Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào kiểm tra độ bền của dàn boong chính tàu chở container

LI CAM OAN Tụi xin cam oan õy l cụng trỡnh nghiờn cu ca riờng tụi Cỏc s liu, kt qu nờu lun l trung thc v cha tng c cụng b bt k cụng trỡnh no khỏc Tụi xin cam oan rng cỏc thụng tin trớch dn lun u ó c ch rừ ngun gc Hi Phũng, ngy thỏng nm 2015 Tỏc gi KS Hong Trung Sn i LI CM N Lun thc s c hon thnh nm 2015 ti Trng i hc Hng hi Vit Nam Trong quỏ trỡnh thc hin lun vn, tụi ó nhn c s giỳp nhit tỡnh t gia ỡnh, bn bố, cỏc thy cụ giỏo Vin o to Sau i hc, cựng cỏc ng nghip Khoa úng tu Trng i hc Hng hi Vit Nam Trong ú, khụng th khụng k n vai trũ quan trng ca PGS.TS Phm Tin Tnh, ngi ó tn tỡnh giỳp tụi tin hnh nghiờn cu v hon thnh bn lun ny Do thi gian nghiờn cu v lm Lun khụng di, kin thc cng nh ngun thụng tin cũn hn ch, vy Lun khụng trỏnh nhng thiu sút nht nh Vỡ vy, tụi rt mong nhn c s gúp ý, nhn xột ca cỏc thy cụ giỏo, cỏc ng nghip v cỏc bn hc viờn Lun c hon thin hn Xin trõn trng cm n Hi Phũng, ngy thỏng nm 2015 Tỏc gi KS Hong Trung Sn ii MC LC Trang LI CAM OAN i LI CM N ii MC LC iii DANH MC Kí HIU vi DANH MC CH VIT TT vii DANH MC BNG, S viii DANH MC HèNH ix M U 1 Lý chn ti Mc ớch nghiờn cu i tng v phm vi nghiờn cu ca ti 3.1 i tng nghiờn cu ca ti 3.2 Phm vi nghiờn cu ca ti Ni dung nghiờn cu ca ti í ngha khoa hc v thc tin ca ti 5.1 í ngha khoa hc ca ti 5.2 í ngha thc tin ca ti CHNG TNG QUAN V KIM TRA BN KT CU THN TU BNG PHNG PHP PHN T HU HN 1.1 Tng quan v phng phỏp phn t hu hn 1.1.1 Lch s phỏt trin phng phỏp phn t hu hn 1.1.2 u im ca phng phỏp phn t hu hn 1.2 C s lý thuyt ca phng phỏp phn t hu hn phõn tớch kt cu 1.2.1 Xp x bng phn t hu hn 1.2.2 Nỳt hỡnh hc cỏc phn t hu hn iii 1.2.3 Quy tc chia thnh cỏc phn t 1.2.4 Cỏc dng phn t hu hn 1.2.5 Phn t quy chiu, phn t thc 1.2.6 Mt s dng phn t quy chiu 1.2.7 Lc, chuyn v, bin dng v ng sut 10 1.2.8 Nguyờn lý cc tiu húa th nng ton phn 11 1.2.9 Mụ hỡnh bi toỏn dn phng 12 1.2.10 Phõn tớch phn t hu hn v mụ hỡnh húa mụun v tu 13 1.2.11 S tớnh toỏn bng phng phỏp phn t hu hn 22 1.3 Tỡnh hỡnh nghiờn cu tớnh toỏn kim tra bn thõn tu bng phng phỏp phn t hu hn 24 1.3.1 Tỡnh hỡnh nghiờn cu trờn th gii 24 1.3.2 Tỡnh hỡnh nghiờn cu nc 25 1.4 Phõn tớch, la chn phn mm 26 CHNG 2: Mễ HèNH TNH TON KIM TRA BN DN BOONG CHNH TU THY 30 2.1 Mụ hỡnh tớnh toỏn bi toỏn phõn tớch kt cu thõn tu 30 2.1.1 Mụ hỡnh tng th 30 2.1.2 Phõn tớch bn chung 30 2.1.3 Phõn tớch bn cc b 31 2.2 Mụ hỡnh ti trng tỏc dng lờn dn boong 32 2.3 Mụ hỡnh liờn kt ca dn boong 35 2.4 Tiờu chun ỏnh giỏ kim tra bn cc b 36 2.5 Tớnh toỏn kim tra kt cu dn boong theo phng phỏp phn t hu hn 36 2.5.1 