nghiên cứu khả năng sử dụng kết cấu inox – foam – inox trong chế tạo tàu du lịch cỡ nhỏ

Hy vọng việc sử dụng thành công loại kết cấu vật liệu này sẽ mở ra triển vọng mới trong chế tạo các loại tàu du lịch, tàu cá… bằng dạng kết cấu vật liệu mới có nhiều ưu điểm như dễ chế t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Nguyễn Văn Hân

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG KẾT CẤU INOX – FOAM – INOX TRONG CHẾ TẠO TÀU DU LỊCH CỠ NHỎ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Khánh Hòa, 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Nguyễn Văn Hân

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG KẾT CẤU INOX – FOAM – INOX TRONG CHẾ TẠO TÀU DU LỊCH CỠ NHỎ

Ngành đào tạo: Cơ khí Động lực

Mã ngành: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Trần Gia Thái

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

Chương 1: TỔNG QUAN 9

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 9

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA 10

1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU 11

1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu 11

1.3.2 Nội dung nghiên cứu 11

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu 12

1.3.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu 12

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU INOX VÀ VẬT LIỆU FOAM 13

2.1.1 Vật liệu Inox 13

2.1.2 Vật liệu Foam 15

2.2 PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU 16

2.2.1 Khái quát bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu [4] 16

2.2.2 Phân tích độ bền chung 21

2.2.3 Giải bài toán độ bền cục bộ thân tàu bằng phương pháp PTHH [5] 23

2.2.4 Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu 25

2.3 PHẦN MỀM PHÂN TÍCH KẾT CẤU 26

2.3.1 Tổng quan các phần mềm phân tích kết cấu 26

2.3.2 Giới thiệu phần mềm phân tích độ bền tàu MAESTRO 28

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30

3.1 LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN 31

3.1.1 Các thông số kỹ thuật của tàu 31

3.1.2 Các thông số kết cấu 31

3.1.3 Bố trí chung tàu 31

3.2 THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH CỦA KẾT CẤU VẬT LIỆU IFI 36

3.2.1 Thiết bị thử nghiệm 36

3.2.2 Chế tạo mẫu thử 37

3.2.3 Kết quả thử nghiệm vật liệu 44

3.2.5 Xây dựng cơ sở lựa chọn kích thước kết cấu 56

3.2.6 So sánh chỉ tiêu kinh tế 60

3.3 TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN THÂN TÀU SỬ DỤNG KẾT CẤU IFI 61

3.3.1 Mô phỏng độ bền kết cấu tàu 61

3.3.2 Khảo sát mối quan hệ ứng suất và biến dạng tàu khi thay đổi quy cách của kết cấu IFI 78

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

4.1 KẾT LUẬN 80

4.1.1 Chỉ tiêu cơ tính 80

4.1.2 Chỉ tiêu kinh tế 80

4.2 KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: So sánh độ bền của inox với vật liệu khác 14

Bảng 2.2 Điều kiện biên cho mô hình tính theo phương pháp PTHH FEM 24

Bảng 3.1 Giới thiệu các kích thước khảo sát của mẫu 38

Bảng 3.2: Thể tích dung dịch Polyol & Isocyanate 40

Bảng 3.2 Kết quả thử nghiệm lực uốn lớn nhất .49

Bảng 3.3 Kết quả thử nghiệm xác định giá trị ứng suất uốn lớn nhất 50

Bảng 3.5 Kết quả thử nghiệm xác định giá trị độ bền uốn, module đàn hồi uốn 54

Bảng 3.6 So sánh độ bền của IFI với vật liệu khác 55

Bảng 3.7 Thay đổi ứng suất, biến dạng của kết cấu IFI khi thay đổi độ dày lớp 78

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Vật liệu Foam 15

Hình 2.2 Mô hình 3D tính kết cấu tàu theo phương pháp PTHH 18

Hình 2.3: Sơ đồ các phương pháp phân tích độ bền kết cấu thân tàu hiện nay 19

Hình 2.4 Các tải trọng tác dụng lên thân tàu thủy 21

Hình 2.5 Mô hình tàu nổi cân bằng trên nước tĩnh 21

Hình 2.6 Cấu trúc xây dựng mô hình tính trong MAESTRO 29

Hình 3.1 Kết cấu vật liệu inox – foam – inox 30

Hình 3.2 Bản vẽ đường hình tàu tính toán 32

Hình 3.3 Bản vẽ bố trí chung tàu tính toán 33

Hình 3.4 Bản vẽ mặt cắt ngang 12 vách ngang 34

Hình 3.5 Máy kéo nén Instron model 3360 36

Hình 3.6 Kích thước mẫu thử (a - mẫu thử uốn ; b - mẫu thử kéo) 37

Hình 3.7 Mẫu thử kết cấu Inox – Foam – Inox 38

Hình 3.8 Khuôn đúc chế tạo mẫu thử 39

Hình 3.9 Định lượng dung dịch Polyol & Isocyanate 40

Hình 3.10 Các mẫu IFI dùng thử uốn 41

Hình 3.11 Mô hình thử nghiệm tìm hệ số Poisson 42

Hình 3.12 Hình ảnh thử mẫu 45

Hình 3.13 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 0.5x42x0.5 46

Hình 3.14 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 0.8x42x0.8 46

Hình 3.15 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 1.0x36x1.0 47

Hình 3.16 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 1.2x42x1.2 47

Hình 3.17 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 1.4x42x1.4 48

Hình 3.18 Đồ thị lực uốn lớn nhất của mẫu thử IFI 1.5x42x1.5 48

Hình 3.19 Máy thử kéo Hounsfield Model H 50 KS 52

Hình 3.20 Đồ thị ứng lực kéo của inox ( a - hai da, b - một da) 53

Hình 3.21 Biều đồ so sánh độ bền của vật liệu 56

Hình 3.22 Đồ thị quan hệ giữa lực uốn lớn nhất và chiều dày của inox 57

Hình 3.23 Đồ thị quan hệ giữa lực uốn lớn nhất và chiều dày của foam 57

Hình 3.24 Đồ thị mối quan hệ giữa lực uốn lớn nhất và chiều dày lớp foam 58

Hình 3.26 Khai báo thông tin chung tàu 61

Hình 3.27 Khai báo vật liệu lớp inox và vật liệu foam 62

Hình 3.28 Khai báo vật liệu lớp foam 62

Hình 3.29 Khai báo các đơn vị tính toán 63

Hình 3.30 Sườn 0-1 và vách đuôi 63

Hình 3.31 Vách đuôi (nghiêng) 64

Hình 3.32 Vách 1-2 64

Hình 3.33 Đuôi tàu 65

Hình 3.34 Vách giữa tàu 65

Hình 3.35 Mũi với boong mũi 66

Hình 3.36 Thân tàu 66

Hình 3.37 Kết cấu khung xương phân đầu 67

Hình 3.38 Kết câu khung xương thân tàu 67

Hình 3.39 Mô hình tàu bằng kết cấu sandwich 68

Hình 3.40 Mặt sau của tàu 68

Hình 3.41 Đồ thị quan hệ lực uốn và chiều dày lớp inox 69

Hình 3.42 Đường hình tàu 69

Hình 3.43 Khai báo điều kiện biên 70

