Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam

Tài liệu tham khảo Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

1.1 TỔNG QUAN 3

1.2 TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ THUẬT TOÁN 4

1.2.1 Khái niệm thuật toán 4

1.2.2 Những đặc trưng cơ bản của thuật toán 6

1.2.3 Phân loại thuật toán 6

1.3 KHÁI QUÁT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU 7

1.3.1 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu 7

1.3.2 Những yêu cầu chủ yếu đối với thiết kế kết cấu thân tàu 9

1.3.3 Thực trạng công tác tính toán thiết kế kết cấu thân tàu ở Việt Nam 10

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 10

1.4.1 Mục tiêu 10

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 11

1.4.3 Giới hạn nội dung 11

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC THUẬT TOÁN 12

2.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU THÂN TÀU 14

2.2.1 Đặc điểm chung 14

2.2.2 Đặc điểm, vai trò của các bộ phận kết cấu trong đảm bảo độ bền thân tàu 14

2.2.3 Các hệ thống kết cấu thân tàu 16

2.2.4 Nguyên tắc lựa chọn hệ thống kết cấu 17

2.2.5 Phân tích các hệ thống kết cấu 18

2.3 YÊU CẦU CỦA QUY PHAM VIỆT NAM VỚI VIỆC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP 20

2.3.1 Vật liệu thép dùng trong đóng tàu 20

2.3.2 Kích thước, quy cách bố trí kết cấu 24

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KÍCH THỨỚC KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO QUY PHẠM 26

2.4.1 Giới thiệu về Quy phạm Việt Nam 26

2.4.2 Cơ sở lý thuyết của các công thức tính kích thước kết cấu trong Quy phạm 27

2.4.3 Một số điểm quan trọng cần lưu ý khi phân tích kết quả tính toán…….38

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO YÊU CẦU CỦA QUY PHẠM 42

3.1 DỮ LIỆU ĐẦU VÀO 42

3.1.1 Yêu cầu về vật liệu 42

3.1.2 Dữ liệu về cấu hình tàu 43

3.1.3 Các công thức tính kích thước và quy cách bố trí kết cấu tàu vỏ thép theo Quy phạm Việt Nam 2003 – TCVN 6259 43

3.1.4 Yêu cầu về đảm bảo độ bền kết cấu thân tàu 60

3.2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO YÊU CẦU CỦA QUY PHẠM VIỆT NAM 61

3.2.1 Phân tích công thức tính các kết cấu cơ bản 61

3.2.2 Thuật toán 1 63

3.2.3 Thuật toán 2 66

3.2.4 Thuật toán 3……… 69

3.3 HƯỚNG ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH VÀO LẬP TRÌNH ……….71

3.3.1 Chương trình Pascal….……… 71

3.3.2 Chương trình C++……… 72

3.3.3 Chương trình Visua Basic.…………74

CHƯƠNG IV: THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN … …… … 76

4.1 THẢO LUÂN KẾT QUẢ 76

4.2 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế kết cấu tàu khác nhau như: Thiết kế theo Quy phạm, thiết kế bằng tính toán lý thuyết v.v Nhưng phổ biến nhất là thiết

kế kết cấu thân tàu theo các yêu cầu của Quy phạm Phương pháp này cho phép người thiết kế tính chọn toàn bộ kết cấu tàu đang xét mà không cần phải thực hiện

Nhiệm vụ thư thiết kế

Thiết kế thi công

Thiết kế công nghệ đóng Thiết kế sơ bộ

Thiết kế kỹ thuật

mô hình hoá kết cấu hoặc giải những bài toán cơ học kết cấu phức tạp Việc lựa chọn được thuật toán để ứng dụng lập trình chương trình tính toán kết cấu tàu nhằm đơn giản quá trình tính toán, đạt được kích thước kết cấu tối ưu mong muốn và thỏa mãn các yêu cầu của Quy phạm đang được quan tâm

Các công thức tính kết cấu trong Quy phạm được xây dựng dựa trên cở sở lý thuyết về độ bền, tuy nhiên trong quá trình xây dựng công thức, Quy phạm còn đưa vào những hệ số để hiệu chỉnh công thức về dạng phù hợp với thực tế sử dụng tàu Cần lưu ý rằng các yêu cầu của Quy phạm thật nghiêm ngặt song nó cũng tồn tại hạn chế như chưa phản ánh đầy đủ các điều kiện của môi trường thiên nhiên và con người hoạt động trong đó nên gây sự tốn kém về vật liệu, công sức thực hiện, không đảm bảo tính kinh tế vì bản thân kết cấu chưa phải ở dạng tối ưu

Việc nghiên cứu và ứng dụng thuật toán vào lập trình tính kết cấu để khắc phục hạn chế của công tác tính kết cấu theo Quy phạm nhằm đưa ra đựợc kết cấu thân tàu ở dạng tối ưu, đủ bền đồng thời thỏa mãn tính kinh tế là mong muốn của những người làm công tác thiết kế

Từ những phân tích trên, em được giao thực hiện đề tài:

“Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu

của Quy phạm Việt nam”

Với mục tiêu lựa chọn được thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép thỏa yêu cầu

của Quy phạm Việt Nam và định hướng lập trình chương trình tính kết cấu như một giải pháp khắc phục hạn chế của công tác thiết kế hiện nay và nâng cao hiệu quả thiết kế kết cấu theo Quy phạm

1.2 TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ THUẬT TOÁN

1.2.1 Khái niệm thuật toán

Chúng ta đã làm quen với khái niệm về thuật toán trong giáo trình toán học và các giáo trình khác như thuật toán giải phương trình bậc hai, hệ phưong trình Ví dụ như thuật toán giải phương trình bậc nhất: P(x): ax + b = c (a, b, c là các số thực)

trong tập hợp các số thực có thể là một bộ các bước giải như sau:

Bước 1: nếu a = 0

- b = c thì P(x) có nghiệm bất kì

- b # c thì P(x) vô nghiệm Bước 2: nếu a # 0 thì P(x) có duy nhất một nghiệm x = (c-b)/a

Có nhiều quan điểm về thuật toán, nôm na thuật toán là một thủ tục tính toán

được định nghĩa kỹ, sử dụng một giá trị hoặc một tập hợp giá trị nào đó làm đầu vào

và cho ra một giá trị hoặc tập hợp giá trị nào đó làm kết xuất Do đó, một thuật toán

là một trình tự các bước tính toán biến đổi đầu vào thành kết xuất

Cũng có thể xem một thuật toán như một công cụ để giải quyết một bài toán thật cụ thể Phát biểu của bài toán sẽ chỉ định tổng quát mối quan hệ nhập/xuất cần thiết Thuật toán mô tả một thủ tục tính toán cụ thể để đạt được mối quan hệ nhập/xuất đó

Khái niệm thuật toán đầu tiên do nhà toán học Ả Rập Kharezmi nêu ra từ cuối thế kỷ thứ 8 đầu thế kỷ thứ 9 khi đưa ra các quy tắc đầu tiên về tính số học

Con người với các hoạt động của mình thường phải sử dụng những thuật toán

để giải quyết các công việc cụ thể Bất kỳ một hình thức lao động chân tay nào cũng gồm một số thao tác cụ thể theo một trật tự nhất định, ta gọi lao động chân tay là hoạt động theo thuật toán

Tóm lại có thể nói thuật toán hay còn gọi là thuật giải là một tập hợp hữu hạn các chỉ thị hay các phương cách được định nghĩa rõ ràng cho việc hoàn tất một sự việc từ một trạng thái ban đầu cho trước, khi các chỉ thị này được áp dụng triệt để thì sẽ dẫn đến kết quả sau cùng đã dự đoán Nói cách khác, thuật toán là một bộ các quy tắc hay quy trình cụ thể nhằm giải quyết một vấn đề trong một số bước hữu hạn, nhằm cung cấp một kết quả từ một tập hợp của các dữ kiện đưa vào

Lưu ý: Khi một thuật toán đã hình thành thì ta không xét đến việc chứng minh

thuật toán đó mà chỉ chú trọng đến việc áp dụng các bước theo sự hướng dẫn sẽ có kết quả đúng Việc chứng minh tính đúng và tính đầy đủ của các thuật toán phải đựơc tiến hành xong trước khi có thuật toán Nói rõ hơn, thuật toán có thể chỉ là

việc áp dụng các công thức hay quy tắc, quy trình đã được công nhận là đúng hay

đã được chứng minh về mặt toán học

1.2.2 Những đặc trưng cơ bản của thuật toán

- Tính chính xác: Để đảm bảo kết quả tính hay các thao tác mà máy tính thực hiện được là chính xác

