ĐỘ BỀN TẦU THỦY

www.thuvien247.net TÀI LIỆU HỌC TẬP GIÀNH CHO SINH VIÊN KHOA ĐĨNG TÀU & CƠNG TRÌNH NỔI ĐƠ BỀN TÀU THỦY NHÀ XUẤT BẢN XXXX www.thuvien247.net xxx ĐỘ BỀN TÀU THỦY NHÀ XUẤT BẢN XXXXXXXX www.thuvien247.net Trang để trống www.thuvien247.net Mục lục Chương Độ bền chung thân tàu Uốn tàu nước Sóng nước tải sóng Tính tốn lực cắt momen uốn dọc phương pháp số Điều kiện đưa kết cấu vào tham gia mặt cắt ngang tương đương Hiệu chỉnh đặc tính vật liệu cho dầm tương đương Ứng suất cắt Xoắn thân tàu Ổn định thuộc vỏ tàu Ví dụ kiểm tra độ bền chung 10 Ứng suất vỏ tàu kết cấu dọc trường hợp uốn chung 11 Tiêu chuẩn bền 12 Tính độ bền chung thân tàu nằm đốc khơ, đốc 13 Ví dụ tính lực cắt, momen uốn cơng trình ngồi khơi 14 Phạm vi ứng dụng lý thuyết sóng phân tích độ bền kết cấu cơng trình Chương Tính lực cắt, momen uốn tàu sở lý thuyết xác suất Sóng biển tải sóng Xác định đáp ứng tàu sóng tự nhiên Xác định tải sóng lên tàu theo lý thuyết xác suất Thủ tục tính lực cắt, momen uốn tàu sóng biển Chương Tính chọn kết cấu định hình Mặt cắt thânh chịu lực dọc Xác định diên tích, momen chống uốn mặt cắt kết cấu chịu uốn Diện tích bề mặt chịu cắt Thiết kế thành đứng kết cấu chữ I, T Xác định mặt kết cấu T Đặc tính mặt cắt ngang nẹp chịu uốn Chương Kết cấu thân tàu Thiết kế kết cấu thân tàu Xây dưng tốn thiết kế Ví dụ minh họa Chương Tính độ bền cục thân tàu cơng trình di động Mơ hình truyền tải từ môi trường đến kết cấu thân tàu Tải trọng cục Mơ hình kết cấu thân tàu thành giàn phẳng Chiều rộng mép kèm Độ bền sươn tàu Giàn đáy Giàn boong Giàn mạn Chuyển vi, ứng suất, biến dạng hình chữ nhật Chương Đăng kiểm tàu Qui phạm đóng tàu Cơ quan phân cấp đăng kiểm tàu Yêu cầu đảm bảo độ bền chung 8 18 44 45 46 50 54 58 61 62 64 67 71 73 73 80 83 87 97 97 97 99 100 104 108 110 110 113 115 126 126 127 129 130 131 137 146 151 166 172 172 174 www.thuvien247.net Yêu cầu ổn định kết cấu Chiều dày tôn bao Nẹp gia cứng Chương Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích độ bền kết cấu thân tàu Thứ tự giải toán học kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn Mô hình hóa Kích cỡ phần tử dùng mơ hình hóa Áp đặt tải Phân tích độ bền cục thân tàu Mơ hình khung, dầm tàu Mơ hình boong Mơ hình kết cấu mạn Kết cấu vách 10 Đáy tàu xét giàn trực giao 11 Mơ hình khơng gian 3D 12 Kết cấu tàu hai thân Chương Độ tin cậy kết cấu thân tàu Độ tin cậy Tính tốn độ tin cậy kết cấu Phương pháp tính xác định xác suất hư hoại Biến ngẫu nhiên Phân tích điều khơng chắn từ tải độ bền Chọn hàm phân bố Bất khả tín thiết kế kết cấu tàu Các phương pháp tính Xác định hệ số sử dụng tải (S) trở lực (R) 10 Độ tin cậy kết cấu tàu 11 Độ bền tính tốn thân tàu Chương Độ bền mỏi Công thức Miner Tải gây mỏi, ứng suất mỏi Phương pháp tất định phân tích mỏi Tính mỏi thân tàu, cơng trình ngồi khơi theo phương pháp phân tích phổ Thư viện đường S – N Kiểm tra mỏi theo ứng suất mỏi cho phép Tính độ bền mỏi tàu hàng khô Sơ đồ tổ chức chương trình tính mỏi giàn jack-up Đánh giá bền mỏi tàu dầu 10 Bổ sung tài liệu tính độ bền mỏi 225 226 228 230 232 231 232 237 239 241 245 246 246 249 250 254 256 263 262 275 295 Tài liệu tham khảo 304 184 174 193 197 197 197 198 199 201 207 219 212 213 213 215 223 225 www.thuvien247.net Mở đầu Sách SỨC BỀN TÀU THỦY trình bày vấn đề liên quan tính