Mô phỏng độ bền của vỏ tàu ngầm khi lặn hoàn toàn dưới nước

Để đánh giá đúng độ bền tới hạn của tàu đang xét phải xây dựng được mối quan hệ như đồ thị trên từ nhiều kết quả thống kê số liệu thông qua thực nghiệm và tính toán .Việc xây dựng mối tư

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS HUỲNH VĂN VŨ

Nha Trang, 7/2013

Trang 2

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH iii

DANH MUC BẢNG v

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2

1.2 Phạm vị nghiên cứu đề tài 4

CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA VỎ TÀU NGẦM KHI ĐÃ LẶN HOÀN TOÀN DƯỚI NƯỚC 6

2.1 Mô phỏng độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn 6

2.2 Tổng quan về mô hình tính của các nghiên cứu trước đây 6

2.3 Lựa chọn mô hình tính 20

2.3.1 Giới thiệu về mô hình hình học của mẫu 21

2.3.1.1 Thông số kích thước chính 21

2.3.1.2 Vật liệu 22

2.3.2 Lực tác dụng 22

2.3.3 Điều kiện biên 22

2.3.4 Mô hình phần tử 29

2.3.5 Biến dạng ban đầu 30

2.4 Phân tích bằng Abaqus CAE 32

2.4.1 Dữ liệu đầu vào để phân tích 32

2.4.2 Các bước trước khi phân tích 33

2.5 Đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng 33

2.5.1 Xác định kích thước phần tử hợp lý 33

2.5.2 Kết quả phân tích 35

Trang 3

2.5.3 Thực nghiệm 37

2.5.4 Đánh giá chung khi lựa chọn mô hình tính 39

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN TÀU THỰC 40

3.1 Trường hợp thêm 4 nẹp dọc vào thân ống tàu ngầm (Mẫu A) 40

3.1.1 Kết quả mô hình hóa 40

3.2 Trường hợp thêm 4 nẹp dọc và 1 vách vào thân ống tàu ngầm (Mẫu B) 41

3.3 Trường hợp thêm 4 nẹp dọc và 2 vách vào thân ống tàu ngầm (Mẫu C) 43

CHƯƠNG 4 : THẢO LUẬN KẾT QUẢ 47

4.1 Kết luận 47

4.1.1 Mô hình tính 47

4.1.2 Điều kiện biện 47

4.1.3 Kích thước phần tử 47

4.2 Đề xuất 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC 51

1.Các thông số biến dạng ban đầu của mẫu phân tích ở trường hợp 1500 phần tử 51

Trang 4

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Kết cấu vỏ áp lực của tàu ngầm [1] 2

