Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu tàu vỏ thép khi đâm va bằng phương pháp mô phỏng

SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu tàu vỏ thép đâm va phương pháp mơ  Huỳnh Văn Vũ Bộ mơn Kỹ thuật tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang (Bài nhận ngày 13 tháng năm 2015, hồn chỉnh sửa chữa ngày 16 tháng 10 năm 2015) TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu tử hữu hạn thơng qua phần mềm thương mại đánh giá độ bền mạn đơi tàu vỏ thép Abaqus/Explicit Nghiên cứu khảo sát 20000 DWT xảy tai nạn đâm va với sáu trường hợp đâm va, ba trường mũi tàu vỏ thép khác phương pháp hợp mũi tàu có vận tốc hl/h ba trường hợp mở rộng khác mơ Kết mơ q trình tai nạn đâm va tàu sử dụng phương pháp phần Từ khóa: Độ bền kết cấu tàu, tai nạn đâm va, mơ phỏng, Abaqus ĐẶT VẤN ĐỀ Trong trường hợp xảy tai nạn tàu vỏ thép, ví dụ tai nạn đâm va hai tàu, vấn đề dư bền tàu tồn khơng, độ bền kết cấu tàu có đủ khả chống đỡ lại phá hủy khơng cần quan tâm trước tiên Các quy định hàng hải, luật, tiêu chuẩn quy định quan Đăng kiểm ưu tiên dư bền xác định cụ thể độ bền dự phòng hay độ ổn định dự phòng, xảy phá hủy, khả tàu bị chìm thấp Một số quy định tiêu chuẩn có đề cập đến tai nạn đâm va tàu sử dụng thơng dụng như: hướng dẫn Bộ Năng lượng vương quốc Anh [10], Đăng kiểm DNV [7], tiêu chuẩn NORSOK [14], … Các nghiên cứu mơ tượng đâm va phía mạn tàu chủ yếu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method, gọi tắt FEM) tổng hợp Miguel Angel Gonzales Calle [11] năm 2011 Ngồi ra, số nghiên cứu khác vấn đề như: K.Wísniewski [9] nghiên cứu mơ thiệt Trang 94 hại tai nạn đâm va mũi tàu Container 40.000 DWT vào bên mạn tàu dầu 105.400 DWT góc 900 với vận tốc knots (3,6 m/s), Ozhue [12] đánh giá thơng số ảnh hưởng đến việc đâm va tàu cung cấp hướng dẫn để thực tốn mơ sử dụng FEM, N.Q Thái [5] mơ va đập phần vỏ sà lan chịu tác động trọng vật rơi, Đ.T.Q Tánh [4] tiến hành thực nghiệm mơ Abaqus/Explicit độ bền va đập trọng vật rơi tự lên kết cấu tàu có nẹp gia cường Kết nghiên cứu báo xây dựng mơ hình mơ tai nạn đâm va mũi tàu lê đâm va vào kết cấu mạn đơi tàu vỏ thép đánh giá độ bền mạn đơi tàu vỏ thép sau tai nạn, phương pháp phần tử hữu hạn với trợ giúp phần mềm thương mại Abaqus/CAE v6.10 XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG TAI NẠN TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 2.1 Giả thiết trường hợp tai nạn tốc, khối lượng va chạm, góc đâm va vị trí tương tự trạng thái thứ nhất, ký hiệu TH1V5F, TH2V5F, TH3V5F Giả thiết có trường hợp tai nạn đâm va phía mạn tàu với vị trí tương đối mũi tàu đâm va mạn đơi tàu bị đâm va hình 1, tương ứng với T= 0, T= 1800 mm, T= 3900 mm Trong trường hợp xét hai trạng thái, thứ xem mũi tàu đâm va tuyệt đối cứng, di chuyển với vận tốc hl/h, khối lượng va chạm 7497 [2], đâm vng góc với mạn tàu