Phương pháp kết hợp giữa phần tử biên và phần tử hữu hạn trong phân tích tấm nổi trực hướng chịu tải trọng di động

1.Trình bày cơ sở lý thuyết tấm trực hướng, chất lỏng lý tưởng, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phần tử biên2.Phát triển thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian và xây dựng chương trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ tấm nước3.Kiểm chứng chương trình và thực hiện các bài toán khảo sát để đánh giá ảnh hưởng của tính trực hướng lên các đại lượng động lực học đặc trưng của hệ.4.Đưa ra kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu số.

ĐẠI HỌC QUỔC GIA TP HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN PHƯỢNG KIỀU

PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP GIỮA PHẢN TỬ BIÊN VÀ PHẦNTỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH TẤM NỔI TRỰC

HƯỚNG CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân dụng Và Công nghiệp Mã số ngằnh: 60580208

LUÂN VĂN THẠC SĨ

Tp.HCM, năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUÓC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCMCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP GIỮA PHẦN TỬ BIÊN VÀPHẰN TỬ HỮU HẠN TRONG PHÂN TÍCH TẤM NỔI TRỰC HƯỚNG CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Trình bày cơ sở lý thuyết tấm trực hướng, chất lỏng lý tưởng, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phần tử biên

2 Phát triển thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian và xây dựng chương trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ tấm- nước3 Kiểm chứng chương trình và thực hiện các bài toán khảo sát để đánh giá ảnh hưởng

của tính trực hướng lên các đại lượng động lực học đặc trưng của hệ.4 Đưa ra kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu số.

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 08/01/2018

V.HỌ VÀ TÊN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: PGS TS LƯƠNG VẪN HẢI

Tp HCM, ngày tháng năm 2018

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Lương Văn Hải

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thốngbài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cáchgiải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng v.v Đó là trách nhiệm vàniềm tụ hào của mỗi học viên cao học.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhậnđuợc sụ giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tớitập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sụ giúp đỡ quý báu đó.

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Luơng Văn Hải vàThầy TS Trần Minh Thi Các thầy đã đua ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tuởngcủa đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đềnghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dụng, truờng Đại họcBách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là nhữngkiến thức không thể thiếu trên con đuờng nghiên cứu khoa học và sụ nghiệp của tôi saunày.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh NCS Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiềutrong quá trình thục hiện luận văn này.

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân,tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm đểtôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018

NGUYỄN PHUỢNG KIỀU

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Đại dương bao phủ 70% Trái Đất là nơi làm giảm nhu cầu cấp bách về vấn đề đất đaiven biển Gần 50% thế giới công nghiệp hóa hiện nay sống trong vòng 1 km bờ biển,nhu cầu về tài nguyên đất và không gian đang bắt đầu tiến tới một giai đoạn quan trọngkhi dân số thế giới tiếp tục tăng với tốc độ đáng báo động, cần có một sự phát triển bềnvững và thân thiện với môi trường Một trong những sáng kiến thân thiện với môi trườngxuất hiện trong thời gian gần đây là khái niệm về các công trình nổi siêu lớn (VLFS) -một công nghệ cho phép tạo ra các vùng đất nhân tạo từ biển mà không phá hủy môitrường biển, không làm ô nhiễm nguồn nước ven biển và không thay đổi dòng chảy thủytriều và dòng chảy tự nhiên Cho đến nay nhiều phương pháp số đã được phát triển đểphân tích VLFS trong môi trường sóng biển, trong luận văn này sẽ sử dụng phương phápkết hợp giữa phần tử biên (BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tíchkết cấu nổi trực hướng chịu tải trọng di động để giải quyết bài toán kết cấu nổi siêu lớn.Chương 1 là phần giới thiệu tổng quan về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát triển, nhữngưu điểm và ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn trong thực tế, mục tiêu và hướng nghiêncứu của đề tài Trong chương 2 trình bày mô hình của kết cấu nổi và chất lỏng cùng vớinhững điều kiện biên thiết lập trong quá trình tính toán, trình bày cơ sở lý thuyết tấmtrực hướng, chất lỏng lý tưởng, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp phần tửbiên sử dụng trong quá trình tính toán Chương 3 sử dụng thuật toán giải hệ phương trìnhtương tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian và xây dựng chương trình Matlabmô phỏng ứng xử của hệ tấm- nước, tiến hành phân tích tấm nổi với các giá trị độ cứnguốn 2 phương thay đổi cùng với sự thay đổi lần lượt của vận tốc, khối lượng của tảitrọng di động, chiều dày tấm và chiều rộng của tấm Từ kết quả của chương 3, nhận xétvà kiến nghị được trình bày trong chương 4 và cuối cùng là danh mục những tài liệutham khảo đã sử dụng trong luận văn.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThầyLương Văn Hải.

