Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể

Tuy nhiên do kết cấu thân tàu là một kết cấu phức tạp gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau đồng thời còn chịu tác dụng của ngoại lực phức tạp nên bài toán phân tích độ bền là rất phức t

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Trang 3

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Thạch Lớp: 51TT-DT2

Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông

Tên đề tài: “Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng

thể”

Số trang: 65 Số chương: 4 Số tài liệu kham khảo: 6

Hiện vật: 3 quyển báo cáo, 1 quyển hướng dẫn sử dụng Maestro, 1 quyển dịch Maestro, 1 usb

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Kết luận:

ĐIỂM CHUNG

Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng năm 2013

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS TRẦN GIA THÁI

Trang 4

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Thạch Lớp: 51TT-DT2

Tên đề tài: “Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng

thể”

Số trang: 65 Số chương: 4 Số tài liệu kham khảo: 6

Hiện vật: 3 quyển báo cáo, 1 quyển hướng dẫn sử dụng Maestro, 1 quyển dịch Maestro, 1 usb

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Đánh giá chung:

ĐIỂM CHUNG

ĐIỂM

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013

CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trang 5

M ỤC L ỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2

1.2.Tình hình nghiên cứu 2

1.3 Mục tiêu phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài 2

1.3.1.Mục tiêu 2

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 2

1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài 3

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu .4

2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu .4

2.1.2.Bài toán phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu: 5

2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu: 6

2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu 6

2.2.1.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép 6

2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn 7

2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp 8

2.3.Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn 8

2.3.1.Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn 8

2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn 9

2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8 .11

2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn .11

2.4.2 Giới thiệu về Maestro 9.0.8 14

Chương III: Kết quả nghiên cứu 17

3.1.Giới thiệu chung về tàu tính toán .17

Trang 6

3.1.1.Các thông số chính 17

3.1.2.Đặc điểm kết cấu .17

3.2.Ứng dụng phần mềm Maestro 9.0.8 vào giải bài toán bền kết cấu thân tàu cụ thể 24