Mụ hỡnh húa 36 2.5.2 Thit lp ma trn cng phn t - Ma trn cng chung 38 2.5.3 Xỏc nh ti trng, iu kin biờn ca bi toỏn 40 iv 2.5.4 Thit lp v gii h phng trỡnh phn t hu hn 41 CHNG 3: KIM TRA BN DN BOONG CHNH TU CH CONTAINER 700 TEU BNG PHN MM ANSYS 43 3.1 Mụ hỡnh tớnh toỏn kim tra bn dn boong chớnh cho tu ch container 700 TEU 43 3.1.1 Thụng s ch yu ca tu ch container 700 TEU 43 3.1.2 S kt cu dn boong chớnh khoang hng 43 3.1.3 Vt liu ca dn boong chớnh khoang hng 46 3.1.4 Mụ hỡnh ti trng 47 3.1.5 Mụ hỡnh liờn kt 50 3.2 Kim tra bn dn boong chớnh tu ch container 700 TEU bng phn mm ANSYS 50 3.2.1 Cỏc bc c bn thc hin tớnh toỏn v phõn tớch kt cu bng phn mm ANSYS 50 3.2.2 La chn v thit lp cỏc thụng s hỡnh hc 50 3.2.3 Xõy dng mụ hỡnh hỡnh hc 52 3.2.4 Thit lp mụ hỡnh phn t hu hn 55 KT LUN V KIN NGH 62 Kt lun 62 Kin ngh 62 TI LIU THAM KHO 63 v DANH MC Kí HIU Ký hiu E G ch p v n v Gii thớch [kN/m] Mụ un n hi phỏp tuyn [kN/m2] Mụ un n hi trt [kN/m2] ng sut gii hn chy ca vt liu H s poisson ca vt liu [N/m ] p sut tnh [m/s] Vn tc tu vi DANH MC CH VIT TT Ch vit tt Gii thớch PTHH Phn t hu hn vii DANH MC BNG, S Bng Tờn bng Trang Bng 2.1 Tr s ca a v b 35 Bng 2.2 Tr s ti thiu ca h 35 viii DANH MC HèNH Hỡnh Tờn hỡnh Trang Hỡnh 1.1 Cỏc dng biờn chung gia cỏc phn t Hỡnh 1.2 Phn t quy chiu v cỏc phn t thc tam Hỡnh 1.3 Cỏc phn t in hỡnh mụun thõn v 17 Hỡnh 1.4 Mụ hỡnh v ca tu bin 18 Hỡnh 1.5 V trớ ca cỏc on phn t (strakes) 19 Hỡnh 1.6 Phõn on phn t ỏy ụi 20 Hỡnh 1.7 Cỏc mụun ca on phn t 21 Hỡnh 1.8 Siờu phn t vỏch ngang in hỡnh 21 Hỡnh 1.9 S ca chng trỡnh phn t hu hn 23 Hỡnh 1.10 Giao din ca phn mm ANSYS 28 Hỡnh 1.11 Trỡnh t gii bi toỏn ANSYS 29 Hỡnh 2.1 Mụ hỡnh un thõn tu trờn nc tnh 32 Hỡnh 2.2 o khong cỏch y 34 Hỡnh 2.3 Phn t dm ghộp 39 Hỡnh 2.4 S dng phn t dm ghộp 39 Hỡnh 2.5 Lc phõn b 42 Hỡnh 2.6 Lc phõn b bc nht 43 Hỡnh 3.1 Kt cu dn boong khoang hng s 39 Hỡnh 3.2 Mt ct ngang sn thng khoang hng 40 ix Hỡnh 3.3 Mt ct ngang sn khe khoang hng 41 Hỡnh 3.4 S xp hng tu 700 TEU 43 Hỡnh 3.5 Modun phõn tớch kt cu Static Structural 46 Hỡnh 3.6 La chn c trng ca vt liu 47 Hỡnh 3.7 Thit lp thụng s cho phn mụ phng hỡnh hc 47 Hỡnh 3.8 Mn hỡnh lm vic ca phn mụ phng hỡnh hc 48 Hỡnh 3.9 Kt cu phõn on hon thin 49 Hỡnh 3.10 La chn h n v phõn tớch kt cu 50 Hỡnh 3.11 Gỏn vt liu cho tng i tng ca kt cu 51 Hỡnh 3.12 nh ngha liờn kt 51 Hỡnh 3.13 Li phn t ca phõn on 52 Hỡnh 3.14 Mụ hỡnh liờn kt ca phõn on 54 Hỡnh 3.15 Phõn b ng sut 55 Hỡnh 3.16 Kt qu phõn tớch 56 x Theo s b trớ container (hỡnh 3.4), trờn boong ca khu vc khoang hng s cú th cha ti a 100 container loi 20 feet Theo tiờu chun ISO 668:1995, lng ti a ca container 