tốn đánh giá bền thân tàu Nội dung bao gồm: tính tốn đánh giá độ bền dọc, hay hiểu độ bền chung thân tàu, độ bền cục bộ, ổn định kết cấu, độ bền mỏi kết cấu giàn khoan, tàu thủy Độ tin cậy kết cấu trình bày chương nhằm giúp người đọc hiểu sử dụng phương pháp mẻ phân tích bền thân tàu Chương sách giới thiệu ví dụ áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích bền cục kết cấu thân tàu Nội dung trình bày sách nhằm tạo điều kiện giúp người đọc phân tích đánh giá trạng thái giới hạn vật liệu tham gia kết cấu thân tàu, là: (1) trạng thái chảy , (2) trạng thái ổn định (3) mỏi dẫn đến hư hoại Những tiêu chuẩn bền áp dụng đánh giá trạng thái trình bày sát với tình hình phát triển chuyên ngành, nước giới, năm gần Những người viết SỨC BỀN TÀU THỦY hy vọng rằng, sách có ích cho bạn đọc theo học ngành đóng tàu cho đồng nghiệp nghiên cứu, làm việc thuộc chuyên môn Những người viết www.thuvien247.net Chương Độ bền chung thân tàu UỐN TÀU TRÊN NƯỚC Thân tàu mơ hình hóa dầm liên tục, làm từ vật liệu đàn hồi, làm việc nước Ở tư dầm gánh chịu sức nặng trọng lượng thân, hàng hóa, người tàu đồng thời chịu tác động lực hay gọi lực Archimedes Hãy đặt tàu hệ tọa độ gắn liền với thân tàu, với trục Ox hướng dọc thân tàu, trục Oz hướng lên xem xét lực tác đông đến thân tàu Trọng lực tác động theo chiều hút trường trái đất, ln muốn kéo tàu chìm sâu vào nước Trong lực nổi, hiểu theo nghĩa định luật Archimedes, tác động theo hướng ngược lại Thân tàu nằm nước tĩnh giới thiệu hình 1.1a Nếu ký hiệu phân bố trọng lượng tàu thời điểm xem xét p(x), hình 1.1a, cịn phân bố lực b(x), hình 1.1b, phân bố tải trọng tác động lên thân tàu là: q(x) = p(x) - b(x) (1.1) Phân bố trọng lượng p(x) gồm tập họp phân bố trọng lượng tàu không, phân bố hàng chứa tàu vv, tùy thuộc điều kiện khai thác Phân bố lực từ nước tác động đến thân tàu phụ thuộc cấu hình tàu, tư tàu nước Phân bố q(x) tính theo (1.1) có dạng đặc trưng giới thiệu hình 1.1c Có thể để ý với tàu nằm cân nước biểu đồ hình 1.1c thỏa mãn điều kiện cân lực, tức diện tích đường gãy khúc, nằm trục Ox, diện tích phần nằm trục này, thỏa mãn đồng thời điều kiện cân momen Biểu đồ lực cắt thân tàu trình bày hình 1.1d, kết phép tích phân phân bố q(x): x F ( x) = ∫ q ( x)dx Momen uốn thân tàu, tính theo cơng thức: x x x 0 M ( x) = ∫ F ( x)dx = ∫ ∫ q( x)dxdx trình bày hình 1.1e Thân tàu dầm đàn hồi, tác động momen uốn dọc xem xét bị vồng lên (hogging) võng (sagging) Tàu nước tĩnh song thời gian hoạt động phần lớn thời gian tàu phải nằm sóng Vị trí tàu nằm sóng, profile sóng ảnh hưởng rõ nét đến phân bố lực tàu, đến momen uốn, lực cắt tàu Hình ảnh profile sóng thân tàu giới thiệu hình 1.2a, cịn tàu bị uốn sóng trình bày hình 1.2b Hình 1.1 Phân bố tải, lực cắt, momen uốn tàu, tinh cho trường hợp tàu nằm nước tĩnh www.thuvien247.net Hình 1.2b Thân tàu vồng (hogging) võng (sagging) sóng Hình 1.2a Tàu nằm sóng Phần đầu việc tìm hiểu độ bền chung thân tàu tìm cách xác định lực cắt, momen n thân tàu cho trạng thái tàu gặp khai thác: tàu nằm nước tĩnh tàu nằm sóng SĨNG NƯỚC VÀ TẢI SĨNG Sóng mặt nước thuộc nhóm sóng trọng trường, thường gió gây sơng, biển, đại dương Hai phương pháp xem xét sóng nước dùng thuộc hai phương pháp toán khác song mang lại hiệu quả, là: (1) - Phương pháp tất định xem xét sóng khơng gian thời gian xác