Khi nghiên cứu về vật liệu năm 1972, Johnson [3] đã đưa ra giả thiết rằng, trong thời gian va đập vô cùng ngắn, yếu tố bên ngoài tác động lên kết cấu được xem như là một vật cứng tuyệt đ
Trang 1KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
GVHD: TS HUỲNH VĂN VŨ
NHA TRANG, 06/ 2014
Trang 2NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Đặng Trần Quốc Tánh Lớp : 52 DT
Nghành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông
Tên Đề tài: “ Đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm có nẹp gia cường của kết cấu thân tàu”
Số Trang: 66 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 15
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Kết luận:
Nha Trang, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)
TS Huỳnh Văn Vũ ĐIỂM CHUNG
Trang 3PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Đặng Trần Quốc Tánh Lớp : 52 DT
Nghành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông
Tên Đề tài: “Đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm kết cấu có nẹp gia cường của kết cấu than tàu”
Số Trang: 66 Số chương: 04 Số tài liệu tham khảo: 15
Hiện vật: 03 quyển đồ án, 03 CD
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Đánh giá chung:
Nha Trang, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Nha Trang, ngày tháng năm 2014 ĐIỂM CHUNG
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Nha Trang nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật Giao thông, bộ môn Kỹ thuật tàu thủy nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian vừa qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến T.S Huỳnh Văn Vũ, thầy đã tận tình giúp
đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp thu được nhiều kiến thức
bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và công tác sau này
Đồng thời em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Bùi Văn Nghiệp, thầy đã tận tình giúp đỡ em làm các mẫu vật cần thiết trong phạm vi đề tài
Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp
Nha Trang, ngày 15 tháng 6 năm 2014
Người thực hiện
Đặng Trần Quốc Tánh
Trang 5MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN iii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG PHẠM VI ĐỒ ÁN ix
Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VA ĐẬP TRONG KẾT CẤU TÀU THỦY 1
1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 4
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 LÝ THUYẾT VA ĐẬP 6
2.1.1 Định nghĩa 6
2.1.2 Các đặc điểm của quá trình va đập 6
2.1.3 Các giả thiết 7
2.1.4 Bài toán va đập của trọng vật lên tấm kết cấu tàu thủy 7
2.1.5 Kết cấu thép tấm có nẹp gia cường 9
2.2 TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM 14
2.2.1 Chế tạo mẫu vật 14
2.2.2 Giới thiệu thiết bị thử va đập 17
2.2.3 Quy trình thử va đập 20
2.3 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VA ĐẬP CỦA TRỌNG VẬT LÊN TẤM KẾT CẤU TÀU THỦY 25
2.3.1 Mô hình hóa 26
2.3.2 Đặt thuộc tính vật liệu 29
2.3.3 Điều kiện biên 30
2.3.4 Đặt lực tác dụng 31
Chương 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA TẤM CÓ NẸP GIA CƯỜNG 32
Trang 6CỦA KẾT CẤU THÂN TÀU 32
3.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 32
3.1.1 Kết quả thực nghiệm của mẫu SP-FB 33
3.1.2 Kết quả thực nghiệm mẫu SP-LB 34
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 37
3.2.1 Hình dạng các mẫu sau mô phỏng 37
3.2.2 Đồ thị chuyển vị tại các vị trí đặc biệt 40
3.3 SO SÁNH GIÁ TRỊ CHUYỂN VỊ GIỮA THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG 45
3.3.1 So sánh hình dạng của các mẫu tương ứng 45
3.3.2 So sánh chuyển vị của các tấm kết cấu tương ứng 47
3.4 MỞ RỘNG MÔ PHỎNG CHO CÁC TRƯỜNG HỢP KHÁC 49
3.4.1 Trường hợp 1 (SP-FB-42) 49
3.4.2 Trường hợp 2 (SP-FB-84) 54
3.4.3 Trường hợp 3 (SP-LB-240) 57
3.4.4 Trường hợp 4 (SP-FB-20) 60
Chương 4: KẾT LUẬN 63
1 Thảo luận kết quả 63
2 Đề xuất 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 : Va đập của trọng vật lên dầm được ngàm hai đầu 2
Hình 2.1: Mô hình trọng vật trong thí nghiệm va đập 8
Hình 2.2: Lực F và chuyển vị d 9
Hình 2.3: Khu vực tính toán của các mẫu vật 11
Hình 2.4: Các mẫu trong thực nghiệm 12
Hình 2.5 Giản đồ Lực kéo – chuyển vị của một mẫu thử kéo 13
Hình 2.7: Vạch dấu lắp ráp 15
Hình 2.8: Mẫu SP-FB sau khi chế tạo xong 15
Hình 2.9: Mẫu SP-LB sau khi chế tạo xong 16