Hình 1.2: Sự mất ổn định của mô hình trong thực nghiệm của J.R MacKay[5] 3

Hình 1.3: Đồ thị quan hệ giữa áp lực và chuyển vị khi tàu chịu áp lực nước [1] 3

Hình 2.1: Kích thước mẫu thực nghiệm BR-4B (Đơn vị inches)[2] 7

Hình2.2: Mẫu BR-4B bị phá hủy [2] 7

Hình 2.3: Kích thước của mẫu RS1 và RS2 [7] 8

Hình 2.4: Mô hình phần tử hữu hạn[7] 9

Hình 2.5: Mất ổn định của mẫu thực nghiệm RS-1 và RS-2 [7] 9

Hình 2.6: Kết cấu cơ bản của vỏ áp lực (Michael W Temme ) [9] 10

Hình2.7: Kích thước của mẫu tính [4] 11

Hình2.8: Kích thước chính của mẫu thực nghiệm [3] 12

Hình2.9: Mẫu L300-No3 có gắn các cảm biến đo biến dạng ngang và dọc [3] 13

Hình 2.10: Bể thử áp lực phá hủy[3] 14

Hình2.11: Mẫu L300-No3 sau khi thử áp lực phá hủy[3] 14

Hình2.12: Kích thước của mẫu thực nghiệm (Model 1,2,3) [6] 15

Hình2.13: Két thử áp lực mẫu và các thiết bị khác [6] 15

Hình2.14: Model 1,2 và 3 bị phá hủy sau khi thí nghiệm [6] 16

Hình 2.15: Mặt cắt dọc tàu phân tích [8] 17

Hình 2.16: Vỏ áp lực tàu ngầm phân tích[8] 17

Hình 2.17: Mất ổn định chung [8] 18

Hình 2.18: Kích thước mẫu phân tích [11] 18

Hình 2.19: Mẫu thữ nghiệm của MacKay [11] 18

Hình 2.20: Thiết bị thử nghiệm áp lực với biến đổi lực dọc trục [10] 19

Hình 2.21: Đồ thị thực nghiệm 21

Hình 2.22: Kích thước mô hình hình học 21

Hình 2.23: Lực tác dụng lên mô hình tính 22

Hình 2.24: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử 24

Trang 5

Hình 2.25: Kích thước và ứng suất gây ra khi áp lực nước tác dụng của thân ống

tàu ngầm 24

Hình2.31: Mô hình tính toán trong MSC Patran 30

Hình 2.32: Cơ sở tính toán chuyển vị ban đầu 31

Hình 2.33: Biến dạng ban đầu kiểu hình sin của mô hình 31

Hình 2.34: Điểm RP đặt điều kiện biên 32

Hình 2.35: Đồ thị giá trị phản lực thay đổi theo số lượng phần tử 34

Hình 2.36 : Ứng suất Von-Mises của mẫu 35

Hình 2.37: Biến dạng mẫu thực nghiệm L510-No5 [10] 35

Hình 2.38: Đồ thị giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút tại mẫu 36

Hình 2.39: Kích thước mẫu thực nghiệm [11] 37

Hình 2.40: Thiết bị thử nghiệm áp lực [11] 37

Hình 2.41: Mẫu thực nghiệm bị mất ổn định [10] 38

Hình 3.1: Kết quả mô hình hóa kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc 40

Hình 3.2: Ứng suất Von-Mises 40

Hình 3.3: Đồ thị thể hiện giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị nút 41

Hình 3.4: Kết quả mô hình hóa kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc và 1 vách 42

Hình 3.5: Ứng suất Von-Mises 42

Hình 3.7: Kết quả mô hình hóa1/2 kết cấu thân ống có thêm 4 nẹp dọc và 2vách 44 Hình 3.8: Ứng suất Von-Mises 44

Hình 3.10: Gía trị phản lực dọc trục RF3 lớn nhất thay đổi theo mẫu Ao,A,B,C 46 Hình 4.1: Đồ thị kết quả phản lực thay đổi theo chuyển vị 48

Trang 6

DANH MUC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: So sánh kết quả giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết 8

Bảng 2.2: Kết quả áp lực phá hủy theo FEA và lý thuyết tính toán 9

Bảng 2.3: Kết quả so sánh các phương pháp 11

Bảng 2.4: Áp lực phá hủy của ba phương pháp tính 12

Bảng 2.5: Thông số kích thước của Model 1,2 và 3 15

Bảng 2.6: Áp lực gây mất ổn định trên thực nghiệm và trên Ansys, Von mises 16

Bảng 2.7: Điều kiện phân tích 17

Bảng 2.8: Các trường hợp điều kiện biên 23

Bảng 2.9: So sánh kết quả giữa các trường hợp điều kiện biên khả thi nhất với kết quả thực nghiệm 28

Bảng 2.10: Điều kiện biên được lựa chọn 29

Bảng 2.11: Giá trị phản lực RF3 (N) lớn nhất của các mẫu 33

Bảng 3.1: Gía trị phản lực dọc trục lớn nhất ở các mẫu 45

Bảng P1: Chuyển vị ban đầu của mẫu 1 51

Trang 7

LỜI NÓI ĐẦU

Với mục tiêu xây dựng và hoàn thiện chất lượng cũng như số lượng đội ngũ tàu biển tại Việt Nam nhằm phục vụ tốt công tác khai thác và bảo vệ vùng biển, nhất là trong tình hình kinh tế và chính trị hiện nay Để thực hiện mục tiêu được giao này, cả đội ngũ người lao động phải nổ lực thực hiện nhất là đội ngũ lao động trí óc trong đó đáng chú ý hơn cả

là những kỹ sư đóng tàu Việt Nam Sản phẩm của họ phải là những con tàu có tính năng tốt nhất và hiệu suất khai thác cao nhất mà đặc biệt là độ bền của mỗi con tàu phải đảm bảo chịu được điều kiện bất thường của thời tiết cũng như khả năng phòng thân