định phép tính giải tích phương pháp số Phương pháp dựa vào sở lý thuyết sóng biên độ thấp cổ điển sóng biên độ hữu hạn (sóng phi tuyến) để diển tả có tính định hình sóng có mặt biển, đại dương (2) - Phương pháp xác suất tìm hiểu qui luật phát triển sóng, truyền sóng, tác động sóng lên cơng trình phép tính xác suất - thống kê, từ liệu thu thập thời gian đủ dài Với phép phân tích phổ xác định đặc trưng hình học, học sóng vùng quan tâm 2.1 SĨNG BIÊN ĐỘ THẤP Sóng nước biên độ thấp tạo môi trường chịu ảnh hưởng trực tiếp lực hút trái đất, xét phạm vi lý thuyết sóng tuyến tính Lý thuyết sóng trọng trường G.B.Airy phát triển từ kỷ XIX Những giả thuyết sóng Airy tóm tắt sau: Nước có tỷ trọng phân bố đều, chiều sâu vùng nước không đổi, Ảnh hưởng độ nhớt lực căng mặt thống khơng đáng kể, Biên độ sóng nhỏ, Chuyển động sóng coi khơng xốy Với sóng hai chiều (sóng phẳng), phải thỏa mãn điều kiện liên tục dạng phương trình Lapce: ∂ 2φ ∂ 2φ + =0 ∂x ∂y (1.2) φ - hàm tốc độ Hình 1.3 Sóng Airy Từ hàm vận tốc tính đặc tính chuyển động sóng, trường vận tốc áp lực dịng Mặt khác để tích phân phương trình Laplace cần thiết phải xác lập điều kiện biên Biên toán gồm đáy vùng nước, cách mặt tĩnh ban đầu khoảng cách H (hoặc sau phần ký hiệu d), biên xa vơ phía phải phía trái, biên xác định mặt sóng www.thuvien247.net η(x,y,t) Trong phạm vi lý thuyết tuyến tính, hàm φ hiểu hàm điều hịa, viết dạng: C φ = cosh k ( y + d ) exp[−i (kx − ωt )] (1.3) k C số xác định tiếp Mặt đẳng áp sóng xác định theo điều kiện nêu, mặt y = độ dâng mặt sóng tính theo công thức: ∂φ ωC η=− hay là: η = − cosh kd i exp[−i (kx − ωt )] y =0 gk g ∂t Nếu ký hiệu: a = − ωC gk cosh kd , hàm η mang dạng η = a.i exp[−i (kx − ωt )] , hàm φ trở thành: ag cosh k ( y + d ) (1.4) exp[−i (kx − ωt )] ω cosh kd Sóng phẳng biên độ thấp hay cịn gọi sóng tiến thuộc nhóm sóng có hàm dạng (1.4) Nếu lấy phần thực hàm phức, hàm vận tốc sóng biên độ thấp có dạng: ag cosh k ( y + d ) φ =− sin(kx − ωt )] (1.5) ω cosh kd Mặt sóng trường hợp là: ∂φ ( x,0, t ) η=− = a cos(kx − ωt ) (1.6) g ∂t φ =− Tại vị trí đỉnh sóng đáy sóng giá trị cos(kx-ωt) = 1, điều có nghĩa kx -ωt = mπ với m = 0,1,2,… Từ viết: mπ ω x= + t (1.7) k k Đỉnh sóng (hoặc đáy sóng) di chuyển theo hướng trục Ox với vận tốc đều: c= ω (1.8) k Chiều dài sóng đo từ vị trí đỉnh (hoặc đáy) đến vị trí đỉnh (hoặc đáy) gần nhất, tính phép trừ đơn giản: λ = xm+2 - xm = 2π/k (1.9) Hai quan hệ (1.7) (1.8) cho phép viết: c= g kd = k gλ 2πd 2π λ (1.10) Có thể thấy 2πd/λ nhỏ, có nghĩa nước cạn, d nhỏ, tanhkd ≈ kd, lúc cơng thức tính c cịn là: c = gd (1.11) Góc dốc sóng tính phép đạo hàm η theo x mang giá trị: 10 www.thuvien247.net ∂η = −ak sin( kx − ωt ) (1.12) ∂t Trong thực tế góc αw thường nhỏ, nhờ tính tốn thay biểu thức tgαw giá trị tương đương αw, tgαw ≈ αw Bằng cách giá trị lớn góc dốc sóng tính công thức: 2πa (1.13) α w,max = ak = tgα w = λ Sóng biên độ thấp cho thấy, vận tốc sóng, chu kỳ chiều dài sóng khơng phụ thuộc vào biên độ sóng Với biên độ sóng định tồn chiều dài sóng khác nhau, chu kỳ khác Điều đặc trưng với sóng biên độ nhỏ song khơng áp dụng cho sóng biên độ hữu hạn Tổng lượng sóng: ρa k c λ sinh 2kd 1 ρga λ = ρga λ 8k sinh kd Tổng lượng hai lần năng, sóng động 2.2 SĨNG ĐIỀU HỒ Phương trình sóng điều hịa hay sóng hình sinus: Ew = + (1.14) η = A cos(kx − ωt ) A - biên độ sóng Các đại lượng đặc trưng sóng điều hịa Chiều dài sóng, L λ, chiều dài hai đỉnh sóng hai đáy sóng kề Chiều cao sóng, ký hiệu Hw, hw, chiều cao đỉnh đáy sóng, hai lần biên độ sóng A Tốc độ sóng c tốc độ di chuyển đỉnh sóng, c = λ/ T c = gλ ≈ 1,25 λ 2π Chu kỳ sóng: T= 2πλ ≈ 0,8 λ g (1.15) Góc nghiêng lớn profil sóng gọi góc sóng xác định theo cơng thức: 2π α max = A λ Chuyển động phần tử nước, tính theo cơng thức từ lý thuyết sóng: ς a gk dx ∂φ = = cos(kx − ωt ) cosh( y + d ) dt ∂x ω cosh kd (1.16) ς a gk dz ∂φ = = sin( kx − ωt ) sinh( y + d ) dt ∂z ω cosh kd Nếu thay biến x y thuộc vế phải phương trình giá trị tương ứng phần tử nước trạng thái cân bằng, ví dụ x0, y0 sau tích phân nhận được: 11 www.thuvien247.net Sử dụng ứng suất tổng cọng kết cấu đường S-N nêu sách xác định tổn thương tích lũy mỏi D = 0,87 Đánh giá mỏi trạm chứa dầu không bến FSO Trạm chứa dầu không bến (FSO) hoạt động Việt nam cải biên từ tàu chở dầu Kích thước tàu: L = 280,9m; B =45m; D = 25,4m; d = 18,7m Lượng chiếm nước Δ = 200883T Hệ số béo thể tích CB = 0,83 Đặc trưng hình học mặt cắt ngang tàu: Momen quán tính 4439897 m2cm2 Chiều cao trục trung hòa ki 10,705 m 377637 cm3 Mô đun chống uốn Wboong 415951 cm3 Wđáy Kết tính thực phịng CTB – Cơng trình biển, Đăng kiểmViệt nam sau Vị trí xem xét: Mối nối kết cấu dọc khung ngang mặt tàu Mơ hình tính Mơ hình PTHH phân tích ứng suất Kích cỡ phần tử: khoảng cách hai nẹp dọc, kiểu phần tử PLATE Mơ hình PTHH tính mỏi: phần tử SHELL, kích cỡ chiều dày tơn Phân bố Weiblum Tham số hình dáng phân bố Weiblum: 0,81 RAO Theo thuyết OSM Phổ sóng biển ISSC 1964 Kết tính Đồ thị trình bày RAO giới thiệu hình 9.54 a) RAO lắc đứng 296 www.thuvien247.net b) RAO lắc dọc c) RAO lắc ngang Hình 9.54 RAO FSO RAO momen uốn tính cho mặt tàu trình bày hình 9.55 Hình 9.55 RAO momen uốn dọc tàu RAO áp lực thủy động trình bày hình 9.56, 9.57 297 www.thuvien247.net Hình 9.56 RAO thủy động lực mạn đầu sóng Hình 9.57 RAO thủy động lực mạn sóng 298 www.thuvien247.net Hình 9.58 Giá trị hữu nghĩa momen uốn tàu sóng tính mặt tàu Trạng thái biển tính tốn: Vùng biển nam Việt nam phân thành 72 trạng thái tính tốn Mười trạng thái đầu sau: Bảng 9.11 SeaSt h1/3 (m) Peak τ (s) Occu, (%) 0.5 7.1 0.2690 7.1 0.0498 1.5 7.1 0.1494 7.8 0.0697 2.5 7.8 0.0598 7.8 0.0498 3.5 8.5 0.0199 8.5 0.0100 4.5 8.5 0.0498 10 8.5 0.0100 Tồn chu trình tính tốn 1,0x10 Range ứng suất xác định cho trạng thái biển Tổn thương mỏi xác định cho cấp xác định đường S-N Tổn thương mỏi tính cho năm từ tổng tồn tổn thương mỏi tính cho trạng thái biển Bảng 9.12 giới thiệu kết tính tỗn thương mỏi năm, tùy thuộc trạng thái biển Tuổi thọ mỏi ghi dòng cuối bảng Bảng 9.12 Del(Mw), (T-m) 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 60367.67 Stress, (MPa) 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 46.68 D = 1/Ni 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 2.361E-07 DAMAGE 4.4971E-06 1.7734E-07 1.8254E-06 4.1108E-07 3.4225E-07 2.6714E-07 4.3848E-08 1.2358E-08 299 www.thuvien247.net 67913.62 75459.58 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 60367.67 67913.62 75459.58 83005.54 90551.50 98097.46 105643.41 113189.37 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 60367.67 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 