3.3.Giải bài toán tính bền cục bộ theo mô hình tổng thể 31

3.3.1.Kết quả mô hình hóa .31

3.3.2.Phân bố tải trọng 35

3.3.3.Đặt điều kiện biên 37

3.3.4.Xây dựng mô hình sóng tính toán: 38

3.4.Thảo luận kết quả nghiên cứu 38

3.4.1.TH1 100% tải, không dằn trên nước tĩnh 38

3.4.2 TH2 100% tải, không dằn trên đáy sóng 42

3.4.3 TH3 100% tải, không dằn trên đỉnh sóng .46

3.4.4 TH4 100% dằn, không tải trên nước tĩnh 50

3.4.5.TH5 100% dằn, không tải trên đáy sóng 54

3.4.6.TH6 100% dằn, không tải trên đỉnh sóng .58

3.5.Kiểm tra độ bền cục bộ của khung dàn đáy 62

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 63

4.1.Kết luận: 63

4.2.Đề xuất .63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

Trang 7

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu 4

Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh 5

Hình 2.3.Cấu trúc mô hình trong Maestro 16

Hình 3.1.Biểu tượng của Maestro 24

Hình 3.2.Giao diện của Maestro 24

Hình 3.3.Hộp thoại khai báo thông tin công việc 25

Hình 3.4.Hộp thoại đặt đơn vị 25

Hình 3.5.Hộp thoại khai báo vật liệu 26

Hình 3.6.Hộp thoại khai báo đặc trưng của tấm 26

Hình 3.7.Hộp thoại đặc trưng tấm sau khi khai báo xong 27

Hình 3.8.Các kích thước đo trên mặt cắt ngang 27

Hình 3.9.Hộp thoại EndPoint 28

Hình 3.10.Dãy EndPoint sau khi tạo 28

Hình 3.11.Các dãy Endpoint của của sườn sau khi tạo xong 29

Hình 3.12.Hộp thoại Compounds 29

Hình 3.13.Các điểm EndPoint sau khi rải compound 30

Hình 3.14.Hộp thoại Strakes 30

Hình 3.15.Tấm strake tôn đáy trong có chiều dày là 13mm theo bản vẽ .31

Hình 3.16.Mặt cắt ngang giữa tàu của tàu dầu 13500DWT 32

Hình 3.17.Đo các kích thước trên mặt cắt ngang 32

Hình 3.18.Mặt cắt ngang mô hình trong Maestro 33

Hình 3.19.Mô hình tàu dầu 13500 DWT trong Maestro theo phần tử hữu hạn 33

Hình 3.20.Mô hình hóa khung dàn đáy giữa tàu (sườn 86 đến 92) 34

Hình 3.21.Biểu đồ màu thể hiện độ dày của tấm 34

Hình 3.22.Vị trí các khoang dầu 36

Hình 3.23.Vị trí các két dằn 37

Hình 3.24.Hộp thoại đặt điều kiện biên trong maestro 37

Hình 3.25.Mô hình tàu TH1 38

Trang 8

Hình 3.26.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm tàu TH1 38

Hình 3.27.Phân bố lực nổi TH1 39

Hình 3.28.Phân bố tổng trọng lượng TH1 39

Hình 3.29.Biến dạng của khung dàn đáy TH1 41

Hình 3.30.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH1 41

Hình 3.35.Biến dạn của khung dàn đáy TH2 45

Hình 3.38.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm của tàu TH3 46

Hình 3.50.Phân bố lực nổi và trong tâm của tàu TH5 54

Hình 3.56.Tọa độ trọng tâm và tâm nổi TH6 58

Hình 3.57.Biểu đồ phân bố lực nổi TH6 59

Hình 3.58.Biểu đồ phân bố tổng trọng lượng TH6 59

Trang 9

Hình 3.59.Biến dạng của khung dàn đáy TH6 61 Hình 3.60.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH6 61

Trang 10

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.Quy cách các kết cấu của tàu dầu 13 500DWT 18

Bảng 3.1.Phân bố tải theo chiều dài tàu 35

Bảng 3.2.Phân bố két dằn theo chiều dài tàu 36

Bảng 3.3.Điều kiện biên cho mô hình tính 37

Bảng 3.4 Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH1 40

Bảng 3.5.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH2 44

Bảng 3.10 Tổng hợp kết quả ứng suất và biến dạng của khung dàn đáy 62

Trang 11

MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước Để góp phần vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì không thể không kể đến ngành công nghiệp đóng tàu

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi hoạt động trong điều kiện chịu tác dụng của ngoại lực, phục vụ các mục đích khác nhau của con người Vì thế, có một con tàu đóng xong đòi hỏi phải đảm bảo các tính năng của nó Trong đó tính bền hay còn gọi

là độ bền kết cấu thân tàu là yếu góp phần quan trọng vào việc giúp con tàu có khả năng chống chịu lại các tác dụng khắc nghiệt của môi trường để đảm bảo cho con tàu hoặt động bình thường nhằm hạn chế sự thiệt hại về tài sản và tính mạng cho con

người đi tàu Do đó tôi đã chọn chuyên đề: “Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết

cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” làm đề tài tốt nghiệp Được sự hướng dẫn của

PGS-TS Trần Gia Thái nội dung thực hiện của đề tài gồm những nội dung sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến

Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài với sự hướng dẫn rất tận tình của PGS-TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, và các thầy trong Bộ môn Đóng Tàu- Trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài này đúng thời hạn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu xót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy và các bạn sinh viên

để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn

Nha Trang, ngày 11 tháng 7 năm 2013

Sinh viên thực hiện Lương Văn Thạch

Trang 12

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có cấu trúc phức tạp gồm nhiều thành phần kết cấu như đáy, mạn, sườn, vách ngăn, sàn, đà ngang, dầm dọc… hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố như: sóng gió, va đập, tải trọng trên tàu,… vì vậy việc giải quyết bài toán độ bền thân tàu là cực kì phức tạp và hầu như chưa có lời giải chính xác

Trước kia người ta thường giải bài toán bền kết cấu thân tàu theo phương pháp giải tích, phương pháp này có nhược điểm là mô hình tính không phản ảnh được chính xác kết cấu đang xét và tốn nhiều thời gian công sức Do đó hiện nay người ta thường giải quyết bài toán này phổ biến nhất là phương pháp phần tử hữu hạn Mô hình tính theo phương pháp này phản ảnh được kết cấu thực tế nên cho kết quả chính xác hơn Đặc biệt hiện nay cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, các phần mềm tính

độ bền thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn cũng đang được phát triển mạnh

mẽ, giúp công việc và khối lượng công việc tính đơn giản hơn nhiều Nhưng việc nghiên cứu để ứng dụng một phần mềm vào tính toán độ bền không phải là một công việc đơn giản Đó cũng là những lý do tôi sử dụng phần mềm Maestro để đi tính toán