20 feet (gm hng v v) l 24000 kg Do cỏc container c t trc tip lờn cỏc np hm hng nờn ti trng hng húa trng hp ny lờn dn boong s quy v lc di u lờn quõy dc ming hm hng Vy ti trng hng húa ln nht tỏc dng lờn boong l: hhh 24000 10 100 450,3(kN / m) 26, 650 1000 b/ Ti trng nc ht lờn boong: + V trớ ang xột l boong khoang hng nm khong t 0,3L tớnh t mi tu n 0,2L tớnh t uụi tu nờn ti trng tỏc dng lờn boong chớnh xỏc nh theo cụng thc: h = a ( bf - y) vi a = 6.9 b=1 L ổ L ử2 ổ126,8 ử2 L - 300 126,8 - 126,8 300 ữ ữ - 1ằ 8, 023 f = e + ỗỗ e + ỗỗ ữ - 1, = ữ 10 10 ố 150 ứ ố 150 ứ L = 126,8 m y = 7,2 m Suy ra: h = 5,684 (kN/m2) + Tr s ti thiu ca h hmin C L ' 50 vi C = 2,05 L = L = 126,8 m Suy hmin 27, 258(kN / m ) 49 + Vy ti trng tỏc dng lờn boong l h = 27,258 (kN/m 2) 3.1.5 Mụ hỡnh liờn kt - Sng ngang boong: ngm n hi vi h s ngm: c = 0.8 - X ngang boong thng: dm lin nhp vi sng boong l cng, ta t trờn cng ti mn - X dc boong: ngm cng ti sng ngang boong - Sng dc boong: ngm cng ti vỏch ngang - Ti v trớ sn khe: Ngm cng - Ti v trớ quõy dc: Ngm cng 3.2 Kim tra bn dn boong chớnh tu ch container 700 TEU bng phn mm ANSYS 3.2.1 Cỏc bc c bn thc hin tớnh toỏn v phõn tớch kt cu bng phn mm ANSYS Bc 1: La chn v thit lp cỏc thụng s vt liu Bc 2: Xõy dng mụ hỡnh hỡnh hc Bc 3: Thit lp mụ hỡnh phn t hu hn Bc 4: t cỏc rng buc v ti trng Bc 5: Phõn tớch Bc 6: Kt qu phõn tớch 3.2.2 La chn v thit lp cỏc thụng s hỡnh hc Khi ng phn mm ANSYS, chn mụ un gii bi toỏn l Static Structural (phõn tớch tnh) 50 Hỡnh 3.5 Modun phõn tớch kt cu Static Structural Phn mm mc nh vt liu l Structural Steel Ta s dng loi vt liu ny nhng thay i thụng s vt lý ca nú cho phự hp vi vt liu ca tu l thộp AH32 vi cỏc thụng s: Cỏc c trng c hc ca thộp AH32: Mụ un n hi phỏp tuyn E = 2x106 kN/m2 = 2x109 Pa Mụ un n hi trt G= 0,67x106 kN/m2 = 0.67x109 Pa ng sut gii hn chy ca vt liu: ch = 315000kN/m2= 315x106 Pa H s poisson ca vt liu: = 0,3 51 Hỡnh 3.6 La chn c trng ca vt liu 3.2.3 Xõy dng mụ hỡnh hỡnh hc Chn Geometry, tin hnh mụ hỡnh húa hỡnh hc theo kt cu ca dn boong Chn h n v l milimetter Chn mt phng v l XY (XY Plane) Hỡnh 3.7 Thit lp thụng s cho phn mụ phng hỡnh hc 52 Hỡnh 3.8 Mn hỡnh lm vic ca phn mụ phng hỡnh hc 53 Hỡnh 3.9 Kt cu phõn on hon thin 54 3.2.4 Thit lp mụ hỡnh phn t hu hn Chuyn sang mụ un Model Static Structural xut hin ca s Mechanical Chn Unit trờn cụng c -> chn Metric (mm, kg, N, s, mV, mA) Hỡnh 3.10 La chn h n v phõn tớch kt cu Gỏn vt liu cho tng i tng ca kt cu: 55 Hỡnh 3.11 Gỏn vt liu cho tng i tng ca kt cu Tip theo ta phi to liờn kt gia cỏc phn kt cu Do cỏc tm tụn, chi tit c to liờn kt hn nờn cỏc phn ny ta s la chn liờn kt dng khụng