Hình 2.11: Máy thử va đập 18
Hình 2.13: Hình ảnh không gian của tấm sau khi chế tạo xong và mô hình hóa xong 19 Hình 2.14: Cố định tấm kết cấu bằng bulong 20
Hình 2.16: Nâng, căn chỉnh trọng vật và con dọi 22
Hình 2.17: Thả trọng vật 23
Hình 2.19: Mô hình tấm kết cấu và trọng vật trong mô phỏng 27
Hình 2.20: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-FB 28
Hình 2.21: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-LB 28
Hình 2.22: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-TB 28
Hình 2.24: Điều kiện biên mô phỏng 30
Hình 3.1: Vị trí và 33
Hình 3.2: Hình ảnh mẫu SP-FB sau va đập 34
Hình 3.3: Hình ảnh mẫu SP-LB sau thử nghiệm 35
Hình 3.6: Hình dạng mẫu SP-LB sau mô phỏng 38
Hình 3.7: Hình dạng mẫu SP-TB sau mô phỏng 39
Hình 3.8: Vị trí để đo chuyển vị 40
Hình 3.9: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-FB 40
Hình 3.10: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-LB 41
Trang 8Hình 3.11: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-TB 41
Hình 3.12:Các giai đoạn chuyển vị của các nút trong quá trình va đập tại nút số 1 42
Hình 3.13: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-FB 43
Hình 3.14: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-LB 43
Hình 3.15: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-TB 44
Hình 3.16: Các giai đoạn của năng lượng nôi tại của tấm 44
Hình 3.17: Các giai đoạn của năng lượng trọng vật truyền cho tấm 45
Hình 3.18: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu SP-FB 46
Hình 3.19: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu SP-LB 47
Hình 3.20: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu SP-TB 47
Hình 3.21: Mô hình phẩn tử mẫu SP-FB-42 50
Hình 3.22: Hình dạng mẫu SP-FB-42 sau mô phỏng 51
Hình 3.23: Đồ thị chuyển vị của các điểm đặt biệt mẫu SP-FB-42 52
Hình 3.24: Sơ đồ năng lượng của mẫu SP-FB-24 53
Hình 3.25: Mô hình phẩn tử mẫu SP-FB-84 54
Hình 3.26: Hình dạng mẫu SP-FB-84 sau mô phỏng 55
Hình 3.27: Đồ thị chuyển vị mẫu SP-FB-84 56
Hình 3.28: Đồ thị chuyển vị của các điểm đặt biệt mẫu SP-FB-150 56
Hình 3.29: Mô hình phần tử mẫu SP-LB-240 57
Hình3.30: Kết quả mô phỏng mẫu SP-LB-240 58
Hình 3.31: Sơ đồ chuyển vị của các điểm trong mẫu SP-LB-240 59
Trang 9DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường 10
Bảng 2.2: Yêu cấu đối với thép đóng tàu trong TCVN-6259:2003 10
Bảng 2.3: Đơn vị SI được dùng 26
Bảng 2.4 :Các thông số vật liệu cơ bản của tấm kết cấu thép 29
Bảng 2.5: Các giá trị đầu vào của bài toán mô phỏng 31
Bảng 3.1: Thông số cơ bản của các mẫu thực nghiệm 32
Bảng 3.8 : So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 49
Bảng 3.9: Các thông số đầu vào của mẫu SP-FB-42 50
Trang 10DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG PHẠM VI ĐỒ ÁN
Trang 11và của Trong đó đáng kể nhất là các dạng tai nạn như tàu đâm nhau, tàu mắc cạn, tàu dụng phải băng trôi, tàu dụng đá ngầm…Những hiện tượng này được gọi chung
là va đập trong lĩnh vực hàng hải Vấn đề này đã được quan tâm và nghiên cứu từ hàng thập kỷ qua, đây cũng là lĩnh vực vô cùng quan trọng và rất được nhiều nhà khoa học quan tâm trong thiết kế tối ưu, bởi vì trong các trường hợp tải thì tải va đập (tải động) luôn gây nguy hiểm hơn nhiều so với tải tĩnh
Nghiên cứu về va đập của vật rắn tuyệt đối năm 1682, Galilê [1] đã khẳng định rằng vật rắn khi va đập sẽ sinh ra công L ý thuyết va đập cổ điển chỉ gần đúng với thực tế và lý thuyết này không giải thích được hiện tượng biến dạng vị trí ở vùng tiếp xúc giữa vật va đập và vật bị va đập Lý thuyết va đập cổ điển không xét đến quá trình của thời gian va chạm mà được giới hạn bằng việc xét hiệu ứng tích phân
ở pha đầu và pha cuối
Vào năm 1881, Hec [1] đưa ra bài toán ứng suất vị trí được sinh ra khi có tác dụng va chạm giữa các vật thể đàn hồi.Tuy nhiên bài toán này chỉ là một bài toán tĩnh Nhưng sau khi bổ sung thêm giới hạn phụ như vận tốc tương đối của các vật, ông đã mở rộng miền áp dụng cho các bài toán động lực học cho các vật thể đàn hồi Sau đó Luariê và Staerơman [1] với sự nghiên cứu sâu sắc bài toán tiếp xúc đã chỉ ra rằng cách đặt bài toán va đập là không xác định và nghiệm của Hec là một trong số nhiều nghiệm thoả mãn hệ phương trình của bài toán va đập