độ bền cục bộ cho kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể trong chuyên đề này

1.2.Tình hình nghiên cứu

Như đã trình bày bài toán tính bền kết cấu thân tàu là bài toán phức tạp nên một

số nước phát triển như Mỹ, Nga, Nhật…là tiếp cận được bài toán này Riêng ở Việt Nam cho tới hiện nay chưa thấy bất kì một công trình nghiên cứu nào liên quan đến vấn đề này được công bố

1.3 Mục tiêu phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài

1.3.1.Mục tiêu

Sử dụng phần mềm Maestro 9.0.8 vào tính toán độ bền kết cấu tàu vỏ thép

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Dùng Maestro tính độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể

Do thành phần ứng suất pháp của quá trình uốn cục bộ khung dàn đáy gây ra rất quan trọng và có giá trị lớn thứ hai, sau giá trị ứng suất pháp xuất hiện do quá trình

Trang 13

uốn chung gây ra, nên trong đề tài này sẽ đi tính bền cục bộ cho khung dàn đáy giữa tàu (sườn 86 đến sườn 92)

1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài

Thu thập dữ liệu về các đề tài liên quan và các tài liệu liên quan đến chuyên đề nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết về tính bền kết cấu thân tàu

Nghiên cứu sử dụng phần mềm Maestro vào tính bền kết cấu thân tàu

Trang 14

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu

2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu

Khi tàu hoạt động các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phương thẳng đứng gồm các thành phần: trọng lượng bản thân, trang thiết bị, tải trọng, thủy thủ đoàn… hướng theo chiều trọng lực kéo tàu chìm xuống và lực nổi có hướng ngược lại đẩy tàu nổi lên

Do lực tác dụng phân bố không đều theo chiều dọc tàu nên mô-men uốn, mô-men xoắn, lực cắt… có thể xuất hiện trong các kết cấu thân tàu khi tàu hoạt động Trong đó mômen uốn dọc ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền chung của tàu

Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu

Vì vậy đối với một con tàu khi thiết kế ra phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Đủ bền để kết cấu thân tàu không bị gẫy nứt

+Đủ cứng để biến dạng không vượt quá giá trị cho phép

+ Đủ ổn định để hình dạng không bị thay đổi

Để đảm bảo được điều kiện này thì chúng ta tăng kích thước của con tàu sẽ ảnh hưởng rất nhiều đến tính năng của con tàu như: tốc độ của con tàu Vì vậy bài toán phân tích độ bền có vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo con tàu Bài toán phân tích độ bền nhằm giải quyết hai bài toán sau đây:

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

Bài toán ngược: chúng ta đi tính toán, lựa chọn hình dạng và kích thước kết cấu thân tàu một cách hợp lý nhất trên cư sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với

Trang 15

chi phí vật liệu là thấp nhất Tuy nhiên do kết cấu thân tàu là một kết cấu phức tạp gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau đồng thời còn chịu tác dụng của ngoại lực phức tạp nên bài toán phân tích độ bền là rất phức tạp Hiện nay tùy thuộc theo đặc điểm các

mô hình tính có thể chia bài toán phân tích độ bền thân tàu thành hai bài toán chính như sau:

Bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định: xem toàn bộ kết cấu thân tàu dưới dạng các thanh thành mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng của các ngoại lực tương ứng với các ngoại lực tác dụng lên thân tàu Bài toán tương đối đơn giản nhưng độ chính xác không cao

Bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể: theo mô hình tổng thể kết cấu thân tàu xem như hệ kết cấu không gian gồm nhiều loại hình kết cấu như: dầm, tấm, khối liên kết với nhau và đặt trên nền đàn hồi Trong mô hình tính này các kết cấu khung dàn đáy, mạn,.v v…đều tham gia làm việc đồng thời trong mô hình tính Các điều kiện biên được xây dựng trên cơ sở xem vật thể đàn hồi dưới tác dụng của hai nhóm lực: trọng lượng các tải trọng trên tàu và phản lực của nền đàn hồi chính

là lực đẩy của nước Mô hình tổng thể thể hiện tương đối chính xác tình trạng làm việc của con tàu nên kết quả tính toán có độ chính xác cao Khi đó bài toán phân tích độ bền phân thành hai nội dung chính: bài toán phân tích độ bền chung và bài toán phân tích độ bền cục bộ