bị đâm va, ký hiệu TH1V5, TH2V5, TH3V5 tương ứng với vị trí nói trên, thứ hai mũi tàu đâm va vật rắn biến dạng, di chuyển với vận (a) 2.2 Mơ hình hóa tốn mơ tai nạn Mơ hình hình học: đối tượng nghiên cứu báo tàu hàng vỏ thép tải trọng 20.000 DWT, đóng Nhà máy Đóng tàu Cam Ranh, phân cấp Đăng kiểm Việt Nam [1] Để đơn giản, báo chọn khu vực mạn đơi vùng thân ống tàu làm đối tượng tàu bị đâm va (hình 2.a), chọn khu vực mũi lê tàu làm đối tượng tàu đâm va (hình 2.b) (b) (c) Hình Giả thiết trường hợp tai nạn (a) Trường hợp 1, T=0; (b) Trường hợp 2, T = 1800 mm; (c) Trường hợp 3, T = 3900 mm (a) Vùng mạn đơi tàu bị đâm va (b) Mũi lê tàu đâm va Hình Mơ hình hình học tốn mơ tai nạn Mơ hình phần tử: Đối với mũi lê tàu đâm va, xem xét trường hợp vật rắn tuyệt đối mơ hình có 19738 phần tử, kiểu phần tử tứ giác nút R3D4, kích thước phần tử 100x100 mm (hình 3.a), xem xét trường hợp vật rắn biến dạng chọn kiểu phần tử tứ giác nút S4R, gồm 15662 phần tử với kích thước phần tử 200x200 mm (hình 3.b) Đối Trang 95 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 với phần mạn đơi tàu bị đâm va chọn dạng phần tử tứ giác nút S4R, có 253875 phần tử chia thành hai khu vực, khu vực dự kiến bị đâm va có kích thước phần tử 50x50 mm, khu vực lại có kích thước phần tử 100x100 mm (hình 3.c) Biểu đồ biến dạng – lực kéo tiến hành thử kéo vật liệu thép dùng để đóng tàu thể hình Khi nhập giá trị vào Abaqus cần chuyển sang kiểu biến dạng strain  ứng suất stress  Ngồi số thơng số vật liệu khác mơ đun đàn hồi E = 207000 MPa, hệ số Poisson  = 0.3, khối lượng riêng  = 7.85E-9 tấn/mm3, … 2.3 Thuộc tính vật liệu (a) (b) (c) Hình Mơ hình phần tử (a) mũi lê xem vật tuyệt đối cứng, Lực, N (b) mũi lê xem vật rắn biến dạng, (c) mạn đơi tàu bị đâm va 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 10 20 Độ dãn dài, mm 30 Hình Biểu đồ thuộc tính vật liệu thử kéo 2.4 Điều kiện biên tốn Tàu bị đâm va xét dầm đặt hai gối simple supported, gối vị trí RP1 gối cố định, gối vị trí RP2 gối trượt Các phần tử hai mặt cắt ngang tương ứng Trang 96 liên kết với điểm tham chiếu RP1 RP2 phương pháp MPC (Multi Point Constraint) Điều kiện biên tốn mơ q trình TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 đâm va mạn tàu thể hình 5, giá trị cụ thể ghi bảng KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.1 Đối với trường hợp mũi lê vật rắn tuyệt đối cứng Đối với trường hợp này, quan sát vùng biến dạng sau kết thúc tai nạn xảy mạn đơi tàu bị va chạm hình Kết vận tốc lượng mạn đơi tàu bị đâm va mũi lê tàu đâm va thể hình Mũi lê tàu đâm va Chiều rộng mạn tàu bị đâm va 2 RP1 RP2 Chiều dài mạn đơi tàu bị đâm va Hình Điều kiện biên tốn va chạm mạn tàu Bảng Điều kiện biên mơ hình RP1 RP2 (a) TH1V5 Trục theo chiều ngang tàu U1 = U1 = Trục theo chiều dọc tàu U2 = UR2 = UR2 = Trục theo chiều cao tàu U3 = UR3 = U3 = UR3 = (b) TH2V5 Ghi U – Chuyển vị UR – Góc xoay (c) TH3V5 Hình Biến dạng mạn đơi tàu bị va chạm trường hợp Trang 97 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 (a) TH1V5 (b) TH2V5 (c) TH3V5 Hình Đồ thị biểu diễn vận tốc lượng hai tàu theo độ lõm đâm va (a) TH1V5F (b) TH2V5F (c) TH3V5F Hình Biến dạng mạn đơi tàu bị đâm và mũi lê tàu đâm va trường hợp Trang 98 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 (a) TH1V5F (b) TH2V5F (c) TH3V5F Hình Đồ thị vận tốc lượng theo độ lõm đâm va hai tàu 3.2 Đối với trường hợp mũi lê vật rắn biến dạng Biến dạng mạn đơi tàu bị đâm va mũi lê tàu đâm va thể hình 8, giá trị vận tốc lượng hai tàu theo độ lõm đâm va thể hình KẾT LUẬN Đối với tàu đâm va mũi lê tuyệt đối cứng động tiêu hao có mạn đơi tàu bị đâm va hấp thu Đối với trường hợp mũi tàu tàu đâm va vật rắn biến dạng động tiêu hao hấp thu hai tàu Sai số động tiêu hao kết thúc va chạm kết mơ với lý thuyết 3% theo giá trị thống kê bảng Trong giá trị lý thuyết tính theo cơng thức (1): E đ  MsMi Ms  Mi V0 , kJ (1) Với MS (tấn) khối lượng tàu đâm va, Mi (tấn) khối lượng tàu bị đâm va, V0 (m/s) vận tốc tàu đâm va, sau đâm va hai tàu chuyển động với vận tốc V (m/s) Trong trường hợp TH1V5 kết cấu mạn tàu khơng đảm bảo độ bền bị tai nạn đâm va, kết mơ so sánh với tiêu chuẩn NORSOK [14] bảng Việc thay vật liệu có độ cứng lớn hơn, vượt q dải độ bền uốn cho thép đóng tàu quy định Quy phạm 2010 [3] khơng đắn làm giảm khả lan truyền xung lực va chạm, tức làm giảm khả ngăn cản đâm va, hay nói cách khác độ bền kết cấu bị đâm va giảm Trang 99 SCIENCE & TECHNOLOGY DEVELOPMENT, Vol 18, No.K7- 2015 Bảng So sánh kết mơ với lý thuyết va chạm TH1V5 TH1V5F TH2V5 TH2V5F TH3V5 TH3V5F 12,48MJ 12,11MJ 12,48MJ 12,06 MJ 12,48MJ 0,7% 2,3% 0,7% 2,7% Ms (tấn) 7.497 Mi (tấn) V0 (m/s) 2,572 ΔEđ 12,398 MJ Mơ 12,1 MJ Sai số 2,4% 0,7% Bảng So sánh kết mơ với tiêu chuẩn NORSOK Kết mơ TH1V5 11,7 MJ TH2V5 14,47 MJ TH3V5 16,3 MJ Tiêu chuẩn NORSOK Đánh giá Khơng đạt 14 MJ Đạt Đạt Assessment the strength of steel ship structures in collision damaged by simulation method • Huynh Van Vu Department of Naval Architechture and Marine Engineering, Nha Trang University ABSTRACT This paper presents the strength assessment results in collision damaged condition between the 20000 DWT steel ship with bulbous bow of another ship by simulation method The simulation collision studies have been performed using the FEM through the Abaqus/Explicit This research investigates six cases which three cases the striking ship velocity is knot and three cases expand Key words: strength of ship structures, ship collision, simulation, Abaqus Trang 100 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 18, SỐ K7- 2015 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơng ty TNHH MTV Đóng tàu Cam Ranh, 2013, “Báo cáo Quyết tốn khối lượng tàu 