Trang 12Khi ghiên cứu ứng xử của dầm có chiều dài 2L đƣợc ngàm hai đầu và chịu tác động tại điểm giữa của dầm bởi một trọng vật M rơi với vận tốc ban đầu Vo, Norman Join [2] cho rằng vận tốc Vo đƣợc xác định ngay tại thời điểm đầu tiên khi trọng vật tác động tại điểm giữa của dầm Do đó để duy trì trạng thái cân bằng, một lực đàn hồi đƣợc truyền đi từ nhịp giữa của dầm trong khi trọng vật đƣợc giả định rằng khối M vẫn duy trì một lực lên dầm Chuyển động xảy ra với hai giai đoạn khác biệt
Khi quá trình va đập xảy ra, tức là khi trọng vật M bắt đầu chạm vào dầm thì biến dạng ngay lập tức đƣợc hình thành tại những điểm tiếp xúc giữa trọng vật và dầm Lúc này xuất hiện một dao động từ nhịp giữa của dầm lan truyền ra hai ngàm
và biến dạng của dầm càng lớn tại thời điểm đầu của chuyển động va đập nhƣ hình (1.1b) Biến dạng của dầm đƣợc duy trì cho đến khi giai đoạn va đập kết thúc Dầm
sẽ đạt biến dạng lớn nhất ở nhịp giữa do đã đƣợc ngàm tại vị trí hai đầu nhƣ hình (1.2c)
Hình 1.1 : Va đập của trọng vật lên dầm được ngàm hai đầu
Trang 13Khi nghiên cứu về vật liệu năm 1972, Johnson [3] đã đưa ra giả thiết rằng, trong thời gian va đập vô cùng ngắn, yếu tố bên ngoài tác động lên kết cấu được xem như
là một vật cứng tuyệt đối, và kết cấu chịu tác động va đập được xem là vật bị biến dạng bởi tác động của vật cứng tuyệt đối này Lúc này bài toán va đập kết cấu được đưa về bài toán xét biến dạng của một tấm kết cấu, chịu va đập bởi vật có hình dạng xác định
Ngoài ra các nghiên cứu của Kolsky năm 1963 [4], Karagiozova và Jones năm
1998 [5] về ảnh hưởng của sóng lực đến kết cấu dưới tác động của lực va đập, càng củng cố và khẳng định tính đúng đắn của hướng nghiên cứu về thuộc tính, khả năng hấp thụ khi nghiên cứu về va đập của kết cấu
Công trình nghiên cứu của Reid và Reddy [6] năm 1983: thử nghiệm tác động của quán tính đến hệ thống dưới tác dụng của va đập đã kết luận rằng: Trong thời gian kết cấu chịu tải va đập, sự phát triển của biến dạng của hệ thống tại từng thời điểm là không đồng nhất
Cùng với đó, năm 1999, Paik và Chung [7] khi nghiên cứu về sự phá hủy của ống cứng dưới tác động của tĩnh và động lực đã đưa ra kết quả: trọng lượng của trọng vật hay vận tốc va đập càng lớn thì quán tính càng tăng tuy nhiên không đáng kể khi
so với độ tăng động năng và do đó có thể bỏ qua với điều kiện hệ số biến dạng ɛ chỉ cần nhỏ hơn 50
Năm 2003, ông Jeom Kee Paik [8] cho rằng có ma sát có xuất hiện giữa kết cấu
và tải trọng va đập Trường hợp đơn giản nhất có thể thấy là hiện tượng tàu bị mắc cạn trên các bãi đá ngầm hai hai tàu đụng nhau Tuy nhiên đối với kết cấu chịu va đập, quan hệ và ảnh hưởng của ma sát là rất nhỏ và có thể bỏ qua
Mặc khác, va đập cơ học bên ngoài được định nghĩa là toàn bộ động năng phải được kết cấu hấp thụ và bị tiêu hao trong quá trình tàu chuyển động Điều kiện để giải quyết bài toán là kết cấu phải có khả năng hấp thụ được toàn bộ năng lượng được sinh ra do va đập Việc phân tích bản chất va đập cơ học là cần thiết để tìm ra lực gây biến dạng Từ biến dạng và diện tích xung quanh sẽ có được các đánh giá về khả năng hấp thụ các thành phần năng lượng va đập
Trang 14Hiện nay trên thế giới bây giờ nghiên cứu về lĩnh vực va đập này ngày càng phổ biến, và lại càng được quan tâm hơn nhiều Về lĩnh vực tàu thủy, các nhà nghiên cứu tập trung nhiều vào các trường hợp tai nạn được xem xét như các trường hợp chịu tải nguy hiểm nhất có thể xảy ra Trong đó phải kể đến va chạm giữa các tàu với nhau tại vùng mạn tàu hoặc mũi tàu , hoặc va chạm giữa tàu với các vật thể nổi trên biển như băng, hay rác bên cạnh đó còn có thể xảy ra trường hợp tàu bị mắc cạn, hay va chạm với các tảng đá ngầm, san hô Lúc này vùng kết cấu chịu ảnh hưởng nhiều nhất chính là vùng đáy tàu Nói tóm lại, theo sự phân loại về lĩnh vực
va đập kết cấu hàng hải có thể chia theo: va đập quán tính/khối lượng (mass impact: collision, grounding); va chạm áp suất liên tục (repeated pressure impact: slamming, sloshing, green water); va chạm áp suất kích động (underwater explosion, air blast)
1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Va đập là một lĩnh vực lớn trong khoa học hàng hải, do điều kiện thời gian và các trang thiết bị có được còn hạn chế nên phạm vi nghiên cứu trong đề tài chỉ tập trung ở tính ứng xử của tấm kết cấu tàu thủy phẳng có nẹp gia cường chịu tác động của trọng vật rơi tự do từ độ cao h định sẵn Lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi đề tài thuộc về lĩnh vực động lực học – va đập Cụ thể là xác định được chuyển vị, năng lượng, công sinh ra của tấm kết cấu thép có nẹp gia cường dưới tác dụng của trọng vật có khối lượng m rơi tự do từ độ cao h bằng cả hai phương pháp thực nghiệm và mô phỏng