Một con tàu được sản xuất ra, đó là sản phẩm trí óc hoàn chỉnh và giá trị kinh tế lớn,

do đó vấn đề độ bền và tính năng của tàu là yếu tố then chốt quyết định đến hiệu quả sử dụng của tàu Việc dự đoán và xác định khả năng mất ổn định của tàu ở giá trị nào đó gọi

là giá trị tới hạn, đó là một trong những công tác quan trọng khi thiết kế con tàu Mục đích đề tài nghiên cứu cũng nằm trong công tác quan trọng này Được sự phân công của nhà trường trong học kỳ cuối niên khóa 2009-2013 em được thực hiện đề tài tốt nghiệp

“Mô phỏng độ bền của vỏ tàu ngầm khi đã lặn hoàn toàn dưới nước “ Được sự hướng

dẫn của thầy Huỳnh Văn Vũ nên nội dung đã được thực hiện như sau :

 Đặt vấn đề

 Mô phỏng độ bền của phần thân ống của vỏ tàu ngầm

 Thảo luận kết quả

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy Huỳnh Văn Vũ em đã hoàn thành được đề tài đúng thời gian Xin chân thành cảm ơn thầy và quý thầy trong bộ môn Kỹ Thuật Giao Thông đã tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Nha Trang, ngày 10 tháng 6 năm 2012

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Tài

Trang 8

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Khi tàu ngầm lặn hoàn toàn dưới nước, bản thân tàu ngầm sẽ chịu áp lực lớn từ nước tác dụng lên toàn bộ bề mặt của tàu Nhằm đảm bảo độ bền khi tàu hoạt động yêu cầu kết cấu vỏ phải chịu được áp lực nước lớn nhất mà vẫn không bị hư hỏng với điều kiện vẫn giữ áp suất yêu cầu bên trong thân tàu đồng thời tính chống thấm tốt

Kết cấu vỏ tàu chịu áp lực là kết cấu có dạng hình học tối ưu nhất ở dạng hình trụ tròn có vách ngăn giữa các khoang Do đó kết cấu vỏ áp lực là sự kết hợp giữa phần thân ống và phần nón cụt có liên kết vững với các nẹp vòng cứng gia cường bên trong, bên cạnh đó còn liên kếtvới các vách và phần hình cầu ở đầu và đuôi tàu

Hình 1.1: Kết cấu vỏ áp lực của tàu ngầm [1]

Mặc dù với kết cấu vỏ áp lực đảm bảo áp lực thiết kế lớn nhất khi tàu lặn hoàn toàn dưới nước nhưng thực tế khi tàu hoạt động ở độ sâu thay đổi và điều kiện bất thường, bị tác động các yếu tố như tốc độ dòng chảy, áp lực nước biến đổi phức tạp và thêm vào các điều kiện thời tiết khác như sóng thần, động đất….tàu sẽ chịu áp lực vượt quá áp lực thiết

kế và áp lực lúc này sẽ tăng dần đến khi kết cấu tàu bị kéo hoặc nén quá mức dẫn đến kết cấu bị mất ổn định, dẫn đến nguyên nhân phá huỷ kết cấu thân tàu

Trang 9

Hình 1.2: Sự mất ổn định của mô hình trong thực nghiệm của J.R MacKay[5]

Trước điều kiện hoạt động bất thường nêu trên đặt ra cho chúng ta bài toán phải

dự đoán được với giá trị độ bến tới hạn của tàu đang xét đạt đến bao nhiêu thì tàu sẽ bị phá hủy Điều kiện ban đầu khi phân tích kết cấu vỏ thân ống tàu ngầm ở đây là vỏ áp lực có két đến biến dạng ban đầu theo kiểu sóng hình sin dọc tàu, lưu ý không có biến dạng theo tiết diện của thân ống

Hình 1.3: Đồ thị quan hệ giữa áp lực và chuyển vị khi tàu chịu áp lực nước [1]

Trang 10

Đồ thị trên đưa ra mối quan hệ giữa áp lực nước tác dụng và chuyển vị tại một vị trí xác định của phần thân ống tàu ngầm, đường OA trên đồ thị thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa hai đại lượng nêu trên nhưng khi vượt qua điểm A thì bắt đầu quan hệ phi tuyến, thể hiện kết cấu bắt đầu giai đoạn mất ổn định Điểm A được gọi là điểm phân nhánh vì từ điểm này sẽ hình thành ba nhánh có mối quan hệ phi tuyến khác nhau, áp suất tại A được gọi là áp suất gây mất ổn định Trong thực tế, biến dạng đối xứng trục từ A đến B là không xảy ra bởi vì khi áp lực càng cao thì bất kỳ sự xáo trộn nhỏ nào đó cũng tạo nên biến dạng không đối xứng càng lớn