60367.67 67913.62 75459.58 83005.54 48.36 50.03 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 46.68 48.36 50.03 51.71 53.38 55.06 56.73 58.41 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 46.68 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 46.68 48.36 50.03 51.71 2.624E-07 2.906E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 2.361E-07 2.624E-07 2.906E-07 3.208E-07 3.53E-07 3.872E-07 4.236E-07 4.623E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 2.361E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 2.361E-07 2.624E-07 2.906E-07 3.208E-07 3.4066E-07 1.5213E-08 5.5149E-04 1.2640E-03 5.5403E-03 4.0343E-03 3.9522E-03 4.1364E-03 3.0418E-03 1.2403E-03 1.5028E-04 6.1841E-05 1.0406E-05 4.3378E-06 6.6979E-07 1.7024E-07 1.9406E-08 5.8900E-04 5.5654E-04 3.2790E-04 2.8259E-05 4.1887E-06 2.6714E-07 9.8998E-08 1.2358E-08 9.7966E-05 9.7150E-06 5.1940E-07 8.4625E-09 9.5709E-09 2.2742E-04 4.2087E-05 9.9428E-06 7.5643E-08 2.3735E-07 2.6714E-07 4.3848E-08 1.2492E-03 2.0090E-03 6.3300E-03 1.6783E-03 7.8240E-04 9.8520E-05 1.1972E-05 1.4838E-06 1.3736E-08 1.5213E-08 1.3869E-07 300 www.thuvien247.net 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 60367.67 67913.62 7545.96 15091.92 22637.87 30183.83 37729.79 45275.75 52821.71 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 46.68 48.36 34.96 36.64 38.31 39.99 41.66 43.34 45.01 Fatigue Life 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 2.361E-07 2.624E-07 9.916E-08 1.141E-07 1.305E-07 1.483E-07 1.678E-07 1.888E-07 2.116E-07 ∑ 2.4495E+01 7.0614E-05 2.6988E-04 1.6217E-03 6.3524E-04 1.4611E-04 1.8866E-05 3.1789E-06 4.4193E-07 1.3736E-08 1.3873E-06 3.7566E-06 1.1695E-06 2.0987E-07 2.3735E-07 1.0772E-08 4.3848E-08 4.0825E-02 years Tuổi thọ mỏi xác định cho tàu đóng, tính cho nhiều nút kết cấu khác từ 20 năm đến 32 năm 11 Bổ sung tài liệu tính độ bền mỏi 11.1 Phổ sóng biển Phổ Pierson-Moskowitz , năm 1964 Căn vào liệu thu thập sóng biển Đại Tây dương, sóng phát triển hồn tồn (full developed) hai tác giả đề xuất cơng thức tính phổ: ⎧ 0,74 g ⎫ 8,1*10 −3 g (A.1) Sζ (ω ) = exp ⎨− 4 ⎬ ω5 ⎩ U ω ⎭ đó: U - vận tốc gió tính độ cao 19,5m mặt biển, (m/s) Công thức áp dụng cho trường hợp vận tốc gió đến 45 HL/h Khi biết giá trị U, tính chiểu cao hữu nghĩa “significant wave height” theo công thức: Khi U đo HL/h : h1/3 = 1,82x10-2 U2 ( ft) Khi U đo m/s : h1/3 = 2,12x10-2 U2 ( m) Tần số sóng : T = 0,81 (2πU/g) Phổ ITTC tham số, kiến nghị hội nghị ITTC lần thứ 11 ⎧ 3,11 / h12/ ⎫ 8,1x10 −3 g (A.2) S ζ (ω ) = exp ⎨− ⎬ ω5 ω4 ⎭ ⎩ Phổ ISSC (hội nghị độ bền tàu thủy) ⎧⎪ 0,11 ⎛ ω ⎞ ⎛ Tvω ⎞ ⎫⎪ Sζ(ω) = exp , 44 H v Tv ⎜ Tv (A.3) − ⎟ ⎬ ⎜ ⎟ ⎨ 2π ⎝ 2π ⎠ ⎪⎩ ⎝ 2π ⎠ ⎪⎭ : ⎧⎪ 0,11 ⎛ ϖ ⎞ ⎛ ϖ ⎞ ⎫⎪ Sζ(ω) = hv Tv ⎜ ⎟ exp⎨− 0,44⎜ ⎟ ⎬ (A.4) 2π ⎪⎩ ⎝ ω ⎠ ⎪⎭ ⎝ω ⎠ 301 www.thuvien247.net hv ,Tv - giá trị đặc trưng chiều cao sóng chu kỳ sóng, ϖ = 2π / Tv, tần suất tương ứng với chu kỳ ảo m0 Có thể thay hv = h1/3 Tv = T1 = 2π m1 Phổ JONSWAP (Joint North Sea Wave Project) nhóm nước liên hiệp biển Bắc gồm UK, Netherlands, USA, Germany vv đề xuất năm 1968 - 1969 ⎧⎪ ⎛ ω ⎞ ⎫⎪ β α g S ζ (ω ) = exp⎨− x⎜ (A.5) ⎟ ⎬.r ω ⎪⎩ ⎝ ω ⎠ ⎪⎭ ⎧⎪ ⎛ ω − ω ⎞ ⎫⎪ ⎟⎟ ⎬ , (A.6) với β = exp⎨− ⎜ ⎜ ⎪⎩ 2σ ⎝ ω ⎠ ⎪⎭ ω0 - tần suất đỉnh phổ, r - hệ số tăng giảm đỉnh phổ, r = 1,5 ∼6, trung bình r =3,3 Hệ số σ tùy