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

1 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 4 1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4 1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 6 1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP 7 1.3.1.Đặc điểm chung của kết cấu tàu vỏ thép 8 1.3.2.Phân loại các hệ thống kết cấu : 9 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 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18 2.2 MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU 18 2.3 CÁC YẾU TỐ CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA 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 HÓA KẾT CẤU 21 2.4.1.Bài toán tối ưu hóa tuyến tính có ràng buộc 21 2.4.2.Bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc 21 2.4.3.Bài toán tối ưu hóa phi tuyến không 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 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 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 28 3.1. XÂY DỰNG MÔ 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 Mô 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 các hàm ràng buộc 42 3.3.PHƯƠNG PHÁP TÔI ƯU HÓA KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP.46 3.3.1 Lựa chọn các 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 toán 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 và mối quan hệ giữa các đặc trưng cơ học 64 3.5.5 Chọn hệ số an toàn cho kết cấu khung sườn 71 3.5.6 Kết quả tính tối ưu 71 3.5.7 Lựa chọn tiết diện và kiểm tra 73 CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78 4.1. KẾT LUẬN 78 4.2. KIẾN NGHỊ 78 PHỤ LỤC 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 3 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của nhiều ngành kỹ thuật ngành đóng tàu cũng đã có những bước tiến nhảy vọt, cả về mặt số lượng và chất lượng. Riêng ở Việt nam, ngành đóng tàu cũng đã thật sự có sự thay đổi mạnh mẽ khi xuất hiện nhiều loại tàu đặc biệt và các tàu cỡ lớn có trọng tải lên đến trên 100.000 tấn và hơn nữa. Chính vì thế, bài toán tối ưu hóa kết cấu nói chung và bài toán kết cấu thân tàu nói riêng đã và đang trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn với nhiều người, vì mục tiêu tối ưu hóa kết cấu là một mục tiêu kinh tế - kỹ thuật mà người thiết kế luôn mong muốn đạt được. Bản thân tôi là cán bộ đang giảng dạy tại Bộ môn Cơ học của Trường Đại học Nha trang nên tôi luôn rất mong muốn được thực hiện những đề tài có liên quan đến vấn đề này, với ý muốn sẽ được ứng dụng để giảng dạy môn lý thuyết tối ưu trong thiết kế kết cấu, nhất là trong môn học thiết kế kễt cấu thân tàu của Khoa Kỹ thuật tàu thủy của Trường. Vì lý do đó nên khi thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ thuật tàu thủy, chúng tôi đã mạnh dạn đề xuất đề tài Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép với 4 chương chính Chương 1 : Đặt vấn đề Chương 2 : Cơ sở lý thuyết Chương 3 : Kết quả nghiên cứu Chương 4 : Kết luận và kiến nghị Kết quả nghiên cứu của luận văn, mặc dù vẫn còn khá hạn chế nhưng thực sự đã mang lại cho tôi rất nhiều kiến thức cần thiết trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học. Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha trang, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật tàu thủy và các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Đóng tàu, Bộ môn Cơ học của Khoa Kỹ thuật tàu thủy, các cơ quan, đơn vị và cá nhân đã hỗ trợ và động viên chúng tôi hoàn thành đề tài này. Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thấy TS Trần Gia Thái, người hướng dẫn khoa học đã giúo đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. 4 Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành đóng tàu, vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu các công trình biển nói chung và kết cấu thân tàu nói riêng đáp ứng được các hàm mục tiêu đặt ra, có vai trò quan trọng và mang tính chất cấp thiết, cho phép xác định kích thước hợp lý của kết cấu trên cơ sở vừa đảm bảo được độ bền, vừa đảm bảo trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng với chi phí nguyên vật liệu là thấp nhất. Đặc biệt, việc tính toán tối ưu kết cấu thân tàu không chỉ cho phép tiết kiệm vật liệu để làm giảm giá thành sản phẩm mà còn ảnh hưởng tốt đến các tính năng của tàu thiết kế. Do đó việc ứng dụng các phương pháp tối ưu vào tính kết cấu thân tàu là rất cần thiết, nhất là khi các yêu cầu về mặt tốc độ, sức chở và giá thành vật liệu ngày một tăng cao và đó là lý do đề xuất đề tài Nghiên cứu tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép. Như đã biết, thiết kế kết cấu là bài toán quan trọng trong quá trình thiết kế tàu thủy, nhằm lựa chọn một cách hợp lý các chi tiết kết cấu về kích thước, cách bố trí, hình thức liên kết v v… trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền với trọng lượng thân tàu là nhỏ nhất. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của vấn đề này nên đa số các nước hiện nay thường tính toán, thiết kế kết cấu thân tàu dựa theo các yêu cầu trong các Quy phạm đóng tàu. Thực tế nhận thấy, mặc dù công thức Quy phạm được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm và khá nghiêm ngặt nhưng cũng không thể phản ánh được hết các điều kiện nơi tàu hoạt động nên tính theo phương pháp này thường phải chấp nhận tốn kém vật liệu và tăng trọng lượng tàu vì bản thân kết cấu chưa ở dạng hợp lý nhất. Mặt khác, do hình dáng, yêu cầu và bố trí chung trên các tàu thường không giống nhau, nhất là đối với các tàu cỡ lớn hay tàu có tính năng đặc biệt nên các quy phạm đóng tàu không thể bao gồm được hết nên hầu hết các Quy phạm đều cho phép và khuyến khích người thiết kế tính chọn lại kích thước của các kết cấu thân tàu dựa theo lý thuyết tối ưu, một trong những vấn đề đang được quan tâm trong thời gian gần đây nhờ sự phát triển rất mạnh của công nghệ thông tin và cơ sở lý thuyết các phương pháp tính toán tối ưu. 5 Ngoài cách tính toán, thiết kế kết cấu theo yêu cầu của Quy phạm như đã trình bày, còn có thể xác định kích thước kết cấu thân tàu dựa trên cơ sở đáp ứng yêu cầu độ bền, gồm độ bền chung và độ bền cục bộ, gọi là thiết kế kết cấu tàu bằng tính toán lý thuyết. Vấn đề đặt ra ở đây là trong các điều kiện đã cho trước ở trên, cần tính toán và lựa chọn kích thước của các kết cấu trên cơ sở đảm bảo trọng lượng kết cấu đang xét là nhỏ nhất. Cách giải này, mặc dù có thể đảm bảo trọng lượng kết cấu đang tính là nhỏ nhất nhưng không dùng hết vật liệu, tức là ứng suất trong kết cấu không đạt đến giá trị cho phép. Nếu trong quá trình thiết kế cần thay đổi một số kích thước nào đó của mặt cắt ngang, ví