Các kết quả ửong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2018

NGUYỄN PHƯỢNG KIỀU

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤCLỤC VDANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU vii

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii

CHƯƠNG 1 TÔNG QUAN 1

1.4 Mục tiêu và hướng nghiên cứu 10

1.4.1 Mục tiêu 10

1.4.2 Hướng nghiên cứu 10

1.5 Cấu trúc luận văn 10

CHƯƠNG 2 Cơ SỎ LÝ THUYẾT 11

2.1 Mô hình cấu trúc chất lỏng và các điều kiện biên 11

2.4.1 Nghiệm cơ bản của phương trình Laplace 17

2.4.2 Phương trình động lực học của kết cấu 20

2.5 Lưu đồ thuật toán 22

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ SỐ 23

3.1 Bài toán 1: Kiếm chứng chương trình phân tích hydroelastic của tấmđẳng hướng so với kết quả của tác giả Ismail 24

3.2 Kiểm chứng chương trình Matlab trong phân tích tấm nổi trực hướng 25

3.2.1 Bài toán 2: Phân tích ứng xử của tấm trực hướng khi chịu tácdụng của tải trọng tĩnh 25

3.2.2 Bài toán 3: Phân tích dao động tự do của tấm trực hướng 28

3.3 Bài toán 4: Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độcứng uốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đổi của vận tốc v 32

3.3.1 Khảo sát chuyển vị lớn nhất của tấm nổi khi thay đổi vận tốc củatải trọng di động 32

3.3.2 Khảo sát chuyển vị của tấm nổi theo 2 phương X và y khi thayđổi vận tốc của tải trọng di động 35

3.3.3 Khảo sát chuyển vị tại một điểm theo thời gian khi thay đổi vậntốc của tải trọng di động 41

3.4 Bài toán 5: Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độ cứnguốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đổi tải trọng tác dụngp_ 43

3.5 Bài toán 6: Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độẤr "Ấ hcứng uôn theo 2 phương thay đôi ứng với sự thay đôi chiêu dày tâm s 46

3.6 Bài toán 7: Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độ cứnguốn theo 2 phương thay đổi ứng với sự thay đổi kích thước tấmL_ và 48

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

4.1 Kết luận 53

4.2 Kiến nghị 54TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ•

Hình 1.1 Các thành phần của hệ thống kết cấu nổi 3

Hình 1 2 Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản 4

Hình 1.3 Sân bay Quốc tế Tokyo, (Haneda) 4

Hình 1 4 Bến tàu nổi (Valdez, Alaska) 5

Hình 1 5 Ben container nổi di động 5

Hình 1 6 Căn cứ cứu hộ khẩn cấp ở vịnh Tokyo và vịnh Osaka 5

Hình 1 7 Bãi đáp trực thăng nổi, Vancouver, Canada 5

Hình 1.8 Căn cứ lưu trữ dầu nổi ở Shừashima, Japan ốHình 1 9 Căn cứ lưu trữ dầu nổi ở Kamigoto, tỉnh Nagasaki, Japan ốHình 1 10 Phản ứng toàn phần của tấm dưới tác dụng của tải họng tĩnh 7