thuộc vào giá trị ω0; σ = 0,07 ω ≤ ω0 σ = 0,09 ω ≥ ω0 α - thành phần khơng thứ ngun, tính theo tốc độ gió tương đối ξ = gx/U2, α = 0,76 ξ-0,22 với x- miền hoạt động gió, U - vận tốc gió đo độc cao 10m so với mặt biển, giá trị ξ nằm khoảng 10-1 ÷ 105 Năm 1978 hội nghị ITTC lần thứ 15 kiến nghị dùng phổ JONSWAP tính tốn cho ngành tàu, cơng thức phổ xuất thêm h1/3 thay ω0 = 4,85/T1 ⎧ 691 ⎫ 173 xh12/ (A.7) S ζ (ω ) = 0,658 x exp⎨− 4 ⎬ x3,3 β T1 ω ⎩ T1 ω ⎭ ⎧⎪ ⎛ ωxT1 ⎞ ⎫⎪ ⎜ (A.8) với β = exp⎨− − 1⎟ ⎬ , ⎪⎩ 2σ ⎝ 4,85 ⎠ ⎪⎭ 11.2 Phổ sóng ba chiều Phổ sóng ba chiều tính theo phổ sóng hai chiều nêu trên, có tính đến hướng sóng khơng gian (A.9) Sζ (ω, μ) = Sζ(ω) M(μ) Hàm M(μ) thoả mãn điều kiện: +π / ∫π − /2 M ( μ )dμ = (A.10) Theo kiến nghị ITTC hàm M(μ) có dạng sau: M(μ) = (2 / π)cos μ, với |μ| ≤ π / Theo kiến nghị hội nghị ISSC: M(μ) = 3π ⎞ ⎛ ⎜ cos μ ⎟ ⎠ ⎝ (A.11) (A.12) (A.13) M(μ) = ( / 3π)cos μ Những đề xuất chuyên gia Nhật bản, tạp chí Hội đóng tàu Nhật, 1969, có dạng: M(μ) = π ( cosμ )2 áp dụng cho -π/2 ≤ μ ≤ π/2 Năm 1980 nhà nghiên cứu Nhật đề xuất tiếp: 302 (A.14) www.thuvien247.net Γ ( s + 1) M(μ) = (cos μ)2s π Γ(2s + 1) Γ - hàm gamma, s hàm số f*= ω/2π, tính từ quan hệ: s/sm = ( f/fm)2,5 với f/fm ≥ f/fm < = (f/fm)5 fm - thơng số liên quan đến phổ sóng hai chiều , suy từ quan hệ: Sm = 11,5 fm* -2,5 11.3 Biểu đồ phân bố chiều cao, tần số sóng s-1 (A.15) (A.16) (A.17) Kết đo đạc độ dâng mặt biển ζ(t) vị trí định giá trị chu kỳ tương ứng Tz , thời hạn tiêu chuẩn, với ngành xây dựng công trình biển phải từ đến năm, qui chuẩn đồ thị “đẳng mức”, lát cắt qua có giá trị biểu thị số sóng xuất với chiều cao hữu nghĩa chu kỳ xác định, vạch cụ thể Bảng tiếp trình bày đồ thị dạng Con số 50 ô cột 7-8 cắt hàng 2-2,5 đồ thị nói lên sóng với chiều cao hữu nghĩa 2,0 – 2,5m Tz = – 8s xuất với tần suất 50/1000 thời hạn đo, ví dụ năm Giá trị sóng cao xuất quảng thời gian dài, ví dụ từ năm đến 100 năm, dự đốn xác suất xuất chiều cao hữu nghĩa h1/3 đo thời gian ngắn (chỉ từ đến năm) phân bổ đồ thị, thường đồ thị tuyến tính Bảng A.1 Chu kỳ sóng (s) H (m) 0-0,5 0,5-1 1-1,5 1,5-2 2-2,5 2,5-3 3-3,5 3,5-4 4-4,5 4,5-5 5-5,5 5,5-6 6-6,5 6,5-7 7-7,5 7,5=8 8-8,5 8,5-9 9-9,5 9,5-10 10,10,5 10,5-11 11-11,5 11,5-12 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 0 18 30 21 11 2 19 42 46 47 33 17 27 21 14 25 39 50 38 35 21 20 20 11 0 10 18 24 25 25 23 12 11 10 10 10 0 910 14 14 10 3 3 3 0 1011 1 1 1 0 1112 1213 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1314 1415 0 0 0 0 Biểu đồ phân bố sóng cho vùng biển nam Việt nam, xác lập vào năm tám mươi sau Bảng A.2 303 www.thuvien247.net Chiều cao sóng (H3%) 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 0,05 0,05 - - - 0,05 - - - - - 0,20 - - - - 0,59 0,20 0,05 - 0,05 - 0,10 0,10 - - - - 1,09 0,10 0,10 0,20 0,05 0,05 - 0,05 - - - - - 0,55 5,51 6,89 4,13 0,10 0,34 - - - - - - - 17,06 4,18 7,18 0,69 0,34 0,10 - - - - 0,05 - 23,85 6-7 2,28 4,87 0,97 1,43 0,15 0,05 - - - 0,05 - 25,41 7-8 8-9 9-10 10-11 11-12 12-13 13-14 >14 Hi 0,20 1,43 11,3 15,6 4,72 1,72 0,93 0,39 - - - - - 0,20 0,98 5,41 2,06 1,18 0,44 - 0,05 - - - - 10,32 0,25 0,25 0,98 0,34 0,44 0,34 0,05 0,05 - - - - 2,70 0,29 0,49 1,48 0,34 0,84 0,20 0,15 0,05 0,05 - - - 3,89 0-1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 7-8 8-9 910 