Hình 3.44 Khai báo tải trong bản thân tàu 70

Hình 3.45 Biểu đồ màu biểu thị độ dày tấm 71

Hình 3.46 Phần tiếp xúc với nước biển 71

Hình 3.47 Mô hình tổng thể 72

Hình 3.48 Khai báo điều kiện sóng 72

Hình 3.49 Biểu đồ phân bố khối lượng tàu không 73

Hình 3.50 Biểu đồ phân bố khối lượng tàu đầy tải 73

Hình 3.51 Biểu đồ Momen 74

Hình 3.52 Biểu đồ trọng tâm và tâm nổi tàu 74

Hình 3.53 Biểu đồ áp lực nước lên thân tàu 75

Hình 3.56 Biểu đồ biểu thị màu và ứng xuất 77

Hình 3.57 Biểu đồ biểu thị màu và biến dạng 77

Hình 3.58 Đồ thị khảo sát sự thay đổi ứng suất 79

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Như đã biết, vật liệu luôn là một trong những vấn đề có vai trò và ý nghĩa quan trọng của các ngành công nghiệp nói chung và công nghiệp tàu thủy nói riêng, nhất là khi tàu thủy làm việc trong môi trường phức tạp, chịu mức độ ăn mòn cao Cho đến hiện nay, vật liệu dùng chế tạo các loại tàu thông dụng phổ biến là vật liệu kim loại như sắt, nhôm hoặc vật liệu phi kim loại như gỗ và composite Tuy nhiên các loại vật liệu truyền thống này thường vẫn còn rất nhiều điểm hạn chế Các vật liệu kim loại như sắt, thép rất dễ bị ăn mòn trong môi trường nước mặn, thường xuyên bị hàu, hà bám bẩn nên chi phí sơn sửa và bảo dưỡng tàu khá cao Ngoài ra, tàu vỏ sắt còn có nhược điểm là do trọng lượng khá lớn, dẫn đến tiêu hao nhiên liệu lớn, mặt khác gỉ sét và sơn chống gỉ vỏ tàu cũng gây ô nhiễm môi trường Vật liệu hợp kim nhôm tuy có thể khắc phục được các nhược điểm của tàu vỏ thép nhưng giá thành đắt, công nghệ chế tạo phức tạp, cần có máy móc thiết bị hiện đại Vật liệu Composite tuy có ưu điểm là khả năng chống ăn mòn cao, ít bị bán bẩn nhưng

có nhược điểm như độ bền va đập kém, vật liệu không có khả năng tái chế và độc hại nên có thể gây nguy hiểm cho môi trường, chi phí thi công tàu đơn chiếc khá cao do tốn chi phí làm khuôn, thường bị rung, gây khó chịu cho người trên tàu Gỗ

là loại vật liệu đang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp đóng tàu ở nước ta hiện nay, chủ yếu là dùng đóng các loại tàu khai thác hải sản và phục vụ du lịch tốc

độ thấp nhưng việc dùng gỗ đóng tàu đã dẫn đến tàn phá rừng, ảnh hưởng xấu môi trường

Từ những trình bày trên đây nhận thấy, việc nghiên cứu tìm kiếm loại vật liệu hoặc kết cấu mới dùng để làm vỏ tàu là vấn đề có vai trò và ý nghĩa rất quan trọng Từ đó, chúng tôi mạnh dạn đề xuất nghiên cứu sử dụng loại kết cấu vật liệu mới, kiểu sanwich gồm các thành phần inox - foam - inox, tạm gọi kết cấu vật liệu IFI, với hai lớp Inox hai bên đệm lớp Foam ở giữa nhằm thử nghiệm làm vật liệu vỏ tàu Về định tính, Inox là vật liệu có giá thành thấp hơn so với hợp kim nhôm dùng trong đóng tàu và cơ tính cao so với vật liệu khác, do đó việc sử dụng hai lớp vật liệu này sẽ đảm bảo được độ an toàn về mặt cơ tính, vật liệu có khả năng chống ăn

mòn tốt, dễ chế tạo, bề mặt nhẵn nên ma sát thấp Lớp Foam bên trong sẽ làm tăng khả năng chịu lực, giảm bớt rung khi chuyển động Bên cạnh đó, kết cấu kiểu Sandwich có thể sẽ làm giảm được khối lượng của Inox và làm tăng được cơ tính của kết cấu (làm tăng momen uốn và chống được lực uốn), thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt, dẫn đến làm giảm được giá thành sản phẩm Tuy nhiên, do đây là kiểu kết cấu mới nên để có thể sử dụng được trong đóng vỏ tàu thì cần giải quyết hàng loạt vấn đề đặt ra về cơ tính, kích thước kết cấu, tính kinh tế … Với cách đặt vấn đề như thế, đề tài đặt vấn đề nghiên cứu thử nghiệm việc sử dụng kết cấu dạng Inox - foam - inox trong chế tạo phần vỏ các loại tàu du lịch cỡ nhỏ Hy vọng việc

sử dụng thành công loại kết cấu vật liệu này sẽ mở ra triển vọng mới trong chế tạo các loại tàu du lịch, tàu cá… bằng dạng kết cấu vật liệu mới có nhiều ưu điểm như

dễ chế tạo, dễ tạo hình, chi phí đóng và chi phí bảo dưỡng vỏ tàu thấp, tốc độ ăn mòn trong nước biển thấp, đặc biệt là vật liệu thân thiện với môi trường

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA

Thực tế hiện nay, việc sử dụng các kết cấu dạng Sandwich trong đóng tàu thủy cũng đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng từ khá lâu Phổ biến nhất là kết cấu gồm ba lớp vật liệu nằm sát và liên kết bền chặt với nhau, thuật ngữ tiếng Anh là kết cấu kiểu Sandwich hiểu theo nghĩa là kết cấu gồm

3 lớp, hai lớp ngoài cùng được gọi là lá mỏng, gồm nhiều lớp mỏng, có đặc tính chịu kéo, chịu nén tốt, bằng vật liệu Composite với lá mỏng trong cùng có kích cỡ bằng lớp đầu tiên, kết cấu vật liệu như lớp ngoài Lớp giữa là vật liệu độn để tăng

độ cứng tấm (tiếng Anh là core) chiếm không gian đáng kể, có đặc tính cơ học đáng quý là khả năng chịu nén cao Vật liệu độn có tỉ trọng riêng nhỏ, độ bền cơ học thấp, khả năng liên kết hai lớp da Lớp vật liệu độn không chịu kéo nén nhưng có

ưu điểm duy nhất là chuyển tải trọng từ lớp ngoài bên này sang lớp bìa bên kia, hiểu theo nghĩa cơ học là chịu lực cắt Vật liệu độn thường là ván ép, gỗ điên điển (gỗ balsa), bọt mốp như PVC, urethane Trong thời gian gần đây, một số nước Châu Âu

đã công bố nhiều nghiên cứu liên quan đến kết cấu vật liệu kiểu Sandwich với lớp

da bằng vật liệu thép và nhôm Tuy nhiên cho đến thời điểm hiện tại, chúng tôi vẫn chưa tìm thấy được các tài liệu hay công trình nghiên cứu liên quan đến kết cấu vật liệu kiểu Sandwich như đề xuất nhất là việc ứng dụng dạng kết cấu vật liệu này

1.3 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP, NỘI DUNG VÀ GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

1.3.1 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu khả năng sử dụng kết cấu vật liệu kiểu Sandwich gồm các thành phần inox - foam - inox trong chế tạo vật liệu làm vỏ tàu, với mục đích tìm kiếm loại kết cấu vật liệu mới nhằm thay thế các loại vật liệu truyền thống đang dùng trong đóng tàu vẫn còn nhiều hạn chế

