Bài giảng sức bền thân tàu

Đây là tài liệu hay... Nói về sức bền trong thân tàu thủy... tài liệu ngắn gọn... giúp các bạn hiểu nhanh và nắm gọn kiến thức cần lưu ý... Tài liệu có hình ảnh minh họa cụ thể... chúc các bạn thành công

 Để đảm bảo tàu hoạt động an toàn, tin cậy trong điều kiện khai thác thực tế, đòi hỏi kết cấu thân tàu phải đáp ứng được những yêu cầu cụ thể như sau :

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 quá mức cho phép

Kết cấu phải ổn định để luôn giữ được hình dạng ban đầu

 Tăng kích thước kết cấu hoặc sử dụng vật liệu tốt sẽ dễ đáp ứng yêu cầu trên nhưng làm tăng giá thành và ảnh hưởng xấu đến tính năng tàu do tăng khối lượng

 Bài toán thuận : đánh giá độ bền kết cấu tàu cụ thể nhằm đảm bảo kết cấu đủ bền để tàu có thể hoạt động an toàn và tin cậy dưới tác dụng của các ngoại lực

 Bài toán ngược : xác định hình dạng và kích thước kết cấu thân tàu một cách hợp lý trên cơ sở đảm bảo đủ độ bền kết cấu thân tàu với chi phí vật liệu thấp nhất

 Do đó bài toán độ bền có vai trò quan trọng trong thiết kế và chế tạo tàu, nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản :

 Để giải quyết vấn đề cần tính độ bền nhằm xác định ứng suất và biến dạng, cơ sở để đánh giá mức độ an toàn của kết cấu thân tàu trong thực tế.

 Do kết cấu thân tàu gồm nhiều loại hình kết cấu chịu tác dụng ngoại lực phức tạp

1.1.Phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể

 Theo mô hình này, toàn bộ thân tàu xem như hệ kết cấu không gian đặt trên nền đàn hồi, gồm nhiều loại hình kết cấu như thanh, dầm, tấm, vỏ v v… liên kết với nhau Điều kiện biên xây dựng trên cơ sở xem tàu như vật thể đàn hồi nằm cân bằng dưới tác dụng của trọng lượng các tải trọng trên tàu và phản lực nền là lực đẩy

 Tùy theo đặc điểm mô hình tính, có thể chia bài toán phân tích độ bền thân tàu thành hai nhóm chính như sau.

 Mô hình thể hiện khá chính xác tình trạng làm việc thực tế của kết cấu thân tàu nhưng làm tăng số lượng ẩn của phương trình chính tắc lên rất nhiều

1.Phân tích độ bền chung

 Xem toàn bộ thân tàu như một thanh tương đương đặt trên nền đàn hồi để xác định ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang của kết cấu thân tàu, dưới tác dụng của các ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực và lực nổi

2.Phân tích độ bền cục bộ

 Là bài toán xác định ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các kết cấu thân tàu dưới ảnh hưởng của các ngoại lực tác dụng riêng lên từng kết cấu đang xét

k

 Kết quả tính sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốn chung σ1.

 Giải bài toán độ bền cục bộ sẽ dẫn đến giải bài toán cơ học kết cấu thân tàu cụ thể và kết quả sẽ cho giá trị ứng suất cục bộ σ i (i = 2, 3, )

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 :

1.1.2.Phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định

 Theo mô hình này, toàn bộ thân tàu được mô phỏng dưới dạng thanh thành mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng các lực tương ứng lực tác dụng lên thân tàu

 Khi đó, bài toán phân tích độ bền thân tàu được chia thành hai bài toán chính

 Mô hình tổng thể cho kết quả sát thực tế vì bảo toàn tính chất vật lý và cơ học của kết cấu ở mức độ khá cao nhưng đòi hỏi nhiều điều kiện và công sức tính toán

 Trong điều kiện nước ta nên thực hiện theo mô hình tính ước định trên cơ sở chia quá trình tính độ bền thân tàu thành bài toán độ bền chung và độ bền cục bộ

vì quá trình tính theo mô hình này không nhiều như mô hình tổng thể

 Mô hình ước định đơn giản nhưng ít chính xác vì nếu mô hình tính đơn giản và dễ giải thì không phản ánh hết đặc điểm kết cấu thực tế, nhưng nếu phức tạp thì khó giải chính xác và hạn chế độ tin cậy kết quả tính

 Nhờ sự phát triển của phương pháp tính, nhất là phương pháp phần tử hữu hạn đã cho phép tính độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể hoặc các mô hình phức tạp hơn

 Phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng trên cơ sở chia nhỏ kết cấu thân tàu thành số hữu hạn các phần tử đơn giản như dầm, tấm, vỏ v v và mỗi phần tử lại liên kết với phần tử khác qua một số nút để tính ứng suất và biến dạng kết cấu

 So với mô hình ước định, mô hình tính tổng thể theo phương pháp phần tử hữu hạn thể hiện chính xác đặc điểm làm việc thực tế của kết cấu nên kết quả tin cậy hơn

Có thể tóm tắt quá trình tính độ bền thân tàu theo mô hình ước định và mô hình tổng thể như trên sơ đồ hình 1.1

σi

THÔNG TIN VỀ TÀU

KẾT CẤU TÀU

Phân tích độ bền thân tàu

theo mô hình tổng thể

Phân tích độ bền cục bộ KCTT như đáy, boong, mạn, sườn ngang, vỏ

σ = σ1 +

Đánh giá độ bền kết cấu

thân tàu

σ1 Phân tích độ bền chung KCTT chịu

uốn, nén và xoắn

 Phân tích độ bền chung là bài toán xác định ứng suất và biến dạng xuất hiện kết cấu thân tàu dưới tác dụng của các ngoại lực thẳng đứng và không tính đến các ngoại lực tác dụng ngang như lực đẩy chân vịt, lực cản môi trường v…v… vì ứng suất uốn do các lực ngang gây ra trong kết cấu không lớn, có thể bỏ qua

 Do các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu sẽ bị uốn, xoắn hoặc thậm chí là bị uốn và xoắn đồng thời nhưng do quá trình uốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn đến độ bền của các kết cấu nên bài toán độ bền chung thường dẫn đến việc xác định ứng suất uốn chung, còn bài toán xoắn hoặc uốn, xoắn đồng thời khảo sát độc lập quá trình uốn

 Khi đó, kết cấu thân tàu dạng vỏ mỏng với kết cấu gia cường bên trong xem như thanh thành mỏng với các mặt cắt ngang có đặc điểm hình học khác nhau, chịu tác dụng các lực thẳng đứng, tương ứng các ngoại lực tác dụng lên tàu như áp lực nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và trang thiết bị trên tàu … và bài toán uốn chung thân tàu có thể đưa về bài toán uốn thanh tương đương

 Đối với quá trình uốn dọc thân tàu, cần phân biệt hai trường hợp :

2.1.1.Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh

 Khi tàu nổi trên nước tĩnh, giống như thanh tương đương được đặt nằm trên các gối đỡ, do các ngoại lực tác dụng lên tàu thay đổi theo chiều dài nên kết quả tàu sẽ bị uốn dọc Ví dụ quá trình uốn chung thân tàu và thanh tương đương được mô tả như trên hình vẽ

900

1100

100 tấn 1700

1800

300 tấn 2000

1700

1500

1400

200 tấn 1000 1200

200 tấn

300 tấn

200 tấn

Hình 3.1 : Mô hình uốn thân tàu trên nước tĩnh

 Kết quả giải bài toán phân tích độ bền thân tàu hay thanh tương đương sẽ cho phép xác định được quy luật phân bố mômen uốn Mt và lực cắt Nt khi tàu nổi trên nước

2.1.2.Tàu nằm cân bằng trên sóng biển

 Khi tàu nổi trên sóng, có thể gặp hai trường hợp nguy hiểm nhất :

Hình 3.2 : Mô hình uốn tàu trên sóng

 Tàu nằm cân bằng ở đáy sóng, tức đáy sóng nằm giữa và tàu bị bẻ gập xuống

 Tàu nằm cân bằng ở đỉnh sóng, tức đỉnh sóng nằm giữa và tàu bị bẻ cong

lên

 Trong cả hai trường hợp, do xảy ra sự phân bố lại áp lực nước (lực nổi) dọc chiều dài tàu nên sẽ làm xuất hiện lực cắt và mômen uốn thân tàu khi nổi trên sóng.