1011 >11 Hj - 0,25 0,10 9,39 - 0,10 0,29 0,15 0,20 0,05 - - - - - - 0,79 0,10 0,10 0,20 0,05 0,25 0,10 0,05 - - - - - 0,86 0,20 0,44 0,25 - - 0,10 - - - - - - 0,99 0,20 0,74 0,59 0,20 - 0,05 0,05 - - - - - 1,83 14,1 23,8 45,2 6,67 6,05 1,92 0,70 0,30 0,05 - 0,10 - 11.4 Dòng chảy Lực dòng chảy tác động lên kết cấu biển giống chất gió tác động lên phần hứng gió kết cấu Điểm khác hai loại dòng là, với dòng thủy lưu khơng xét đến tượng “giật” gió Vận tốc dòng chảy thường nhỏ nhiều so với vận tốc gió, 2,5 m/s mặt, nhiên mật độ nước cao nhiều lần so với mật độ khơng khí, lực thủy động dịng chảy có giá trị khơng nhỏ Khi tính sức cản mà vật thể chặn ngang dòng chảy gây ra, cần thiết tính sức cản ma sát, sức cản áp lực sức cản dư 11.5 Phổ lượng gió Năm 1961 Davenport đề xuất cơng thức tính phổ gió dạng: S vv ( f ) = U 102 4kf (1 + f ) / f (A.18) theo cách ký hiệu dùng ngành đo gió f – tần suất tính Hz, f - tần số tiêu chuẩn hóa ( f = fL /U 10 ), k - hệ số trở lực mặt biển, nhận 0,005 cho biển trông, U10 vận tốc trung bình gió, đo cách mặt biển 10m, L – đại lượng chiều dài, 1200m Phổ gió biển có dạng trình bày hình A.1 304 www.thuvien247.net Hình A.1 Năm 1966 Phổ Davenport hiệu chỉnh: S vv ( f ) = 600σ ww ⎛ 900 f ⎜⎜1 + U 10 ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ (A.19) 5/3 = 6kU 102 , với σ ww U 10 ,(m/s) kx103 15 Bảng A.5 20 25 30 2,5 3,5 Một số phổ tác giả khác đề nghị thời Phổ Karman: S vv ( f ) = Lu 4σ ww (1 + [1,4L u f ] (A.20) ) 5/6 Lu phạm vi rối, tính m Phổ gió Taylor S vv ( f ) = 4σ ww Lu + (2πfLu ) (A.21) Thang gió Thang gió 12 cấp (thang Beaufort): BW Tên gọi Lặng gió Gió yếu Gió yếu Gió nhẹ Gió vừa Vận tốc [m/s] Trung bình 1,5x106 xác định gần cho ống lý tưởng CM = 1,8; CD= 0,62 Với 105 < Rn < 1,5x106 giá trị hệ số là: CM = 1,8; CD thay đổi từ 1,0 đến 0,60 < K < 25: Vùng trung gian lực cản qn tính Trong phạm vi cơng thức Morison áp dụng song cách biệt CD CM rõ nét Với Rn > 1,5x106 xác định gần cho ống lý tưởng CM = 1,8; CD= 0,62 K < 5: Trong phạm vi lực qn tính chiếm ưu Khi tính nhận CM = 2.0, hệ số lực cản bỏ qua 11.9 Ứng dụng lý thuyết sóng tính lực tác động sóng gây kết cấu - xác định độ dâng mặt sóng theo lý thuyết sóng, 38 Giá trị CD CM tìm sách “Động lực học cơng trình ngồi khơi”, NXB ĐHQG Tp HCM, 2003 308 www.thuvien247.net - xác định vận tốc sóng, gia tốc sóng, - xác định áp lực thủy động sở công thức Bernoulli Dưới trình bày cách dùng lý thuyết sóng hình sine vùng nước sâu để tính tác động sóng đến cơng trình biển Độ dâng mặt sóng: Z = ½hw cos(kx - ωt) d > λ/2 (A.33) Trong k – số sóng = 2π/λ; ω = 2π/T; λ - chiều dài sóng tính theo cơng thức gT /2π; (m), t – thời gian (s), hw – chiều cao sóng, (m); d – chiều sâu vùng nước, (m) Vận tốc sóng: Vx = ½ω hw e-kh cos(kx - ωt); (A.34) -kh (A.35) Vz = - ½ω hw e sin(kx - ωt); Gia tốc chuyển động sóng: ax = ½ω2 hw e-kh sin(kx - ωt); (A.36) -kh (A.37) az = - ½ω hw e cos(kx - ωt); Cơng thức tính áp lực thủy động: p = ½ ρg hw e-kh cos(kx - ωt); (A.38) đó: ρ - mật độ nước, g – gia tốc trường trái đất Ví dụ: Tính lực thủy động, gồm lực cản quán tính tác động lên ống trụ D sóng chiều dài λ, chiều cao hw gây ω2 = (2π/T)2 = (2πg/λ) = 0,4; k = 2π/λ = 0,015 Hàm vận tốc gia tốc xuất công thức phụ thuộc vào hai tham số, x – vị trí điểm xét khơng gian t – thời gian Xác định