Hình 1 11 Sơ đồ phản ứng toàn phần của kết cấu nổi 7

Hình 2 1 Hệ cấu trúc chất lỏng và hệ tọa độ 11

Hình 2 2 Kết cấu nổi siều lớn VLFS 13

Hình 2 3 Phần tử chữ nhật với 4 điểm nút 16

Hình 3 1 Hàm Green G(p, Q) 17

Hình 3 2 Miền khảo sát, mặt biên hòn và mặt biên nữa hòn S£,£ = r 18

Hình 4 1 Mô hình một kết cấu nổi VLFS 23

Hình 4 2 Mô hình tấm nổi kích thước 9,75 X l,95m 24

Hình 4 3 Ket quả chuyển vị của Ismail và luận văn 25

Hình 4 4 Chuyển vị tại vị trí đặt lực ứng với các lưới chia phần tử 26

Hình 4 5 Chuyển vị tại vị trí đặt lực của tấm nổi với lưới chia phần tử 30x30 27

Hình 4 6 Tần số dao động tự nhiên của tấm nổi ở mode dao động thứ nhất vớisự thay đổi của module đàn hồi 28

Hình 4 7 So sánh tần số dao động tự nhiên của mode dao động thứ nhất vớiphần mềm SAP2000 30

Hình 4 8 Tần số dao động tự nhiên của sáu mode dao động đầu tiên của tấm 31

Hình 4 9 Tần số dao động tự nhiên của sáu mode dao động đầu tiên của tấm

với sụ thay đổi của module đàn hồi 31

Hình 4 10 Mô hình tấm nổi kích thước 60X 60 m 33

Hình 4.11 Chuyển vị lớn nhất của kết cấu nổi khi vận tốc thay đổi 34

Hình 4 12 Vị trí tải trọng di động tại thời điểm t = 2s 35

Hình 4 13 Chuyển vị của tấm nổi theo phương X (y = bs /2) khi thay đổi vậntốc tải trọng 36

Hình 4 14 Số đỉnh sóng của kết cấu khi module đàn hồi thay đổi trường hợpV = 9,7 mls 38

Hình 4 20 Chuyển vị của tấm nổi theo phương X (y = bs /2) khi chiều dàytấm thay đổi 47

Hình 4 21 Chuyển vị của tấm nổi theo phương X (y = bs /2) khi chiều dàytấm thay đổi trường hợp Eỵ = 0,5 E2 48

Hình 4 22 Chuyển vị lớn nhất của tấm khi thay đổi chiều rộng tấm 49

Hình 4 23 Chuyển vị của tấm nổi theo phương X (y = bs /2) khi thay đổichiều rộng tấm 50

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4 1 Thông số tấm nổi 25Bảng 4 2 Chuyển vị tại vị trí đặt lực ứng với các lưới chia phần tử 26Bảng 4 3 Sai số (%) chuyển vị của các trường hợp module đàn hồi so với kết

quả của SAP2000 khi lưới chia phần tử 30x30 27Bảng 4 4 Tần số dao động tự nhiên của tấm nổi ở mode dao động thứ nhất

với sự thay đổi của module đàn hồi 29Bảng 4 5 Sai số (%) của tần số dao động tự nhiên ở mode dao động thứ nhất

so với phần mềm SAP2000 30Bảng 4 6 Tần số dao động tự nhiên của sáu mode dao động đầu tiên của tấm

với sự thay đổi của module đàn hồi 32Bảng 4 7 So sánh chuyển vị lớn nhất giữa các trường hợp module đàn hồi 34

Bảng 4 8 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương X (y = bs / 2) khi thay

đổi vận tốc tải họng 37

Bảng 4 9 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương y (x = Ls / 2) khi thay

đổi vận tốc tải họng 40

Bảng 4.10 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương X (y = bs / 2) khi thay