2.1.2.Bài toán phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu:

Là bài toán xác định ứng xuất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang dưới tác dụng của các ngoại lực theo phương thẳng đứng là trọng lượng và lực nổi, quá trình cho ta ứng xuất chung  1

Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh

Trang 16

2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu:

Là bài toán xác định giá trị ứng xuất và biến dạng xuất hiện bên trong các kết cấu đang xét dưới tác dụng của ngoại lực riêng tác dụng lên từng kết cấu đang xét Giải bài toán cục bộ dẫn đến giải quyết bài toán cơ học kết cấu cụ thể: kết cấu khung giàn, dầm nhiều nhịp,.v v… Kết quả xác định được giá trị ứng suất cục bộ  i (i=2÷n)

2



2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

Theo quy định trong quy phạm các nước, sau khi xác định được tiêu chuẩn bền thích hợp cần tiến hành kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu trong các trường hợp cụ thể:

- Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp do uốn chung thân tàu gây ra

- Kiểm tra theo giá trị mômen giới hạn

- Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp

2.2.1.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép

1.Kiểm tra độ bền chung

Kiểm tra độ bền chung theo ứng suất cho phép được thực hiện bằng cách so sánh giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trong quá trình uốn

chung kết cấu thân tàu với giá trị ứng suất cho phép Điều kiện để kiểm tra độ bền chung theo giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp như sau:

  : giá trị ứng suất pháp cho phép

  : giá trị ứng suất tiếp cho phép

Trang 17

Y cb

2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn

Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị mômen giới hạn Mgh thực hiện bằng cách so sánh giá trị mômen uốn lớn nhất tác dụng lên kết cấu thân tàu với giá trị

mômen uốn giới hạn Mômen uốn giới hạn nói đây chính là mômen 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

Công thức tổng quát như sau:

W z

zmax: khoảng cách từ trục trung hòa đến kết cấu cách xa nhất (m)

Trang 18

 : giá trị gới hạn chảy của vật liệu ở mép ngoài cùng (trên hay dưới) của kết cấu dọc trong mặt cắt kiểm tra có mômen uốn lớn nhất (MPa)

2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp

Kiểm tra bằng cách so sánh giá trị ứng suất tổng hợp, gồm các ứng suất uốn chung và ứng suất uốn cục bộ xuất hiện trong các kết cấu với giá trị cho phép

T cp i

i

 4

2 1

2.3.Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn

2.3.1.Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phân tích kết cấu trên cơ sở thay thế kết cấu thực bằng một mô hình tính rời rạc Mô hình tính bao gồm một số hữu hạn các phần tử riêng biệt liên kết với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút, còn ngoài lực được đưa về các lực lượng tương đương tác dụng tại nút Phương trình chính tắc được viết cho các nút của mô hình tính Kết quả tính sẽ là các trường ứng suất, biến dạng và chuyển vị tại các điểm nút So với các phương pháp phân tích truyền thống, phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm nổi bật Có thể khái quát các ưu điểm chủ yếu của phương pháp phần tử hữu hạn thay cho những lời giải thích tại sao phương pháp này ngày càng được áp dụng rộng rãi trong cơ học

+ Khả năng tự động hóa: tất cả các bài toán cơ học nói chung, xác định ma trận [Ke] và ma trận [K] đều được thực hiện bằng phép tính sơ cấp của lý thuyết ma trận và các toán tử chu trình thể hiện khả năng tự động hóa cao của phương pháp PTHH

+ Độ tin cậy: ưu điểm thứ hai của phương pháp PTHH là cho kết quả tính đảm bảo độ tin cậy Trong phương pháp PTHH, thay thế các kết cấu thực (là hệ liên tục) bằng một hệ rời rạc bao gồm một số các phần tử riêng biệt liên kết với nhau ở một số

Trang 19

hữu hạn các điểm nút dựa trên cơ sở là thừa nhận năng lượng bên trong các mô hình tính thay thế bằng năng lượng bên trong của kết cấu thực

Nếu trên biên của các phần tử, điều kiện biên liên tục về lực và chuyển vị được thỏa mãn (tức là xác định được chính xác các lực tương tác giữa các phần tử lân cận), thì mô hình thay thế làm việc hoàn toàn giống kết cấu thực