dụ như chiều cao mạn, vị trí boong, chiều cao đáy đôi , kể cả vật liệu chế tạo v…v , sẽ nảy sinh vấn đề tìm trọng lượng tối ưu dựa trên cơ sở đảm bảo tiêu chuẩn bền đã cho. Bài toán này có thể thiết lập với ý nghĩa rộng hơn, tức là tối ưu kết cấu không chỉ theo trọng lượng mà còn theo các hàm mục tiêu là các chỉ tiêu kinh tế - công nghệ khác như chi phí lao động khi chế tạo kết cấu, chi phí sữa chữa khi hư hỏng, tuổi thọ kết cấu v v Thực tế cho thấy, vấn đề đặt ra có ý nghĩa quan trọng trong bài toán thiết kế kết cấu và chỉ giải quyết được bằng cách dùng lý thuyết tối ưu kết hợp tính kết cấu trên máy tính. Tuy nhiên cho đến hiện nay, các nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa kết cấu thân tàu thủy vẫn chỉ ở giai đoạn ban đầu nên ít được trình bày trong tài liệu chuyên ngành hiện nay. Riêng đối với kết cấu khung sườn tàu thép, đa phần là kết cấu siêu tĩnh nên khi thiết kế thường phải chọn trước các thông số hình học của nó, sau đó mới tiến hành kiểm tra bền Như vậy không phải lúc nào người thiết kế cũng xác định được các thông số hình học phù hợp, đảm bảo kết cấu đủ bền mà lại có chi phí, trọng lượng của vật liệu là thấp nhất. Do đó bài toán thiết kế tối ưu đặt ra nhằm mục đích tính chọn được một kết cấu tàu vừa đảm bảo đủ yêu cầu về độ bền, lại vừa có trọng lượng kết cấu hay giá thành là nhỏ nhất. Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về mặt lý thuyết và thực tế, vì không chỉ cho phép tiết kiệm vật liệu, hạ giá thành sản phẩm mà còn nâng cao được các tính năng hàng hải của tàu, nhất là về mặt tốc độ nhờ việc giảm bớt trọng lượng tàu, từ đó giúp các cơ quan quản lý tư vấn cho các đơn vị thiết kế và chế tạo tàu lựa chọn kích thước kết cấu tàu an toàn, kinh tế hơn và dựa trên cơ sở đó để so sánh và hiệu chỉnh các yêu cầu và công thức tính kết cấu trong Quy phạm Việt nam TCVN 6282 : 1997. 6 1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA Như đã biết, thiết kế tối ưu đã và đang trở thành một đề tài nghiên cứu hấp dẫn được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đề nghị áp dụng khi thiết kế kết cấu. Thực chất bài toán là quá trình tìm kiếm giá trị cực trị thỏa mãn các điều kiện cho trước và sự tìm kiếm này là khách quan không phụ thuộc trực giác hay năng lực người thiết kế Ngay từ năm 1869, nhà khoa học Maxwell (Mỹ) đề xuất cơ sở lý thuyết tối ưu kết cấu và ông là người đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực này. Đến năm 1904, Mitchell (Mỹ) phát triển lý thuyết này và ứng dụng nó vào việc tính toán tối ưu sơ đồ hình học hệ giàn nhằm đạt trọng lượng nhỏ nhất dưới tác dụng của tải trọng đơn chịu ràng buộc ứng suất. Đến khoảng đầu thập niên 1950, nhiều nhà khoa học đã công bố công trình nghiên cứu ứng dụng phương pháp quy hoạch toán học vào cực tiểu hóa trọng lượng kết cấu khung, trong đó các nhà khoa học như Foulkes (1954), Baker và cộng sự (1956), Prager (1956) đã thiết lập bài toán tối ưu dẻo trọng lượng bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính. Đến 1960, nhà khoa học Schmit đưa ra khái niệm tổng hợp kết cấu (structural synthesis) trong đó kết hợp phương pháp quy hoạch toán học với phương pháp phần tử hữu hạn. Tiếp sau đó, các nhà khoa học Moses (1964), Romstad và Wang (1968) đã nghiên cứu thiết kế tối ưu đàn hồi kết cấu hệ khung và giàn dùng chuỗi các