Khi tàu chịu tác dụng của áp lực phân bố bên ngoài sẽ trải qua quá trình biến dạng không đối xứng, chuyển vị bắt đầu tỷ lệ tuyến tính với áp lực tác dụng nhưng ngày càng phi tuyến khi áp lực tăng lên Cuối cùng áp lực bên ngoài sẽ tiếp cận đến một giá trị giới hạn (điểm A) mà ở đó một sự gia tăng áp lực nhỏ nhất cũng làm chuyển vị đạt giá trị lớn.Từ đó ta tìm ra được giá trị áp lực lớn nhất gây nên hiện tượng phá hủy

Nguyên nhân gây ra phi tuyến tính có thể là do bản chất vật liệu hay hình dạng hình học của kết cấu Vật liệu phi tuyến có thể là do phi tuyến trong mối quan hệ ứng suất và biến dạng và phi tuyến hình học có thể là do quan hệ động lực học phi tuyến tức là phi tuyến trong mối quan hệ giữa ứng suất - chuyển vị khi áp lực tác dụng lớn gây nên chuyển vị lớn và biến dạng lớn

Để đánh giá đúng độ bền tới hạn của tàu đang xét phải xây dựng được mối quan hệ như đồ thị trên từ nhiều kết quả thống kê số liệu thông qua thực nghiệm và tính toán Việc xây dựng mối tương quan trên có thể áp dụng nhiều phương pháp tính toán khác nhau nhưng khá phổ biến là việc sử dụng các phần mềm tính toán theo phương pháp phần

tử hữu hạn, điển hình là phần mềm Abaqus… Do đó, việc sử dụng phần mềm Abaqus để

phân tích, tính toán tìm ra được giá trị độ bền tới hạn là mục đích chính của đề tài “Mô

phỏng độ bền phần thân ống của vỏ tàu ngầm khi lặn hoàn toàn dưới nước ”

1.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Đã có nhiều nghiên cứu được công bố về việc xác định độ bền tới hạn và mô phỏng biến dạng khi phá hủy của tàu ngầm lặn hoàn toàn dưới nước bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong và ngoài nước Trong đó việc áp dụng phần mềm Abaqus CAE để

Trang 11

phân tích và tính toán được áp dụng khá nhiều Đối với đề tài này, ngoài việc áp dụng phần mềm Abaqus CAE còn sử dụng phần mềm Patran để xây dựng mô hình Bên cạnh

đó còn thu thập kết quả tính toán được từ phần mềm để xây dựng đồ thị tương qua giữa phản lực ở gối và chuyển vị tại nút phần tử, tương qua giữa phản lực ở gối và số phần tử trong từng mô hình tính trong bài toán phân tích tĩnh học

Trang 12

CHƯƠNG 2 : MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA VỎ TÀU NGẦM KHI ĐÃ LẶN

HOÀN TOÀN DƯỚI NƯỚC

2.1 Mô phỏng độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Có nhiều phương pháp xác định độ bền tới hạn của một con tàu hoặc kết cấu khác nhưng ba phương pháp cơ bản nhất được sử dụng nhiều là phương pháp điều chỉnh không

co giãn Johnson-Ostenfeld, phương pháp có biến dạng ban đầu và phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn (FE) [4]

Từ khi kết cấu vỏ áp lực tàu ngầm bao gồm nẹp tăng cường cứng được áp dụng thì việc phân tích độ bền sử dụng phương pháp cổ điển rất phức tạp vì có liên quan đến phương trình vi phân bậc cao Điều này dẫn đến việc sử dụng các phương pháp số để phân tích cấu trúc phức tạp là hợp lý