1.3.2 Nội dung nghiên cứu

Từ mục tiêu và mục đích nghiên cứu đã trình bày, nội dung đề tài tập trung vào việc chế tạo mẫu và thử nghiệm xác định các thông số vật liệu và các đặc tính

cơ học của kết cấu vật liệu Sandwich như đề xuất và sử dụng các thông số vật liệu này trong việc tính toán, kiểm nghiệm độ bền một mẫu tàu cụ thể làm bằng kết cấu này Trên cơ sở đó, đi đến tính chọn kích thước kết cấu hợp lý cho kết cấu tàu dạng này, cũng như tính sơ bộ hiệu quả kinh tế khi sử dụng kết cấu dạng này trong đóng tàu Từ những trình bày trên đây có thể cấu trúc đề tài gồm các chương như sau: Chương 1: Phần tổng quan

Nội dung chương trình bày tổng quan về đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, cùng với mục tiêu, nội dung, phương pháp và giới hạn nội dung nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương sẽ trình bày những cơ sở lý thuyết cần thiết liên quan đến việc thực hiện đề tài, tập trung vào các nội dung như giới thiệu về các vật liệu liên quan là inox và foam, cùng với nội dung của bài toán và chương trình phân tích độ bền kết cấu thân tàu thủy

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Đây là chương chính của đề tài trình bày những kết quả nghiên cứu nhằm đánh giá khả năng sử dụng kết cấu vật liệu mới inox - foam - inox trong đóng tàu theo quan điểm sức bền và kinh tế

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

1.3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đề tài là kết hợp giữa phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, trên cơ sở chế tạo mẫu và thử nghiệm xác định cơ tính của kết cấu vật liệu đề xuất và ứng dụng các thông số vật liệu đã xác định trong tính toán độ bền của một mẫu tàu cụ thể nhằm mục đích đánh giá khả năng sử dụng kết cấu vật liệu mới này trong chế tạo các loại tàu du lịch cỡ nhỏ

1.3.4 Giới hạn nội dung nghiên cứu

Do là đề tài nghiên cứu kết cấu vật liệu mới nên đề tài giới hạn nội dung nghiên cứu trong phạm vi sau:

- Nghiên cứu khả năng sử dụng kết cấu vật liệu đề xuất trong chế tạo vỏ tàu trên cơ sở nghiên cứu độ bền và tính kinh tế của loại kết cấu vật liệu này, khi so sánh với các loại vật liệu truyền thống thường dùng trong đóng tàu

Do tính chất tương đồng của hai vật liệu nhôm và inox nên trong đề tài sẽ lựa chọn vật liệu nhôm để so sánh

- Nội dung đề tài không đi vào nghiên cứu thiết kế mẫu tàu nên trong đề tài

sử dụng một mẫu tàu nhôm có sẵn để thực hiện tính toán

- Việc thử nghiệm cơ học hoặc phân tích độ bền đối với kết cấu vật liệu IFI

sẽ áp dụng theo các tiêu chuẩn cần thiết đối với loại vật liệu truyền thống

đã được cơ quan đăng kiểm thừa nhận

- Việc so sánh chỉ tiêu kinh tế khi sử dụng kết cấu vật liệu mới này trong đóng tàu chỉ được thực hiện trên cơ sở so sánh chi phí về vật liệu làm vỏ

so với vật liệu nhôm, tạm thời bỏ qua tính toán các chi phí trong gia công

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ VẬT LIỆU INOX VÀ VẬT LIỆU FOAM

2.1.1 Vật liệu Inox

Inox hay còn gọi là thép không gỉ gắn liền với tên tuổi của một chuyên gia ngành thép người Anh là Harry Brearley Vào năm 1913, ông đã sáng chế ra loại thép đặc biệt có khả năng chịu mài mòn cao bằng việc giảm hàm lượng Cacbon và cho Crôm vào thép (0.24% C và 12.8% Cr) Sau đó hãng thép Krupp ở Đức tiếp tục cải tiến bằng cách thêm nguyên tố Niken vào thép này để tăng khả năng chống ăn mòn axit và làm mềm hơn để dễ gia công Trên cơ sở hai phát minh này mà hai loại mác thép 400 và 300 ra đời ngay trước Chiến tranh thế giới lần thứ nhất Sau chiến tranh, những năm 20 của thế kỷ 20, một chuyên gia ngành thép người Anh là ông

W H Hatfield tiếp tục nghiên cứu, phát triển các ý tưởng về thép không gỉ Bằng việc kết hợp các tỉ lệ khác nhau giữa Niken và Crôm trong thành phần thép, ông đã cho ra đời một loại thép không gỉ mới 18/8 với tỉ lệ 8% Ni, 18% Cr, chính là mác Inox 304 khá quen thuộc ở ngày nay Ông cũng là chính là người đã phát minh ra loại thép mác 321 bằng cách cho thêm một lượng nguyên tố Titan vào thành phần của loại thép có tỉ lệ 18/8 đã nói ở trên Trải qua gần một thế kỷ ra đời và phát triển, ngày nay thép không gỉ đã được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực dân dụng và công nghiệp với hơn 100 mác khác nhau Trong ngành luyện kim, thuật ngữ thép không gỉ (inox) hay thép chống ăn mòn được sử dụng để chỉ một dạng hợp kim sắt

có chứa tối thiểu khoảng 10,5% Crôm Tên gọi vật liệu này là "thép không gỉ" nhưng thật ra nó chỉ là hợp kim của sắt không bị biến màu hay bị ăn mòn dễ dàng như những loại thép thông thường khác

Thép không gỉ có khả năng chống sự ôxy hoá và chống ăn mòn rất cao, tuy nhiên sự lựa chọn đúng đắn chủng loại và các thông số kỹ thuật của vật liệu này sao cho phù hợp với từng trường hợp ứng dụng cụ thể đóng vai trò rất quan trọng Khả năng chống sự oxy hoá từ môi trường xung quanh ở nhiệt độ thông thường của thép không gỉ là nhờ vào tỷ lệ Crôm có trong hợp kim (nhỏ nhất là 13% và có thể lên đến 26% trong trường hợp làm việc trong môi trường làm việc khắc nghiệt) Trạng thái oxy hoá của Crôm trong trường hợp của loại thép này là Crôm ôxit (III) Khi

nguyên tố Crôm có trong loại hợp kim thép này tiếp xúc với không khí sẽ có một lớp Crôm III oxit rất mỏng xuất hiện trên bề mặt vật liệu nhưng lớp này mỏng đến mức không thể thấy bằng mắt thường, nghĩa là bề mặt kim loại vẫn sáng bóng Lớp vật liệu mỏng này hoàn toàn không tác dụng với nước và không khí nên bảo vệ lớp thép bên trong Hiện tượng này gọi là sự oxi hoá chống gỉ bằng kỹ thuật vật liệu Có thể thấy hiện tượng như thế này đối với một số kim loại khác như nhôm và kẽm Khi kết cấu làm bằng inox liên kết nhau bằng các mối ghép như bulông và đinh tán thì lớp ôxit của chúng có thể bị bay mất ngay tại các vị trí mà chúng liên kết với nhau Còn khi tháo rời chúng ra lại thì có thể nhận thấy tại những vị trí đó sẽ bị ăn mòn Khi so sánh những đặc tính của nhóm thép không gỉ với họ thép carbon thấp,

có thể nhận thấy những ưu điểm chung nhất của nó như sau:

- Tốc độ hóa bền rèn và độ dẻo cao hơn

- Độ cứng, độ bền và độ bền nóng cao hơn

- Chống chịu ăn mòn cao hơn

- Độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp tốt hơn

- Phản ứng từ kém hơn (chỉ với thép austenit)

Các đặc điểm cơ tính nêu trên đây thực ra chỉ đúng cho họ thép austenit và có thể thay đổi khá nhiều ở các mác thép và họ thép khác với họ thép này Về phương diện cơ tính, vật liệu Inox có cơ tính khá cao so với các vật liệu khác Bảng 2.1 giới thiệu số liệu cơ tính của vật liệu inox so với các loại vật liệu khác

Bảng 2.1: So sánh độ bền của inox với vật liệu khác [8], [9], [10], [11]

TT Đại lượng Đơn vị

Vật liệu PPC

Thép đóng tàu cấp A

Gỗ chò Vật liệu

FRP

Hợp kim nhôm

2.1.2 Vật liệu Foam

Foam là một loại nhựa tổng hợp dạng bọt cứng, được tạo thành từ kết hợp hai

thành phần hóa học chính Polyol và Isocyanate, gọi dễ hiểu là các chất A và chất B

Để có thể đạt được các thông số cơ lý tính cụ thể như độ cứng, tỉ trọng, khả năng dãn nở… thì tỷ lệ pha trộn của hai loại hóa chất này phải tuân theo tỷ lệ nhất định Dưới đây giới thiệu các thông số cơ bản của vật liệu foam thông dụng:

Tỷ trọng : (22 – 200) kg/m3

Khả năng nở : 1 lít dung dịch nở thành 30 lít foam

Khả năng chịu nhiệt : - 60oC đến 80oC

Hệ số dẫn nhiệt : (0.019 - 0.023) W/m.k

Chịu nén cao : (180 – 250) Kpa

Độ thấm nước : < 3%

Tuổi thọ trên 15 năm

Tiêu chuẩn : Lloyd's, DIN, ASTM, JIS, GB, FM Approve Công thức hóa học của Foam được biểu diễn như trên [10]

Hình 2.1 giới thiệu hình ảnh của vật liệu Foam

Hình 2.1 Vật liệu Foam

R-N=C=O + R’-OH R-N=C=O

H

O – R’

2.2 PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU

2.2.1 Khái quát bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu [4]

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 dưới tác dụng của các ngoại lực và các nguyên nhân khác

- Kết cấu đủ cứng để không bị biến dạng và rung động quá mức cho phép,

có thể làm cho kết cấu đang xét bị mất trạng thái làm việc bình thường, ngay trong trường hợp vẫn đảm bảo đủ độ bền

- Kết cấu phải ổn định để luôn giữ được vị trí và hình dạng ban đầu dưới dạng cân bằng, trong trạng thái biến dạng

Về lý thuyết, để giải quyết các vấn đề trên đây cần tiến hành phân tích độ bền nhằm xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu tàu đang tính,

cơ sở để tính kiểm tra và đánh giá an toàn kết cấu thân tàu trong điều kiện thực tế

Có thể nhận thấy, nếu tăng kích thước các kết cấu hoặc sử dụng vật liệu tốt hơn thì khả năng đáp ứng các yêu cầu đặt ra trên đây đối với các kết cấu càng dễ thực hiện Tuy nhiên, tăng kích thước không chỉ làm giá thành tàu tăng mà quan trọng hơn, khối lượng kết cấu lớn có thể ảnh hưởng xấu đến tính năng hàng hải chính của tàu

Do đó bài toán phân tích độ bền thân tàu là vấn đề có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong thiết kế và chế tạo tàu thủy, nhất là khi sử dụng các loại vật liệu kết cấu mới

Về nguyên tắc, giải bài toán độ bền kết cấu nói chung và kết cấu tàu nói riêng thường bắt đầu từ việc xây dựng mô hình tính thể hiện chính xác đặc điểm kết cấu Tuy nhiên, do kết cấu thân tàu rất phức tạp, gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau như thanh, dầm, tấm, vỏ… liên kết chặt với nhau, chịu tác dụng của các ngoại lực không gian phức tạp sóng, gió nên việc tìm mô hình thể hiện chính xác đặc điểm làm việc của các kết cấu thân tàu cụ thể là hoàn toàn không đơn giản, do đó việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu là bài toán khó và thường ít có lời giải chính xác Tùy theo đặc điểm mô hình tính, có thể chia bài toán phân tích độ bền kết cấu tàu thành hai dạng là phân tích theo mô hình ước định và theo mô hình tổng thể

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

Phân tích độ bền tàu theo mô hình ước định được hiểu là thay kết cấu tàu bằng

mô hình tính tương đương có thể tính theo các phương pháp giải cơ học thông dụng Theo mô hình tính này, bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu được chia thành hai nội dung là phân tích độ bền chung (còn gọi là độ bền dọc) và phân tích độ bền cục bộ (hay độ bền riêng)

(a) Phân tích độ bền dọc

Phân tích độ bền dọc là bài toán tìm giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang tàu, dưới tác dụng của ngoại lực theo phương thẳng đứng Trong bài toán này, toàn bộ kết cấu thân tàu được xem giống thanh tương đương có thành mỏng, đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng của các ngoại lực tương ứng với các ngoại lực thẳng đứng tác dụng lên kết cấu thân tàu, gồm trọng lực và lực nổi Kết quả phân tích độ bền dọc sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốn dọc toàn tàu 1

i - các giá trị ứng suất uốn cục bộ của tàu

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

Theo mô hình tính tổng thể, toàn bộ kết cấu thân tàu xem như hệ không gian đặt trên nền đàn hồi gồm nhiều loại hình kết cấu dầm, tấm, vỏ,… liên kết với nhau Khi đó, các bộ phận kết cấu như đáy, boong, mạn, sườn và các chi tiết hình thành chúng như hệ dầm gia cường, tôn bao xem như làm việc đồng thời trong mô hình Điều kiện biên xây dựng trên cơ sở xem toàn bộ kết cấu tàu như vật thể đàn hồi cân bằng dưới tác dụng trọng lượng tải trọng trên tàu và phản lực nền là lực đẩy Theo

xu hướng hiện nay, độ bền kết cấu tàu được phân tích theo mô hình tổng thể bằng phương pháp tính hiện đại và hiệu quả nhất là phương pháp phần tử hữu hạn hình 2.2 giới thiệu mô hình tính kết cấu thân tàu dưới dạng mô hình không gian Mô hình không gian 3D dùng trong phương pháp phần tử hữu hạn hiện đang được quan tâm, không chỉ trong bài toán tính bền mà còn dùng tính mỏi kết cấu thân tàu Tuy nhiên việc sử dụng mô hình này đòi hỏi nhiều dữ liệu đầu vào và thời gian tính lớn nên cần có chương trình phân tích kết cấu mạnh và các máy tính cỡ lớn để tính

3 Phân tích, lựa chọn mô hình tính

Một cách tổng quát, có thể tóm tắt quá trình phân tích độ bền kết cấu thân tàu dựa theo mô hình tính ước định và mô hình tổng thể như trên sơ đồ hình 2.3

