Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào kiểm tra độ bền của dàn boong chính tàu chở container_2

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tơi xin cam đoan thơng tin trích dẫn luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015 Tác giả KS Hoàng Trung Sơn Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doci tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ đƣợc hoàn thành năm 2015 Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam Trong trình thực luận văn, tơi nhận đƣợc giúp đỡ nhiệt tình từ gia đình, bạn bè, thầy giáo Viện đào tạo Sau Đại học, đồng nghiệp Khoa Đóng tàu Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam Trong đó, khơng thể khơng kể đến vai trò quan trọng PGS.TS Phạm Tiến Tỉnh, ngƣời tận tình giúp đỡ tơi tiến hành nghiên cứu hồn thành luận văn Do thời gian nghiên cứu làm Luận văn không dài, kiến thức nhƣ nguồn thơng tin hạn chế, Luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót định Vì vậy, tơi mong nhận đƣợc góp ý, nhận xét thầy cô giáo, đồng nghiệp bạn học viên để Luận văn đƣợc hoàn thiện Xin trân trọng cảm ơn Hải Phòng, ngày … tháng … năm 2015 Tác giả KS Hoàng Trung Sơn Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ viii DANH MỤC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu đề tài 3.1 Đối tƣợng nghiên cứu đề tài 3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học đề tài 5.2 Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.1 Tổng quan phƣơng pháp phần tử hữu hạn 1.1.1 Lịch sử phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn 1.1.2 Ƣu điểm phƣơng pháp phần tử hữu hạn 1.2 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu 1.2.1 Xấp xỉ phần tử hữu hạn 1.2.2 Nút hình học phần tử hữu hạn Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123dociii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 1.2.3 Quy tắc chia miền thành phần tử 1.2.4 Các dạng phần tử hữu hạn 1.2.5 Phần tử quy chiếu, phần tử thực 1.2.6 Một số dạng phần tử quy chiếu 1.2.7 Lực, chuyển vị, biến dạng ứng suất 10 1.2.8 Nguyên lý cực tiểu hóa tồn phần 11 1.2.9 Mơ hình tốn dàn phẳng 12 1.2.10 Phân tích phần tử hữu hạn mơ hình hóa mơđun vỏ tàu 13 1.2.11 Sơ đồ tính tốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn 22 1.3 Tình hình nghiên cứu tính tốn kiểm tra độ bền thân tàu phƣơng pháp phần tử hữu hạn 24 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 24 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 1.4 Phân tích, lựa chọn phần mềm 26 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH TÍNH TỐN KIỂM TRA ĐỘ BỀN DÀN BOONG CHÍNH TÀU THỦY 30 2.1 Mơ hình tính tốn tốn phân tích kết cấu thân tàu 30 2.1.1 Mơ hình tổng thể 30 2.1.2 Phân tích độ bền chung 30 2.1.3 Phân tích độ bền cục 31 2.2 Mơ hình tải trọng tác dụng lên dàn boong 32 2.3 Mơ hình liên kết dàn boong 35 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra bền cục 36 2.5 Tính tốn kiểm tra kết cấu dàn boong theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 36 2.5.1 Mô hình hóa 36 2.5.2 Thiết lập ma trận độ cứng phần tử - Ma trận độ cứng chung 38 2.5.3 Xác định tải trọng, điều kiện biên toán 40 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123dociv tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 2.5.4 Thiết lập giải hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn 41 CHƢƠNG 3: KIỂM TRA ĐỘ BỀN DÀN BOONG CHÍNH TÀU CHỞ CONTAINER 700 TEU BẰNG PHẦN MỀM ANSYS 43 3.1 Mơ hình tính tốn kiểm tra bền dàn boong cho tàu chở container 700 TEU 43 3.1.1 Thông số chủ yếu tàu