20.000 DWT năm 2013 Cơng ty Đóng tàu Cam Ranh” [2] Vũ Duy Cường (2002), Cơ học lý thuyết, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [3] Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (2010), Quy phạm phân cấp đóng tàu biển vỏ thép, Cục Đăng kiểm Việt Nam [4] Đặng Trần Quốc Tánh (2014), Đánh giá độ bền va đập trọng vật lên kết cấu có nẹp gia cường kết cấu thân tàu, đề tài tốt nghiệp ngành Kỹ thuật tàu thủy, Khoa Kỹ Thuật Giao Thơng, trường Đại học Nha Trang [5] Nguyễn Quốc Thái, Nguyễn Thế Kỷ, Lê Cơng Huy, Hà Tấn Phát, Vũ Cơng Hòa, Nguyễn Tường Long, “Va chạm phá hủy kết cấu khung sàn khơng gian”, Bộ Mơn Cơ Kỹ Thuật, Đại Học Bách Khoa, Tp Hồ Chí Minh, Việt Nam [6] Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy, (2008), “Kết thử nghiệm thép (12mm)”, trường Đại học Nha Trang [7] Det Norske Veritas (2010), Recommended Practice Det Norske Veritas DNV-RPC204: Design against Accidental Loads [8] Donghui Chen (2000), Simplified Ship Collision Model, PhD thesis of Science in Ocean Engineering, Blacksburg, Virginia [9] Krzysztof Wísniewski, Przemyslaw Kolakowski (2002), “The effect of selected parameters on ship collision results by dynamic finite element simulations”, Finite Elements in Analysis and Design, 39 (2003) 985 – 1006, pp 1-22 [10] HSE (Health & Safety Executive) book (2001), Collision resistance of ship-shaped structures to side impact, MSL Engineering Limited 5-7 High Street, Sunninghill, Ascot, Berkshire, SL5 9NQ [11] Miguel Angel Gonzales Calle, Marcilio Alves (2011), Ship Collision: A Brief Survey, 21st Brazilian Congress of Mechanical Engineering, Proceedings of COBEM 2011 [12] O Ozgue, P.K Das, N Barltrop & M Shahid (2006), “Numerical Modeling of Ship Collision Based on Finite Element Codes”, 3rd International ASRANet Colloquium, Glasgow, UK, pp 1-9 [13] Shengming Zhang (1999), The Mechanics of Ship Collisions, Department of Naval Architecture and Offshore Engineering, Technical University of Denmark [14] Standards Norway (2004), NORSOK Standsrds: Design of steel structures, Strandveien 18, P.O Box 24, 2N-1326 Lysaker, Norway [15] Wu F., Robert Spong, Ge Wang (2003), “Using Numerical Simulation to Analyze Ship Collision”, ABS Technical Papers 2004, pp 1-8 Trang 101 ... khối lượng tàu bị đâm va, V0 (m/s) vận tốc tàu đâm va, sau đâm va hai tàu chuyển động với vận tốc V (m/s) Trong trường hợp TH1V5 kết cấu mạn tàu khơng đảm bảo độ bền bị tai nạn đâm va, kết mơ so... lượng mạn đơi tàu bị đâm va mũi lê tàu đâm va thể hình Mũi lê tàu đâm va Chiều rộng mạn tàu bị đâm va 2 RP1 RP2 Chiều dài mạn đơi tàu bị đâm va Hình Điều kiện biên tốn va chạm mạn tàu Bảng Điều... độ lõm đâm va hai tàu 3.2 Đối với trường hợp mũi lê vật rắn biến dạng Biến dạng mạn đơi tàu bị đâm va mũi lê tàu đâm va thể hình 8, giá trị vận tốc lượng hai tàu theo độ lõm đâm va thể hình KẾT