+ Khả năng áp dụng: có thể xem phương pháp PTHH là một phương pháp vạn năng Đó là ưu điểm thứ ba Áp dụng phương pháp PTHH có thể giải được những bài toán hết sức phức tạp, thậm chí trước đây dùng các phương pháp khác không giải được

Trong lĩnh vực cơ học môi trường liên tục, người ta áp dụng phương pháp PTHH bằng các sở dụng phối hợp các phần tử khác nhau (các phần tử điểm phần tử đường phần tử khối,.v v…) và theo nguyên lý cộng tác dụng, dễ dàng phân tích được các bài toán kết cấu hỗn hợp, kết cấu có sườn bất kì, kết cấu có hình dạng phức tạp,.v v… Với bài toán có lỗ khoét, một số tác giả sử dụng khái niệm phần tử ảo để phân tích và đã cho kết quả đảm bảo độ tin cậy

2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo phương pháp phần tử hữu hạn

1 Mô hình hóa:

Chương trình máy tính: Chương trình máy tính để phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn phải phù hợp với yêu cầu phân tích dự kiến Độ tin cậy của chương trình phải được chứng minh là thoả mãn yêu cầu của Đăng kiểm trước khi tiến hành việc phân tích

Việc mô hình hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn tàu tính toán cần phải tuân theo các bước cơ bản sau đây:

- Mô hình hóa phải tuân theo các bản vẽ của tàu tính toán Danh mục các bản

vẽ, hồ sơ của tàu tính toán phải rõ ràng, có ghi rõ ngày tháng, kể cả các lần sửa đổi nếu có

- Mô tả chi tiết các quy tắc mô hình hóa kết cấu và những thay đổi của mô hình

so với kết cấu thực

- Sơ đồ mô hình của kết cấu, xác đinh mục đích của mô hình hóa:

+ Mô hình tổng thể

+ Mô hình ước định: 2 khoang, 3 khoang giữa tàu

- Đặc tính vật liệu, chiều dày tấm

Trang 20

- Đưa ra được khối lượng bản thân tàu tính toán (Nếu có)

- Chia lưới phần tử phải phù hợp với việc phân tích độ bền

- Chia lưới nhỏ, phân tích độ bền cục bộ cho các khu vực nguy hiểm, nghi vấn

về độ bền

2.Xác định điều kiện biên, lực tác dụng, các trường hợp tải trọng và phân tích

- Nêu chi tiết về đặt điều kiện biên

- Các lực tác dụng lên tàu (Sóng, gió…)

- Các trường hợp tải trọng phân tích: Phân bố lực, khối lượng tải trọng phân bố tại các khoang, két dằn… Phân bố lực cũng như tải trọng phải tuân theo bản vẽ bố trí chung

- Nhập dữ liệu, sau đó chạy phân tích

3.Xử lí kết quả phân tích:

- Tổng hợp các đồ thị, dữ liệu phần mềm xuất ra

+ Phân bố tải (lực tác dụng)

+ Lực nổi trên sóng (nếu có)

+ Mô men uốn

+ Lực cắt

- Tổng hợp biến dạng, ứng suất lớn nhất của tàu tính toán của mỗi trường hợp tải trọng, từ đó đưa ra kết luận về trường hợp nguy hiểm nhất

- Đưa ra được vị trí, phần tử có độ biến dạng, ứng suất lớn nhất

- Đánh giá các giá trị về ứng suất và độ biến dạng: Đưa ra kết luận về độ bền và các phương pháp sử lí:

+ Dư bền: Đánh giá về độ dư bền, tối ưu hóa kết cấu

+ Thiếu bền: Tăng độ dày thép, các biện pháp gia cường

- Đưa ra bản đánh giá chi tiết độ bền

- Liệt kê các kết quả chỉ rõ sự phù hợp với các tiêu chuẩn thực tế

- Kết luận

Trang 21

2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8

2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Các phần mền có khả năng phân tích độ bền tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn: RDM, SAP, MISA(Nhật), NASTRAN, MAESTRO(Mỹ), ASKA(Đức), ANSYS, SESAM (Na uy), AMUR(Nga)

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

phần tử hữu hạn do giáo sư Yves DEBARD ( Đại học Le Mans ) của Pháp viết dùng

để tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán về đàn hồi lực phẳng, truyền nhiệt uốn tấm….RDM gồm có 3 modun chính:

- Flexion: cho phép tính kết cấu dầm phẳng

- Ossatures: Cho phép tính kết cấu khung dàn

- Elements finis: Cho phép tính bài toán đàn hồi phẳng và đối xứng trục, truyền nhiệt phẳng và đối xứng trục, tấm uốn

+ SAP 2000 (Structural Analysis Program) là phần mềm áp dụng phương pháp

phần tử hữu hạn trong tính toán cơ học mà người đặt nền móng là Giáo sư Edward L.Wilson (University Avenue Berkeley, California, USA) Nó bao gồm các phiên bản SOLIDSAP, SAP3, SAP IV, SAP80, SAP90, SAP 2000 Trong đó SAP 2000 là một bước đột phá của họ phần mềm SAP, mà theo CSI tuyên bố SAP 2000 là công nghệ ngày nay cho tương lai ( technology today for future ) SAP 2000 đã tích hợp các chức năng phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và chức năng thiết kế kết cấu thành một SAP2000 có khả năng tính toán mạnh, hỗ trợ nhiều loại kết cấu làm việc ở nhiều trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải trọng như: hệ thanh,

hệ 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 Về vật liệu có thể

mô tả vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng hay vật liệu với các tính chất phi tuyến Về mặt tải trọng tác dụng, SAP2000 hỗ trợ rất tốt với sự đa dạng về thể loại đó là: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng lực…

SAP2000 có 3 cấp khác nhau: Cơ bản – Basic (B), Bổ sung – Plus (P) và Nâng cao- Advanced (A) Có cả các môđun thêm vào (add-on modules)Cầu-Bridge (BR),

Trang 22

Công trình ngoài khơi/sóng – Offshore/wave (OS), Thi công theo giai đoạn – Staged Construction (SC)

+ 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 Phần mềm STAAD.Pro phù hợp với nhiều dạng công trình bao gồm Tháp, nhà máy hóa dầu, hầm, cầu, sân vận động, và các công trình

hàng hải,vv

+ ABAQUS là một bộ phần mềm lớn, trong công trình dùng để mô phỏng làm

việc của công trình bằng phương pháp số Nói cách khác, ABAQUS là bộ phần mềm thương mại, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) để tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị, giao động,… và các ứng xử khác của công trình dưới tác động của các ngoại và nội lực, các lực tĩnh và động

Abaqus là phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người dùng, sử dụng tương đối đơn giản Hiện nay Abaqus có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn có hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS>CAE là khối giao tiếp với người dùng, làm các công tác tiền sử lý như thiết lập mô hình gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia lưới… ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và sử lý kết quả

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

(Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính (preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor) ANSYS gồm 03 Modul chính: Ansys Worksbench, CFX, Ansys LS/Dyna

 Ansys Worksbench: Là Module tính toán hệ cơ khí trong môi trường liên tục Việc xây dựng mô hình 3D trên môi trường CAD suất sang môi trường tính toán

Trang 23

của Ansys WB và áp đặt các giá trị tải trọng cho phép khai thác các giá trị ứng suất, biến dạng của hệ Từ đó cho phép đánh giá khả năng làm việc của cơ cấu

 CFX: Là Module sử dụng hiệu quả trong việc xác định phân bố lưu lượng và nhiệt độ trong một dòng chảy.Có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp

 Ansys LS/Dyna: là modul giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao

mô phỏng các quá trình va chạm, chế tạo áp lực, các quá trình xảy ra với biến dạng lớn

+ VISUAL NASTRAN : Một chương trình đầy quyền năng do NASA thực

hiện, có những lệnh và công cụ mạnh giúp người thiết kế có thể xây dựng, mô tả nhiều đặc trưng của hệ thống cơ, một khi xây dựng xong mô hình, người thiết kế có thể tiến hành mô phỏng đặt các lực (ngẫu lực, trọng lực, lực tập trung, lực ma sát v.v) lên mô hình để khảo sát Với Visual Nastran người dùng có thể:

 Thiết kế thử nghiệm nhiều mẫu mã khác nhau và phân tích thiết kế bằng cách đo các giá trị lực, moment, gia tốc của bất kỳ chi tiết nào trong hệ thống

 Cho phép mô phỏng nhiều dạng liên kết cơ bản như liên kết thanh, khớp quay, tời, rãnh trượt hay các liên kết phức tạp như bánh răng, motor, cơ cấu chấp hành,

lò xo thẳng, lò xo xoắn, giảm chấn v.v

 Có thể thực hiện, dừng, hiệu chỉnh lại quá trình mô phỏng tại bất kỳ thời điểm nào