Cách tiếp cận phần tử hữu hạn là thích hợp nhất cho việc nghiên cứu tuyến tính tĩnh, phi tuyến tính tĩnh và trạng thái biến dạng dọc của vỏ áp lực hình trụ vì nó có thể áp dụng dễ dàng với những kết cấu có hình học phức tạp và các trường hợp tải, điều kiện biên khác nhau Phương pháp tiếp cận FE áp dụng cho các bài toán phân tích về kết cấu dạng khối và các dạng cấu trúc kỹ thuật được bắt đầu bởi một đối tượng đặc trưng như là một bộ sưu tập của một số hữu hạn các khối cấu thành hoặc các phần tử, mỗi trong số đó được xác định bởi một số ít các điểm tham chiếu hoặc các nút Rời rạc này mang bản chất đúng với tên gọi của phương pháp [13]

Sự biến dạng của mỗi phần tử xảy ra dưới tác dụng của tải trọng được thể hiện bởi các hàm thay đổi được thu gọn gọi là hàm dạng, trong đó ẩn số là chuyển vị của các nút

Vì vậy, một khi nút chuyển vị được tính toán, phân phối biến dạng trong mỗi phần tử do

đó toàn bộ đối tượng có thể dễ dàng thu được biến dạng chung

2.2 Tổng quan về mô hình tính của các nghiên cứu trước đây

Có rất nhiều công trình nghiên cứu công bố kết quả về phương pháp xác định độ bền của vỏ tàu ngầm Trong phạm vi đề tài này, xin liệt kê sơ lược một số công trình tiêu biểu như sau:

Trang 13

Thomas E Reynolds năm 1962 [2] đã xây dựng mẫu thực nghiệm BR-4B, đây là

mẫu thực nghiệm có biến dạng ban đầu, mẫu sử dụng vật liệu thép, kết cấu vỏ áp lực có gia cường nẹp vòng cứng Ông đã bố trí các điện trở và máy ghi âm tự động phân bố đều

ở các sườn để đo độ biến dạng của mẫu khi áp lực tác dụng tăng dần, công việc này được thực hiện trong két áp lực có sử dụng hệ thống bơm chất lỏng tạo lực nén tác dụng lên mẫu vật Thiết bị đo sẽ ghi lại chuyển vị của kết cấu cho đến khi phá hủy

Hình 2.1: Kích thước mẫu thực nghiệm BR-4B (Đơn vị inches)[2]

Hình2.2: Mẫu BR-4B bị phá hủy [2]

Trang 14

Bảng 2.1: So sánh kết quả giữa thực nghiệm và tính toán lý thuyết [2]

Kukbin Kim, Ulnyeon Kim and Jinsoo Park năm 2003 [7] đã xây dựng và tính toán

độ bền tới hạn của hai mô hình phần tữ hữu hạn SR1 và SR2 có kết cấu vỏ áp lực gia cường các nẹp vòng cứng và có biến dạng ban đầu, mô hình được xây dựng và tính toán trên chương trình Nastran Lưới phần tử hữu hạn kích thước là khoảng hai lần với độ dày

vỏ cho mỗi mô hình, bốn nút tạo một phần tử vuông ở vỏ (S4R) với sáu bậc tự do cho mỗi nút Kết quả tính toán trên Nastran sẽ được kiểm nghiệm bằng kết quả thực nghiệm

và kết quả từ các phương trình tính

Hình 2.3: Kích thước của mẫu RS1 và RS2 [7]

Trang 15

Hình 2.4: Mô hình phần tử hữu hạn[7]

Hình 2.5: Mất ổn định của mẫu thực nghiệm RS-1 và RS-2 [7]

Kết quả so sánh với lý thuyết tính toán :

Bảng 2.2: Kết quả áp lực phá hủy theo FEA và lý thuyết tính toán [7]

Trang 16

Michael W Temme và cộng sự năm 2003 [9] đi so sánh các phương pháp phân tích

với phương pháp tiếp cận bằng số để xác định tình trạng phá hủy của vỏ áp lực có nẹp tăng cường hình trụ Mô hình vỏ áp lực sẽ được phân tích dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn mà cụ thể là sử dụng phần mềm MAESTRO Kết quả thu được về sự phá hủy vỏ

áp lực sẽ được so sánh với kết quả thực nghiệm và hai quy tắc thiết kế của Viện Dầu khí

Mỹ [14] và Det Norske Veritas (DNV) [15]