- Phương pháp thực nghiệm: việc chế tạo mẫu vật được thực hiện ngay tại khoa Kỹ thuật giao thông theo thiết kế cho trước bằng các thiết bị có sẵn tại khoa: máy hàn, máy cắt, máy khoan, máy sơn…Sau khi tiến hành xong thí nghiệm va đập từng mẫu vật, các hình ảnh được ghi lại và tiến hành đo đạc, tính toán số liệu để xác định các đại lượng đặc trưng cho tính ửng xử của vật liệu như độ biến dạng của tấm kết cấu có nẹp gia cường, độ biến dạng tương đối của tấm kết cấu, năng lượng mất
đi do va đập và công sinh ra trong quá trình va đập
- Phương pháp mô phỏng : Mỗi thí nghiệm thử va đập trong thực tế đều ghi lại các thông số: khối lượng trọng vật, chiều cao trọng vật so với tấm kết cấu để đưa
Trang 15vào mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm ABAQUS CAE 6.10 Kết quả nhận được sau khi kết thúc quá trình mô phỏng được thể hiện qua các biểu đồ chuyển vị tại các vị trí đặc biệt, biểu đồ năng lượng của tấm kết cấu
Có được kết quả từ thực nghiệm và mô phỏng, việc so sánh những số liệu, hình ảnh giữa hai nhóm kết quả này sẽ có được những nhận xét, đánh giá mới về tính ứng xử của tấm kết cấu có nẹp gia cường nói riêng và của vật liệu thép nói chung Mặc dù được tạo mọi điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài nhưng do điều kiện thời gian và cơ sở vật chất hiện có, đề tài chỉ tập trung vào các vấn đề sau:
- Sử dụng thép tấm có độ dày bằng 3 mm để chế tạo ba mẫu vật khác nhau cho thí nghiệm thử va đập Ba mẫu vật được chế tạo bằng phương pháp hàn từ các tấm kết cấu phẳng và các thanh nẹp gia cường thẳng có kích thước và quy cách khác nhau
- Sau khi có được các mẫu vật thực nghiệm đúng với thiết kế đã đề ra, sử dụng máy thử va đập được đặt tại khoa Kỹ thuật giao thông để tiến hành thí nghiệm thử va đập cho ba mẫu vật khác nhau
- Sử dụng phần mềm ABAQUS CAE 6.10 để tiến hành mô phỏng lại quá trình va đập với các điều kiện ban đầu tương tự như các điều kiện khi tiến hành thí nghiệm thử va đập: khối lượng trọng vật, chiều cao rơi, vận tốc va đập
- Việc so sánh những kết quả có được từ thực nghiệm và mô phỏng sẽ chỉ ra những nhận xét, đánh giá về ứng xử tấm kết cấu khi chịu những điều kiện tác động
từ bên ngoài: vận tốc và khối lượng của trọng vật, chiều cao rơi của trọng vật
- Kết quả của quá trình va đập bao gồm nhiều đại lượng với những thông số khác nhau nhưng do điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị thí nghiệm không đầy đủ nên chỉ cho phép người thực hiện đề tài xác định chuyển vị của tấm kết cấu bằng cách
sử dụng đồng hồ so
- Những điểm tương đồng có được giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm
ở các mẫu tương ứng sẽ khẳng định rằng mô hình tính toán là đúng Để từ đó tiếp tục sử dụng phần mềm ABAQUS CAE để tiến hành mô phỏng các trường hợp khác nhau nhằm đa dạng hơn những trường hợp mô phỏng Thế nên nhiều nhận định, nhiều nhận xét, đánh giá mới sẽ được đúc kết
Trang 16Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT VA ĐẬP
2.1.1 Định nghĩa
Va đập là một trường hợp đặc biệt của chuyển động cơ học, là sự tác động của 1 vật (vật va đập) lên một vật khác (vật chịu va đập) gây ra những biến đổi về mặt hình dạng, năng lượng, chuyển vị…của vật chịu va đập đặc biệt là các phần tử trong khu vực tiếp xúc giữa vật va đập và vật chịu va đập Hiện tượng va đập được gặp nhiều trong thực tế, như hai tàu đâm nhau, tàu đâm vào đá ngầm, sự rơi rớt của các thùng hàng hóa khi được cẩu nâng lên cao…
2.1.2 Các đặc điểm của quá trình va đập
Quá trình va đập được tạo nên bởi hai vật: vật va đập và vật chịu va đập tác động vào nhau Vật va đập là tác nhân gây ra va đập cho vật chịu va đập Vật chịu va đập
sẽ chịu tác động và nhận năng lượng va đập từ vật va đập và phản hồi lại tác động
ấy Hiện tượng này xảy ra trong thời gian rất ngắn, khoảng từ 10-2
s tới 10-3 s, gọi là thời gian va đập t
Thời gian mà quá trình va đập bắt đầu xảy ra và kết thúc tuy rất bé nhưng độ biến đổi vận tốc của trọng vật trong thời gian này thì lớn và gia tốc cũng rất lớn Thế nên trong quá trình va đập xuất hiện một lực lớn, lực va đập