tỏch ri (No Separation) Hỡnh 3.12 nh ngha liờn kt 56 Tip theo tin hnh chia li phn t Hỡnh 3.13 Li phn t ca phõn on Hỡnh 3.13 Chia phn t trờn tm 57 Hỡnh 3.13 Chia phn t trờn kt cu 3.2.5 t cỏc rng buc v ti trng t cỏc ngm ti v trớ vi cỏc thụng s - Sng ngang boong: ngm n hi vi h s ngm: c = 0.8 - X ngang boong thng: dm lin nhp vi sng boong l cng, ta t trờn cng ti mn - X dc boong: ngm cng ti sng ngang boong - Ti v trớ sn khe: Ngm cng - Ti v trớ quõy dc: Ngm cng - Sng dc boong: ngm cng 58 Hỡnh 3.14 Mụ hỡnh liờn kt ca phõn on t ti trng: + Ti trng thi tit l h = 27,258 (kN/m2) = 0,027258 MPa + Ti trng hng húa: 450,3 kN/m Hỡnh 3.14 Mụ hỡnh ti trng ca phõn on 59 3.2.6 Phõn tớch Hỡnh 3.14 Quỏ trỡnh phõn tớch 3.2.7 Kt qu phõn tớch Hỡnh 3.15 Phõn b ng sut 60 Hỡnh 3.16 Kt qu phõn tớch Giỏ tr ng sut ln nht: 7.2x10-2 MPa = 72kN/m2 Gii hn cho phộp: Vi phn t dm: 0,8 ch = 252 kN/m2 Vi phn t tm: 0, 72 ch = 226,8 kN/m2 vi ch = 315 kN/m2: ng sut gii hn ca vt liu AH36 Vy kt cu ca phõn on boong m bo bn cc b 61 KT LUN V KIN NGH Kt lun Sau thi gian nghiờn cu v tin hnh lm lun vn, tụi ó hon thnh lun vi ni dung nh sau: a c tng quan v tỡnh hỡnh nghiờn cu kim tra bn kt cu bng phng phỏp phn t hu hn nc v th gii ỏp dng cho cỏc ngnh k thut cng nh ngnh úng tu Xõy dng c mụ hỡnh tớnh toỏn kim tra bn cc b cho dn boong ca tu ch container Nghiờn cu, la chn phn mm ANSYS gii quyt bi toỏn ng dng lý thuyt phn t hu hn vo kim tra bn cho dn boong chớnh ca tu ch container vi s tr giỳp ca phn mm ANSYS Kin ngh ti hon thin hn, kt qu tớnh toỏn ca ti cn c so sỏnh vi kt qu tớnh toỏn theo lý thuyt v mt s phn mm thng mi khỏc trờn th trng nh phn mm MAESTRO, NASTRAN ti nờn tip tc thc hin trng hp k n un chung thõn tu v nờn c m rng sang cỏc dn khỏc ca kt cu tu thy, tin ti ỏnh giỏ ton din kt cu thõn tu 62 TI LIU THAM KHO TS Thnh Trung (2013) ANSYS Phõn tớch ng sut v bin dng, NXB i hc Quc gia TP H Chớ Minh ng kim Vit Nam (2010), Quy phm phõn cp v úng tu bin v thộp (QCVN 21:2010/BGTVT), H Ni PGS.TS Phm Tin Tnh (2011), Phng phỏp phn t hu hn kt cu tu v cụng trỡnh ni 63 ... kim tra bn ca dn boong chớnh tu ch container Mc ớch nghiờn cu Nghiờn cu lý thuyt phng phỏp phn t hu hn kim tra bn ca kt cu thõn tu Xõy dng c mụ hỡnh tớnh toỏn kim tra bn dn boong ca tu ch container. .. trỡnh phn t hu hn 41 CHNG 3: KIM TRA BN DN BOONG CHNH TU CH CONTAINER 700 TEU BNG PHN MM ANSYS 43 3.1 Mụ hỡnh tớnh toỏn kim tra bn dn boong chớnh cho tu ch container 700 TEU ... Mụ hỡnh tớnh toỏn kim tra bn dn boong chớnh tu thy 2.1 Mụ hỡnh ti trng 2.2 Mụ hỡnh liờn kt 2.3 Tiờu chun ỏnh giỏ kim tra bn cc b Chng Kim tra bn dn boong chớnh tu ch container 700 TEU bng phn