Hình 2.6 thể hiện kết cấu và kích thước cơ bản của vỏ áp lực có nẹp gia cường Vật liệu được sử dụng là thép cường độ cao với giới hạn chảy là 560 N/mm2 Các điều kiện biên bao gồm một đầu được cố định hoàn toàn và đầu kia cố định trừ chuyển vị dọc trục Thí nghiệm kiểm tra độ chính xác của các phương pháp phân tích khi dự đoán mất ổn định đàn hồi cuả vỏ (mất ổn định không đối xứng ) Áp lực khi phá huỷ xác định bằng thực nghiệm là 4.431 N/mm2

Hình 2.6: Kết cấu cơ bản của vỏ áp lực (Michael W Temme ) [9]

Trang 17

Kết quả so sánh các phương pháp được thể hiện ở bảng sau:

( L :Mất ổn định không đối xứng dọc trục)

(Psi) Cơ chế phá huỷ

Sai lệch với thực nghiệm (%)

P Radha, K Rajagopalan năm 2006 [4] đã so sánh áp lực gây mất ổn định trên kết

cấu vỏ áp lực hình trụ tròn có gia cường nẹp vòng cứng ở bên trong theo ba phương pháp tính toán độ bền cơ bản (phương pháp điều chỉnh không co giãn Johnson-Ostenfeld, phương pháp có biến dạng ban đầu và phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn (FE)) Phương pháp điều chỉnh không co giãn Johnson-Ostenfeld tính toán dựa vào phương trình Bleich– Ostenfeld, phương pháp không hoàn hảo tính toán dựa vào phương trình Kendrick và phần mềm Abaqus là công cụ tính toán của phương pháp tiếp cận phần tử hữu hạn

Hình2.7: Kích thước của mẫu tính [4]

Trang 18

STT Phương Pháp Áp lực phá huỷ chung

(Mpa)

1

Điều chỉnh không co giãn Johnson-Ostenfeld

3,7921

Bảng 2.4: Áp lực phá hủy của ba phương pháp tính[4]

Bằng cách áp dụng sự điều chỉnh Johnson-Ostenfeld cho biến dạng dẻo, không co giãn thu được áp lực sụp đổ gây mất ổn định rất gần với áp lực sụp đổ gây mất ổn định từ phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và độ lệch phần trăm chỉ là 2,01% Kết quả từ phương pháp tiếp cận có biến dạng ban đầu cũng rất gần với kết quả của phương pháp điều chỉnh Johnson-Ostenfeld và độ lệch phần trăm chỉ là 2,08%

J.R MacKay năm 2007 [3] ông đã thực hiện thực nghiệm của mình nhằm xác định

áp lực lớn nhất gây mất ổn định trên mẫu thử có kết cấu vỏ áp lực hình trụ tròn gia cường nẹp chữ T cứng bên ngoài Mẫu thực nghiệm (L300-No3) sử dụng vật liệu 6082-T6 aluminium, và có kích thước như sau :

Hình2.8: Kích thước chính của mẫu thực nghiệm [3]

Trang 19

Hình2.9: Mẫu L300-No3 có gắn các cảm biến đo biến dạng ngang và dọc trục [3]

Mẫu thực nghiệm đã được thử phá hủy dưới áp suất thủy tĩnh tại cơ sở thử nghiệm

áp lực cao tại DRDC Đại Tây Dương Bể áp lực này có khả năng mô phỏng độ sâu lên tới

7 km bên dưới bề mặt nước Một bể áp lực có một buồng thử nghiệm sâu khoảng 2,5 m

và có đường kính 1m , được thể hiện trong hình 2.10 Các buồng thử tạo áp lực bởi lực nén khí nén vào buồng chứa đầy nước bị bịt kín Áp suất thủy tĩnh trong bể được đo bằng đầu dò áp lực đặt trên nắp thùng

Trang 20

Hình 2.10: Bể thử áp lực phá hủy[3]

Áp lực phá hủy của mẫu L300-No3 sau khi thử phá hủy là 6.77 MPa, chiều dày vỏ lúc này là 1,870 mm

Hình2.11: Mẫu L300-No3 sau khi thử áp lực phá hủy[3]

Carl T.F.Ross, Chris Bull & Andrew PF.Little năm 2010 [6] đã đưa ra nghiên cứu

của mình nhằm kiểm nghiệm kết quả tính toán độ bền tới hạn ở kết cấu vỏ chịu áp lực hình trụ tròn có nẹp vòng gia cường cứng theo phương pháp tính toán hữu hạn sử dụng phần mềm Ansys với thực nghiệm Mẫu thực nghiệm sử dụng vật liệu Aluminium Alloy