Lực va đập rất lớn so với các lực thông thường như trọng lực, áp lực Lực va đập rất lớn gây ra sự biến đổi vận tốc của các chất điểm một lượng hữu hạn, điều này đồng nghĩa với nhận định động lượng của các chất điểm biến đổi hữu hạn Thế nên xung lượng của lực va đập là hữu hạn Trong khi nghiên cứu quá trình va đập, người ta không dựa vào lực va đập mà dựa vào xung lực va đập:
t
0
(2.1) Trong đó: N
là lực va đập, t là thời gian va đập
Do hiện tượng xảy ra tức thời nên trong khoảng thời gian va đập rất bé, các chất điểm của cơ hệ di chuyển rất ít đồng thời đoạn di chuyển của các chất điểm trong
Trang 17quá trình va đập là những đại lượng bé cùng bậc với thời gian va đập Nói khác đi, trong quá trình va đập các chất điểm của cơ hệ di chuyển không đáng kể
Quan sát quá trình va đập người ta nhận thấy quá trình va đập tiến triển theo hai giai đoạn: giai đoạn biến dạng và giai đoạn hồi phục Giai đoạn biến dạng xảy ra trong khoảng thời gian bắt đầu từ lúc hai vật vừa tiếp xúc với nhau, do khả năng biến dạng của chúng, chỗ tiếp xúc hai vật xảy ra quá trình biến dạng từ lúc hai vật
có vận tốc khác nhau và kết thúc khi hai vật có vận tốc bằng nhau Giai đoạn khôi phục kéo dài trong khoảng thời gian bắt đầu từ thời điểm cuối của giai đoạn biến dạng, lúc đó hai vật có vận tốc bằng nhau, do tính chất đàn hổi, các vật có thể lấy lại hình dạng một phần hoặc hoàn toàn và kết thúc khi hai vật có vận tốc khác nhau, chúng rời khỏi nhau
2.1.3 Các giả thiết
Quá trình va đập là quá trình rất phức tạp Để đơn giản dựa vào các đặc điểm của quá trình va đập người ta đưa ra các giả thiết sau:
- Trong quá trình va đập chỉ xét các lực va đập, bỏ qua các lực thường
- Các chất điểm không di chuyển trong quá trình va đập
- Hệ số khôi phục là hằng số
2.1.4 Bài toán va đập của trọng vật lên tấm kết cấu tàu thủy
Lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi đề tài thuộc về động lực học Tức là xét hiện tượng trọng vật có khối lượng m rơi tự do từ độ cao h với vận tốc ban đầu bằng 0 tác dụng lên tấm thép phẳng có nẹp gia cường được cố bên dưới bệ của thiết bị thử bằng các con bulong Kết thúc quá trình rơi tự đo, trọng vật sẽ đạt được một vận tốc mới, cũng chính thời gian này, quá trình va đập bắt đầu xảy ra Nghĩa là vận tốc ban đầu của quá trình va đập chính là vận tốc cuối quá trình rơi tự do của trọng vật lên tấm kết cấu phẳng có nẹp gia cường Vì thế để xác định giá trị vận tốc vào của quá trình va đập, cách đơn giản nhất là tính vận tốc cuối cùng của quá trình rơi tự do Hình 2.1 biểu thị mô hình trọng vật và tấm kết cấu trong thí nghiệm va đập ở dạng mặt cắt ngang
Trang 18Hình 2.1: Mô hình trọng vật trong thí nghiệm va đập
Áp dụng công thức của phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều: `
2 0
0
2
1
at t v x
=
vv0 at (2.3) Trong đó: x0 là tọa độ ban đầu của trọng vật Chọn gốc tọa độ nằm ngay tại điểm dưới cùng của trọng vật thì x o 0
x là tọa độ của trọng vật sau thời gian t
0
v (m/s) là vận tốc ban đầu của trọng vật (v0= 0)
v (m/s) là vận tốc của trọng vật tại thời gian t
a (m/s2) là gia tốc của trọng vật tại thời điểm t
Quãng đường chuyển động bằng độ cao rơi ban đầu, gia tốc a bằng gia tốc trọng trường g Do đó công thức (2.2) được viết lại là:
22
1
at h
Định luật bảo toàn cơ năng: năng lượng không tự sinh ra mà cũng không tự mất
Trang 19đi, năng lượng được chuyển từ dạng này sang dạng khác
Dưới tác dụng va đập của trọng vật, tấm kết cấu bị lõm xuống do có một công được sinh ra Công này được tính bởi công thức
cos d F d F
A (2.7)
Hình 2.2: Lực F
và chuyển vị d
Với F
là lực mà trọng vật tác động lên tấm kết cấu và lực này chính bằng trọng lực P của trọng vật Nghĩa là F=P=mg
d
là độ dịch chuyển của tấm kết cấu sau khi chịu va đập từ trọng vật
là góc được tạo bởi hai véc tơ F
và d Trong trường hợp này 0 do phương của hai véc tơ F
và d trùng nhau
2.1.5.1 Tổng quan về vật liệu thép sử dụng trong đóng tàu
Thép làm vỏ tàu thường là thép cacbon, chứa từ 0.15% đến 0.23% cacbon cùng lượng mangan cao Hai thành phần gồm lưu huỳnh và phốt pho trong thép đóng tàu phải thấp nhất, dưới 0.05% Từ năm 1959 các đăng kiểm đồng ý tiêu chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng trong ngành này, trên cơ sở đảm bảo chất lượng Theo tiêu chuẩn đã được chấp nhận này, có