 Đối với một tàu cụ thể, do các ngoại lực gây uốn chung cho thân tàu phụ thuộc chủ yếu giá trị và đặc điểm phân bố các ngoại lực tác dụng dọc theo chiều dài tàu nên thường chỉ tính mômen uốn và giá trị lực cắt ở các chế độ tải nguy hiểm nhất đối với từng loại tàu đã được quy định sẵn trong Quy phạm

Ví dụ những trường hợp đặc trưng ở các chế độ khai thác của tàu vận tải có thể như sau :

- Tàu chở đầy hàng, 100% dự trữ, tính cho trường hợp tàu rời bến

- Tàu chở đầy hàng, 10% dự trữ, tính cho trường hợp tàu đến bến giao hàng

- Tàu chạy ở chế độ ballast hay không với di chuyển bất lợi nhất của tải trọng dằn và dự trữ

Riêng đối với tàu đánh cá, các chế độ tải trọng nguy hiểm thường được quy định như sau

- Tàu ra ngư trường với 100% dự trữ

- Tàu trên ngư trường với cá và lưới ướt để trên boong, 100% đá, muối và 25% dự trữ

- Tàu từ ngư trường về với 20% tải trọng hầm hàng, 70% đá, muối và 10% dự trữ

- Tàu từ ngư trường về với 100% tải trọng hầm hàng và 10% dự trữ

 Trình tự phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu :

 Xác định ngoại lực tác dụng lên kết cấu thân tàu.

 Xây dựng mô hình kết cấu

 Xác định giá trị ứng suất, biến dạng lớn nhất xuất hiện trong kết cấu

2.2.XÁC ĐỊNH NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN TÀU THEO PHƯƠNG THẲNG ĐỨNG

 Trong bài toán độ bền chung chỉ xét các ngoại lực tác dụng thẳng đứng gồm :

 Trọng lực P (Weight) : gồm trọng lượng vỏ và trọng lượng các tải trọng trên tàu.

 Lực nổi D (Buoyancy) : gồm áp lực tĩnh và động của nước tác dụng lên thân tàu

 Khi đó, lực tổng hợp Q tác dụng lên thân tàu theo phương thẳng đứng là :

Q = P - D

 Do quy luật phân bố dọc chiều dài tàu của

hai ngoại lực đang xét khác nhau nên lực tổng

hợp tính ở mặt cắt đang xét có dạng lực phân

bố q(x) xác định theo công thức tổng quát :

q(x) = p(x) - b(x)

p(x) - quy luật phân bố trọng lượng dọc chiều dài tàu

b(x) - quy luật phân bố của lực nổi dọc chiều dài tàu

p(x)

b(x)

Hình 3.3 : Các biểu đồ phân bố trọng lượng p(x) và lực nổi b(x)

2.2.1.Xác định đường cong phân bố trọng lượng tàu p(x)

 Các tải trọng tham gia vào trọng lượng tàu p(x) thường chia thành các nhóm sau :

Trọng lượng vỏ tàu không

Trọng lượng máy chính, máy phụ, các trang thiết bị, các hệ thống, hệ trục chân vịt v…v…

 Trọng lượng hàng hóa trên tàu

Trọng lượng các dự trữ như nhiên liệu, dầu nhờn, nước sinh hoạt, thực phẩm v…v…

Trọng lượng thủy thủ đoàn, hành khách.

Trọng lượng dằn gồm chất lỏng hoặc chất rắn v v

 Tác dụng của các thành phần tải trọng sẽ được thay thế bằng một lực có giá trị bằng độ lớn của tải trọng và đặt tại trọng tâm của tải trọng đang xét nên để xây dựng được đường phân bố trọng lượng tàu p(x) cần phải có bản vẽ kết cấu, bản vẽ bố trí chung và các số liệu cần thiết để có thể tính trọng lượng, tọa độ trọng tâm vỏ tàu và của tất cả thành phần tải trọng có mặt trên tàu, xét ở những chế độ tải trọng nguy hiểm nhất

 Các thành phần tải trọng trên tàu có thể là tải trọng tập trung hay tải trọng phân bố nên để thuận lợi khi tính thường chia chiều dài tàu L thành các khoảng bằng nhau

∆ L, còn gọi là khoảng sườn lý thuyết, sau đó tính chuyển tất cả tải trọng tác dụng bất kỳ về tải trọng tập trung tương đương phân bố đều trong phạm vi từng khoảng

 Với đa số tàu thường chia chiều dài tàu thành 20 khoảng sườn lý thuyết và khi đó, các thành phần tải trọng trên tàu có thể nằm gọn trong phạm vi một khoảng sườn hoặc kéo dài trên nhiều khoảng sườn

 Có hai phương pháp tính chuyển các tải trọng bất kỳ về tải trọng phân bố đều trong phạm vi từng khoảng sườn như sau :

 Cách 1 : chuyển hình thang cong trong mỗi khoảng sườn sang hình chữ nhật tương đương có chiều rộng bằng chiều dài khoảng sườn và chiều cao xác định từ điều kiện diện tích hình chữ nhật bằng diện tích hình thang cong đang xét

 Cách 2 : chuyển các tải trọng tác dụng lên tàu thành lực tập trung đặt giữa khoảng sườn trên cơ sở điều kiện cân bằng về lực và mômen và khi đó có thể xem lực tác dụng này phân bố đều trong phạm vi khoảng sườn đó

 Khi tính chuyển các tải trọng tác dụng lên kết cấu thân tàu về tải trọng phân bố đều trong phạm vi của từng khoảng sườn lý thuyết thường gặp các trường hợp cụ thể sau.