- Tính tổng quát: Thuật toán không đề cập chỉ một bài toán riêng lẻ mà bao hàm một lớp bài toán cùng một kiểu, có đầu vào tương tự nhau

- Có giới hạn: Thuật toán phải gồm một số hữu hạn các bước tính toán, quá trình biến đổi từ thông tin ban đầu đến kết quả cuối cùng qua một số giới hạn các biến đổi

- Tính duy nhất: Toàn bộ quá trình biến đổi, cũng như trật tự thực hiện phải được xác định là duy nhất Như vậy khi dùng thuật toán cùng một thông tin ban đầu phải cho cùng một kết quả Thuật toán ở mỗi giai đoạn phải nêu chính xác các bước tiếp theo, có nghĩa là thứ tự thực hiện, các thao tác và quyết định phải được quy định rõ ràng

- Tính rõ ràng: Thuật toán phải được thể hiện bằng các câu lệnh minh bạch, các câu

lệnh được sắp xếp theo một thứ tự nhất định

1.2.3 Phân loại thuật toán

Theo cấu trúc có thể phân loại thuật toán như sau:

- Thuật toán không phân nhánh

- Thuật toán có phân nhánh

- Thuật toán theo chu trình có bước lặp xác định

- Thuật toán theo chu trình có bước lặp không xác định

Thuật toán không phân nhánh là thuật toán đơn giản nhất Trong thực tế thường gặp thuật toán phân nhánh theo các điều kiện so sánh đúng hoặc sai Phổ biến nhất trong các bài toán thực tế là thuật toán gồm nhiều chu trình, theo nhiều nhánh, đó là đặc trưng của thuật toán giải các bài toán khoa học kỹ thuật

1.3 KHÁI QUÁT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU

1.3.1 Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu

 Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm:

Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp được những kinh nghiệm trong thiết kế kết cấu, trong chế tạo, sửa chữa và sử dụng Ngày nay, kiến thức về cơ học kết cấu ngày càng được mở rộng Quy phạm kết cấu thân tàu càng được hoàn chỉnh Thiết kế kết cấu theo Quy phạm là phương pháp thiết kế tương đối đơn giản và thực dụng thường đảm bảo được sức bề thân tàu Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong thiết kế tàu dân dụng, tuy nhiên đối với tàu có kích thước và tính năng đặc biệt vẫn phải xét riêng Điều kiện cần thiết để có thể áp dụng phương pháp này là kích thước chính của tàu, tỷ lệ kích thước, các đặc trưng kỹ thuật, loại tàu… nằm trong phạm vi mà Quy phạm đóng tàu chấp nhận

Hình 1.2: Quy trình thiết kế kết cấu tàu theo Quy phạm

Mô hình tính kết cấu Quy phạm Bố chí chung

Các kết cấu chính

Bố trí kết cấu

Kích thước các kết cấu tàu

 Thiết kế kết cấu thân tàu theo tính toán lý thuyết:

Do hình dáng thân tàu, các loại máy và bố trí trên tàu …không giống nhau đặc biệt đối với tàu cỡ lớn, các loại tàu đặc biệt, Quy phạm không thể bao gồm tất cả các đặc trưng đó Do đó phải vận dụng kiến thức và cơ học kết cấu, dùng phương pháp tính toán sức bền để thiết kế kết cấu thân tàu Theo đà phát triển của khoa học

kỹ thuật hiện nay, nhất là nhờ có máy tính điện tử cho phép giải những bài toán lớn,

và việc ứng dụng phương pháp tính toán sức bền trong thiết kế kết cấu thân tàu đang ngày một hoàn thiện Dựa vào tính toán độ bền thân tàu chọn kết cấu chịu được độ bền chung và tải trọng cục bộ Trước khi thiết kế kết cấu tàu, người thiết kế phải giải đáp các vấn đề liên quan về sức bền thân tàu:

- Tải trọng bên ngoài cần để tính sức bền chung và tải trọng cục bộ

- Ứng suất cho phép của vật liệu tạo nên các chi tiết thân

- Điều kiện môi trường và làm việc của kết cấu

Kết quả tính toán phải nêu rõ được giá trị ứng suất lớn nhất trong các kết cấu

và tỷ lệ giữa chúng với ứng suất cho phép Trong tất cả các trường hợp tính toán nhất thiết tính đến ổn định kết cấu nhằm đạt yêu cầu không một chi tiết nào mất ổn định khi làm việc Ngoài các phép tính thuần túy cơ học trên, độ tin cậy kết cấu là việc không tránh được khi thiết kế kết cấu tàu Thông thường, bằng cách này người thiết kế có thể chọn được kết cấu vừa đủ bền đồng thời đạt giá trị tối ưu về kinh tế Tính toán thiết kế kết cấu tàu là quá trình cân nhắc, đối chiếu, so sánh nhằm tìm phương án tốt nhất cho kết cấu, thỏa mãn yêu cầu bền, ổn định phù hợp với môi trường làm việc và điều kiện làm việc

Nhìn chung, đối với tàu dân dụng thông thường dựa vào Quy phạm để thiết kế kết cấu thân tàu, khi cần thiết dùng phương pháp tính toán sức bền để nghiệm lại, nhằm bổ sung những chỗ chưa hoàn hảo của Quy phạm Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp đựợc những kinh nghiệm trong thiết kế kết cấu, trong chế tạo, trong sửa chữa và sử dụng Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm là phương pháp thiết kế tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo được sức bền Phương pháp này cho phép người thiết kế tính chọn toàn bộ kết cấu tàu đang xét mà không cần phải

thực hiện mô hình hoá kết cấu hoặc giải những bài toán cơ học kết cấu phức tạp

1.3.2 Những yêu cầu chủ yếu đối với thiết kế kết cấu thân tàu

- Tính an toàn: Thiết kế kết cấu phải đảm bảo dưới tác dụng của ngoại lực, tàu có

một sức bền nhất định, tính ổn định và độ cứng cần thiết Không vì sức bền không

đủ hoặc kết cấu mất ổn định mà gây lên sự phá hủy kết cấu hoặc biến dạng vượt quá phạm vi cho phép

- Tính năng sử dụng: Việc bố trí và lựa chọn kích thước kết cấu phải phù hợp với yêu cầu kinh doanh Ví như đối với khoang chở hàng đảm bảo kết cấu được bố trí sao cho thuận tiện xếp dỡ hàng, buồng ở của hành khách và thuyền viên phải có lối

đi thuận tiện và độ cao thích đáng

- Tính hoàn chỉnh: Tàu thủy là một công trình kiến trúc nổi trên mặt nước bố trí phức tạp, trên tàu có nhiều loại máy móc, thiết bị, dụng cụ sinh hoạt và các hệ thống…Các bộ phận liên kết mật thiết với bố trí kết cấu và việc lựa chọn kích thước kết cấu.Thiết kế kết cấu phải phối hợp chặt chẽ với thiết kế tổng thể và thiết kế các

hệ thống tạo nên một cấu trúc hoàn chỉnh, đảm bảo sự hoạt động bình thường của tất cả các bộ phận trên tàu

- Tính công nghệ: Việc lựa chọn hình thức kết cấu, hình thức liên kết các bộ phận kết cấu của thân tàu phải đảm bảo thi công dễ dàng, giảm nhẹ cường độ lao động và nâng cao năng suất lao động Mặt khác, khi lựa chọn vật liệu phải chú ý đến vật tư

có thể khai thác trong nước, giảm bớt quy cách vật liệu một cách thích đáng, tiện cho việc mua, dự trữ vật liệu và quy trình công nghệ của nhà máy Phải căn cứ vào đặc điểm của nhà máy, tình hình thiết bị của nhà máy để chọn phương án công nghệ hợp lý, áp dụng những biện pháp công nghệ tiên tiến

- Tính kinh tế: Trên cơ sở đảm bảo sức bền cần thiết của kết cấu, cân nhắc kỹ đến