Hình 2.3: Sơ đồ các phương pháp phân tích độ bền kết cấu thân tàu hiện nay

Mô hình ước định tuy đơn giản và không đòi hỏi điều kiện tính phức tạp nhưng vẫn còn rất hạn chế, nhất là khi phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, tàu chuyên dụng hay tàu có kích thước nằm ngoài quy định quy phạm hiện hành Kết quả phân tích độ bền các kết cấu thân tàu theo mô hình ước định rất ít chính xác

do nhược điểm lớn nhất của nó là mâu thuẫn giữa mô hình tính và phương pháp giải

vì nếu mô hình tính đơn giản, dễ giải thì không phản ánh hết đặc điểm kết cấu thực, nhưng nếu phức tạp thì khó có lời giải chính xác và hạn chế độ tin cậy của kết quả Đồng thời, việc chia quá trình tính ra hai giai đoạn tuy có cơ sở khoa học nhất định, nhưng chỉ mang tính định tính nhiều hơn là tình trạng làm việc thực của kết cấu và việc nâng cao chất lượng mô phỏng quá trình tính gặp nhiều hạn chế, xuất phát từ thuật toán xác định ranh giới vật lý và cơ học giữa độ bền chung và độ bền cục bộ Tuy nhiên trong từng bài toán cụ thể, việc nâng cao chất lượng mô hình tính cũng

i

THÔNG TIN VỀ TÀU

KẾT CẤU TÀU THỦY

Đánh giá độ bền kết cấu thân tàu

1 Phân tích độ bền chung của kết cấu

thân tàu chịu uốn, nén và xoắn

thực hiện và cho hiệu quả ở mức độ nhất định nên tính theo mô hình ước định thường đơn giản hơn nhiều và khả năng có thể tính được bằng tay trong điều kiện hạn chế về máy tính và các chương trình phân tích kết cấu cỡ lớn

So với mô hình ước định, mô hình tổng thể cho kết quả tính sát thực tế hơn vì

nó bảo toàn được các tính chất vật lý và cơ học của kết cấu thực tế ở mức độ cao, nhưng đòi hỏi nhiều công sức trong lập mô hình, chuẩn bị số liệu, phân tích kết quả Hơn nữa, phương pháp này chỉ có thể thực hiện khi có được chương trình phân tích

độ bền kết cấu nói chung và phân tích độ bền kết cấu thân tàu đủ mạnh, cùng với máy tính lớn và tốc độ cao, điều kiện mà không phải lúc nào cũng đáp ứng được Trong điều kiện nước ta hiện nay, với khả năng chỉ có máy tính vừa và nhỏ thì việc tính theo mô hình tính ước định trên cơ sở chia quá trình tính thành bài toán

độ bền chung và độ bền cục bộ như đã nêu tỏ ra phù hợp hơn vì quá trình phân tích

và xử lý kết quả tính theo mô hình này đơn giản hơn so với theo mô hình tổng thể Tuy nhiên gần đây, nhờ sự phát triển các phương pháp phân tích độ bền kết cấu, nhất là phương pháp phần tử hữu hạn, cùng sự có mặt của nhiều chương trình tính

đã cho phép tính độ bền thân tàu theo mô hình tổng thể hoặc mô hình phức tạp hơn Phương pháp phần tử hữu hạn, cùng với các chương trình tính thường xây dựng trên

cơ sở chia nhỏ kết cấu thành số hữu hạn các phần tử đơn giản như dầm, tấm, vỏ, liên kết lại với nhau qua các nút để tính ứng suất và biến dạng của toàn bộ kết cấu

So với mô hình tính ước định, mô hình tính tổng thể theo phương pháp phần tử hữu hạn thể hiện chính xác đặc điểm làm việc thực của kết cấu nên cho kết quả tin cậy hơn Trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn hiện có nhiều phần mềm tính độ bền tàu như MISA (Nhật), NASTRAN, MAESTRO (Mỹ), SESAM (Na Uy), AMUR (Nga) Trong đề tài này, do phải tính độ bền kết cấu tàu bằng kết cấu vật liệu mới nên chúng tôi chọn lựa phân tích độ bền kết cấu tàu tính toán theo mô hình tổng thể bằng phần mềm phân tích độ bền kết cấu tàu khá mạnh hiện nay của Mỹ là Maestro Phần mềm này phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên cơ sở phân tích độ bền chung (độ bền dọc) và độ bền cục bộ dưới tác dụng của ngoại lực, do đó trong phần tiếp theo, chúng tôi giới thiệu khái quát về bài toán phân tích độ bền này theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.2 Phân tích độ bền chung[4]

Kết cấu thân tàu là tổ hợp gồm nhiều kết cấu khác nhau như thanh, dầm, các kết cấu dạng tấm vỏ như vỏ đáy, vỏ mạn, sàn boong, vách ngăn Đa số những kết cấu này đều tham gia đảm bảo sức bền dọc cho toàn bộ thân tàu, đồng thời còn chịu tác dụng tải trọng riêng như áp lực nước, trọng lượng hàng … nên biến dạng do uốn chung, các kết cấu còn chịu biến dạng do uốn cục bộ gây ra Thân tàu nổi trên mặt nước chịu tác dụng của hai ngoại lực ngược chiều nhau là trọng lượng của thân tàu cùng với hàng hóa (weight) và lực nổi (buoyance force) Nếu coi thân tàu là một dầm liên tục, làm từ vật liệu đàn hồi, còn đặc tính hình học khác nhau ở các mặt cắt, dầm phải chịu tải trọng bản thân, hàng hóa, người trên tàu Lực nổi có giá trị tỷ lệ thuận với phần chìm thân tàu trong nước, có độ lớn thay đổi dọc theo chiều dài tàu tùy thuộc vào diện tích mặt cắt ngang tại các vị trí đang xét Nếu gọi p(x) là lực phân bố trọng lượng dọc chiều dài tàu, b(x) là phân bố lực nổi, phân bố tải trọng tác động lên mặt cắt bất kỳ thân tàu sẽ là (hình 2.4)

q(x) = p(x) – b(x) (2.1)

Hình 2.4 Các tải trọng tác dụng lên thân tàu thủy

Hình 2.5 mô tả hình ảnh tàu nổi cân bằng trên mặt nước

Hình 2.5 Mô hình tàu nổi cân bằng trên nước tĩnh

Từ điều kiện cân bằng, để tàu nổi cân bằng trên mặt nước phải thõa mãn các điều kiện cân bằng lực và momen tác dụng lên tàu

- Điều kiện cân bằng lực

q(x)dx p(x)dx b(x)d(x) 0

L

0 L

0 L

0 L

N (2.4)

x

0 x

0 x

0

dxdx)x(qdx

)x(N)x(

I - momen quán tính của mặt cắt ngang dầm tương đương đối với trục trung hòa

z - khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm đang xét

Ứng suất tiếp khi uốn chung thân tàu :

S - momen tĩnh diện tích mặt cắt ngang kết cấu đối với trục trung hòa

t - tổng chiều dày các kết cấu dọc tại vị trí xác định ứng suất tiếp

2.2.3 Giải bài toán độ bền cục bộ thân tàu bằng phương pháp PTHH [5]

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp số đặc biệt để tìm dạng xấp xỉ gần đúng một hàm chưa biết trên từng phần tử Ve thuộc miền xác định V của nó