1.Trường hợp trọng lượng tải trọng có dạng lực phân bố p(x) trên đoạn có chiều dài ab :

 Nếu trọng lượng tải trọng p(x) phân bố không đều

trên đoạn ab thì thay bằng lực tập trung P đặt tại

trọng tâm của biểu đồ tải trọng có giá trị :

∫

= b

a

dx)x(pP

 Nếu tải trọng p(x) phân bố đều trên đoạn ab thì thay tải trọng p(x) = const (hình 3.4b) bằng một lực tập trung P đặt tại điểm giữa đoạn ab và có giá trị tính theo công thức :

P = p ab

p(x) P

xp(x) = constP

2.Trường hợp trọng lượng tải trọng có dạng lực tập trung P

 Nếu lực P đặt giữa khoảng sườn thì lực P phân bố đều trong phạm vi khoảng sườn

 Nếu lực P không đặt giữa các khoảng sườn thì có thể phân lực P thành hai lực thành phần tác dụng cùng chiều P1 , P2 với P1 đặt giữa khoảng sườn gần lực P nhất, còn lực P2 đặt tại điểm giữa khoảng sườn đang chịu tác dụng của lực P (hình 3.5)

=

L

a5

,0PP

L

a5

,0PP

2 1

a - khoảng cách từ điểm đặt lực P đến khoảng sườn gần nhất

∆L = L/n - chiều dài khoảng sườn lý thuyết của tàu

n - số sườn lý thuyết của tàu

 Nếu lực P không đặt giữa nhưng có giá trị nhỏ hơn 0,01D (D-lượng chiếm nước tàu) có thể xem lực P phân bố đều trong khoảng sườn mà không phụ thuộc vị trí tác dụng

3.Trường hợp tải trọng nằm ngoài các khoảng sườn cuối cùng (sườn 0 hay sườn 20)

Nếu lực P nằm ngoài khoảng sườn cuối cùng thì chuyển vào khoảng sườn lân cận bằng cách thay lực P bằng hai lực tương đương P1 , P2 (P1 > P2) như sau :

- P1 cùng chiều P và đặt tại điểm giữa khoảng sườn gần lực P (0 - 1 hay 19 - 20), (P1 > P) và được cộng thêm vào tải trọng trên khoảng sườn này

- P2 ngược chiều P và đặt ở điểm giữa khoảng sườn kế tiếp (1 - 2 hay 18 - 19) và làm giảm bớt tải trọng trên khoảng sườn này

=

L

a5

,0PP

L

a5

,1PP

2 1

Như vậy, có thể tóm tắt trình tự xây dựng đường phân bố trọng lượng tàu p(x) như sau :

 Chia chiều dài thiết kế tàu thành 20 khoảng bằng nhau (khoảng sườn lý thuyết) và đánh số thứ tự các sườn bắt đầu bằng 0 tại trụ lái và kết thúc là 20 ở trụ mũi Quy ước hệ tọa độ (Oxyz) giống bài toán lý thuyết tàu

 Phân bố đều trọng lượng các tải trọng trên từng khoảng sườn và tính tổng trọng lượng các nhóm tải trọng trong từng khoảng sườn ứng với chế độ nguy hiểm nhất (bảng 2.1)

 Chọn tỷ lệ xích thích hợp và xây dựng đường phân bố trọng lượng dọc chiều dài tàu p(x), với tung độ đường cong biểu diễn trọng lượng các tải trọng phân bố trên từng khoảng sườn Do trọng lượng tải trọng đã được chuyển về phân bố đều trên từng khoảng sườn lý thuyết nên đường phân bố trọng lượng tàu p(x) thường có dạng gẫy khúc như trên hình 3.17a

Lưu ý là sự phân bố tải trọng có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị lực cắt và mômen uốn tàu