độ dư ăn mòn của vật liệu, yêu cầu sử dụng và sửa chữa bảo dưỡng…Phải cố gắng giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí và lựa chọn vật liệu thỏa đáng, đảm bảo tính kinh tế cao nhất trong sử dụng kết cấu

1.3.3 Thực trạng công tác tính toán thiết kế kết cấu thân tàu ở Việt Nam

Qua việc tìm hiểu thực tế, chúng tôi nhận thấy vấn đề thiết kết cấu thân tàu ở nước ta hiện nay thường được thực hiện như sau:

Từ những thông số hình học của tàu cụ thể như: Chiều dài, chiều rộng, chiều cao, mớn nước v.v… người thiết kế tiến hành tính toán kích thước các kết cấu thân tàu theo những yêu cầu của Quy phạm Việt Nam, Quy phạm LR, Quy phạm DNV

… để xác định giá trị tối thiểu cần phải đạt được trong mọi trường hợp

Từ kết quả kích thước tối thiểu vừa xác định, người thiết kế sẽ tiến hành chọn kích thước thực tế cho kết cấu đang tính, thường là có giá trị lớn hơn so với kết quả tính theo Quy phạm tuỳ theo ý kiến chủ quan của người thiết kế hoặc theo kết cấu tiêu chuẩn nhằm tạo lượng dự trữ bền mà chưa có cơ sở nào rõ ràng, có nghĩa là lượng dư ấy bao nhiêu là đủ thì vẫn chưa xác định được

Việc tính toán trên nhằm để kiểm tra lại kích thước, quy cách bố trí kết cấu thỏa mãn theo yêu cầu của các Quy phạm còn toàn bộ hồ sơ kỹ thuật của phần lớn những con tàu đóng ở nước ta được mua của nước ngoài

Vấn đề đặt ra ở đây là việc lựa chọn kích thước như vậy liệu có dư bền quá không? kết cấu có quá nặng nề và có kinh tế không?

Từ đó nảy sinh vấn đề cần thiết phải phân tích, đánh giá, tìm ra các thuật toán tính toán thiết kế kết cấu tàu thỏa mãn các yêu cầu của Quy phạm nhằm đảm bảo cho việc thiết kế kết cấu thân tàu chính xác hơn, đảm bảo kết cấu được tính chọn đủ bền và độ ổn định và thoả mãn tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật

1.4 MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4.1 Mục tiêu

Như đã trình bày, mục tiêu của đề tài nhằm phân tích và lựa chọn được thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép, cũng như tìm hiểu cách thức xây dựng của Quy phạm Việt Nam Trên cơ sở đó, có thể đánh giá hoặc hiệu chỉnh được các yêu cầu của Quy phạm nước ta hiện nay Xa hơn, có thể áp dụng thuật toán để lập trình

chương trình tính toán thiết kế kết cấu tàu theo Quy phạm trên máy tính

1.4.2 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung đề tài, tôi sẽ tiến hành phân tích cơ sở lý thuyết của các thuật toán và nghiên cứu thực tế khi xây dựng các công thức tính kết cấu tàu vỏ thép, yêu cầu của Quy phạm Việt Nam và từ đó chọn lựa được thuật toán tính kết cấu thỏa mãn yêu cầu Quy phạm

1.4.3 Giới hạn nội dung

Nội dung Quy phạm rất rộng, tính toán rất nhiều kết cấu tàu khác nhau Vì vậy trong đề tài này, chúng ta chỉ áp dụng lựa chọn thuật toán thiết kế một số kết cấu cơ bản: Khoảng cách sườn, sườn thường, sống chính, đà ngang đáy đặc, tôn vỏ, xà ngang boong, vách hầm hàng…

Quy phạm đựợc áp dụng trong đề tài là “Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển

vỏ thép Việt Nam 2003 – TCVN 6259”

Tìm hiểu cách thức thiết kế kết cấu thân tàu thông dụng theo Quy phạm Việt Nam là một vấn đề rất hay, giúp sinh viên tiếp cận với tài liệu kỹ thuật phổ biến và rất quan trọng trong ngành đóng tàu, đó là các Quy phạm

Với đề tài: “Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép

theo yêu cầu của Quy phạm Việt Nam”

Đề tài được thực hiện theo những nội dung sau:

Chương 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC THUẬT TOÁN

Theo khái niệm thì thuật toán là một bộ các quy tắc hay quy trình cụ thể nhằm giải quyết một vấn đề trong một số bước hữu hạn, nhằm cung cấp một kết quả từ một tập hợp của các dữ kiện đưa vào

Thuật toán (Algorithms) cùng với Cấu trúc Dữ liệu (Data Structure) được xem

là những tri thức quan trọng hàng đầu và không thể thiếu để hình thành của bất kỳ

một chương trình máy tính: Programs = Algorithms + Data Structure

Khi một thuật toán đã hình thành thì ta không xét đến việc chứng minh thuật toán đó mà chỉ chú trọng đến việc áp dụng các bước theo sự hướng dẫn sẽ có kết quả đúng Việc chứng minh tính đúng và tính đầy đủ của các thuật toán phải đựơc tiến hành xong trước khi có thuật toán Nói rõ hơn, thuật toán có thể chỉ là việc áp dụng các công thức hay quy tắc, quy trình đã được công nhận là đúng hay đã được chứng minh về mặt toán học

Phổ biến nhất trong các bài toán thực tế là thuật toán gồm nhiều chu trình, theo nhiều nhánh, đó là đặc trưng của thuật toán giải các bài toán khoa học kỹ thuật Có rất nhiều thuật toán để giải quyết một bài toán cụ thể, một thuật toán tốt thì nó thực hiện công việc với một thời gian, công sức tối thiểu và cho ra kết quả chính xác Ngược lại, dùng một thuật toán sai thì phải tốn nhiều công sức và thời gian tuy nó cũng cho ra được một kết quả nhưng không đựơc chính xác Do vậy, ta phải thực hiện quá trình phân tích thuật toán, nhờ phân tích một vài thuật toán ứng tuyển của một bài toán, ta có thể dễ dàng nhận ra thuật toán nào là hiệu quả nhất Kiểu phân tích như vậy có thể nêu rõ nhiều ứng viên tồn tại song một vài thuật toán kém hơn

thường bị loại trong khi tiến hành Khi tiến hành phân tích thuật toán nghĩa là chúng

ta tìm ra một đánh giá về thời gian và không gian cần thiết để thực hiện thuật toán Không gian ở đây được hiểu là các yêu cầu về bộ nhớ, thiết bị lưu trữ, của máy

tính để thuật toán có thể làm việc Việc xem xét về không gian của thuật toán phụ thuộc phần lớn vào cách tổ chức dữ liệu của thuật toán

Phân tích thuật toán là một công việc rất khó khăn, đòi hỏi phải có những hiểu biết sâu sắc về thuật toán và nhiều kiến thức toán học khác Ðây là công việc mà không phải bất cứ người nào cũng làm được Quá trình phân tích thuật toán luôn là một thách thức thậm trí với một thuật toán đơn giản Các công cụ toán học cần thiết

có thể gồm cả toán học tổ hợp trừu tượng lý thuyết xác suất căn bản, kỹ năng về đại

số và khả năng định danh các số hạng quan trọng nhất trong một công thức Do cách ứng xử của một thuật toán có thể khác nhau đối với từng đầu vào khả dĩ, nên ta cần có một biện pháp tóm lược cách ứng xử thành các công thức đơn giản và dễ hiểu Ngoài ra, ta cũng cần quan tâm tới thời gian thực hiện của thuật toán, thời gian thực hiện của một thuật toán trên một đầu vào cụ thể chính là số lượng các phép

toán nguyên tố hoặc các bước được thi hành

Trình tự thuật toán để giải một bài toán có thể thực hiện theo các bước sau:

- Đặt bài toán và xây dựng mô hình toán của bài toán thực tế: Giai đoạn này bao gồm việc biểu diễn bài toán thực tế bằng các biểu thức toán học, xác định các ràng buộc, các điều kiện ban đầu, giới hạn của nghiệm

- Chọn phương pháp số thích hợp: Để giải các mô hình toán xây dựng ở bước trên cần chọn một trong các phương pháp số theo tiêu chuẩn sau đây: Độ chính xác cao, tốc độ tính nhanh, quá trình tính đơn giản …