năm cấp thép, từ kĩ thuật bằng tiếng Anh viết là grade, chất lượng khác nhau Đó là
cấp A, B, C, D và E Thép cấp B được dùng tại những vùng nhạy cảm, những nơi yêu cầu tấm có chiều dày lớn Theo cách ghi trọng qui phạm do Đăng kiểm Việt Nam đưa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “phân loại thép’, Điều 3.1.2-Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển võ thép, 2003, gồm A, B, C, D [9]
Trang 20Những yêu cầu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường
Bảng 2.1: Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường
(N/mm2)
Giới hạn bền (N/mm2)
Độ giãn dài (%)
Trang 21con số thứ hai chỉ lượng phần trăm hợp chất chính yếu trong đó Ví dụ 10XX chỉ thép cacbon Hai con số cuối chỉ lượng cacbon, tính bằng phần trăm, ví dụ AISI
1040 chỉ thép cacbon chứa 0.04% cacbon
2.1.5.2 Kết cấu của các mẫu thí nghiệm
Tấm kết cấu có nẹp gia cường trong phạm vi đồ án có chiều dài bằng chiều rộng bằng 760 mm tuy nhiên khu vực tính toán chỉ là 560x560 Khu vực tính toán được gia cường thêm ba thanh gia cường ở mỗi mẫu, các thanh gia cường cách nhau
140 mm
Hình 2.3: Khu vực tính toán của các mẫu vật
Việc thực nghiệm được tiến hành trên máy thử va đập, ở Khoa Kỹ thuật giao thông, trường Đại học Nha Trang với ba loại mẫu thử là các tấm được gia cường bởi các nẹp gia cường là các thanh Flatbar (FB) có tên SP-FB (Stiffened Plate Flatbar), thép chữ L có tên SP-LB (Stiffened Plate L-Bar) và thép chữ T có tên SP-TB (Stiffened Plate T-Bar) có hình dáng mặt cắt ngang như hình 2.4 Các mẫu thí nghiệm chịu tác dụng của trọng vật rơi tự do từ độ cao định sẵn Sau khi quá trình
va đập kết thúc, các giá trị biến dạng của tấm kết cấu (chuyển vị, hình dạng) sẽ được thu thập một cách chính xác bằng hình ảnh và bằng dụng cụ đo
Trang 22Hình 2.4: Các mẫu trong thực nghiệm
Dưới tác dụng va đập của trọng vật, kết cấu thép dễ bị phá hủy hơn so với tải trọng tĩnh Đặc điểm sau va chạm của kết cấu thép ảnh hưởng đáng kể bởi các thông số ban đầu: khối lượng trọng vật, vận tốc của trọng vật…và tính chất của vật liệu thép
Khi động năng từ bên ngoài lớn, bài toán được giải quyết bằng cách thêm vào các yếu tố quan hệ động học Quá trình phân tích động học kết cấu cũng tương tự như phân tích tĩnh học, ngoại trừ vận tốc được sử dụng để thể hiện chuyển động của kết cấu trong động học thay cho biến dạng trong tĩnh học Bài toán động học có các điều kiện thêm vào như quán tính, điều kiện biên để được giải quyết Vấn đề được giải quyết khi điều kiện biến dạng với vận tốc giả định phù hợp Có thể nói rằng khả năng đàn hồi của trọng vật có thể được bỏ khi lực tác động lớn hơn đáng kể với khả năng hấp thụ của tấm thử, và coi là toàn bộ quá trình va đập đủ ngắn để xem là tương đương với kết cấu ngoài tự nhiên
Trang 23Hình 2.5 Giản đồ Lực kéo – chuyển vị của một mẫu thử kéo
Ở hình 2.5, mối quan hệ giữa lực kéo – chuyển vị của vật liệu được thể hiện rất
rõ Ở vùng 1, vật liệu trở lại trạng thái ban đầu sau khi ngắt tải, ở vùng 2 vật liệu trở
về một phần trạng thái ban đầu sau ngắt tải (vừa biến dạng đàn hồi, vừa biến dạng dẻo), vùng 3 vật liệu biến dạng dẻo, không còn khả năng phục hồi như vùng 2 Từ vùng 4 trở đi, lực kéo giảm xuống nhưng biến dạng vẫn tăng lên, cho đến mức bị phá hủy
Đối với mô phỏng – phân tích trên máy, sử dụng phần mềm ABAQUS CAE 6.10 [10], với các ràng buộc và điều kiện tương tự thực nghiệm, đồng thời thêm vào phần mềm các thông số của vật liệu thép, từ đó thu lại các giá trị tương ứng với thực nghiệm để tiến hành so sánh
Cuối cùng, các nhận định và kết luận được đưa ra sau khi thực hiện xong việc so sánh và đánh giá những kết quả có được từ các mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng tương ứng Để từ đó chỉ ra những hạn chế, sai sót trong quá trình thực hiện và đưa
ra các đề xuất, ý kiến
Trang 242.2 TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM
2.2.1 Chế tạo mẫu vật
2.2.1.1 Giới thiệu mẫu vật
Đáy tàu là khu vực chịu tác động nhiều nhất từ các hiện tƣợng tàu bị mắc cạn, đụng đá ngầm Do đó khi nghiên cứu về va đập trong phạm vi đồ án, các dạng mẫu vật đƣợc đề xuất nhƣ hình 2.6
Trang 252.2.1.2 Chuẩn bị
Mẫu vật được dùng trong thí nghiệm thử va đập được chế tạo bằng cách sử dụng các máy móc và thiết bị sau: Máy cắt thép tấm, máy dập thép, máy hàn, máy sơn, máy khoan lỗ và một số dụng cụ hỗ trợ như búa, kềm, ghi đông, thước thẳng, thước góc, thước dây…