 Nếu tải trọng trên tàu phân bố khá đều dọc chiều dài tàu thì đường cong biểu diễn lực cắt có dạng như hình chữ S điều hòa, còn đường mômen có dạng hình đồi đỉnh tà hay xem như gần giống với đường parabol bậc hai

 Nếu đường phân bố trọng lượng không đều, ví dụ đường gẫy khúc tập trung ở các điểm không đều thì đường tích phân của nó, tức đường lực cắt và mômen có dạng bất bình thường

2.2.2.Xác định đường phân bố lực nổi khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh

1.Phân bố lực nổi của tàu trên nước tĩnh

 Lực nổi D tác dụng lên bề mặt vỏ tàu dưới nước tính trên cả chiều dài tàu được tính theo công thức tổng quát :

 Nếu chỉ xét trong phạm vi từng khoảng sườn lý thuyết thì quy luật phân bố của lực nổi b(x) sẽ được xác định theo công thức :

D = γ V

V - thể tích chiếm nước của tàu (m 3 )

γ - khối lượng riêng của nước (tấn/m 3 )

b(x) = γ v(x)

với v(x) chính là thể tích phần dưới nước của tàu xét trong từng khoảng sườn lý thuyết (m 3 )

 Trong mỗi khoảng sườn, thể tích phần thân tàu dưới nước tính gần đúng bằng tích chiều dài khoảng sườn ∆ L và diện tích MCN ở điểm giữa khoảng sườn ωk

Đối với một tàu cụ thể, giá trị MCN ωk có thể xác định từ đồ thị Bongien theo mớn nước phía mũi và mớn nước phía đuôi.

 Sau khi tính giá trị diện tích các mặt cắt ngang của tàu ở vị trí cần tính ω (x), có thể tính giá trị lực nổi b(x) tại vị trí đang xét : b(x) = γ ω (x) ∆ L

 Do đó để tính lực nổi trong từng khoảng sườn, cơ sở để xây dựng đường phân bố lực nổi dọc theo chiều dài tàu, cần xác định được vị trí đường nước thực tế của tàu tức là tìm vị trí nổi cân bằng của tàu trên mặt nước ở chế độ tải trọng đang xét

 Để tàu nổi cân bằng trên nước cần phải thỏa mãn điều kiện :

 Điều kiện cân bằng lực : P = D

 Điều kiện cân bằng mômen : xG = xc

 Như vậy, thực chất của quá trình cân bằng tàu là tìm vị trí nổi của tàu thõa mãn các điều kiện cân bằng ổn định của tàu, trong cả hai trường hợp khi tàu nổi trên mặt nước tĩnh và tàu nổi trên sóng.

2.Cân bằng dọc tàu trên nước tĩnh

 Cơ sở để tìm vị trí cân bằng dọc thực tế của tàu ở chế độ tải trọng đang xét chính là giá trị trọng lượng tàu P và hoành độ trọng tâm xg đã tính ở bảng 2.1

 Xét các trường hợp xảy ra :

 P > D : trọng lượng tàu lớn hơn sẽ nhấn tàu chìm xuống

 P <= D : lực nổi lớn hơn sẽ đẩy tàu nổi đến vị trí cân bằng khi thiết kế,

ứng với mớn nước T thỏa điều kiện cân bằng P = D ở chế độ tải đang xét

 Giá trị mớn nước T có thể tính từ bản vẽ các yếu tố tĩnh thủy lực của tàu khi lấy trọng lượng chiếm nước D = P tính theo bảng 3.1 ở chế độ tải đang xét

 Ứng với mớn nước này, tính hoành độ tâm nổi xc và so sánh với hoành độ trọng tâm tàu xG để xác định tình trạng nổi của tàu ở vị trí giả định ban đầu.

 xg = x c : vị trí cân bằng ban đầu khi thiết kế cũng chính là vị trí cân bằng thực của tàu

 Thực tế sẽ xảy ra hai trường hợp

 xg ≠ x c : vị trí cân bằng ban đầu khi thiết kế không phải là vị trí cân bằng thực của tàu

xG P

Góc ψ xác định từ điều kiện cân bằng mômen nghiêng dọc Md và mômen hồi phục

x2

LT

T

R

xx

x2

LT

T

c g

f đ

c g

f m

Giá trị các đại lượng

mớn nước T, hoành

độ trọng tâm diện

trọng lượng chiếm

nước D lấy bằng

T

ĐN4 ĐN3 ĐN2 ĐN1

ĐN 0

Hình 3.13 : Cách thức xác định các yếu

D xc xf R zc Cw

 Để có thể khẳng định mớn nước nghiêng dọc vừa xác định là vị trí cân bằng thực, cần so sánh giá trị lượng chiếm nước D và hoành độ tâm nổi tàu xc tại mớn nước này, với trọng lượng P và hoành độ trọng tâm tàu xg đã tính và không đổi khi nghiêng