- Diễn tả thuật toán bằng lưu đồ: Lưu đồ thể hiện rõ ràng các bước tính quan trọng

và điều kiện để thu được kết quả cuối cùng Để mô tả quá trình tính toán một cách

hệ thống và rõ ràng người ta thường thể hiện thuật toán bằng lưu đồ, đó là sự biểu diễn bằng đồ thị toàn bộ toàn bộ quá trình tính toán Việc vẽ lưu đồ không những giúp cho quá trình thảo chương trình dễ dàng mà còn giúp ta phát hiện sai sót trong chương trình Những bài toán phức tạp nhất thiết phải lập lưu đồ tính toán, xây dựng lưu đồ chính xác đảm bảo 90 % kết quả tính toán

- Viết chương trình: Là hệ thống các câu lệnh có cấu trúc theo lưu đồ

- Giải chương trình và phân tích kết quả

2.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU THÂN TÀU

2.2.1 Đặc điểm chung

Kết cấu thân tàu có dạng vỏ mỏng gồm phần tôn bao bên ngoài và phần gia cường bên trong tạo thành khung xương đảm bảo độ bền, giữ tàu nổi và vận động

trên nước

- Tôn bao: Gồm các tấm vỏ mỏng bằng vật liệu kim loại hay phi kim

- Kết cấu gia cường: Hệ thống các dầm trực giao bố trí vuông góc với nhau và được

liên kết bằng các mã

Hình 2.1: Các bộ phận kết cấu thân tàu

1 Mũi tàu 7 Mạn giả 13 Thành hầm bên

2 Boong mũi 8 Lan can 14 Sống mũi

3 Lầu giữa 9 Tôn mạn 15 Sống lái

4 Buồng lái 10 Đáy tàu 16 Boong

5 Lầu lái 11 Miệng hầm 17 Đường hàn dọc

6 Vòm lái 12 Thành hầm sau 18 Đường hàn ngang

2.2.2 Đặc điểm, vai trò của các bộ phận kết cấu trong đảm bảo độ bền thân tàu

- Các kết cấu thân tàu được lựa chọn và bố trí trên cơ sở đảm bảo độ bền thân tàu khi uốn chung và độ bền cục bộ dưới tác dụng của tải trọng riêng

- Theo quan điểm này, thân tàu xem như dầm tổng hợp thành mỏng, chịu tác dụng

hai lực ngược chiều là trọng lượng thân tàu và lực đẩy của nước, kết quả thân tàu bị cong lên hoặc võng xuống, xuất hiện ứng suất, biến dạng làm phá hủy kết cấu tàu

- Để đảm bảo độ bền chung và độ bền cục bộ nói trên, kết cấu thân tàu được chia thành hai hệ thống chính

2.2.2.1 Hệ thống các kết cấu dọc

Hệ thống các kết cấu dọc để đảm bảo độ bền chung gồm các kết cấu chạy dọc tàu từ mũi đến đuôi như sống chính, đà dọc đáy, xà dọc mạn, xà dọc boong…

Về mặt độ bền, các kết cấu dọc có vai trò:

- Sống chính, xà dọc đáy, xà dọc boong chịu ứng suất kéo hoặc ứng suất nén lúc tàu

bị uốn chung và bị uốn cục bộ của khung giàn đáy, khung giàn boong

- Tôn mạn và vách dọc đóng vai trò thành đứng dầm chịu lực, chịu toàn bộ lực cắt khi tàu uốn Tôn mạn còn chịu tác dụng cục bộ của áp lực hàng hóa từ bên trong và

áp lực nước ngoài mạn tàu

- Tấm đáy và tấm boong chịu ứng suất kéo, nén lớn nhất lúc tàu bị uốn chung do nằm cách xa trục trung hòa nhất, chịu tải trọng cục bộ do áp lực nước hoặc hàng hóa tác dụng vuông góc tấm

- Sống dọc mạn chủ yếu chỉ chịu tác dụng của uốn cục bộ

- Sườn khỏe: Các dầm tăng cường đặt trong buồng máy hoặc khoang hàng

- Đà ngang đáy: Các dầm đặt ngang đáy làm đế tựa cho tôn đáy và sống dọc đáy

- Xà ngang boong: Các dầm ngang đặt dưới mặt boong để đỡ tôn boong

- Xà ngang cụt: Các xà ngang đặt ở vùng lỗ khoét trên boong, chạy từ mạn tới lỗ khoét

- Xà ngang khỏe: Xà ngang boong kích thước lớn cùng sườn khỏe để tạo thành khung sườn khỏe

2.2.3 Các hệ thống kết cấu thân tàu

2.2.3.1 Đặc điểm kết cấu khung dàn

Có thể hình dung kết cấu thân tàu được hình thành từ các khung giàn liên kết nhau: Khung giàn đáy, khung giàn mạn và khung giàn boong

Hình 2.2: Bố trí các hệ khung dàn trong thân tàu

1 Khung dàn đáy 2 Khung dàn mạn 3 Khung dàn boong

- Kết cấu thân tàu gồm nhiều khung giàn liên kết với nhau

- Kết cấu khung giàn gồm các dầm dọc và dầm ngang liên kết chặt với nhau và có tấm lợp bên trên, xung quanh có phần đế và mỗi khung giàn là đế tựa cho khung giàn khác

2.2.3.2 Phân loại hệ thống kết cấu thân tàu

- Hệ thống kết cấu ngang: Các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu dày hơn theo chiều ngang, chịu sức bền ngang tốt, dùng trên tàu cỡ vừa và nhỏ, bộ phận mũi, lái …

- Hệ thống kết cấu dọc: Các kết cấu bố trí theo chiều dài tàu thưa hơn theo chiều

ngang, chịu sức bền dọc tốt, dùng trên tàu cỡ lớn, tàu có tỷ số L/B lớn

- Hệ thống kết cấu hỗn hợp: Kết hợp cả hai hệ thống kết cấu ngang và dọc, tận dụng

ưu điểm của hai hệ thống kết cấu, dùng cho tàu dầu, tàu chở hàng cỡ trung và lớn

- Hệ thống kết cấu liên hợp: Khoảng cách kết cấu bố trí theo chiều dài và chiều ngang bằng nhau, giải quyết vấn đề gia cường cục bộ vùng chịu tải cục bộ, tải trọng

va đập

2.2.4 Nguyên tắc lựa chọn hệ thống kết cấu

- Lựa chọn hệ thống kết cấu tàu phù hợp rất quan trọng vì hình thức kết cấu thân tàu ảnh hưởng lớn đến hiệu quả kinh tế kỹ thuật của con tàu sau này

-Trước khi thiết kế, cần phân tích lựa chọn hệ thống kết cấu phù hợp trên cơ sở đảm bảo yêu cầu về an toàn, thuận lợi trong sử dụng, thi công và trọng lượng nhỏ nhất

- Các hệ thống kết cấu có những ưu, nhược điểm riêng cụ thể như sau :

2.2.4.1 Độ bền kết cấu thân tàu

- Trong hệ thống dọc, số lượng các kết cấu dọc liên tục nhiều nên làm tăng giá trị mômen quán tính và mômen chống uốn tại mặt cắt ngang dầm tương đương thân tàu Do đó làm tăng khả năng chống uốn dọc tàu có lợi cho việc đảm bảo độ bền dọc tàu

- Trong hệ thống ngang, số lượng các kết cấu dọc ít nên khả năng chống uốn dọc kém hơn hệ thống dọc nhưng vì số lượng kết cấu bố trí theo chiều ngang nhiều nên làm tăng độ bền ngang và có lợi cho khả năng chống ép ngang mạn tàu

2.2.4.2 Tính ổn định của tấm

Trong hệ thống dọc, tính ổn định tấm tốt hơn và độ dầy tấm nhỏ hơn so với hệ thống ngang vì giá trị ứng suất Ơle xuất hiện trong các tấm của hệ thống dọc lớn hơn nhiều lần (khoảng 4 lần)