Do đó phương pháp này rất thích hợp với bài toán có hàm cần xác định trên miền phức tạp gồm nhiều vùng có đặc tính hình học, vật lý, điều kiện biên khác nhau Khi tính theo phương pháp này, miền V được chia thành một số hữu hạn miền con gọi là phần tử, nối nhau ở các điểm đã định trên miền biên phần tử, gọi là điểm nút Trong phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được lấy gần đúng dưới dạng một hàm đơn giản gọi là hàm xấp xỉ và hàm xấp xỉ này biểu diễn qua các giá trị hàm (hoặc có khi là các giá trị đạo hàm của nó), tại các điểm nút nằm trên các phần tử Các giá trị này là bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm của bài toán Sau khi tìm được các ẩn bằng cách giải hệ phương trình đại số thiết lập sẽ tìm hàm xấp xỉ biểu diễn đại lượng cần tìm trong tất cả phần tử, từ đó tìm đại lượng còn lại Một cách tổng quát, có thể tóm tắt trình tự thực hiện tính theo phương pháp phần tử hữu hạn như sau:

Bước 1: Xây dựng mô hình tính

Chia miền khảo sát V thành các miền con Ve hay thành phần dạng thích hợp Với một bài toán cụ thể, số lượng, hình dạng, kích thước phần tử phải xác định rõ

Số điểm nút của mỗi phần tử không lấy một cách tùy tiện mà phụ thuộc hàm xấp xỉ định chọn

Bước 2: Chọn hàm xấp xỉ thích hợp

Bước tiếp theo là giả thiết dạng hàm xấp xỉ của đại lượng cần tìm để tìm và biểu diễn nó theo tập hợp giá trị và có thể cả đạo hàm của nó ở các nút phần tử [u]e Dạng hàm xấp xỉ được lựa chọn sao cho đơn giản khi tính toán và thỏa mãn được các tiêu chuẩn hội tụ và thường ở dạng đa thức

Bước 3: Xây dựng phương trình cân bằng của các phần tử

Phương trình cân bằng của phần tử trong miền khảo sát V có thể lập bằng nhiều cách như phương pháp trực tiếp, dùng nguyên lý hay phương pháp biến phân

Kết quả nhận được có thể biểu diễn dưới dạng phương trình cân bằng:

[K]e {u} = {F}e (2.8) trong đó: [K]e - ma trận độ cứng của phần tử

{u}e - vectơ chuyển vị nút phần tử

{F}e - vectơ tải lực tác dụng phần tử

Bước 4: Xây dựng phương trình cân bằng của toàn hệ

Tiến hành ghép nối các phần tử và kết quả nhận được hệ phương trình sau: [K]{u} = {F} (2.9) trong đó: [K] - ma trận độ cứng tổng thể

{u} - vectơ chuyển vị nút tổng thể, tức là tập hợp các giá trị đại lượng cần tìm tại các nút

{F} - vectơ tải lực tác dụng tổng thể

Áp đặt các điều kiện biên của bài toán vào hệ thống phương trình này để nhận được phương trình hệ thống hay hệ phương trình để giải dưới dạng:

[K*]{u*} = {F*} (2.10) Khi tính độ bền xem như mô hình đặt trên nền đàn hồi và bị giữ tại hai đầu

Do đó, áp dụng quy chuẩn Việt Nam QCVN 21, hai đầu mô hình phải được cố định như bảng sau:

Bảng 2.2 Điều kiện biên cho mô hình tính theo phương pháp PTHH FEM

Bước 5: Giải hệ phương trình đại số

Tiến hành giải hệ (2.10) để xác định chuyển vị của các điểm nút và dựa theo kết quả trên tiếp tục tìm giá trị ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả phần tử

2.2.4 Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

Theo quy định trong quy phạm, cần tiến hành kiểm tra đánh giá độ bền kết cấu thân tàu theo các trường hợp cụ thể sau:

1 Kiểm tra theo giá trị ứng suất cho phép

Kiểm tra độ bền chung tàu theo giá trị ứng suất cho phép thực hiện bằng cách

so sánh giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trong quá trình uốn chung thân tàu với các giá trị cho phép

y max

k

k (2.11)

Với k, k là giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong quá trình uốn dọc, tính đến tỷ lệ giá trị ứng suất cho phép so với ứng suất chảy của vật liệu y

Lưu ý cần phải kiểm tra độ bền thân tàu ít nhất tại 3 vị trí mặt cắt ngang giữa tàu, vách ngăn cuối cùng của kiến trúc thượng tầng, vị trí thay đổi của các khung xương

2 Kiểm tra theo giá trị momen uốn giới hạn

Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị momen uốn giới hạn Mgh được thực hiện bằng cách so sánh giá trị momen uốn lớn nhất Mmax tác dụng lên kết cấu thân tàu với giá trị momen uốn giới hạn Mgh, được hiểu là momen uốn giả thiết mà khi tác dụng lên thân tàu trong mặt phẳng dọc sẽ gây ra ở các mép ngoài cùng của thanh tương đương (lớp vỏ ngoài cùng của đáy hoặc boong tại mặt cắt đang xét) ứng suất nguy hiểm có giá trị bằng giới hạn chảy vật liệu

3 Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp

Kiểm tra độ bền kết cấu theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp được thực hiện

bằng cách so sánh giá trị ứng suất Vonmis, bao gồm ứng suất pháp và ứng suất tiếp cục bộ xuất hiện trong kết cấu với giá trị cho phép





2.3 PHẦN MỀM PHÂN TÍCH KẾT CẤU

2.3.1 Tổng quan các phần mềm phân tích kết cấu

Hiện có nhiều phần mềm phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn như RDM (Resistances des Materiaux), SAP 2000 (Structural Analysis Program), ABAQUS, ANSYS (Analysis Systems), NASTRAN, SESAM, MAESTRO v v…

Có thể kể qua một số phần mềm như sau:

RDM (Resistances des Materiaux) là phần mềm tính bền bằng phương pháp

phần tử hữu hạn do giáo sư Yves Debard của Đại học Le Mans ở Pháp xây dựng Phần mềm này bao gồm ba module chính là Flexion, Ossatures và Elements finis, dùng để tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán đàn hồi lực phẳng Phần mềm này khá đơn giản, chủ yếu phục vụ học tập nhờ giao diện đẹp nên ít dùng trong thực tế tính toán

SAP 2000 (Structural Analys Program) là phần mềm phân tích độ bền cơ học

kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn do Giáo sư Edward L.Wilson thuộc Trường Đại học Berkeley Mỹ (University Avenue Berkeley, California, USA) viết SAP2000 có khả năng tính nhanh mạnh, hỗ trợ nhiều loại kết cấu làm việc ở các trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải trọng như hệ thanh, tấm vỏ, kết cấu đặc Các kết cấu có thể làm việc ở các trạng thái đặc biệt như trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục, biến dạng lớn

STAAD.PRO là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu hàng đầu trên thế giới

được phát triển bởi hãng phần mềm REI và được Bentley mua lại vào năm 2005 Staad.Pro là một công cụ hoàn hảo tích hợp khả năng phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn và tối ưu hóa thiết kế, bao gồm giao diện đồ họa trực quan, công cụ hiển thị và tiêu chuẩn thiết kế quốc tế

ABAQUS là một bộ phần mềm lớn, dùng để mô phỏng quá trình làm việc của

các công trình bằng phương pháp số và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) để tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị, dao động,…

và các ứng xử của công trình dưới tác động của ngoại và nội lực, lực tĩnh và động Abaqus có hai khối phân tích chủ yếu là ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit

ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn

(Finite Element Analys) hoàn chỉnh dùng mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp

đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết lĩnh vực kỹ thuật như kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Cấu trúc cơ bản của một bài tính trong ANSYS thường bao gồm 3 phần chính là: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution), xử lý kết quả (postprocessor) Ngoài chức năng phân tích độ bền kết cấu, ANSYS hiện còn là phần mềm mạnh dùng trong tính toán động lực học chất lỏng (Computation Fluid Dynamic - CFD)

VISUAL NASTRAN là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu đầy quyền năng

do cơ quan hàng không của Mỹ NASA xây dựng, có những lệnh và công cụ mạnh giúp người thiết kế có thể xây dựng, mô tả được nhiều đặc trưng của hệ thống cơ Một khi xây dựng xong mô hình, người thiết kế có thể tiến hành mô phỏng và đặt các lực (ngẫu lực, trọng lực, lực tập trung, lực ma sát … ) lên mô hình để khảo sát, phân tích và đánh giá ứng xử cơ học của hệ kết cấu tính toán

SESAM là bộ phần mềm của cơ quan Đăng kiểm Nauy (DNV) dùng để tính

và kiểm tra bền cho kết cấu tàu, công trình biển theo phương pháp phần tử hữu hạn SEAM bao gồm các module sau Sesam GeniE, Sesam GeniE Lite, Sesam Hydro D, Sesam DeepC, Sesam Pipeline, Sesam Wind, Sesam Probability, Sesam SurveySimulator

MAESTRO là phần mềm chuyên dùng để phân tích độ bền kết cấu tàu thủy

do Giáo sư Owen Hughes (Mỹ) xây dựng và đưa vào sử dụng vào năm 1982 - 1983 MAESTRO là chương trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích và tối ưu hóa kết cấu tàu, kết cấu ngoài khơi và các cấu trúc mỏng, lớn, phức tạp khác Với việc tối ưu hóa thuật toán, MAESTRO cho phép tính toán độ bền kết cấu với thời gian được rút ngắn một cách kỷ lục, so với các phần mềm cùng loại khác Ngoài ra, khả năng tính toán và xuất các dữ liệu của MAESTRO cũng vượt trội hơn nhiều so với các phần mềm khác

Các module cơ bản của MAESTRO gồm có Modeling/Analysis/Evaluation, Finemesh Analysis, Eigenvalue Solver, Optimization, ALPS/ULSAP, ALPS/HULL, Nastran Translator, ANSYS Translator

2.3.2 Giới thiệu phần mềm phân tích độ bền tàu MAESTRO

MAESTRO là phần mềm thiết kế chuyên dụng, dùng để phân tích và đánh giá

độ bền kết cấu tàu thủy ở trạng thái giới hạn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

So với việc sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu khác để tính toán độ bền tàu, việc sử dụng MAESTRO có những tính năng nổi trội trong phân tích độ bền tàu,

cụ thể như sau:

- Các phần tử MAESTRO được tối ưu hóa và sử dụng trong kết cấu tàu thủy, do

đó việc tạo và sửa đổi mô hình lưới thô thực hiện rất nhanh và dễ dàng, đảm bảo

độ chính xác và độ tin cậy cao

- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng, chính xác

- Đặt tải dựa vào mô hình, trong đó lực tương tác lên trên thân tàu dựa trên khoang hàng, yếu tố thủy tĩnh, trong môi trường thủy động (có khả năng đặt sóng theo

mô hình sóng Trochoidal hoặc Sinuasoidal)

- Cho phép tính toán tối ưu hóa kết cấu

- Phân tích cục bộ với lưới mịn

- Tính toán bền, rung động, ăn mòn tàu thủy

- Có khả năng tự cân bằng, đánh giá độ bền, mức độ ổn định và tính nổi của kết cấu

- Cho phép tự động tính toán đường nước thiết kế

- Kiểm soát trọng lượng bản thân của các kết cấu, trọng lượng và phân bố tải, trục trung hòa, tâm nổi, trọng tâm, áp lực nước biển…

- Đánh giá, điều khiển kết cấu, hợp nhất và tiêu chuẩn cấu trúc tạo ra mô hình lưới thô và lưới mịn

- Giảm thiểu thời gian tính toán và xuất kết quả

- Có khả năng truy vấn nhanh các kết quả tính ứng suất, biến dạng…

- Xuất ra các đồ thị biểu diễn phân bố lực nổi, lực uốn, momen uốn (theo các phương x, y, z) dọc theo chiều dài tàu

- Khả năng chia lưới mịn cho việc phân tích độ bền cục bộ của các kết cấu mà không phụ thuộc vào điều kiện biên của kết cấu cục bộ muốn phân tích (điều kiện biên cục bộ được MAESTRO tự động đặt ra, dựa trên điều kiện biên của mô hình tổng thể)

Quá trình phân tích độ bền kết cấu tàu thủy trong MAESTRO thực hiện theo trình tự sau:

1) Xây dựng mô hình tính

+ Thiết lập hệ đơn vị và vật liệu

+ Khai báo các đặc trưng hình học cơ bản của chi tiết

+ Xây dựng mô hình theo trình tự từ phần tử đến thân tàu Elements  Module  Substructre (A collection of Modules)  Ship (hình 2.6)

Hình 2.6 Cấu trúc xây dựng mô hình tính trong MAESTRO

2) Xác định điều kiện biên

3) Phân bố tải trọng hàng hóa lên tàu

4) Xây dựng mô hình sóng tính toán, cân bằng tàu

5) Giải và xuất kết quả

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Như đã được trình bày trong các phần trên, việc đánh giá khả năng sử dụng kiểu kết cấu vật liệu inox - foam - inox (IFI) trong đóng tàu được thực hiện dựa trên

cơ sở so sánh các chỉ số về mặt cơ tính và tính kinh tế của vật liệu kết cấu IFI so với những loại vật liệu truyền thống khác đã được sử dụng trong ngành đóng tàu, ở trường hợp này là hợp kim nhôm vì sự tương đồng của hai kết cấu vật liệu này Trên cơ sở đó đề xuất giải quyết vấn đề đặt ra theo các nội dung chính như sau:

1 Lựa chọn một mẫu tàu du lịch cỡ nhỏ điển hình làm bằng vật liệu nhôm đã được đăng kiểm cấp phép hoạt động để làm cơ sở tính toán và so sánh

2 Từ các thông số kết cấu tàu này, tiến hành chế tạo mẫu thử (theo TCVN)

để thử nghiệm cơ tính vật liệu nhôm và vật liệu kết cấu IFI để xác định các thông số vật liệu kết cấu IFI có sức bền tương đương với vật liệu nhôm Bài toán tính kết cấu này là bài toán áp dụng cho vật liệu composite 3 lớp, từng lớp đẳng hướng vì kết cấu IFI cũng là một dạng composite

3 Sau thực nghiệm và tính toán đầy đủ các thông số của vật liệu kết cấu IFI

sẽ sử dụng phần mềm mô phỏng để kiểm chứng sức bền toàn bộ thân tàu khi sử dụng dạng kết cấu vật liệu này

4 Trên cơ sở sức bền tương đương, tiến hành so sánh khối lượng vật liệu của vật liệu nhôm và vật liệu kết cấu IFI (tính trên một mét vuông vật liệu) để tính giá thành của từng loại vật liệu

Hình 3.1 giới thiệu kết cấu vật liệu IFI do chúng tôi chế tạo thử nghiệm

Hình 3.1 Kết cấu vật liệu inox – foam – inox (IFI)

