*C(i)-Qe(i,2)*S(i); Pe(i,2)=Pe(i,2)+qe(i,1)*S(i)+qe(i,2)*C(i)+Qe(i,1)*S(i)+Qe(i,2)*C(i); Pe(i,3)=Pe(i,3)+qe(i,3)+Qe(i,3); Pe(i,4)=Pe(i,4)+qe(i,4)*C(i)-qe(i,5)*S(i)+Qe(i,4)*C(i)-Qe(i,5)*S(i); Pe(i,5)=Pe(i,5)+qe(i,4)*S(i)+qe(i,5)*C(i)+Qe(i,4)*S(i)+Qe(i,5)*C(i); Pe(i,6)=Pe(i,6)+qe(i,6)+Qe(i,6); end %TINH VEC TO TAI TONG THE P=zeros(1,3*Nnode); for i=1:Nel for m=1:3 Pq(i,3*ie(i)+m-3)=Pe(i,m); Pq(i,3*je(i)+m-3)=Pe(i,m+3); end end for m=1:3*Nnode P(m)=P(m)+Pn(m); for i=1:Nel P(m)=P(m)+Pq(i,m); end end 83 Chương trình vẽ sơ đồ tính kết cấu (file drawtopo.m) veralign=5; horalign=5; %Ve nut va danh so thu tu for i=1:Nnode hold on if Bdary(i)==1 plot(CooJo_X(i),CooJo_Y(i),'*'); else plot(CooJo_X(i),CooJo_Y(i),'o'); end text(CooJo_X(i)+horalign,CooJo_Y(i)+veralign,int2str(i)); end %Ve phan tu va danh so for i=1:Nel hold on x=[CooJo_X(ie(i)),CooJo_X(je(i))]; y=[CooJo_Y(ie(i)),CooJo_Y(je(i))]; l1=line(x,y); %ve noi hai nut set(l1,'color','m','linewidth',2.15,'linestyle','-'); if x(1)~=x(2) text((x(1)+x(2))/2,(y(1)+y(2))/2,int2str(i),'rotation',(y(2)-y(1))/(x(2)-x(1))*180/pi,'color','r'); elseif x(1)==x(2) text((x(1)+x(2))/2,(y(1)+y(2))/2,int2str(i),'rotation',pi/2,'color','r'); end end title('SO DO HINH HOC KET CAU KHUNG SUON TAU') 84 Chương trình dị tìm điểm tối ưu đường mức (file tinhZ.m) DK=0; dtF=1; F1=Ftdmin(1); while DK==0&F1