2.2.4.3 Khối lượng tàu

Đối với tàu lớn, hệ thống dọc giảm đáng kể khối lượng thân tàu so với hệ thống ngang, tàu cỡ trung thì khối lượng thân tàu thuộc hai hệ thống kết cấu không chênh lệch nhiều, tàu cỡ nhỏ thì khối lượng thân tàu trong hệ thống dọc lại lớn hơn

so với hệ thống ngang

2.2.4.4 Khả năng thi công

- Hệ thống ngang thuận lợi hơn vì trong hệ thống dọc, số lượng kết cấu dọc lớn nên

số lượng kết cấu gia cường, nối các kết cấu dọc không liên tục nhiều, số lỗ khoét trên kết cấu ngang để các kết cấu dọc đi qua lớn nên khối lượng lắp ráp và hàn lớn, nhất là đối với tàu lắp ráp theo phương pháp phân đoạn thì phức tạp và khó khăn

2.2.4.5 Tính năng sử dụng

Hệ thống ngang có lợi hơn vì trong hệ thống dọc thường bố trí ở khu vực boong và mạn các xà khỏe và sườn khỏe có thành cao nên làm giảm dung tích và tăng khối lượng công việc vệ sinh hầm hàng, nhất là đối với các tàu dầu

2.2.5 Phân tích các hệ thống kết cấu

2.2.5.1 Hệ thống kết cấu ngang

 Ưu điểm

- Khả năng chịu được tác dụng của các lực theo phương ngang

- Công nghệ chế tạo đơn giản vì số lượng kết cấu dọc ít nên có thể tách thành nhiều phân đoạn thuận tiện cho việc thi công, đồng thời có thể đặt các vách nằm xa nhau nên thuận lợi khi bố trí khoang hàng

 Nhược điểm

- Kết cấu thân tàu chịu uốn dọc và chịu xoắn kém vì số lượng các kết cấu dọc tham gia đảm bảo sức bền chung ít

- Có nhiều tiết diện ngang nên khi thi công dễ gây biến dạng, ảnh hưởng độ bền vỏ

Hệ thống ngang thường chỉ áp dụng trên tàu nhỏ và vừa để tận dụng ưu điểm của nó vì mômen uốn chung đối với tàu này không quá lớn nên ứng suất nén trong các tấm boong hoặc tấm đáy không lớn, do đó ổn định tấm (phụ thuộc giá trị ứng suất) và cách bố trí tấm thường không gây ra sự lo lắng quá mức

2.2.5.2 Hệ thống kết cấu dọc

- Do nhà đóng tàu người Anh Scott Russel đề nghị và áp dụng cho tàu Great Eastern

từ năm 1852, mãi đến năm 1910 Đăng kiểm Lloyd (Anh) vẫn còn ghi chữ Exp

- Áp dụng đầu tiên trên tàu quân sự, sau đó chuyển sang tàu dân sự, kể từ khi xuất hiện các loại tàu đi biển có chiều dài lớn

- Tính ổn định của tấm tốt hơn và độ dầy tấm nhỏ hơn vì giá trị ứng suất Ơle xuất hiện trong các tấm hệ thống dọc lớn hơn nhiều

 Nhược điểm

- Lắp ráp các phân đoạn rất phức tạp và khó bố trí hoặc kéo dài các khoang

- Các nhược điểm trên đối với tàu cỡ lớn là không đáng kể nên hệ thống kết cấu dọc thường được sử dụng trên các tàu cỡ lớn hoặc các tàu có tỷ số L/B lớn

2.2.5.3 Hệ thống kết cấu hỗn hợp

- Hệ thống kết cấu hổn hợp do nhà khoa học Liên Xô cũ viện sỹ Shymanski đề nghị

- Vai trò các khung giàn tàu trong việc đảm bảo độ bền kết cấu thân tàu khác nhau,

do đó nên sử dụng hệ thống kết cấu hỗn hợp, tức là tùy vai trò của các khung giàn

khi tham gia đảm bảo độ bền chung hay riêng mà bố trí hệ thống dọc hay ngang

- Hệ thống này đảm bảo kết cấu thân tàu chịu ứng suất hợp lý hơn nên sẽ tiết kiệm vật liệu đáng kể so với các hệ thống khác, do đó thường áp dụng cho tàu dầu, tàu hàng cỡ trung và cỡ lớn

2.3 YÊU CẦU CỦA QUY PHAM VIỆT NAM VỚI VIỆC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP

2.3.1 Vật liệu thép dùng trong đóng tàu

2.3.1.1 Khái quát về thép

Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với cacbon (C), từ 0.02% đến 1.7% theo trọng lượng, và một số nguyên tố hóa học khác Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt nhưng lại giòn và dể gãy hơn, ngược lại thì thép dẻo, độ cứng kém

Hiện nay, thép được chế tạo từ nhiều các nhóm hợp kim khác nhau, tùy theo thành phần hóa học của các nguyên tố cho vào mà cho ta các sản phẩm phù hợp với công dụng riêng rẽ của chúng như: Thép cacbon, thép hợp kim, thép không gỉ, thép gió, thép dụng cụ đo…

2.3.1.2 Yêu cầu đối với thép dùng trong đóng tàu

Thép là loại vật liệu đựơc sử dụng rộng rãi nhất trong đóng tàu nhờ có những đặc tính ưu việt của thép về tính năng cơ học, giá thành hợp lý…Mà người ta có thể đóng tàu dài đến 500m với tải trọng trên dưới nửa triệu tấn, trong khi đó vật liệu cổ điển là gỗ chỉ đóng những tàu có chiều dài trên dưới 60m

Mặc dù có những thành công rực rỡ trong việc sử dụng thép để đóng tàu đặc biệt là cùng với sự tiến bộ mạnh mẽ của công nghệ hàn Nhưng hàng nghìn trường hợp tai nạn vẫn xảy ra đối với tàu thép như nứt, nứt giòn, ăn mòn, có khi tự nhiên gãy đôi cả con tàu Vì vậy yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho thép đóng tàu cơ bản như sau:

- Đảm bảo sức bền cơ lý tính với ch = 235- 390 Mpa

- Chịu đựng được hiện tượng nứt giòn ở nhiệt độ 0°C hoặc thấp -40°C

- Tính năng hàn tốt ở mọi nhiệt độ môi trường xung quanh

- Có khả năng gia công nguội mà không bị giảm nhiều đi cơ lý tính của nó sau khi

đã biến dạng dẻo và không cần phải gia công nhiệt trở lại

- Khả năng chống gỉ trong môi trường nước bẩn cũng như hàng hóa vận chuyển

- Có sức bền tốt trong môi trường gỉ, đặc biệt mỏi ở chu kỳ thấp của các mối hàn

- Giá cả tương đối hợp lý

Trong công nghiệp đóng tàu, để đảm bảo những yêu cầu ở trên, người ta cần quan tâm đến các vấn đề sau:

- Phương pháp chế tạo ra thép

- Sức bền (cơ, lý tính của các loại thép)

- Thành phần hóa học trong thép

Để giải quyết các vấn đề ở trên ta thực hiện theo những nội dung chính sau:

- Dung sai âm cho phép đối với thép tấm theo yêu cầu của các cơ quan Đăng kiểm, nếu vượt quá giới hạn này thép sẽ bị loại ra

- Trong đóng tàu hầu như chỉ dùng thép được khử oxy mà tiêu chuẩn của Nga dùng

kí hiệu CT3c Thép cácbon là loại thép thường với thành phần nguyên tố cacbon không vượt quá 0,23%

- Phương pháp chế tạo ra thép cũng như phương pháp cán thành thép tấm hoặc thép hình phải được cơ quan Đăng kiểm chấp nhận và cấp giấy chứng chỉ Trong đóng tàu khối lượng thép chế tạo bằng thép cán chiếm khoảng trên 90%, còn lại là thép rèn và thép đúc

- Tính năng chống nứt khi hàn

Xác định tính năng chống nứt khi hàn rất phức tạp mà cũng không phù hợp

với thực tế sản xuất cũng như khai thác, do đó người ta chỉ nghiên cứu đề ra các chỉ tiêu để xác định đánh giá tính chất dễ nứt của từng loại thép như sau:

 Hệ số Ceq: Hệ số cacbon tương đương cho thép thường

Ceq = C + Mn/6 (%) (2.1) C: Cacbon %, Mn: Mangan %

Thép thường hàn tốt thì Ceq < 0,40 %

 Đối với thép có độ bền cao

Ceq = C + Mn/6 + (Cr + Mo +V)/5 + (Ni + Cu)/15 (%) (2.2) Công thức (2.2) dùng cho thép Cacbon – Mangan với ch < 390 MPa, tính năng hàn tốt khi Ceq < 0,45%