phương trình tuyến tính, các ràng buộc chuyển vị và tuyến tính hóa ứng suất bằng phép khai triển Taylor bậc nhất Năm 1966, các nhà khoa học Brown và Ang đã đề xuất ra phương pháp thiết kế tối ưu khung thép tiết diện chữ I bằng phép chiếu độ dốc và thiết lập các mối quan hệ giữa các đặc trưng tiết diện mô men quán tính I, mô men kháng uốn W và diện tích tiết diện F. Đến năm 70 của thế 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 khi khối lượng biến thiết kế lớn vì khi đó vấn đề tìm những hàm ràng buộc tường minh trở nên rất khó nên các nghiên cứu đã tập trung vào giải quyết bài toán tối ưu một cách hiệu quả hơn. Các nhà khoa học Schmit và Farshi (1974), Schmit và Miura (1976) xây dựng khái niệm xấp xỉ nhằm tăng hiệu quả phương pháp quy hoạch toán học với kỹ thuật như liên kết các biến thiết kế, xóa bỏ ràng buộc, tuyến tính hàm ràng buộc và hàm mục tiêu bằng khai triển Taylor v v… đã được áp dụng để giảm bớt khối lượng tính toán của máy tính. 7 Trong những năm cuối thế kỷ XX, xuất hiện thuật toán tính tối ưu mới có tên là thuật toán di truyền xây dựng trên cơ sở mô phỏng các bước lặp trong quá trình thiết kế tối ưu theo quá trình di truyền của tự nhiên, tuy nhiên phương pháp này lại gặp khó khăn bởi thuật toán quá cồng kềnh và thời gian giải rất lớn so với những phương pháp khác. Mặt khác nó lại tách rời khỏi ý nghĩa vật lý, cơ học của bài toán, đồng thời các thông số tính toán như ứng suất, chuyển vị của kết cấu lại được mã hóa thành những bit nhị phân nên làm cho người thiết kế không thể hình dung được sự tối ưu trong quá trình tính toán. Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và sự xuất hiện các máy tính có khả năng tính lớn đã tạo thuận lợi cho việc giải bài toán thiết kế tối ưu. Do đó xuất hiện xu hướng thay các phương pháp quy hoạch toán học với phép xấp xỉ bằng cách cho máy tính tìm kiếm trực tiếp nghiệm tối ưu trên không gian biến thiết kế. Phương pháp này tỏ ra rất thuận lợi vì lúc này các hàm ràng buộc về ứng suất, chuyển vị không cần là các hàm tường minh nhưng có nhược điểm là khối lương tính toán rất lớn, tuy nhiên sẽ được giải quyết nhờ việc lập trình tính toán trên những máy tính hiện đại. Riêng bài toán thiết kế tối ưu kết cấu đã được áp dụng từ rất sớm nhưng chủ yếu chỉ ứng dụng trong tính toán, thiết kế kết cấu thép của ngành Xây dựng [1], [3], [6],[7] với kết cấu được tính tối ưu đầu tiên là kết cấu giàn vì kèo [1, tr.65-78], [7, tr.99-109] và môn học Thiết kế tối ưu kết cấu cũng được đưa vào giảng dạy ở một số trường đại học. Ở nước ta hiện nay cũng có khá nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu nhưng chủ yếu cũng chỉ tập trung vào tính toán các kết cấu của ngành xây dựng. Riêng đối với vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu thân tàu nói chung và thiết kế tối ưu kết cấu các khung sườn tàu vỏ thép nói riêng hầu như chưa được nghiên cứu và ít được công bố. Không chỉ ở Việt Nam mà ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển hiện nay chúng tôi cũng chưa tìm thấy các tài liệu hoặc công trình nào nghiên cứu về vấn đề này. Trong các tổ chức nghiên cứu kết cấu thân tàu có uy tín hiện nay thì Ủy ban kết cấu tàu của Mỹ (Ship Structure Committee) với trang web http://shipstructure.org/ đã đăng tải các nghiên cứu của mình và của các nhà khoa học trên thế giới từ năm 1945 đến nay cũng không thấy nghiên cứu nào đối với vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu khung sườn tàu, Do đó có thể thấy vấn đề đặt ra trong luận văn hiện vẫn còn rất mới. 8 1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP 1.3.1.