Trang 21

Hình2.12: Kích thước của mẫu thực nghiệm (Model 1,2,3) [6]

Bảng 2.5: Thông số kích thước của Model 1,2 và 3 [6]

Hình2.13: Két thử áp lực mẫu và các thiết bị khác [6]

Trang 22

Hình2.14: Model 1,2 và 3 bị phá hủy sau khi thí nghiệm [6]

Mẫu

thử

Kết quả tính toán theo Von mises (bar)

Kết quả tính toán trên Ansys (bar)

Kết quả thực nghiệm (bar)

Sai lệch (%) của Ansys với thực nghiệm

Sai lệch (%) của Von mises với thực nghiệm

Bảng 2.6: Áp lực gây mất ổn định trên thực nghiệm và trên Ansys, Von mises [6]

Heung-Youl Kim ․ Yong-Ku Shin ․ Soo-Young Kim ․ Seung-Chul Shin ․ Bo-Young Chung,Jung-Hwa Jo ․ Hyun-Soo Kim năm 2012 [8] sử dụng phần mềm Inventor để xây

dựng mô hình sau đó phân tích trên Ansys để xác định áp lực phá hủy vỏ áp lực, kết quả

sẽ được so sánh với công thức tính toán

Trang 23

Tên vật liệu Thép HY100

Bảng 2.7: Điều kiện phân tích

Trang 24

Hình 2.17: Mất ổn định chung [8]

và phân tích mô hình bằng phương pháp FEA (phân tích phần tử hữu hạn) với kích thước giống với mẫu thực nghiệm của MacKay Sau đó so sánh với kết quả thực nghiệm của Mackay

Hình 2.18: Kích thước mẫu phân tích [11]

Hình 2.19: Mẫu thữ nghiệm của MacKay [11]

Trang 25

Quá trình phân tích xác định áp lực phá hủy được áp dụng khi mô hình đàn hồi tuyến tính và khi mô hình mất đàn hồi phi thuyến tính Vật liệu được áp dụng là Alumium 6082- T6 Phân tích độ bền của kết cấu vỏ áp lực này trên phần mềm Abaqus sau đó so sánh kết quả theo thực nghiệm của MacKay và các công thức tính toán Điều kiện biên áp dụng trong mô hình tương đương với điều kiện biên đưa ra trong thực nghiêm của MacKay (Hình 2.20)

Hình 2.20: Thiết bị thử nghiệm áp lực với biến đổi lực dọc trục [10]

Thí nghiệm được thực hiện bởi Mackay và cộng sự đã được tiến hành trong buồng nước áp lực Phương pháp này sử dụng cảm biến đặt bên trong buồng tại các khoảng bằng nhau dọc theo chu vi của mẫu thử, ngoài ra với 1 thước đo khác được đặt ở vị trí gần đáy của mẫu vật để đo sự biến dạng theo chiều dọc trục

Mẫu vật sẽ được cố định đầu vào phía trên cùng của bể áp lực như hình 2.20 và đầu còn lại chỉ di chuyển dọc trục Sau đó dùng 1 máy bơm thủy lực gây áp lực và lực dọc

từ từ vào thùng Sau mỗi lần tăng biến dạng được ghi lại Quá trình này được tiếp tục cho đến khi mẫu vật bị biến dạng và phá hủy thông qua sự mất ổn định chung

Trang 26

2.3 Lựa chọn mô hình tính

Qua các mô hình tính nêu trên ta chọn mô hình cho đề tài như sau: Mô hình có kết cấu vỏ áp lực gia cường bởi các nẹp tròn cứng bên trong (áp dụng mẫu thực nghiệm của

J.R MacKay để phân tích [11] ) và xem toàn bộ mô hình là kết cấu nằm trên hai gối đặt

ở hai đầu, một gối cố định và gối còn lại có chuyển vị dọc trục hoặc cả xoay quanh dọc trục đồng thời còn chịu tác dụng của áp lực phân bố toàn bộ và lực dọc trục Những lý do

nổi bật để chọn mô hình tính của Stanley I Wong và J.R MacKay [7] cho đề tài :

 Quá trình thực nghiệm được mô tả cụ thể, thiết bị thực nghiệm đầy đủ và hiện đại nhằm đưa môi trường thực nghiệm gần giống với thực tế