2.3.1.3 Cơ tính của một số thép thông dụng trong đóng tàu

a Thép cacbon

Thép cacbon bao gồm hai nguyên tố chính là sắt và cacbon, ngoài ra còn có

Mn, Si, P và S, chiếm (80- 90%) tỷ trọng các sản phẩm thép làm ra Tỷ lệ % thành phần hóa học như sau: %C  2,14%, % Mn  0,08%, %Si 0,40%, P  0,050%,

S  0,050%

 Theo %C, phân thành 4 nhóm với cơ tính và công dụng khác nhau như sau:

- Thép có độ bền tương đối cao (%C = 0,55  0,65%): Chi tiết đàn hồi

- Thép có cacbon thấp (%C  0,25%): Dẻo, dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp chủ yếu dùng trong xây dựng

- Thép có cacbon trung bình (%C = 0,3  0,5%): Chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và

va đập cao

- Thép có độ bền cao (%C  0,7 %): Dụng cụ như dao cắt, khuôn dập, dụng cụ đo

 Ưu điểm

- Rẻ, dễ kiếm, không phải dùng các nguyên tố hợp kim đắt tiền

- Cơ tính tổng hợp nhất định phù hợp với các điều kiện thông dụng

- Tính công nghệ tốt: Dễ đúc, cán, rèn, kéo sợi, hàn, gia công cắt

 Nhược điểm

- Độ thấm tôi thấp nên hiệu quả hóa bền bằng nhiệt luyện tôi + ram không cao

- Tính chịu nhiệt độ cao kém: Khi nung nóng độ bền cao của trạng thái tôi giảm ở trên 200 °C , ở trên 570°C bị oxy hóa mạnh

- Không có các tính chất hóa học đặc biệt như: Cứng nóng, chống ăn mòn

 Giới hạn chảy của thép cacbon thường dùng trong đóng tàu hiện nay:

 Phân loại theo tổng lượng thành phần các nguyên tố hợp kim:

- Thép hợp kim thấp: Có tổng lượng các thành phần  2,5% (gọi là thép peclit)

- Thép hợp kim trung bình: Có tổng lượng thành phần từ 2,5% đến 10% (thường là

từ họ peclit đến mactenxit)

- Thép hợp kim cao: Có tổng lượng thành phần10% (họ mactenxit đến austenit)

 Ưu điểm

- Chống ăn mòn, tính chất từ, giãn nở nhiệt, chịu nhiệt tốt

- Độ bền cao hơn hẳn thép cacbon nhất là khi tiết diện lớn hơn 20(mm)

- Có thể tôi dầu nên ít biến dạng và nứt, nên rất ưu việt cho chi tiết phức tạp

 Nhược điểm

- Nguyên tố hợp kim dễ bị thiên tích

- Thành phần hóa học của các nguyên tố lớn, công nghệ chế tạo phức tạp nên giá

2.3.1.4 Một số quy định về sử dụng thép theo Đăng Kiểm

- Thép dùng cho kết cấu thân tàu phải là các cấp thép như quy định của Đăng kiểm

ở phần vật liệu đóng tàu ( phần 7A)

- Ở đoạn 0,4 L giữa tàu, dải tôn đơn của mép mạn kề với boong tính toán, dải tôn mép của boong tính toán, dải tôn hông, dải tôn boong kề với vách dọc và các cơ cấu làm bằng thép cấp KE, KE32 và KE36 phải có chiều rộng không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau đây, lớn nhất là bằng 1800 (mm) Đối với mép mạn lượn, chiều rộng của dải tôn mép mạn phải thỏa mãn yêu cầu của Đăng kiểm:

B = 5 L1 + 800 (mm) (2.3)

Trong đó:

L1- Chiều dài tàu quy định 0,97 chiều dài tàu đo trên đường nước chở hàng thiết kế, lấy giá trị nào nhỏ hơn (m)

- Việc sử dụng thép có chiều dày lớn hơn 50 (mm) theo quy định của Đăng kiểm

- Đối với tàu được thiết kế để hoạt động lâu dài ở vùng có nhiệt độ thấp hoặc tàu thiết kế để chở hàng đông lạnh, khi xét thấy cần thiết Đăng kiểm có thể yêu cầu sử dụng mác thép có độ bền cao

2.3.2 Kích thước, quy cách bố trí kết cấu

2.3.2.1 Kích thước cơ cấu

- Kích thước của các cơ cấu ở đoạn giữa, đoạn mũi và đoạn đuôi tàu là kích thước

áp dụng cho các cơ cấu ở các đoạn thân tàu quy định tương ứng

- Nếu không có quy định nào khác, thì mô đun chống uốn theo yêu cầu của Quy phạm là của tiết diện cơ cấu thân tàu bao gồm cả mép kèm Mép kèm được lấy rộng

bằng 0,1l về mỗi bên của cơ cấu nhưng không được lớn hơn một nửa khoảng cách các cơ cấu, l là chiều dài nhịp của cơ cấu lấy theo các quy định có liên quan

- Việc giảm kích thước của cơ cấu thân tàu từ giữa tàu về mũi và đuôi phải cố gắng thực hiện dần dần

- Nếu dùng thép dẹt, thép góc hoặc tấm bẻ mép để làm các xà, sườn, nẹp có mô đun

chống uốn theo quy định thì chúng phải có chiều cao và chiều dày phù hợp với mô đun chống uốn theo yêu cầu của Quy phạm

- Đối với các cơ cấu như sống, đà ngang có diện tích tiết diện bản mép được xác định, chiều rộng bản mép phải không nhỏ hơn trị số tính theo công thức sau:

100A/t + 1.5t ( mm ) (2.4) Trong đó:

A: Diện tích tiết diện bản mép theo yêu cầu (cm2)

t: Chiều dày bản thành (mm)

2.3.2.2 Liên kết mút của các nẹp, sống và sườn

- Nếu mút của các sống được liên kết với vách, đáy trên thì các mối liên kết mút

ấy của các sống phải được cân bằng bởi các cơ cấu đỡ hữu hiệu ở mặt bên kia của

vách, đáy trên

- Nếu không có quy định nào khác, thì chiều dài cạnh đứng của mã liên kết với sườn

hoặc nẹp của vách hoặc két sâu phải không nhỏ hơn 1/8 của l theo các quy định có

liên quan

2.3.2.3 Mã

- Kích thước của mã phải được xác định tùy thuộc chiều dài cạnh liên kết

- Chiều dày của mã phải được tăng thích đáng nếu chiều cao tiết diện hiệu dụng của

mã nhỏ hơn 2/3 chiều cao tiết diện của mã theo yêu cầu

- Nếu mã có lỗ khoét giảm trọng lượng thì khoảng cách từ mép lỗ khoét đến cạnh tự

do của mã phải không nhỏ hơn đường kính lỗ khoét

- Nếu chiều dài cạnh liên kết dài hơn của mã lớn hơn 800 (mm) thì cạnh tự do của

mã phải được gia cường bằng mép bẻ hoặc bằng hình thức khác trừ khi mã đó là mã chống vặn hoặc cơ cấu tương tự

2.3.2.4 Chi tiết kết cấu

- Phải cố gắng tránh sự gián đoạn và sự thay đổi đột ngột của tiết diện cơ cấu

- Góc của tất cả các lỗ khoét phải được lượn đều

- Khi cơ cấu cứng, chẳng hạn mã, có diện tích tiết diện nhỏ được hàn với tôn tương đối mỏng thì ít nhất hai đầu của cơ cấu đó phải được hàn trực tiếp lên cơ cấu cứng

2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KÍCH THỨỚC KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO QUY PHẠM

2.4.1 Giới thiệu về Quy phạm Việt Nam

Đăng kiểm có tên gọi sát nghĩa là cơ quan phân cấp tàu Nhìn chung, nhiệm vụ chính của các cơ quan phân cấp tàu là giám sát kỹ thuật và phân cấp phù hợp với các yêu cầu được quy định bằng luật

Đăng kiểm Việt Nam là cơ quan giám sát và phân cấp tàu, thực hiện công tác giám sát kỹ thuât, phân cấp, định mạn khô, đo dung tích tàu, giám sát việc thực hiện các yêu cầu của Công ước quốc tế có liên quan mà Việt Nam tham gia