chở container 700 TEU 43 3.1.2 Sơ đồ kết cấu dàn boong khoang hàng 43 3.1.3 Vật liệu dàn boong khoang hàng 46 3.1.4 Mơ hình tải trọng 47 3.1.5 Mơ hình liên kết 50 3.2 Kiểm tra độ bền dàn boong tàu chở container 700 TEU phần mềm ANSYS 50 3.2.1 Các bƣớc để thực tính tốn phân tích kết cấu phần mềm ANSYS 50 3.2.2 Lựa chọn thiết lập thông số hình học 50 3.2.3 Xây dựng mơ hình hình học 52 3.2.4 Thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn 55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 Kết luận 62 Kiến nghị 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docv tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu E G  ch  p v Đơn vị Giải thích [kN/m] Mơ đun đàn hồi pháp tuyến [kN/m2] Mô đun đàn hồi trƣợt [kN/m2] Ứng suất giới hạn chảy vật liệu Hệ số poisson vật liệu [N/m ] Áp suất tĩnh [m/s] Vận tốc tàu Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docvi tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích PTHH Phần tử hữu hạn Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docvii tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ Bảng Tên bảng Trang Bảng 2.1 Trị số a b 35 Bảng 2.2 Trị số tối thiểu h 35 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docviiitieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van of 95 DANH MỤC HÌNH Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Các dạng biên chung phần tử Hình 1.2 Phần tử quy chiếu phần tử thực tam Hình 1.3 Các phần tử điển hình mơđun thân vỏ 17 Hình 1.4 Mơ hình vỏ tàu biển 18 Hình 1.5 Vị trí đoạn phần tử (strakes) 19 Hình 1.6 Phân đoạn phần tử đáy đơi 20 Hình 1.7 Các mơđun đoạn phần tử 21 Hình 1.8 Siêu phần tử vách ngang điển hình 21 Hình 1.9 Sơ đồ khối chƣơng trình phần tử hữu hạn 23 Hình 1.10 Giao diện phần mềm ANSYS 28 Hình 1.11 Trình tự giải tốn ANSYS 29 Hình 2.1 Mơ hình uốn thân tàu nƣớc tĩnh 32 Hình 2.2 Đo khoảng cách y 34 Hình 2.3 Phần tử dầm ghép 39 Hình 2.4 Sử dụng phần tử dầm ghép 39 Hình 2.5 Lực phân bố 42 Hình 2.6 Lực phân bố bậc 43 Hình 3.1 Kết cấu dàn boong khoang hàng số 39 Hình 3.2 Mặt cắt ngang sƣờn thƣờng khoang hàng 40 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docix tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 10 of 95 Hình 3.3 Mặt cắt ngang sƣờn khỏe khoang hàng 41 Hình 3.4 Sơ đồ xếp hàng tàu 700 TEU 43 Hình 3.5 Modun phân tích kết cấu Static Structural 46 Hình 3.6 Lựa chọn đặc trƣng vật liệu 47 Hình 3.7 Thiết lập thơng số cho phần mơ hình học 47 Hình 3.8 Màn hình làm việc phần mơ hình học 48 Hình 3.9 Kết cấu phân đoạn hồn thiện 49 Hình 3.10 Lựa chọn hệ đơn vị phân tích kết cấu 50 Hình 3.11 Gán vật liệu cho đối tƣợng kết cấu 51 Hình 3.12 Định nghĩa liên kết 51 Hình 3.13 Lƣới phần tử phân đoạn 52 Hình 3.14 Mơ hình liên kết phân đoạn 54 Hình 3.15 Phân bố ứng suất 55 Hình 3.16 Kết phân tích 56 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123docx tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 59 of 95 Theo sơ đồ bố trí container (hình 3.4), boong khu vực khoang hàng số chứa tối đa 100 container loại 20 feet Theo tiêu chuẩn ISO 668:1995, khối lƣợng tối đa container 20 feet (gồm hàng vỏ) 24000 kg Do container đƣợc đặt trực tiếp lên nắp hầm hàng nên tải trọng hàng hóa trƣờng hợp lên dàn boong quy lực dải lên quây dọc miệng hầm hàng Vậy tải trọng hàng hóa lớn tác dụng lên boong là: hhh  24000 10 100  450,3(kN / m)  26, 650 1000 b/ Tải trọng nƣớc hắt lên boong: + Vị trí xét boong khoang hàng nằm khoảng từ 0,3L tính từ mũi tàu đến 0,2L tính từ tàu nên tải trọng tác dụng lên boong xác định theo