Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc xây dựng mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB

Kết cấu nội dung của đề tài Mở đầu Bảng danh mục các ký hiệu, hình vẽ Chương 1: Tổng quan về độ bền kết cấu thân tàu Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn trong v

Trang 1

Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng

phương pháp phần tử hữu hạn trong việc xây dựng

mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Học viên: Đỗ Xuân Diệu Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thuỷ Khoá: 2012 - 2014

Trang 2

Kết cấu nội dung của đề tài

Mở đầu

Bảng danh mục các ký hiệu, hình vẽ

Chương 1: Tổng quan về độ bền kết cấu thân tàu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn

trong việc tính toán kiểm tra bền kết cấu tàu thủy

Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán kiểm tra bền dàn

mạn tàu hàng 53000 tấn

Kết luận, kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Trang 3

Mở đầu

Lý do chọn đề tài

Mục đích nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nội dung nghiên cứu của đề tài

Trang 4

Lý do chọn đề tài

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết của ôtô, máy bay, tàu thủy, dầm cầu, khung nhà cao tầng,

…, đến các bài toán lý thuyết trường, cơ chất lỏng, thủy đàn hồi … Với

sự trợ giúp của công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đó được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng

 Hiện nay, Quy phạm các nước trên thế giới yêu cầu bài toán kiểm tra

độ bền kết cấu những tàu cỡ lớn bằng phương pháp PTHH trở nên bắt buộc Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTHH vào

bài toán kiểm tra bền dàn mạn những tàu cỡ lớn là điều cần thiết

Trang 5

Mục đích nghiên cứu

Xây dựng được bài toán và thiết lập được mô hình tính toán kiểm tra bền kết cấu thân tàu thuỷ theo phương pháp PTHH với điển hình là bài toán về dàn mạn tàu hàng;

Chương trình của bài toán được xây dựng trên phần mềm MATLAB R2011 bằng phương pháp phần tử hữu hạn;

Trang 6

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đề tài tập trung giải quyết:

- Bài toán phân tích (tĩnh học) kết cấu dàn mạn đối với tàu hàng;

- Bài toán kiểm tra bền (tĩnh học) cục bộ dàn mạn tàu hàng ở trạng thái tải trọng tính toán dàn mạn (bao gồm áp lực thuỷ tĩnh và áp lực thuỷ động)

Trang 7

Nội dung nghiên cứu của đề tài

Để giải quyết được các mục đích đề ra, trong đề tài sẽ giải quyết các vấn đề sau:

- Phân tích tổng quan độ bền kết cấu thân tàu để đưa ra mô hình tính toán trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn trong việc tính toán kiểm tra bền kết cấu tàu thủy từ đó xây dựng lên mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng

- Áp dụng để xây dựng mô hình kiểm tra bền cho dàn mạn tàu hàng

53000 tấn và đánh giá kết quả thu được

Trang 8

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài sẽ đưa ra mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cho độ chính xác và độ tin cậy của kết quả cao;

Đề tài sẽ xây dựng được các kiến thức có tính ứng dụng, là nguồn

tư liệu giúp cho sinh viên chuyên ngành đóng tàu thủy và thiết kế tàu thủy

để giải các bài toán cơ học kết cấu tàu thủy nói chung và tính toán kiểm tra bền dàn mạn bằng phương pháp phần tử hữu hạn nói riêng cũng như

áp dụng trong giảng dạy các học phần có liên quan đến cơ học tàu thuỷ đối với giảng viên

Trang 9

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài được hoàn thiện sẽ là trở thành một phần tư liệu phục vụ cho công việc thực tiễn của các cán bộ kỹ thuật trong ngành đóng tàu, là tài liệu tham khảo để giảng viên giảng dạy cũng như giúp ích cho sinh viên nắm rõ và giải quyết thấu đáo các bài toán cơ học kết cấu tàu thủy bằng phương pháp PTHH

Trang 10

Nội dung nghiên cứu: Chương 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU

 Tình hình nghiên cứu tính toán kiểm tra độ bền kết

cấu thân tàu thủy hiện nay

 Mô hình tính toán trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu

Trang 11

Tình hình nghiên cứu tính toán kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu thủy hiện nay

- Sử dụng phương pháp cổ điển:

Phương pháp so sánh độ võng với dàn đơn giản; phương pháp gần đúng khi chia tải trọng tác dụng lên tấm cho các nẹp gia cường, rồi tính theo mô hình dầm trên nền đàn hồi; phương pháp tải trọng cơ sở

- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

- Các phần mềm PTHH: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF …

Trang 12

Mô hình tính toán trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu:

Mô hình tính toán

Mô hình tổng thể

Mô hình ƣớc định

Phân tích độ bền chung Phân tích độ bền cục bộ

Trang 13

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

TRONG VIỆC TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN KẾT CẤU TÀU THUỶ

Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn

Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ bền kết cấu

Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng

Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn mạn

Véc tơ tải phần tử

Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền (tĩnh học) cục bộ

Trang 14

Phương pháp

PTHH

Phương trình Thực chất

Ưu điểm

Trang 15

Phương

Trang 16

Thực chất

Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng trong nội bộ

từng phần tử (Ke)

Phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng của toàn hệ gồm nhiều phần tử liên két với nhau tại hữu hạn các

điểm nút (K)

Trang 17

Trang 18

Cơ sở lý thuyết

Hàm xấp xỉ chuyển vị

Ma trận nội suy

Ma trận độ cứng và véc tơ tải phần tử

Trang 19

Hàm xấp xỉ chuyển vị

Chọn hàm xấp

xỉ dưới dạng đa

thức

Dễ thỏa mãn tiêu chuẩn hội

tụ

Cho phép tính toán nhanh bằng tay cũng như bằng máy tính

Có khả năng tăng

độ chính bằng cách tăng bậc của

đa thức xấp xỉ

các đa thức được chọn từ tam giác Pascal

Trang 20

Ma trận nội suy

Trang 21

Trang 22

Trang 23

Mô hình tải trọng:

- Tải trọng: là áp lực nước bên ngoài vỏ tàu khi tàu chở đầy hàng

- Áp lực của nước bên ngoài vỏ tàu bao gồm tổng áp lực thủy tĩnh và

áp lực thủy động

- Công thức: P = Ps + Pw

Trang 24

Mô hình tải trọng Ps:

- Áp lực thuỷ tĩnh:

Trang 25

Mô hình tải trọng Pw:

- Áp lực thuỷ động:

Trang 26

Mô hình tải trọng P:

Trang 27

 Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng

Mô hình liên kết:

- Liên kết của sống dọc mạn tại vị trí vách ngang là liên kết ngàm đàn hồi;

- Tôn vỏ liên kết với dàn vách, dàn đáy và dàn boong là liên kết ngàm đàn hồi;

- Liên kết tại vị trí giao nhau giữa sườn khỏe và sống dọc mạn là đế đàn hồi;

- Tại vị trí liên kết giữa các sườn thường với các sống dọc mạn, sống dọc mạn làm gối cứng đỡ các sườn thường trong trường hợp nhịp đối xứng;

- Liên kết của sườn thường tại boong và đáy là liên kết ngàm cứng trong trường hợp nhịp của sườn thường đối xứng

Trang 28

Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn mạn

- Phần tử dầm chịu uốn xoắn

- Phần tử tấm chữ nhật

Trang 29

 Véc tơ tải phần tử:

- Quy ƣớc dấu tải trọng:

- Véc tơ lực nút phần tử do tải trọng phân bố p(x,y) vuông góc với mặt phẳng của tấm

Trang 30

Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền (tĩnh học) cục bộ:

Trang 31

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN DÀN MẠN

TÀU HÀNG 53000 TẤN

 Cơ sở xây dựng mô hình tính toán kiểm tra bền

 Kiểm tra độ bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

 Đánh giá kết quả mô hình bài toán

Trang 32

Cơ sở xây dựng mô hình tính toán kiểm tra bền:

Theo các mục đã trình bày trong chương 2

Trang 33

Kiểm tra độ bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn:

- Các thông số chủ yếu của tàu hàng 53000 tấn

- Kết cấu cơ bản của dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

- Mô hình tải trọng dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

- Mô hình bài toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

Trang 34

- Các thông số chủ yếu của tàu hàng rời 53000 tấn

Trang 35

- Kết cấu cơ bản của dàn mạn tàu hàng 53000 tấn 1: Sống dọc mạn

2: Sườn khoẻ

3: Sườn thường

Trang 36

- Kết cấu cơ bản của dàn mạn tàu hàng 53000 tấn Khoang hàng số 3, khoảng sườn 800 mm

Qui cách cơ cấu: Tôn mạn ngoài: t = 18 mm, 15 mm Tôn mạn trong : t = 18 mm, 15 mm

Sườn thường: HP260x10

Sườn khỏe : t = 11 mm

Sống dọc mạn số 1 : s = 14 mm

Sống dọc mạn số 2 : s = 16 mm

Trang 37

- Kết cấu cơ bản của dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

Thông số vật liệu:

Vật liệu là thép AH32

Các đặc trƣng cơ học của thép AH32:

Mô đun đàn hồi pháp tuyến E = 2x106 kN/𝑚2

Mô đun đàn hồi trƣợt G = 0,77x106 kN/𝑚2

Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu 𝑐ℎ= 315.000 kN/𝑚2

Hệ số poát xông của vật liệu 𝜈 = 0,3

Trang 38

- Mô hình tải trọng dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

Trang 39

+ Mô hình bài toán được xây dựng trên cơ sở hệ lưới chia phần

tử, mỗi 1 đoạn dầm được coi là 1 phần tử dầm, phần tấm trong mỗi ô sườn được coi là 1 phần tử tấm chữ nhật,

+ Với kết cấu dàn mạn như trên, để đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán ta chia tấm vỏ thành các phần tử tấm hình chữ nhật

mà chiều rộng tấm nằm trên trục ox kích thước đúng bằng khoảng sườn (36 đoạn dầm), còn chiều dài tấm nằm trên trục oy kích thước bằng 1/9 chiều dài sườn (9 đoạn dầm)

Trang 40

Trang 41

- Chương trình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn

+ Giới thiệu phần mềm Matlab: MATLAB viết tắt của Matrix Labotary, là một công cụ phần mềm hỗ trợ trên ma trận MATLAB được tích hợp trên một môi trường chung một loạt các khả năng bao gồm tính toán, hiển thị kết quả và lập trình nhằm giải quyết các vấn đề liên quan đến toán học Các vấn đề bao gồm: Các phương trình toán học

và tính toán; phát triển các giải thuật; thu thập dữ liệu; mô hình hoá, mô phỏng và tạo các mẫu theo thiết kế; phân tích, khảo sát và thể hiện dữ liệu bằng hình ảnh; biểu diễn các biểu đồ mang tính khoa học và tính kỹ thuật; phát triển các ứng dụng…

Trang 42

 Kiểm tra độ bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn:

+ Sơ đồ thuật giải chương trình:

+ Các bước tính toán:

• Cách chia phần tử trên hệ và đánh chỉ số nút;

• Đánh chỉ số bậc tự do tại nút;

• Xây dựng ma trận độ cứng và ghép nối;

• Xây dựng véc tơ tải phần tử và ghép nối;

• Áp đặt điều kiện biên;

• Giải hệ phương trình chung tìm véc tơ chuyển vị tổng thể;

• Tính các giá trị momen và ứng suất trên các phần tử

Trang 43

 Kiểm tra độ bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn:

Cách chia phần tử trên hệ và đánh chỉ số nút: ta coi mỗi một đoạn

dầm là 1 phần tử dầm, phần tấm trong một ô sườn là 1 phần tử tấm Cách đánh số phần tử theo qui luật và thứ tự bắt đầu từ gốc tọa độ địa phương trước, rồi tiến dần từ trái qua phải, từ dưới lên trên;

Đánh số chỉ số nút theo qui luật và thứ tự sau: bắt đầu từ gốc tọa độ địa phương trước, từ trái qua phải, từ dưới lên trên;

Chỉ số nút của phần tử sẽ được nhận diện thông qua tọa độ nút Để tổ chức và quản lý chương trình ta thiết lập nên ma trận tọa độ nút; quá trình lập nên ma trận toạ độ nút được thực hiện tự động bởi chương trình trong MATLAB khi khai báo cách thức chia phần tử dạng lưới Chia tấm vỏ thành các phần tử tấm hình chữ nhật mà chiều rộng tấm nằm trên trục ox kích thước đúng bằng khoảng sườn (36 đoạn dầm), còn chiều dài tấm nằm trên trục oy kích thước bằng 1/9 chiều dài sườn (9 đoạn dầm)

Trang 44

Cách chia phần tử trên hệ và đánh chỉ số nút:

Trang 45

Quy luật đánh chỉ số bậc tự do tại nút: bắt đầu tại gốc tọa độ địa

phương trước, từ trái qua phải và từ dưới lên trên Tại nút thứ i, ưu tiên chỉ số chuyển vị thẳng trước, rồi đến chỉ số chuyển vị theo trục ox và oy

Trang 46

Xây dựng ma trận độ cứng phần tử tấm:

Ma trận phần tử đối với phần tử tấm bao gồm các nút của phần tử; thứ tự các nút được lấy theo quy luật ngược chiều kim đồng hồ

Chương trình con tính ma trận độ cứng phần tử

Trang 47

Ma trận độ cứng phần tử dầm song song với trục ox:

Trang 48

Ma trận độ cứng phần tử dầm song song với trục oy:

Trang 49

Ghép nối ma trận độ cứng và véc tơ tải phần tử :

Chương trình con ghép nối toàn bộ ma trận độ cứng phần tử tấm chữ nhật

Trang 50

Chương trình con ghép nối toàn bộ ma trận độ cứng phần tử tấm chữ nhật

Trang 51

Chương trình con ghép nối toàn bộ ma trận độ cứng phần tử dầm song song với trục ox

Định dạng
Số trang	71
Dung lượng	1,98 MB