2.2.1.3 Quy trình chế tạo các mẫu
- Vạch dấu lắp ráp lên các tấm thép: Thép tấm có kích thước 760x760x3 nhưng khu vực tính toán chỉ là 560x560, do đó để chế tạo được chính xác mẫu vật phải dùng bút xóa hoặc phấn vạch dấu lên tấm thép
Hình 2.7: Vạch dấu lắp ráp
- Tiến hành hàn gắn các thanh kết cấu vào trong các tấm
Hình 2.8: Mẫu SP-FB sau khi chế tạo xong
Trang 26Hình 2.9: Mẫu SP-LB sau khi chế tạo xong
Hình 2.10: Mẫu SP-TB sau khi chế tạo xong
Trang 27- Kiểm tra, điều chỉnh sai sót và làm sạch mối hàn
- Làm sạch bề mặt trên của thép tầm và sơn một lớp mỏng để thuận tiện trong việc chia lưới
Cần chú ý trong quá trình hàn, phải đảm bảo mẫu vật sau khi hàn xong không bị biến dạng hoặc biến dạng ở mức thấp nhất Vì nếu quá trình biến dạng xảy ra sẽ làm cho tấm kết cấu có nẹp gia cường bị cong vênh, xuất hiện tình trạng biến dạng ban đầu, ảnh hưởng đến tính ứng xử của vật liệu
2.2.2 Giới thiệu thiết bị thử va đập
Thiết bị thử nghiệm va đập được sử dụng trong đồ án được đặt tại Khoa Kỹ thuật giao thông, được dùng để thử nghiệm bài toán va đập, dưới dạng trọng vật có khối lượng 42kg rơi tự do và va đập vào tấm kết cấu được cố định dưới bệ của máy thử
va đập bằng các con bulong, gây biến dạng tấm kết cấu
Trọng vật được thiết bị nâng lên đến độ cao nhất định bằng một nam châm điện nhằm đạt được thế năng đủ lớn để làm biến dạng các tấm kết cấu có nẹp gia cường Sau khi căn chỉnh xong (căn chỉnh con dọi, căn chỉnh thăng bằng của trọng vật theo phương dọc và phương ngang), ngắt nguồn điện trọng vật sẽ rơi tự do không vận tốc đầu từ điểm ban đầu với độ cao h đã định trước Khi khoảng cách giữa trọng vật và gốc tọa độ bằng h thì quá trình rơi tự do kết thúc, cũng chính thời điểm này quá trình va đập bắt đầu xảy ra với vận tốc đầu của quá trình va đập chính bằng vận tốc cuối của quá trình rơi tự do Nghĩa là toàn bộ thế năng ban dầu được chuyển thành động năng (định luật bảo toàn năng lượng) và gây ra biến dạng cho tấm kết cấu bên dưới Với các biến dạng và kết quả thu được sau va đập của mẫu thử, ta tiến hành phân tích ảnh hưởng của va đập với mẫu thử, làm cơ sở cho việc phân tích mô phỏng các mẫu thử tương đồng trên máy tính
Thiết bị thử va đập gồm hai phần chính: máy thử va đập và tấm kết cấu
2.2.2.1 Máy thử va đập
Máy bao gồm các thành phần sau:
- Nam châm điện – hệ thống cáp kéo, dàn khung – bệ cố định và trọng vật
- Trọng vật có khối lượng 42kg, đầu va đập có góc lượn R = 17mm, chiều dài
l = 300mm
Trang 29Hình 2.13: Hình ảnh không gian của tấm sau khi chế tạo xong và mô hình hóa xong
Trang 302.2.3 Quy trình thử va đập
2.2.3.1 Cố định tấm kết cấu vào bệ bằng bulong
Sau khi có được mẫu vật, công việc tiếp theo là cố định tấm kết cấu đã được khoan lỗ và sơn vào bệ máy thử va đập đúng theo vị trí từng số đã đánh dấu trước Việc gắn tấm kết cấu lên bệ cần thỏa mãn những yêu cầu sau:
- Đảm bảo toàn bộ tấm kết cấu phẳng (kiểm tra bằng thước nước)
- Các bulong cố định phải đảm bảo điều kiện biên của bài toán va đập không thay đổi trước và sau thí nghiệm
Hình 2.14: Cố định tấm kết cấu bằng bulong
2.2.3.2 Chia lưới
Việc chia lưới trên tấm thép được tiến hành ngay sau khi cố định tấm kết cấu vào
bệ của máy thử va đập Chia lưới để xác định chuyển vị của tấm kết cấu sau va đập Việc chia lưới được tiến hành từ trong đường đối xứng của tấm ra hai biên Vì khu vực chính giữa tấm là khu vực quan trọng nhất trong quá trình ghi nhận lại kết quả thử va đập nên phải đảm bảo độ chính xác cao nhất Sau khi kết thúc việc chia lưới thì phải vạch dấu hai điểm tiếp xúc của hai đầu trọng vật lên tấm kết cấu để thuận tiện trong lúc canh chỉnh hai con dọi trong thí nghiệm thử va đập
Trang 31Hình 2.15: Hình mẫu vật sau khi chia lưới và đánh dấu vị trí con dọi
2.2.3.3 Nâng , căn chỉnh trọng vật và con dọi
Trọng vật được nâng lên nhờ một palăng nối với một nam châm điện thông qua
hệ thông dây cáp dài (hình 2.16a) Sau khi trọng vật được nâng lên, trọng vật rất dễ
bị lệch sang hai bên do hiện tượng xoắn của dây cáp hoặc không song song với mặt phẳng nằm ngang Nên cần cân chỉnh lại cho đúng vị trí bằng cách dùng bốn sợi dây không giản buộc vào bốn thành của máy thử (để cố định không cho trọng vật bị xoay sang trái hay sang phải) (hình 2.16b) và dùng thước thủy ngân để kiểm tra sự song song của trọng vật so với mặt đất