 Nếu các giá trị trên khác nhau, tức các điều kiện cân bằng chưa thỏa mãn thì tiếp tục điều chỉnh mớn nước mũi và đuôi cho đến khi đạt điều kiện P = D và xg = xc

 Giá trị D, xc ở mớn nước nghiêng dọc đang xét xác định bằng cách vẽ mớn nước (Tm, Tđ) tính theo công thức trên lên đồ thị Bongien và tính theo công thức đã biết

Tđ

Tm

Hình 3.14 : Tính lượng chiếm nước D và hoành độ tâm nổi xc theo đồ thị Bongien

Để định hướng quá trình điều chỉnh có thể xem mớn nước nghiêng dọc mới W'1 L'1 khi tàu chìm xuống hay nổi lên khoảng ∆ T có thể tính gần đúng từ thể tích lăng trụ ∆ V

W1

∆ T z

Vi , Vi-1 - thể tích chiếm nước tàu ở mớn nước ban đầu và mớn nước vừa tính

S - diện tích MĐN tàu ở mớn nước trung bình đã được xác định ở trên

Có thể tóm tắt trình tự quá trình cân bằng dọc tàu trên nước tĩnh như sau

 Xác định vị trí cân bằng giả định ban đầu của tàu bằng cách lấy lượng chiếm nước D bằng trọng lượng tàu P đã tính ở bảng 3.1 và đặt theo đường D = f(T) trên đồ thị yếu tố tĩnh thủy lực để tìm giá trị các thông số đặc trưng cho trạng thái nổi của tàu tại vị trí cân bằng đang xét như : mớn nước trung bình T, hoành độ tâm nổi

xc, hoành độ trọng tâm diện tích mặt đường nước xf và bán kính tâm ổn định dọc R

 Từ các số liệu trên, tính mớn nước mũi Tm và mớn nước đuôi Tđ của tàu :

x2

LT

T

R

xx

x2

LT

T

c g

f tb

1

c g

f tb

1 m

 Qua điểm (Tm1, Tđ1) tại trụ mũi và trụ đuôi, vẽ đường nước thực ở vị trí đang xét lên đồ thị Bongien để tính lượng chiếm nước D1 và hoành độ tâm nổi xc1 phần chìm dưới đường nước vừa vẽ theo công thức tính đã biết đối với đồ thị Bongien

 Quá trình cân bằng dọc tàu được lặp đi lặp lại nhiều lần cho đến khi thỏa mãn các điều kiện

(D - Di) / D <= (0,1 - 0,5)

(xg - xc)/L <= (0,01 - 0,05)

D , xg - lượng chiếm nước và hoành độ trọng tâm tàu ở chế độ tải trọng đang xét

Di , xci - lượng chiếm nước và hoành độ tâm nổi của tàu ở đường nước đang tính

 Sau khi xác định được vị trí cân bằng tàu thực tế xong mới đến giai đoạn tính lực nổi b(x) tại các mặt cắt ngang của tàu theo công thức (3.17)

 Nếu các giá trị D1, xc1 chưa bằng giá trị P, xg ở bảng 3.1 thì tiếp tục tính tương tự lần thứ hai và nếu vẫn chưa phù hợp thì tính tiếp lần thứ ba v…v Trong các lần tính sau, mớn nước mũi và đuôi được xác định theo công thức gần đúng sau :

Tm2 = Tm1 + ∆ T = T + (L/2 - xf)(xg - xc)/R + (Di - Di-1) / γ S

Tđ2 = Tđ1 + ∆ T = T - (L/2 + xf)(xg - xc)/R + (Di - Di-1) / γ S

Quá trình tính thể tích chiếm nước V (hay lượng chiếm nước D) và hoành độ tâm nổi xc của tàu theo đồ thị Bongien có thể trình bày dưới dạng bảng như bảng 3.2

3.4.XÁC ĐỊNH LỰC CẮT VÀ MÔMEN UỐN CỦA TÀU TRÊN SÓNG

 Trong thực tế, mômen uốn xuất hiện trong các mặt cắt ngang của thân tàu khi uốn chung thường bao gồm ba thành phần chính như sau :