công thức: h = a ( bf - y) với a = 6.9 b=1 L ỉ L ư2 ỉ126,8 ư2 L - 300 126,8 - 126,8 300 ÷ ÷ - 1ằ 8, 023 f = e + ỗỗ e + çç ÷ - 1, = ÷ 10 10 è 150 ø è 150 ø L = 126,8 m y = 7,2 m Suy ra: h = 5,684 (kN/m2) + Trị số tối thiểu h hmin  C L ' 50 với C = 2,05 L’ = L = 126,8 m Suy hmin  27, 258(kN / m ) Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc49 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 60 of 95 + Vậy tải trọng tác dụng lên boong h = 27,258 (kN/m 2) 3.1.5 Mơ hình liên kết - Sống ngang boong: ngàm đàn hồi với hệ số ngàm: c = 0.8 - Xà ngang boong thƣờng: dầm liền nhịp với sống boong đế cứng, tựa tự đế cứng mạn - Xà dọc boong: ngàm cứng sống ngang boong - Sống dọc boong: ngàm cứng vách ngang - Tại vị trí sƣờn khỏe: Ngàm cứng - Tại vị trí quây dọc: Ngàm cứng 3.2 Kiểm tra độ bền dàn boong tàu chở container 700 TEU phần mềm ANSYS 3.2.1 Các bƣớc để thực tính tốn phân tích kết cấu phần mềm ANSYS Bƣớc 1: Lựa chọn thiết lập thông số vật liệu Bƣớc 2: Xây dựng mơ hình hình học Bƣớc 3: Thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn Bƣớc 4: Đặt ràng buộc tải trọng Bƣớc 5: Phân tích Bƣớc 6: Kết phân tích 3.2.2 Lựa chọn thiết lập thơng số hình học Khởi động phần mềm ANSYS, chọn mơ đun giải tốn Static Structural (phân tích tĩnh) Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc50 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 61 of 95 Hình 3.5 Modun phân tích kết cấu Static Structural Phần mềm mặc định vật liệu Structural Steel Ta sử dụng loại vật liệu nhƣng thay đổi thông số vật lý cho phù hợp với vật liệu tàu thép AH32 với thông số: Các đặc trƣng học thép AH32:  Mô đun đàn hồi pháp tuyến E = 2x106 kN/m2 = 2x109 Pa  Mô đun đàn hồi trƣợt G= 0,67x106 kN/m2 = 0.67x109 Pa  Ứng suất giới hạn chảy vật liệu:  ch = 315000kN/m2= 315x106 Pa  Hệ số poisson vật liệu:  = 0,3 Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc51 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 62 of 95 Hình 3.6 Lựa chọn đặc trưng vật liệu 3.2.3 Xây dựng mơ hình hình học Chọn Geometry, tiến hành mơ hình hóa hình học theo kết cấu dàn boong Chọn hệ đơn vị milimetter Chọn mặt phẳng vẽ XY (XY Plane) Hình 3.7 Thiết lập thơng số cho phần mơ hình học Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc52 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 63 of 95 Hình 3.8 Màn hình làm việc phần mơ hình học Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc53 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 64 of 95 Hình 3.9 Kết cấu phân đoạn hoàn thiện Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc54 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 65 of 95 3.2.4 Thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn Chuyển sang mô đun Model Static Structural để xuất cửa sổ Mechanical Chọn Unit công cụ -> chọn Metric (mm, kg, N, s, mV, mA) Hình 3.10 Lựa chọn hệ đơn vị phân tích kết cấu Gán vật liệu cho đối tƣợng kết cấu: Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc55 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 66 of 95 Hình 3.11 Gán vật liệu cho đối tượng kết cấu Tiếp theo ta phải tạo liên kết phần kết cấu Do tôn, chi tiết đƣợc tạo liên kết hàn nên phần ta lựa chọn liên kết dạng không tách rời (No Separation) Hình 3.12 Định nghĩa liên kết Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc56 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 67 of 95 Tiếp theo tiến hành chia lƣới phần tử Hình 3.13 Lưới phần tử phân đoạn Hình 3.13 Chia phần tử Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc57 