Sau đó, căn chỉnh hai con dọi (hình 2.16d) sao cho hai đầu của con dọi trùng với hai điểm đã đánh dấu trên tấm kết cấu trong quá trình chia lưới (hình 2.16e) và tiến hành đo chiều cao của trọng vật so với tấn kết cấu bằng thước dây (hình 2.16f) Trong quá trình căn chỉnh cần lưu ý cẩn thận, nam châm điện sẽ nóng dần trong thời gian đang nâng trọng vật nên có thể sẽ làm rớt trọng vật bất cứ lúc nào Với khối lượng, hình dạng và độ cao treo trọng vật, sẽ rất nguy hiểm nếu nam châm điện mất kiểm soát
Việc căn chỉnh được tiến hành sao cho hai đầu tiếp xúc của trọng vật đạt được độ cao cần thiết Cố định theo các hướng, sử dụng con dọi để căn chỉnh vị trí rơi
Trang 332.2.3.4 Thả trọng vật
Trước khi thả trọng vật, ta phải tháo gỡ 2 con dọi ra khỏi nam chậm một cách nhẹ nhàng và cẩn thận để sao cho trọng vật không bị dịch chuyển sang hai bên Vì nếu vấn đề này xảy ra, khi trọng vật rơi xuống tấm kết cấu vẫn tạo biến dạng lên tấm bên dưới nhưng hai đầu trọng vật sẽ không tác dụng lên hai điểm đã vạch dấu trên bề mặt của tấm kết cấu khi chia lưới
Hình 2.17: Thả trọng vật
2.2.3.5 Đo và thu thập giá trị chuyển vị theo chiều cao của các mắc lưới
- Độ chia: 0.01mm Việc đo được thực hiện với đồng hồ so Mitutoyo, với các thông số sau: phạm vi đo: 0 – 10mm, sai số: ±13μm
Trang 34Hình 2.18: Dùng đồng hồ so và thước nước để đo chuyển vị
Khi đo và thu thập số liệu, cần chú ý các điểm sau:
- Dùng thước nước để kiểm tra bề mặt chuẩn của phần gá
- Gốc chuẩn được đặt ở mép dưới, góc phải của tấm kết cấu vì vùng này được cố định bởi các bulong, tiếp xúc trực tiếp với đế máy thử rơi
- Khi đo số liệu ở những điểm có chuyển vị cao sẽ xuất hiện những điểm có độ chuyển vị vượt quá than đo của đồng hồ do đó ta cần lấy thêm điểm chuẩn để có được kết quả đo theo ý muốn
- Việc đo được tiến hành liên tục với một gốc chuẩn khi còn có thể, đảm bảo sai số khi đo là ít nhất trong khả năng
Trang 352.3 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VA ĐẬP CỦA TRỌNG VẬT LÊN TẤM KẾT CẤU TÀU THỦY
Việc mô phỏng được tiến hành trên phần mềm Abaqus CAE 6.10 Hiện nay, Abaqus là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng công trình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính từ vấn đề đơn giản tới vấn đề mô phỏng phi tuyến tính phức tạp Abaqus có kho phần
tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng thực tế bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu công trình điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phức hợp, bê tông cốt thép, đất
và đá Abaqus không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất, chuyển vị…), vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong các lĩnh vực như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử…
Abaqus là phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người sử dụng,
sử dụng tương đối đơn giản Trong đa số vấn đề phân tích mô phỏng, thậm chí trong vấn đề phi tuyến tính cao cấp, người dùng cũng chỉ cần cung cấp hình dạng hình học, tính năng vật liệu, điều kiện biên và trường hợp tải trọng của kết cấu là có thể tiến hành phân tích Trong phân tích tuyến tính, Abaqus có khả năng tự lựa chọn lượng tăng tải phù hợp và có độ chính xác cao Không chỉ có khả năng lựa chọn các tham số này, mà còn có khả năng trong quá trình phân tích không ngừng điều chỉnh tham số để thu được hiệu quả cao nhất, rất hiếm người khi sử dụng điều chỉnh tham
số này
Cần lưu ý là Abaqus qui định đơn vị theo độ dài, và yêu cầu người dùng thống nhất hệ đơn vị Xuyên suốt phần còn lại đồ án, các đơn vị được dùng sẽ theo hệ đơn
vị SI
Trang 36Khối lƣợng riêng Tấn/milimet khối t/mm3 kg.103/(m.10-3)3
Trang 38- Mô hình phân tử
Việc lựa chọn kích thước lưới phần tử được thể hiện qua kết quả phân tích hội tụ (convergence test) chuyển vị tại điểm số 1 và điểm số 2, là vị trí tiếp xúc giữa hai đầu trọng vật với tấm kết cấu trong quá trình va đập (hình 3.1), như ở hình 2.20, 2.21, 2.22 Theo hình 2.20, 2.21, 2.22 lựa chọn kích thước lưới 10x10 vì kết quả mô phỏng gần với kết quả thực nghiệm nhất và thời gian phân tích mô phỏng phù hợp với cấu hình máy
Hình 2.20: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-FB
Hình 2.21: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-LB
Hình 2.22: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-TB