M = Mt + Ms + Mp

Mt - mômen uốn khi tàu nổi trên nước tĩnh

Ms - mômen uốn khi tàu nổi trên sóng

Mp - mômen uốn phụ, xuất hiện do tàu va đập với sóng khi chạy ngược sóng

 Thành phần Mp thường tính qua hệ số an toàn khi kiểm tra bền, còn chu kỳ thay đổi và mômen uốn Ms khi tàu nổi trên sóng lớn hơn nhiều so với chu kỳ dao động tự

do (dao động riêng) của thân tàu nên có thể xem tác dụng của nó gần như biến đổi tĩnh, do đó có thể tính chung thành phần mômen này vào thành phần mômen uốn khi nổi trên nước tĩnh và gọi chung là thành phần tĩnh của mômen uốn MT và lực cắt NT :

3.4.1.Các giả thiết về quá trình uốn tàu trên sóng

 Khi trên sóng, mặt nước quanh tàu không là mặt phẳng mà là có mặt cong hình sóng

Do thay đổi hình dạng mặt sóng khi tàu chạy nên phân bố lực nổi theo chiều dài thay đổi liên tục, gây tải trọng phụ biến đổi tĩnh, làm xuất hiện lực cắt và mômen uốn trên sóng

 Ngoài ra, quá trình lắc tàu cũng làm xuất hiện gia tốc phụ, làm thay đổi trọng lực và gây tải trọng phụ, nhưng thực tế thay đổi này không lớn nên có thể bỏ qua khi tính

 Do quá trình cân bằng tàu trên sóng phức tạp và tốn công hơn so với cân bằng trên nước tĩnh nên khi xây dựng mô hình tính, có thể sử dụng một số giả thiết có xu hướng tăng an toàn bền, nhằm làm đơn giản bớt sự tương tác giữa tàu với sóng, cụ thể như sau :

 Thân tàu chiều dài L đặt tĩnh trên sóng, tức là tàu đang chạy cùng hướng sóng hai chiều với vận tốc bằng vận tốc sóng Khi đó, do vận tốc tương đối giữa tàu và sóng bằng không nên gần đúng có thể bỏ qua lực cản nước và lực quán tính trong khi tính

 Thực tế cho thấy khi đặt tàu trên sóng có chiều dài λ bằng với chiều dài tàu L thì mômen uốn và lực cắt ở các mặt cắt lớn hơn khi đặt tàu trên sóng có chiều dài khác

Do đó thường chỉ tính độ bền chung đối với các sóng có chiều dài bằng chiều dài tàu, còn với tàu có chiều dài quá lớn, không thể áp đặt được sóng có chiều dài không có trong thực tế thì sẽ chọn sóng có chiều dài thường hay gặp để tính.

 Về mặt độ bền dọc nhận thấy có hai vị trí đặt tĩnh tàu trên sóng nguy hiểm nhất

 Lưu ý là các giả thiết nói trên có thể không xảy ra trong điều kiện thực tế nhưng nếu độ bền kết cấu thân tàu thõa các trường hợp này thì có thể đảm bảo an toàn trong các trường hợp khác vì đây là những tình huống nguy hiểm nhất về độ bền

Vị trí mặt cắt giữa tàu nằm ở đỉnh sóng, lực nổi đoạn giữa tàu tăng và giảm dần về hai đầu nên thân tàu sẽ bị bẻ cong lên (hogging) như mô tả trên hình vẽ 3.18a

 Vị trí mặt cắt giữa tàu nằm ngay tại đáy sóng, lực nổi ở đoạn giữa tàu nhỏ và tăng dần về hai đầu nên thân tàu bị uốn cong theo hướng ngược lại (sagging) như ở hình 3.18b

3.4.2.Các mô hình sóng tính toán

 Sóng biển thực tế là hàm ngẫu nhiên, ba chiều trong không gian nhưng do việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hiện còn gặp nhiều khó khăn nên để đơn giản khi tính thường xem sóng biển là sóng điều hòa hai chiều

 Khi tính độ bền chung thân tàu thường sử dụng mô hình sóng hai chiều và có profil sóng đối xứng, gồm hai mô hình sóng cụ thể như sau :

1.Mô hình sóng Trochoid

 Dạng sóng Trochoid là quỹ tích một điểm A nằm trên đường tròn bán kính R lăn không trượt theo một đường thẳng

 Để vẽ một profin sóng có chiều dài λ và chiều cao h thì chọn bán kính đường tròn lăn là R = λ /2 π và khoảng cách từ điểm A đến tâm O của đường tròn lăn là r = h/2