Đặc điểm chung của kết cấu tàu vỏ thép Về mặt độ bền, các bộ phận kết cấu thân tàu sẽ được tính chọn và bố trí đảm bảo độ bền dọc tàu khi uốn chung và độ bền cục bộ dưới tác dụng của các tải trọng riêng. Theo quan điểm này, toàn bộ thân tàu được xem như một dầm tổng hợp thành mỏng, chịu tác dụng của hai lực ngược chiều nhau là trọng lượng thân tàu và lực đẩy của nước. Kết quả tác dụng của hai hệ lực này sẽ làm thân tàu bị uốn cong lên hoặc võng xuống, làm xuất hiện mômen uốn, lực cắt và gây biến dạng làm phá hủy các kết cấu thân tàu. Để đảm bảo được độ bền dọc và độ bền cục bộ nói trên, các kết cấu hình thành nên khung xương tàu thường được chia thành hai hệ thống kết cấu chính như sau [8, 13]. 1.Hệ thống kết cấu dọc Hệ thống kết cấu dọc nhằm đảm bảo độ bền dọc gồm những kết cấu bố trí dọc tàu như sống chính, đà dọc đáy, các sống dọc mạn, sống dọc hông và xà dọc boong v v… Ngoài các kết cấu trên, tham gia đảm bảo độ bền dọc còn có những kết cấu dọc khác như các tấm tôn đáy, tôn boong, dải tôn hông, dải tôn mép mạn, tôn mạn, các vách dọc. Khi uốn dọc, tấm đáy và tấm boong của kết cấu thân tàu sẽ đảm đương vai trò chính, còn các bộ phận kết cấu như vách dọc, tôn mạn đóng vai trò phụ khi tính độ bền chung. Trong trường hợp lực cắt xuất hiện trong kết cấu thân tàu đạt đến giá trị khá lớn thì các bộ phận kết cấu như vách dọc, thành mạn tàu đóng vai trò chính chịu tác dụng lực cắt. Về mặt độ bền, các kết cấu trong hệ thống dọc đảm đương các vai trò cụ thể như sau : - Sống chính, sống dọc, sống dọc boong sẽ chịu ứng suất kéo hoặc ứng suất nén lúc tàu bị uốn chung và bị uốn cục bộ của khung giàn đáy, khung giàn boong. - Sống dọc mạn chủ yếu chỉ chịu tác dụng của uốn cục bộ. - Tôn mạn và các vách dọc đóng vai trò như thành đứng kết cấu dầm chịu lực, giữ hoạt động của giàn đáy, boong và chịu gần như toàn bộ lực cắt khi uốn dọc. Riêng tôn mạn chịu tác dụng cục bộ của áp lực hàng hóa từ bên trong và áp lực nước từ ngoài và khi tàu bị xoắn chung, tôn mạn cũng chịu thêm ứng suất xoắn. 9 - Tấm đáy và tấm boong chủ yếu làm việc ở chế độ kéo nén lúc tàu bị uốn chung. Do nằm cách xa vị trí trục trung hòa nhất nên các giá trị ứng suất kéo hoặc là ứng suất nén trong hai tấm này đạt giá trị lớn nhất và hai tấm này cũng chịu các tải trọng cục bộ do áp lực nước hoặc hàng hóa tác dụng vuông góc với tấm. Ngoài ra khi bị xoắn chung, trong tấm đáy và tấm vỏ cũng xuất hiện ứng suất do quá trình xoắn thân tàu gây ra. 2.Hệ thống kết cấu ngang Hệ thống các kết cấu ngang nhằm đảm bảo độ bền ngang cho các kết cấu thân tàu, bao gồm các kết cấu bố trí theo các mặt cắt ngang thân tàu như : - Sườn ngang gồm các dầm đặt trong mặt phẳng ngang và nằm dọc theo mạn tàu. - Sườn khỏe là các dầm tăng cường đặt trong buồng máy hoặc khoang hàng. - Đà ngang đáy gồm các dầm đặt ngang đáy tàu, làm đế tựa cho tôn đáy và các sống dọc đáy. - Xà ngang boong là các dầm ngang đặt dưới mặt boong để đỡ tôn boong - Xà ngang boong cụt là các xà ngang đặt tại các vùng lỗ khoét trên mặt boong, chạy từ mạn tới lỗ khoét. - Xà ngang boong khỏe là