Đối tượng kiểm tra, giám sát của cơ quan phân cấp là các loại tàu nói chung, các máy móc, trang thiết bị dùng trên tàu, các công trình trên biển cùng tất cả trang thiết bị trên đó

Các cơ quan này tiến hành hàng loạt công tác nghiên cứu khoa học liên quan đến thiết kế, chế tạo, bảo dưỡng, duy tu tàu và trang thiết bị đồng thời đưa ra các Quy phạm liên quan đến độ bền, an toàn tàu cùng trang thiết bị

Quy phạm tàu thép của đăng kiểm Việt Nam mang tên: Quy phạm phân cấp

và đóng tàu biển vỏ thép

"Quy phạm Phân cấp và Đóng tàu biển vỏ thép - 2003" được biên soạn trên cơ

sở tham khảo "Quy phạm Kiểm tra và Đóng tàu" của Đăng kiểm Nhật Bản (NK), sử dụng một số tiêu chuẩn có bổ sung sửa đổi của hệ thống Quy phạm tàu biển đã ban hành (từ TCVN : 4002-85 đến TCVN 4021-85) và TCVN 2172 QĐ/KHKT- 1993, cập nhật các quy định mới nhất của các Công ước quốc tế hiện hành của Tổ chức

hàng hải quốc tế (IMO) và các Tiêu chuẩn của Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) Đồng thời Quy phạm này cũng đề cập đến những kinh nghiệm trong đóng mới

và khai thác tàu biển, những tiến bộ khoa học kỹ thuật và công nghệ của Việt Nam

và thế giới trong thời gian qua kể từ khi xuất bản Quy phạm lần trước

2.4.2 Cơ sở lý thuyết của các công thức tính kích thước kết cấu trong Quy phạm

Kết cấu thân tàu luôn trong tình trạng chịu lực rất phức tạp bao gồm những yếu

tố như: + Lực cắt (shearing force)

+ Mômen xoắn (twisting moment)

+ Lực dọc trục (axial force)

+ Mômen uốn (bending moment)

Hình 2.3: Tình hình chịu lực mặt cắt ngang thân tàu trên sóng

Vì vậy, các công thức tính kết cấu thân tàu của các Quy phạm được xây dựng phải đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ ổn định tấm

Yêu cầu chung đảm bảo độ bền kết cấu thân tàu, trong mọi hoàn cảnh làm việc ứng suất xuất hiện trong kết cấu thân tàu không vượt quá giá trị cho phép Giá trị cho phép của ứng suất được gắn liền với con tàu cụ thể và điều kiện làm việc cụ thể Theo cách đặt vấn đề này, ứng suất tôn đáy hoặc tôn vỏ, trong trường hợp uốn

M: mômen uốn tại mặt cắt ngang đang tính toán

W: giá trị môđun chống uốn tính tại mặt cắt ngang thân tàu đang xét

[]: giá trị ứng suất cho phép hay ứng suất giới hạn đối với kết cấu đang xét Chúng ta có thể nêu yêu cầu trên dưới dạng liên quan đến ứng suất giới hạn gh:

  gh

M M W

2.4.2.1 Công thức tính chiều dày tôn bao

Tôn bao là bộ phận kết cấu quan trọng nhất đảm bảo độ bền chung của tàu do

đó cách đặt vấn đề của hầu hết các Quy phạm khi lập công thức tính chiều dày các tấm tôn vỏ đó là dựa trên cơ sở đảm bảo tấm phải có đủ độ bền trong mọi trường hợp, kể cả sau khi mất ổn định

Vấn đề trên được giải quyết dựa vào lý thuyết tấm và khái niệm chiều rộng dải

tôn kèm, mép kèm và trong tài liệu về “ lý thuyết đàn hồi và lý thuyết tấm vỏ ” khái niệm này được hiểu cụ thể hơn là chiều rộng hữu hiệu be (effective width) xác định

theo công thức sau: y

b x e

x: Giá trị ứng suất tác dụng ứng với chiều rộng tấm b

e: Giá trị ứng suất tác dụng ứng với chiều rộng tấm be

a a

nghĩa effective width là tương đương với định nghĩa chiều rộng hữu hiệu (effective

breadth) của tấm tham gia vào các kết cấu có dạng chữ T hoặc chữ  được trình bày

trong (hình 2.4)

Để xác định chiều rộng của dải tôn này có thể sử dụng các công thức tính gần đúng hoặc sử dụng đồ thị do các nhà nghiên cứu ổn định tấm lập từ những năm đầu thế kỷ XX đến nay Một trong các đồ thị được thể hiện trong (hình 2.4), trong đó chiều rộng hữu hiệu be ở hệ toạ độ tương đối được xác định dưới dạng hàm của chiều rộng tương đối  như sau:

E t

E: Giá trị môđun đàn hồi của vật liệu

Công thức trên được thiết lập như sau: Xét một tấm đơn, theo định nghĩa về tấm chịu ứng suất nén dọc trục, ví dụ trục Ox Nếu tấm có tỷ lệ a/b > 1 thì giá trị ứng suất giới hạn gh của tấm được tính bằng công thức:

2 2 2

1 12

gh

Nếu chiều rộng tấm b = be được xác định trên cơ sở lựa chọn chiều dày của tấm t sao cho giá trị ứng suất giới hạn gh chỉ đạt đến giá trị ứng suất chảy y của vật liệu, ký hiệu ở đây là 0 thì từ công thức (2.3) ta có:

Chú thích: Ký hiệu  được sử dụng trong các công thức trên mang nghĩa tỷ lệ với

Khi đó, chiều rộng tương đối  trên đồ thị xác định chiều rộng dải tôn kèm hay còn gọi là hệ số mềm được tính theo công thức:

E t

b b



E t

Trong đó:

0 (hoặc  là ứng suất chảy của vật liệu)

Với những loại thép đóng tàu thông dụng hiện nay, giá trị môđun đàn hồi

E = 2,1.105 (MPa), hệ số Poison  = 0.3 thì chiều rộng tính theo công thức (2.11) có giá trị bằng 55t (t: chiều dày tấm) Kết quả thí nghiệm nhiều năm cho thấy, chiều rộng mép kèm nằm trong phạm vi 50t

Chiều rộng tối thiểu của mép kèm tính từ lý thuyết tấm có thể xác định theo công thức:

(2.15) Trường hợp có xét đến cả thành phần ứng suất dư xuất hiện trong kết cấu khi gia công cần phải đưa thêm vào khái niệm hệ số ứng suất dư Rd xác định theo công thức:

E

E R

y

ts d d

d: giá trị ứng suất dư tính cho từng trường hợp cụ thể:

d = 0 đối với các kết cấu không qua quá trình hàn

d  0.1y đối với kết cấu hàn điện

d  0.33y đối với kết cấu hàn trong lớp bảo vệ

Ets: giá trị môđun vật liệu tham gia kết cấu được xác định như sau:

a, b: Kích thước tấm trong hệ thống ngang

K: Hệ số tính đến ảnh hưởng ứng suất dư

Trong Quy phạm công thức trên có thể thấy qua công thức tính tổng giá trị các ứng suất danh nghĩa khi uốn dầm đáy tàu t như sau:

t = 0.4(L + 170) (MPa) (2.19)

Nếu lấy hệ số ứng suất dư Rd = 0.55 thì để đảm bảo giá trị ứng suất suất hiện trong kết cấu không vượt quá giá trị giới hạn tính toán, chiều dày tấm phải không được nhỏ hơn giá trị sau:

t = 0.054b(L + 170) (mm) (2.20)

Để lập công thức tính chiều dày tôn bao ở giữa tàu ta dựa trên công thức tính ứng suất tấm Đối với hệ thống ngang, giá trị ứng suất uốn x tại điểm giữa tấm được tính theo công thức:

2

5

t



005 0

Chúng ta lấy tiêu chuẩn trước 1990 của một tổ chức Đăng kiểm để minh họa cách làm trên Từ tiêu chuẩn bền trình bày trong tài liệu độ bền tàu đối với những loại thép đóng tàu thông thường có thể lấy  = 0.63y = 84.6 (MPa), thay giá trị vừa tính vào công thức (2.23) thì công thức tính chiều dày tôn bao được viết lại như sau: t 7 68S d (2.24)