lực cho ví dụ cụ thể phải trình bày hồn cảnh cụ thể Với ngành chế tạo cơng trình nổi, để xác định đặc tính thủy lực chi tiết cơng trình, phải tiến hành tính tốn cho hai thời điểm gần Thời điểm đầu t = t0, thời kiểm cần chọn t = t0 + T/4 Bảng tính sau trình bày kết tính theo cơng thức Morison , áp dụng vào cột đứng vùng nước sâu 70m Các thông số sóng đọc bảng Omega=[1/s] 0.48 Hw=[m] 9.75 T =[sec] 13.00 t =[s] 4.55 Force in kG, Length in m, Moment in kGm h [m] 0.00 4.83 9.65 14.48 19.30 24.13 28.96 33.78 38.61 43.43 48.26 velocity[m/s] -0.255373 -0.286473 -0.321360 -0.360497 -0.404399 -0.453647 -0.508894 -0.570868 -0.640389 -0.718378 -0.805863 acceler [m/s/s] -0.034848 -0.039092 -0.043852 -0.049193 -0.055184 -0.061904 -0.069443 -0.077900 -0.087387 -0.098029 -0.109967 force [kG] -583.392 -686.615 -810.722 -960.405 -1141.483 -1361.180 -1628.481 -1954.571 -2353.388 -2842.320 -3443.076 309 www.thuvien247.net 53.09 62.74 70.39 -0.904003 -1.137594 -1.364964 -0.123359 -0.155235 -0.186261 -4182.784 -6223.269 -8587.929 TÀI LIỆU THAM KHẢO ABS, (2004), Guidance Notes on Finite Element Analysis of Hull Structures – Local 3D Model Analysis Bai J., (2003), Marine Structural Design, Elsevier, UK Бойцов Г.В.,Палий О.М.,Постнов В.А.,Чувинковский В.С., (1982), ”Справочник по строительной механике корабля” Том 1, 2, 3”, Лен., Изд “Судостроение” BV, Fatigue Strength of Welded Ship Structures, July 1998 DNV, RP-C203, Fatigue Strength Analysis of Offshore Steel Structures, 2000 Faltinsen, O.M., (1990), “Sea Loads on Ships and Offshore Structures”, Cambridge Ocean Technology Series, Cambridge University Press Hughes, O.F (1988), “Ship Structural Design: A Rationally-Based Computer-Aided Optimization Approach”, John Wiley & Sons, USA Jensen J J and Pedersen T., (1981), Bending Moments and Shear Forces in Ships Sailing in Irregular Waves, J of Ship Research, Vol 25, No Jensen, J.J., (2001), “Load and Global Response of Ships”, Elsevier Ocean Engineering Series, Vol 10 Jeom Kee Paik and Anil Kumar Thayamballi, (2003), “Ultimate Limit State Design of Steel-Plate Structures”, Wiley & Sons, Ltd, UK 11 Maksimadji A.I., (1976), Прочность морских транспортных судов, Лен., Изд “Судостроение” 12 Mansour, A.E Wirsching, P.H., White, G.J., and Ayyub, B.M “Probability-Based Ship Design: Implementation of Design Guidelines”, SSC 392,NTIS, Washington, D.C., 1995 13 NKK, Guidance for Fatigue Design of Ship Structures, 1996 14 Y Okumota, Y Takeda, M Mano, T Okada, (2009), “Design of Ship Hull Structures A Practical Guide for Engineers”, Springer-Verlag Berlin 15 Paulling, J.R., (1988), “Strength of Ship”, Principle of Naval Architecture 2nd Revision, Chapter IV, SNAME, Jersey City 310 ... BỀN TÀU THỦY trình bày vấn đề liên quan tính tốn đánh giá bền thân tàu Nội dung bao gồm: tính tốn đánh giá độ bền dọc, hay cịn hiểu độ bền chung thân tàu, độ bền cục bộ, ổn định kết cấu, độ bền. .. Xoắn thân tàu Ổn định thuộc vỏ tàu Ví dụ kiểm tra độ bền chung 10 Ứng suất vỏ tàu kết cấu dọc trường hợp uốn chung 11 Tiêu chuẩn bền 12 Tính độ bền chung thân tàu nằm đốc khơ, đốc 13 Ví dụ tính... Chương Tính độ bền cục thân tàu cơng trình di động Mơ hình truyền tải từ mơi trường đến kết cấu thân tàu Tải trọng cục Mơ hình kết cấu thân tàu thành giàn phẳng Chiều rộng mép kèm Độ bền sươn tàu