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 68 of 95 Hình 3.13 Chia phần tử kết cấu 3.2.5 Đặt ràng buộc tải trọng Đặt ngàm vị trí với thông số - Sống ngang boong: ngàm đàn hồi với hế số ngàm: c = 0.8 - Xà ngang boong thƣờng: dầm liền nhịp với sống boong đế cứng, tựa tự đế cứng mạn - Xà dọc boong: ngàm cứng sống ngang boong - Tại vị trí sƣờn khỏe: Ngàm cứng - Tại vị trí quây dọc: Ngàm cứng - Sống dọc boong: ngàm cứng Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc58 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 69 of 95 Hình 3.14 Mơ hình liên kết phân đoạn Đặt tải trọng: + Tải trọng thời tiết h = 27,258 (kN/m2) = 0,027258 MPa + Tải trọng hàng hóa: 450,3 kN/m Hình 3.14 Mơ hình tải trọng phân đoạn Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc59 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 70 of 95 3.2.6 Phân tích Hình 3.14 Q trình phân tích 3.2.7 Kết phân tích Hình 3.15 Phân bố ứng suất Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc60 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 71 of 95 Hình 3.16 Kết phân tích Giá trị ứng suất lớn nhất: 7.2x10-2 MPa = 72kN/m2 Giới hạn cho phép:  Với phần tử dầm:    0,8 ch = 252 kN/m2  Với phần tử tấm:    0, 72 ch = 226,8 kN/m2 với  ch = 315 kN/m2: ứng suất giới hạn vật liệu AH36 Vậy kết cấu phân đoạn boong đảm bảo độ bền cục Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc61 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 72 of 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian nghiên cứu tiến hành làm luận văn, tơi hồn thành luận văn với nội dung nhƣ sau:  Đƣa đƣợc tổng quan tình hình nghiên cứu kiểm tra độ bền kết cấu phƣơng pháp phần tử hữu hạn nƣớc giới áp dụng cho ngành kỹ thuật nhƣ ngành đóng tàu  Xây dựng đƣợc mơ hình tính tốn kiểm tra độ bền cục cho dàn boong tàu chở container  Nghiên cứu, lựa chọn phần mềm ANSYS để giải toán  Ứng dụng lý thuyết phần tử hữu hạn vào để kiểm tra bền cho dàn boong tàu chở container với trợ giúp phần mềm ANSYS Kiến nghị Để đề tài hoàn thiện hơn, kết tính tốn đề tài cần đƣợc so sánh với kết tính tốn theo lý thuyết số phần mềm thƣơng mại khác thị trƣờng nhƣ phần mềm MAESTRO, NASTRAN… Đề tài nên tiếp tục thực trƣờng hợp kể đến uốn chung thân tàu nên đƣợc mở rộng sang dàn khác kết cấu tàu thủy, tiến tới đánh giá toàn diện kết cấu thân tàu Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc62 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 73 of 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Đỗ Thành Trung (2013) ANSYS – Phân tích ứng suất biến dạng, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Đăng kiểm Việt Nam (2010), Quy phạm phân cấp đóng tàu biển vỏ thép (QCVN 21:2010/BGTVT), Hà Nội PGS.TS Phạm Tiến Tỉnh (2011), Phƣơng pháp phần tử hữu hạn kết cấu tàu cơng trình Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc63 tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai - ... tài Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào kiểm tra độ bền dàn boong tàu chở container” Mục đích nghiên cứu  Nghiên cứu lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn kiểm tra độ bền kết... dạng phần tử hữu hạn hay gặp Phần tử chiều Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử hai chiều Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử ba chiều Phần tử bậc Phần tử bậc hai Phần. .. VỀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 1.1 Tổng quan phƣơng pháp phần tử hữu hạn 1.1.1 Lịch sử phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn Phƣơng pháp phần tử hữu hạn