 Khả năng mô hình hóa cho các phương pháp phân tích FEM, BEM Kết quả

có thể xuất ra dưới định dạng vector, giá trị số hay đồ thị với các hệ đơn vị khác nhau

 Có thể phân tích kết cấu tĩnh cho kết quả biểu đồ nội lực, mô phỏng quá trình thường gặp trong cuộc sống như tiếp xúc, va chạm, ma sát

 Các thông số cho quá trình mô phỏng có thể nhập từ nhiều cách khác nhau như: Từ các ô nhập liệu, thanh trượt, từ bảng tính Excel hay kết quả tính toán từ MatLab

 Giao tiếp và nhập dữ liệu từ AutoCAD hay kết quả từ các chương trình CAD-CAM khác như Solid Edge, SolidWorks, Inventor, Catia v.v

+ SESAM: là bộ phần mềm của DNV dùng để tính toán và kiểm tra bền cho

các kết cấu tàu thủy, công trình biển dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn.Bao gồm các modun sau: Sesam GeniE, Sesam GeniE Lite, Sesam Hydro D, Sesam DeepC, Sesam Pipeline, Sesam Wind, Sesam Probability, Sesam SurveySimulator

Trang 24

 SESAM Genie là một công cụ phần mềm dùng để thiết kế và phân tích kết cấu ngoài khơi và hàng hải làm bằng dầm và tấm

 SESAM Genie Lite là một công cụ phần mềm dùng để mô hình hóa, phân tích, xử lý kết quả và kiểm tra các dầm được thực hiện trong môi trường đồ họa tương tự

 SESAM HydroD là một công cụ cho thủy tĩnh và phân tích thủy động lực học

 SESAM DeepC là một công cụ để thiết kế neo và ống dẫn cũng như quá trình hoạt động của các cấu trúc nổi ngoài khơi Nó sẽ thực hiện phân tích riêng neo hoặc bao gồm cả các ảnh hưởng từ ống dẫn và tàu

 SESAM Pipeline là phần mềm dùng để tính bền và phân tích độ bền mỏi của đường ống ngoài khơi

 SESAM Wind là phần mềm dùng để tính bền và phân tích độ bền mỏi của tua bin gió ngoài khơi và các cấu trúc phụ

 Sesam Probability là phương pháp phân tích xác suất theo nhiều loại khác nhau

+ MAESTRO (Mỹ): Đây là phần mềm do Giáo sư Owen Hughes hình thành

và phát triển, 1982–1983 nó được chuyển đến người sử dụng MAESTRO là một chương trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, đánh giá và tối ưu hóa cấu trúc của tàu, kết cấu ngoài khơi, và các cấu trúc mỏng lớn và phức tạp khác

2.4.2 Giới thiệu về Maestro 9.0.8

Trang 25

MAESTRO 9.0.8 là công cụ thiết kế đặt biệt dành cho các kỹ sư hàng hải và những người có nhu cầu phân tích đánh giá độ bền trong trạng thái giới hạn bằng phương pháp phần tử hữu hạn Mục tiêu của bất kì phân tích tích kết là để xác định chính xác sự thay đổi của kết cấu, cái mà được mô hình hóa với phần tử hữu hạn và chịu tải trọng nhất định MAESTRO hoàn thành mục tiêu này thông qua một giao diện người dùng đồ họa dựa trên Windows giúp người dùng có thể hoàn thành các mô hình cấu trúc (tiền xử lý), tàu dưới tác dụng của tải trọng, phân tích theo phần tử hữu hạn, đánh giá trạng thái giới hạn, và sau xử lý

- MAESTRO là phần mềm có khả năng thiết kế kết cấu một con tàu hoàn chỉnh với:

- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng

- Đặt tải dựa vào mô hình

- Phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Đánh giá kết cấu

- Tối ưu hóa

- Phân tích theo mô hình lưới tốt

- Tần số tự nhiên

+ Các module cơ bản của Maestro :

- Modeling/Analysis/Evaluation:Module này bao gồm các công cụ hổ trợ xây dựng mô hình đồ họa để phát triển mô hình cấu trúc MAESTRO và khả năng sau xử lý đầy đủ

- Finemesh Analysis:Module này cho phép người dùng tạo ra lưới FEA 3-D của bất kì phần nào của mô hình MAESTRO một cách nhanh chóng