3.1 LỰA CHỌN MẪU TÀU TÍNH TOÁN

Mẫu tàu nhôm tính toán được thiết kế và chế tạo tại nhà máy đóng tàu Z753 là mẫu tàu nhôm điển hình thường được sử dụng cho công vụ hoặc phục vụ du lịch Dưới đây là các thông số kỹ thuật và thông số kết cấu của mẫu tàu này

3.1.1 Các thông số kỹ thuật của tàu

- Chiều dài lớn nhất Lmax = 4.53 m

- Chiều rộng lớn nhất Bmax = 1.55 m

- Chiều cao mạn D = 0.67 m

- Chiều chìm trung bình d = 0.36 m

- Công suất máy Ne = 60 HP

- Số lượng khách và thủy thủ đoàn n = 07 người

3.1.2 Các thông số kết cấu

Tàu được thiết kế theo hệ thống ngang, gồm 12 cặp sườn ngang với các thông

số kết cấu cụ thể như sau:

- Vật liệu: Nhôm A5083

- Sườn U20x45x20x3, nhôm mạn 2, nhôm vách, đáy, boong 2, sống chính đáy

bẻ 30/3, nẹp dọc đáy, vách bẻ 30/2, sống mũi 70x4, đà ngang đáy bẻ 30/2, xà ngang boong U20x45x20x3

3.1.3 Bố trí chung tàu

Tàu có một sàn boong, máy onboard hiệu Tohatsu công suất 60HP đặt chính giữa vách sau, trên mặt boong bố trí một ghế cho lái tàu và hai hàng ghế tựa, mỗi hàng 3 chỗ ngồi cho khách Hệ khung mui bạt bằng ống inox 304 đường kính 27

mm, khung kính chắn gió bằng inox 304, kính chắn gió bằng nhựa dày 5 mm Bốn cọc bích bố trí hai bên thành

Hình 3.2 và 3.3 là bản vẽ đường hình và bố trí chung của mẫu tàu tính toán

Hình 3.3 Bản vẽ bố trí chung tàu tính toán

3.2 THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƠ TÍNH CỦA KẾT CẤU VẬT LIỆU IFI

3.2.1 Thiết bị thử nghiệm

Thử nghiệm xác định cơ tính vật liệu được thực hiện trên máy kéo nén hiệu

Instron 3360 (Mỹ) tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Nha Trang (hình 3.5) Máy kiểm tra độ bền theo tiêu chuẩn ISO, ASTM, EN, JIS với các thông số sau: Công suất 10kN

Dải lực 100:1 (tức dải lực thử xuống tới 1 % giá trị cảm biến mà không làm giảm độ chính xác)

Độ chính xác tải bằng 0.5% lực tải hiển thị

Tốc độ thu thập dữ liệu 500Hz (Bluehill® 3)

Điều khiển phần mềm (theo chu kỳ khả năng tùy chọn)

Nhận dạng cảm biến tự động

Các bộ gá và ngàm kẹp tùy chọn

Tùy chọn buồng nhiệt độ

Tuân thủ hoàn toàn theo CE

Hình 3.5 Máy kéo nén Instron model 3360

3.2.2 Chế tạo mẫu thử

Quá trình chế tạo mẫu thử thực hiện theo trình tự sau:

1 Xác định đặc điểm hình dạng và số lượng mẫu thử

a Đối với mẫu thử vật liệu nhôm và inox

- Số mẫu thử nhôm: 8 mẫu (4 mẫu 2mm ; 4 mẫu 3mm)

- Số mẫu thử inox: 6x4= 24 mẫu

(a)

(b)

b Đối với mẫu thử IFI

 Đặc điểm hình dạng mẫu thử

Mẫu thử kết cấu IFI được chế tạo gồm 3 lớp là inox - foam - inox (hình 3.7), trong đó kích thước của các lớp inox và foam trong các mẫu thay đổi theo bảng 2.1 Hình 3.7 giới thiệu hình ảnh thử nghiệm kết cấu vật liệu IFI trên máy thử

Hình 3.7 Mẫu thử kết cấu inox – foam – inox

1, 3 – lớp inox (lớp da) ; 2 – lớp Foam

Bảng 3.1 Giới thiệu các kích thước khảo sát của mẫu

- Số mẫu thử uốn IFI

6 kích thước inox x 4 mẫu/1 kích thước x 5 kích thước foam = 120 mẫu Một mẫu IFI cần có 2 tấm inox, do đó 120 mẫu thử cần 240 tấm inox

- Số mẫu thử kéo:

Đối với các mẫu thử kéo, do sức bền kéo của foam rất nhỏ so với inox nên chúng ta bỏ qua lớp foam, chỉ thử kéo các tấm inox để kiểm nghiệm sức bền kéo và coi đó là sức bền kéo của cả kết cấu inox-foam-inox

1

2

3

2 Chế tạo khuôn đúc

Để chế tạo được các mẫu thử với kết cấu Sandwich inox - foam - inox (IFI), phần tiếp theo chúng tôi nghiên cứu thiết kế và chế tạo khuôn đúc để đúc mẫu thử Căn cứ kích thước mẫu, chúng tôi sử dụng thép tấm có kích thước 350x250x5 (mm)

có hàn thêm các gân tăng cường làm hai mặt khuôn và khoan sáu lỗ để cố định hai mặt khuôn bằng bulong, thân khuôn ở giữa làm bằng gỗ được gia cường bằng một đai thép có lỗ ở giữa để rót foam Thân khuôn gỗ phải dày bằng lớp foam cần đúc

do đó phải có 5 thân khuôn với các kích thước lần lượt là 20 ; 23 ; 28 ; 36 ; 42 mm Hình 3.8 giới thiệu hình ảnh khuôn đúc dùng chế tạo mẫu thử IFI

Hình 3.8 Khuôn đúc chế tạo mẫu thử

1, 4 – Hai tấm khuôn ; 2 – thân khuôn giữa ; 3 lỗ rót foam

3 Chế tạo mẫu thử

Tiến hành cắt và xếp các miếng inox có các kích thước chiều dài và chiều rộng

như đã nêu ở phần trên và có chiều dày lần lượt 0.5 ; 0.8 ; 1.0 ; 1.2 ; 1.4 ; 1.5 (mm) lên hai mặt trên và dưới của thân khuôn giữa, sau đó đặt một miếng đệm lót cao su

để tạo ra độ kín rồi liên kết chặt hai mặt của khuôn đúc với nhau bằng sáu bulong Tiến hành pha dung dịch tạo foam bằng cách dùng hai ông xilanh dung tích 60 ml, mỗi xilanh dùng định lượng dung dịch Polyol và Isocyanate như mô tả ở hình 3.9

4

1

2

3

Hình 3.9 Định lượng dung dịch Polyol & Isocyanate

Thể tích dung dịch để đúc các mẫu được tính toán như trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Thể tích dung dịch Polyol & Isocyanate

TT Chiều dày

(mm)

Thể tích không gian trong khuôn (lít)

Thể tích Isocyanate (dung dịch B) (ml)

Thể tích Polyol (dung dịch A) (ml)

và đậy chặt nắp khuôn trong thời gian khoảng 20 giây, foam sẽ nở điền đầy khuôn Sau 5 phút để cho foam nguội, tiến hành tháo khuôn lây mẫu kiểm tra chất lượng và cắt mẫu đánh dấu để mang đi thử nghiệm uốn (hình 3.10)

Hình 3.10 Các mẫu IFI dùng thử uốn