2.4.2.2 Công thức tính kích thước các kết cấu cơ bản

Mô hình tính các kết cấu (đà ngang đáy, đà dọc, sườn, xà ngang boong…) thường có dạng dầm đơn đặt trên các gối đỡ Đối với đà dọc, nhờ tính đối xứng về tải trọng và kết cấu nên các đà dọc khi chịu tải trọng theo phương pháp tuyến bị võng dạng cosin nên có thể dùng mô hình ngàm một nhịp để tính Đối với sườn thuộc khung dàn mạn có thể dùng mô hình một nhịp dầm ngàm một đầu để tính Cần lưu ý là mô hình của các tải trọng tác dụng lên hai mô hình tính nói trên là khác nhau: Mô hình dầm bị ngàm áp dụng cho các đà dọc đáy chịu tải trọng phân bố đều

P = h trên diện tích Sxl, còn mô hình tải trọng tác dụng lên sườn tàu trong khung dàn mạn phân bố theo hình tam giác

Hình 2.5: Mô hình tải trọng nước tác dụng lên mặt cắt ngang kết cấu thân tàu trên sóng

Tuy nhiên, trong cả hai mô hình trên, công thức tính giá trị mômen uốn tại hai đầu dầm và các điểm đặc trưng giữa dầm vẫn có thể được viết dưới dạng tổng quát như sau:

   

2 1

Xét trường hợp mô hình tính đà dọc đáy có dạng dầm bị giới hạn trong phạm

vi làm việc Ví dụ như dầm bị ngàm tại hai vách ngăn ngang hay ngàm giữa hai đà ngang đáy được mô tả ở (hình 2.4):

Hình 2.6: Mô hình tính các kết cấu dọc (1: Đà ngang đáy, 2: Sống dọc đáy) Khi đó, giá trị mômen uốn cục bộ Mcb được tính theo công thức:

hs: Chiều cao sóng tính toán

: Hệ số hiệu chỉnh tính cho trường hợp đặt tàu trên đỉnh sóng

 Mô hình tính kết cấu ngang

Chiều cao của các đà ngang đáy tàu được lấy tối thiểu bằng 1/18 chiều rộng tàu trong đó giá trị môđun chống uốn của các đà ngang đáy đơn tính bởi công thức:

l: Chiều dài nhịp

k: Hệ số tính theo công thức nhưng không được lớn hơn 0.43

k = 0.15 + 0.1l (2.33)

 Mô hình tính xà ngang boong

Mônen uốn M tác dụng lên xà ngang boong được tính theo công thức tổng quát:

1212

2

Shl k

Ql k

Trong đó:

Q: Tải trọng tác dụng xác định theo công thức:

Q = Shl (2.35)

l: Chiều dài nhịp dầm đang tính (khoảng cách giữa hai gối)

S: Khoảng cách giữa các sườn

h: Chiều cao cột áp nước tác dụng lên boong

Kết quả tính toán thực tế cho thấy, công thức tính mômen uốn nói trên tỏ ra khá phù hợp với tàu có một boong, trong đó giá trị lớn nhất là tại khu vực nối xà ngang boong với sườn mạn tàu Còn đối với tàu có nhiều tầng boong, giá trị hệ số k tương đối ổn định và gần bằng với 1.1 nếu thay giá trị k vào công thức (2.30) ta có:

1 1

Trong các công thức trên:

S: Khoảng cách giữa các sườn

h: Chiều cao cột áp tác dụng lên sườn mạn

l: Khoảng cách đo từ boong dưới đến đường trung hoà của đà ngang đáy

K: Hệ số phụ thuộc vào tỷ lệ T/H và số boong tàu xác định như sau:

Tàu 1 boong: k = 24.7 khi T/H = 0.65; k = 18 khi T/H = 1

Tàu 2 boong: k = 19.2  19.7

Tàu nhiều boong: k = 21

Do khoảng cách đo từ boong dưới đến đường trung hoà của đà ngang đáy được xác định theo đường tính nên công thức tính mômen uốn M được hiệu chỉnh

l1: Khoảng cách đo từ boong dưới đến mép tôn đáy trong

k1: Hệ số được xác định phụ thuộc vào số boong như sau:

Tàu 1 boong: k1 = 18.7 khi T/H = 0.65; k1 = 14.8 khi T/H = 1 Tàu 2 boong: k1 = 14.7

Tàu 3 boong trở lên: k1 = 15.3

Thay tải trọng Q vào công thức tính mômen ta được:

 Mô hình tính khung giàn vách

Các vách ngăn trên tàu thường được làm từ thép tấm dưới dạng vách phẳng hoặc vách sóng, có kết cấu tương tự các khung giàn khác, gồm tấm vách liên kết các nẹp gia cường đứng và ngang Vách chịu áp lực nước ngoài mạn, tải trọng truyền qua các khung giàn liên kết với vách, phản lực từ các gối đỡ khi tàu nằm trên ụ, tàu lên đà hoặc do hiện tượng uốn ngang thân tàu gây ra, áp lực thuỷ tĩnh của nước khi khoang bị ngập và áp lực các hàng lỏng chứa trong các khoang hàng Do đó, thực chất của việc thiết kế vách ngăn trên cơ sở đảm bảo độ bền vách ở điều kiện vừa nêu là tính chọn chiều dày tôn vách ngăn, tính chọn kích thước và bố trí các nẹp cứng gia cường cho vách

Theo quy định của Quy phạm, giá trị mômen uốn tác dụng lên nẹp gia cường vách có dạng:

k: Hệ số xác định từ thực nghiệm, có giá trị bằng khoảng 21

Với vách làm từ thép đóng tàu có ứng suất giới hạn  =1850 1950 (KG/cm2 )

2 2

u và ứng suất Ơle E không đổi thì chiều dày tôn tỷ lệ thuận với khoảng cách sườn

Vì vậy, thay đổi khoảng sườn sẽ dẫn đến việc hiệu chỉnh chiều dày tôn

Khi xác định khoảng cách sườn cần phải dựa trên cơ sở các yêu cầu quan trọng trong quá trình thiết kế kết cấu tàu như: Đảm bảo độ bền, độ ổn định và khả năng thi công dễ dàng

Khoảng sườn được xem là ẩn số của bài toán thiết kế kết cấu tối ưu trên cơ sở đảm bảo sao cho vật liệu chế tạo tàu thấp nhất, công nghệ chế tạo dễ nhất và giá thành thấp nhất Nếu khoảng sườn ngắn thì kích thước sườn không lớn và vật tư cần thiết cho một sườn không nhiều nhưng số lượng sườn cho toàn tàu sẽ rất lớn và vì vậy công thực hiện sẽ tăng lên Ngược lại nếu khoảng sườn lớn thì số lượng sườn trên toàn tàu sẽ giảm xuống nhưng kích thước của mỗi khoảng sườn tăng lên, kéo theo trọng lượng tàu tăng

Để tiện cho việc sửa chữa, kéo dài thời gian sử dụng có thể tăng khoảng cách sườn một cách thích đáng để tăng chiều dày tôn Tuy nhiên, tăng khoảng cách sườn còn phải tính đến độ bền của kết cấu, tính kinh tế, nếu kết cấu quá dày sẽ trở nên cồng kềnh, dư bền dẫn đến không kinh tế

Nếu lựa chọn khoảng sườn là một số chẵn sẽ tiện cho việc vẽ mẫu ở nhà máy, việc hạ liệu và lắp ráp…Cố gắng giảm bớt việc thay đổi khoảng cách sườn nhiều lần trên một con tàu nhằm tránh nhầm lẫn và tiện cho việc thi công

2.4.3.2 Về sức bền

Như chúng ta đã biết, mômen uốn dọc toàn tàu và lực cắt thay đổi dọc theo chiều dài của thân tàu, thường ở giữa mômen uốn lớn nhất và giảm dần về hai đầu mũi và lái Lực cắt lớn nhất thường ở cách mũi và lái 0,25L

Căn cứ vào tình hình phân bố mômen uốn và ứng suất, tôn vỏ ở giữa tàu phải dày hơn tôn vỏ ở hai đầu mũi và lái Thường Quy phạm chia tôn vỏ thành 3 khu vực: Bộ phận giữa tàu (0,4L), bộ phận mũi và lái (0,050,1L) và bộ phận chuyển tiếp Tôn đáy và tôn mép mạn của bộ phận giữa tàu do chịu ứng lực uốn toàn tàu tương đối lớn, thường dày hơn tôn mạn