- Eigenvalue Solver (Natural Frequency):MAESTRO có thể tính toán tần số

tự nhiên của con tàu trong nước hoặc không khí Khi phân tích được thực hiện trong nước, khối lượng tăng thêm của nước được tự động áp dụng cho phần tử ướt

- Optimization:Module này cho phép người dùng lập trình tuyến tính tuần tự

để thiết kế lại cấu trúc

- ALPS/ULSAP

- ALPS/HULL

- Nastran Translator

- ANSYS Translator

Trang 26

Hình 2.3.Cấu trúc mô hinh trong Maestro

Ưu điểm của MAESTRO:

 Dễ dàng tạo sữa đổi và điều chỉnh mô hình lưới thô

 Lực tương tác trên tàu dựa trên

Khoang hang

Yếu tố thủy tĩnh

Trong môi trường thủy động

 Đánh giá và điều kiển kết cấu

 Hợp nhất và tiêu chuẩn cấu trúc

 Tạo ra mô hình lưới thô và lưới tốt

Trang 27

Chương III: Kết quả nghiên cứu

3.1.Giới thiệu chung về tàu tính toán

3.1.1.Các thông số chính

Các thông số cơ bản của tàu :

+ Chiều dài lớn nhất: Lmax = 145.3 m

+ Chiều dài thiết kế : LTK = 136.6 m

Tàu thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang và khung dàn mạn bố trí 2 xà dọc mạn

và các sườn khỏe đặt xen kẽ, đáy đôi được thiết kế từ vách sau khoang máy đến vách khoang hàng ở mũi tàu, khoảng cách sườn a=800mm Boong tàu bố trí các dầm ngang boong tương ứng với sườn

Trang 28

Quy cách một số kết cấu tàu tính toán :

Bảng 2.1.Quy cách các kết cấu của tàu dầu 13 500DWT

Dưới đây là các bản vẽ đường hình, kết cấu cơ bản, bố trí chung và mặt cắt ngang của tàu dầu 13500DWT :

Trang 31

5750 5750

3950 1550 3950 1550

Trang 34

3.2.Ứng dụng phần mềm Maestro 9.0.8 vào giải bài toán bền kết cấu thân tàu cụ thể

Quá trình giải được thực hiện theo trình tự sau:

Bước 1: Khởi động phần mềm Maestro

Bằng cách click vào biểu tượng

Hình 3.1.Biểu tượng của Maestro

Trên màng hình xuất hiện giao diện như sau:

Hình 3.2.Giao diện của Maestro

Trang 35

Bước 2: Khai báo các thông tin

1.Đặt tiêu đề cho bài toán

Vào File>Job information hoặc lấy từ thanh công cụ bên trái màng hình bằng cách nhấn chuột trái vào biều tượng

Hình 3.3.Hộp thoại khai báo thông tin công việc

Tại mục Title ta đặt tên tiêu đề của bài toán: tau dau 13500DWT

2.Cài đặt đơn vị: File>Units

Hình 3.4.Hộp thoại đặt đơn vị

Trang 36

Trong hộp thoại Standard Unit Systems chọn đơn vị SI (N,mm) sau đó nhấn chuột vào Apply to Parameter Data rồi nhấn OK

3.Khai báo vật liệu: Model>Properties

Hình 3.5.Hộp thoại khai báo vật liệu

Chọn loại vật liệu Isotropic (đẳng hướng) tại mục Type, ta tạo thêm các vật liệu mới bằng cách đặt tên, ID và khai báo các thông tin sau đó nhấn chuột vào Create

Khai báo đặc trưng hình dạng kết cấu: lấy từ thanh công cụ bên trái màn hình bằng cách nhấn chuột vào biểu tượng hoặc vào Model > Properties

Hình 3.6.Hộp thoại khai báo đặc trưng của tấm

đưa chuột đến khoảng trống và nhấn chuột phải chọn add, sau đó đặt tên và điền các thông số cho vật liệu cần khai báo

Trang 37

Hình 3.7.Hộp thoại đặc trưng tấm sau khi khai báo xong

Bước 3: Xây dựng mô hình tính

Dựa vào các kích thước đo được trên mặt cắt ngang ta xác định tọa độ các điểm EndPoint để vẽ

Hình 3.8.Các kích thước đo trên mặt cắt ngang

Định dạng
Số trang	75
Dung lượng	4,87 MB