các xà ngang boong có kích thước lớn nhằm kết hợp với sườn khỏe để tạo thành khung sườn khỏe. 1.3.2 Phân loại các hệ thống kết cấu Tùy theo cách bố trí các dầm dọc và dầm ngang trong kết cấu thân tàu mà ta có thể chia kết cấu thân tàu thành các hệ thống kết cấu sau : 1.Hệ thống kết cấu ngang (Transverse Framing) Ở hệ thống ngang, các kết cấu bố trí theo chiều dài dày hơn theo chiều ngang tàu. Hình thức kết cấu này thường áp dụng trên các tàu cỡ nhỏ và cỡ vừa có mômen uốn nhỏ hoặc trong bộ phận mũi và đuôi tàu để khai thác các ưu điểm của hệ thống ngang. 10 2.Hệ thống kết cấu dọc (Longitudinal Framing) Ở hệ thống dọc, các kết cấu bố trí theo chiều dài thưa hơn theo chiều ngang tàu. Hình thức kết cấu này hay áp dụng trên tàu cỡ lớn hoặc tàu có tỷ số L/B lớn (hình 1.1). Hình 1.1 : Kết cấu tàu dầu theo hệ thống dọc 1 - Boong, 2 - Vách ngang, 3 - Sườn thường, 4 - Sườn khỏe, 5 - Xà ngang boong khỏe, 6 - Đà ngang đáy, 7 - Vách dọc, 8 - Nẹp dọc boong, 9 - Xà dọc mạn, 10 - Boong mũi. Ngoài ra còn có hệ thống kết cấu hỗn hợp và hệ thống kết cấu liên hợp. 3.Hệ thống kết cấu hỗn hợp Hệ thống này gồm cả hai hình thức trên, có bộ phận kết cấu theo hệ thống ngang, có bộ phận lại kết cấu theo hệ thống dọc nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai hệ thống. Hình thức này chủ yếu thường áp dụng cho tàu dầu, tàu chở hàng khô cỡ trung và lớn, trong đó kết cấu khung giàn đáy và khung giàn boong được kết cấu theo hệ thống dọc, còn các khu vực như mũi, lái, mạn kết cấu theo hệ thống ngang để tăng độ bền cục bộ. 4.Hệ thống kết cấu liên hợp Trong hệ thống này, khoảng cách các kết cấu theo chiều dài và ngang bằng nhau. Kết cấu theo hệ thống này không có lợi về trọng lượng và độ cứng của tấm nhưng lại giải quyết được vấn đề gia cường cục bộ cho kết cấu khung giàn, do đó thường áp dụng ở những khu vực chịu tải cục bộ hoặc tải va đập lớn như mũi đuôi, khoang hàng v v… [...]... của kết cấu khung sườn tàu theo lý thuyết tối ưu - Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính tối ưu cho kết cấu khung sườn tàu cụ thể Về mặt phương pháp, trong luận văn sẽ tính toán tối ưu kết cấu theo phương pháp tìm kiếm trực tiếp do phương pháp này có nhiều ưu điểm trong tính toán tối ưu kết cấu, kết hợp với phân tích độ bền kết cấu khung sườn bằng phương pháp phần tử hữu hạn, một phương pháp tính hiện đại... lượng tàu Như vậy, để giải quyết vấn đề đặt ra cần giải quyết các nội dung cơ bản sau : - Nghiên cứu xây dựng mô hình tính khung sườn điển hình của các tàu vỏ thép, bao gồm mô hình kết cấu và mô hình lực tác dụng - Nghiên cứu xây dựng hàm mục tiêu và hệ ràng buộc cho mô hình tính kết cấu khung sườn tàu đã được xây dựng - Nghiên cứu xây dựng thuật toán và viết chương trình tính toán kích thước của kết cấu. .. NGHIÊN CỨU Từ các trình bày trên đây có thể nhận thấy, mục tiêu chính của luận văn này là nghiên cứu xây dựng phương pháp và thuật toán tính tối ưu kết cấu khung sườn tàu thép nhằm giúp người thiết kế có thể tính toán hợp lý các kết cấu của khung sườn tàu vỏ thép trên cơ sở vừa đảm bảo đủ yêu cầu về độ bền vừa có trọng lượng của kết cấu nhỏ nhất, tức chi phí vật liệu thấp nhất để cải thiện tính năng tàu. .. - Phương pháp của Box hay còn gọi phương pháp Complex Ngoài các phương pháp trên còn phương pháp khác như phương pháp Newton, phương pháp dùng hàm