R

h

λ

A r

O

Trên cơ sở đó, có thể vẽ profin sóng Trochoid theo hai cách khác nhau :

 Vẽ bằng phương pháp đồ thị theo công thức

πλ

cosrz

sinr2

z - tung độ (độ dâng) mặt sóng

x - tọa độ theo trục x

λ - chiều dài sóng, lấy bằng chiều dài thiết kế của tàu

r - biên độ sóng, lấy bằng nửa chiều cao sóng h

 Giữa chiều cao h và chiều dài λ của mô hình sóng đang tính phụ thuộc lẫn nhau nhưng quan hệ này không là hằng số nên cần chọn sóng tính toán phù hợp thực tế

 Có thể tham khảo mối quan hệ giữa chiều cao và chiều dài sóng theo các công thức

h = λ /20 + 1 : với sóng có λ < 60 (m)

h = λ /30 + 2 : với sóng có 60 (m) ≤ λ < 120 (m)

h = λ / 20 : với sóng có λ ≥ 120 (m)

2.Mô hình sóng hình sin

 Trong tính toán hiện nay thưòng dùng sóng dạng sóng điều hòa hình sin hay cosin, vẽ theo trục x trùng với đường nước thực tế của tàu trên nước tĩnh và có tung độ profin sóng z tại điểm có hoành độ x được xác định theo phương trình :

λ

2 cos r

±

z =

λ - chiều dài sóng, lấy bằng chiều dài thiết kế của tàu λ = L

r - biên độ sóng lấy bằng nửa chiều cao sóng h tính như trên

 Thực tế cho thấy khi lấy λ = L, kết quả tính độ bền theo hai mô hình sóng nói trên lệch nhau < ± 3% nên thường dùng dạng sóng hình sin để thuận tiện hơn khi tính

 Nếu tăng nửa chiều cao sóng r cùng với tăng chiều dài sóng λ thì mômen sóng đạt giá trị lớn nhất khi chiều dài sóng λ gần hoặc bằng với chiều dài thiết kế của tàu L, nên khi tính độ bền kết cấu thân tàu thường đặt tĩnh tàu trên sóng có chiều dài λ = L

3.4.3.Xác định lực cắt và mômen uốn khi tàu nổi trên sóng

1.Phân bố lực nổi tác dụng lên tàu đang nằm trên sóng

 Khi tàu nằm trên sóng, phần dưới nước chính là phần nằm dưới profil sóng nên phân bố lực nổi khi tàu nằm trên sóng bs(x) sẽ là :

bs(x) = bt(x) + ∆ b(x)

bt(x) - phân bố lực nổi khi tàu nằm trên nước tĩnh

∆b(x) - lực nổi bổ sung của tàu trên sóng, có giá trị dương khi mặt sóng cao hơn mặt nước tĩnh và được xác định theo công thức ∆b(x) = bs(x) - bt(x) = γ ∆ω(x)

∆ω(x) - độ thay đổi diện tích các mặt cắt ngang thân tàu khi mức nước của mặt sóng dâng lên hay hạ xuống so với mớn nước ban đầu khi tàu nằm trên nước tĩnh

∆ω(x) = ωs(x) - ωt(x)

ωt(x) - diện tích các mặt cắt ngang của tàu trên nước tĩnh

ωs(x) - diện tích các mặt cắt ngang tương ứng tính cho trạng thái mặt sóng dâng lên hoặc hạ xuống thấp so với mặt nước tĩnh

 Để xác định lực nổi bổ sung ∆ b(x) khi đặt tàu trên sóng, cần tìm vị trí cân bằng thực của tàu trên nước tĩnh và trên sóng, sau đó đặt mớn nước tĩnh và mặt sóng đã xác định lên đồ thị Bongien để tính giá trị ∆ω (x)

2.Cân bằng tàu trên sóng

 Tương tự như khi tính trên mặt nước tĩnh, mọi phép tính ở đây chỉ có nghĩa khi đã đặt tàu cân bằng trên nước, tức là khi thỏa mãn hai phương trình cân bằng lực và mômen

 Khi đặt tàu trên sóng có chiều dài λ = L, mặt sóng chiếm vị trí như profil của nó với quy định trục sóng trùng đường nước tĩnh và dạng profin sóng như đường A-A (hình vẽ) Tuy nhiên,do mạn tàu thường không vuông góc mặt nước nên phân bố thể tích dọc chiều dài tàu không đều nên profil sóng bên mạn tàu ở trạng thái cân bằng sẽ là đường C-C

x

x

e C

A C

C

A C