 Kết quả thực nghiệm đầy đủ, chi tiết cho các mẫu thử ở các điều kiện phân tích khác nhau bên cạnh đó kết quả thực nghiệm được đánh giá và lý giải cụ thể

 Các thông số đầu vào và đầu ra được cung cấp đầy đủ nhất như kích thước chính, vật liệu, phương thức thực nghiệm, độ bền tới hạn, hình ảnh của mẫu thực nghiệm trước và sau khi thử phá hủy

Sau khi phân tích xong kết quả thu được là đồ thị giá trị phản lực thay đổi theo chuyển vị, thông qua đồ thị ta xác định giá trị phản lực đạt bao nhiêu tàu sẽ mất ổn định ứng với một áp lực và độ sâu tương ứng Dựa vào áp lực phá hủy có thể xác định độ sâu lớn nhất dễ gây phá hủy tàu thông qua công thức Bernoulli [12] sau :

P = Po + ρgh (1.0) Trong đó:

P : Áp lực lớn nhất ứng với độ sâu hoạt động

Po : Áp lực khí quyển

g : Gia tốc trọng trường

ρ : Khối lượng riêng của nước biển

h : Độ sâu hoạt động

Trang 27

Chiều dày bản thành và bản cánh : 2 mm Chiều dài bản thành và bản cánh : 8 mm

Hình 2.22: Kích thước mô hình hình học

Trang 28

2.3.1.2 Vật liệu

Sử dụng vật liệu 6082-T6 Alumium alloy với các giá trị đặc trưng sau:

Mô đun đàn hồi E= 70GPa Giới hạn chảy : 255 MPa

Hệ số poison : 0,3 Khối lượng riêng : 2,70 10-9 (ton/mm3)

2.3.2 Lực tác dụng

Khi tàu ngầm lặn hoàn toàn dưới nước phần thân ống sẽ chịu tác dụng của áp lực nước và lực dọc trục tàu Khi áp lực này càng tăng thì kết cấu phần thân ống sẽ bị phá hủy và áp lực gây phá hủy gọi là áp lực tới hạn (pcr) Nên mô hình lực tác dụng được liệt

kê như hình 2.23

Hình 2.23: Lực tác dụng lên mô hình tính

2.3.3 Điều kiện biên

Để có được điều kiện biên hợp lý áp dụng trong quá trình phân tích và tính toán mô hình trên phần mềm Abaqus cho kết quả gần đúng với thực nghiệm yêu cầu phải thực hiện nhiều trường hợp điều kiện biên khác nhau để tìm ra điều kiện biên hợp lý cho

Trang 29

kết quả đúng nhất so với thực nghiệm Các trường hợp điều kiện biên được áp dụng như sau: (Chuyển vị theo phương X,Y,Z lần lượt là U1,U2,U3 và Góc xoay so với trục X,Y,Z lần lượt là UR1,UR2,UR3)

Bảng 2.8: Các trường hợp điều kiện biên

Với cùng kích thước mô hình, vật liệu, kích cỡ phần tử tính toán và lực tác dụng vào nhưng khi thay đổi điều kiện biên bài toán sẽ cho kết quả rất khác nhau không đúng với bản chất bài toán, do đó xác định điều kiện biên hợp lý là điều rất quan trọng Dưới đây là các kết quả tính toán so với thực nghiệm của các trường hợp điều kiện biên:

U3#0

U1=U2=UR3 #0

UR1=UR2=0, U1=U2=U3=UR3#0

UR3=UR2=UR1#0

U1=U2=0 UR1=UR2=UR3=U3#0

Trang 30

Trường hợp 1 :

Hình 2.24: Gía trị phản lực thay đổi theo chuyển vị tại nút phần tử

Tính áp lực phá huỷ như sau: Dựa vào lý thuyết Lame [16] thì khi phần thân ống chịu tác dụng của áp lực nước bên ngoài sẽ sinh ra ba dạng ứng suất là ứng suất dọc trục , ứng suất hướng tâm , ứng suất tiếp tuyến Yêu cầu bài toán ta chỉ tính đến ứng suất dọc trục

Hình 2.25: Kích thước và ứng suất gây ra khi áp lực nước tác dụng của thân ống tàu

ngầm [16]

Định dạng
Số trang	61
Dung lượng	3 MB