phạt, phương pháp hàm rào chắn, thuật toán di truyền v v… Các phương pháp này thường ít được áp dụng trong bài toán thiết kế tối ưu kết cấu vì khó tìm được nghiệm tối ưu tổng thể mà chỉ tìm được các nghiệm tối ưu cục bộ [17] 28 Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU... nghiệm tối ưu So với các phương pháp khác, thì các phương pháp tìm kiếm trực tiếp có nhiều ưu thế trong bài toán tính tối ưu kết cấu nói chung và kết cấu khung sườn tàu nói riêng Thuộc về nhóm này có các phương pháp sau : - Phương pháp Hooke-Jeeves - Phương pháp Neldel-Mead hay còn gọi là phương pháp simplex công bố trong “A Simplex Method for Function Minimisation”, Comp Jour.,1965 - Phương pháp của... tr 55] 1.Các nguyên tắc mô hình hóa kết cấu tàu Mô hình hóa kết cấu là phương pháp nghiên cứu hiệu quả nhằm đưa các kết cấu phức tạp về các mô hình tính đơn giản hơn để thuận lợi trong nghiên cứu và tính toán Do kết cấu thân tàu là kết cấu phức tạp nên để tính bằng các phương pháp như cơ học truyền thống cần phải mô hình hóa kết cấu thân tàu thành những mô hình tính đơn giản Việc mô hình hóa này phải... nay Loại tàu này thường dùng hệ thống ngang với các kết cấu phổ biến như đã biết nên việc tối ưu kết cấu khung sườn mới thực sự đem lại hiệu quả - Nội dung luận văn không đi sâu vào việc xây dựng mô hình tính khung sườn mà chỉ sử dụng mô hình tính khung sườn tàu điển hình được thừa nhận hiện nay, và kết quả tối ưu chỉ thực sự có ý nghĩa với mô hình tính khung sườn lựa chọn Việc xây dựng mô hình tính phù... trong kết cấu và biến thiết kế của các phần tử sẽ thay đổi trong tập hợp của các tiết diện này - Xây dựng hàm mục tiêu và hệ ràng buộc - Lựa chọn phương pháp tính tối ưu và tiến hành tính toán 29 3.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU Xây dựng mô hình tính toán đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế Một mô hình tính tối ưu nhất là mô hình mô tả sự làm việc đúng với thực tế của kết. .. trên cơ sở đáp ứng các hàm mục tiêu đã xây dựng - Sau khi tính chọn được kích thước kết cấu theo lý thuyết tối ưu sẽ dùng các phần mềm khác để tính toán kiểm tra lại kết quả tính được 17 1.5.GIỚI HẠN NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Do tính chất phức tạp của vấn đề đặt ra nên trong phạm vi luận văn sẽ giải quyết bài toán tính tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép dựa trên cơ sở một số giả thuyết,... luận văn như sau : - Sử dụng kết cấu khung sườn tàu thực tế điển hình trên một con tàu cụ thể đã được tính chọn kích thước theo các yêu cầu của Quy phạm - Phân tích và lựa chọn mô hình tính đối với kết cấu khung sườn - Sử dụng phương pháp tìm kiếm trực tiếp trong lý thuyết tối ưu và phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán kích thước và tiết diện các kết cấu khung sườn tàu thực tế một cách hợp lý hơn, . SƯỜN TÀU VỎ THÉP.46 3.3.1 Lựa chọn các 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. sẽ tính toán tối ưu kết cấu theo phương pháp tìm kiếm trực tiếp do phương pháp này có nhiều ưu điểm trong tính toán tối ưu kết cấu, kết hợp với phân tích độ bền kết cấu khung sườn bằng phương. chương trình tính toán kích thước của kết cấu khung sườn tàu theo lý thuyết tối ưu. - Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính tối ưu cho kết cấu khung sườn tàu cụ thể. Về mặt phương pháp, trong