đổi giá trị tải ttọng 45

Bảng 4 11 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương X (y = hs/2) khi

chiều dày tấm thay đổi 47

Bảng 4 12 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương X ( y = bs /2) khi thay

đổi chiều rộng tấm 51

Bảng 4 13 Chuyển vị lớn nhất của tấm nổi theo phương X (y = o) khi thay

đổi chiều rộng tấm 52

MÔT SỐ KÝ HIÊU VIẾT TẮT• •

Chữ viết tắt

Ma trận và véctơ

1.1Giói thiệu

1.1.1Lịch sử phát triển

Trong thế kỷ XX, thế giới đã gặp phải một vấn đề mới: thiếu đất đai Bây giờ vào đầuthiên niên kỷ thứ ba, vấn đề này đang trở nên nghiêm trọng với sự tăng trưởng nhanhchóng của dân số Trái đất và sự phát triển tương ứng của công nghiệp và các khu đôthị Các quốc gia như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Hà Lan và Bỉ có mật độ dânsố rất cao Nhiều nước khác ở châu Âu và châu Á đang tiến gần đến mật độ tương tự.Nhiều quốc đảo phát triển và các quốc gia có bờ biển dài cần có đất đã giành mộtkhoảng thời gian khai thác đất từ biển nhằm tạo không gian mới Hà Lan, Nhật Bản,Singapore và các nước khác đã mở rộng diện tích của họ một cách đáng kể thông quacác công trình cải tạo đất Tuy nhiên, các công trình này có những hạn chế như tácđộng tiêu cực đến môi trường ttên bờ biển của đất nước, các nước láng giềng và hệsinh thái biển, cũng như chi phí kinh tế rất lớn ttong việc khai hoang đất từ vùng nướcsâu ven bờ Ngoài ra, việc cải tạo đất là một giải pháp hiệu quả chỉ đối với những vùngnước nông có độ sâu không quá 20m.

Chương 1: Tổng quan

Khi vùng biển quá sâu và đáy biển không đủ cứng, việc cải tạo đất không còn hiệu quảhoặc thậm chí là không thực hiện được Khi phải đối mặt với những điều kiện tự nhiênvà những hậu quả về môi trường, các kết cấu nổi siêu lớn (Very large floatingstructures - VLFS) được đánh giá là một giải pháp thay thế có hiệu quả cho nhữngvùng đất mở rộng từ biển.

về cơ bản có 2 loại kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) là: Semi-submersible và Pontoon Cáccấu trúc nửa chìm nửa nổi (Semisubmersible) được giữ cho nổi trên mực nước biểnbằng cách sử dụng các cột dạng ống hoặc các cấu trúc dằn nhằm giảm thiểu tác độngcủa sóng trong khi vẫn duy trì một lực nổi liên tục Do đó, chúng có thể làm giảm daođộng do sóng gây ra và thích hợp ở những vùng biển lớn với những đợt sóng lớn.Những giàn khoan khai thác dầu khí và sản xuất dầu và khí đốt là những ví dụ điểnhình cho loại kết cấu này.

Ngược lại, cấu trúc phao (Pontoon) nằm trên mực nước biển như một tấm khổng lồửôi nổi trên mặt nước, cấu trúc nổi dạng Pontoon thích hợp để sử dụng ửong các vùngnước tĩnh lặng, thường nằm trong vịnh hoặc đầm và gần bờ biển Các kết cấu nổiPontoon siêu lớn được các kỹ sư Nhật gọi là những con Mega-Float Trong luận vănnày chỉ đề cập đến kết cấu nổi siêu lớn VLFS loại Pontoon.

Theo nguyên tắc chung, VLFS (Pontoon-type) là kết cấu nổi có chiều dài lớn hơn60m Một hệ thống VLFS (Pontoon-type) bao gồm một:

Kết cấu phao nổi siêu lớn

Bộ phận neo để giữ kết cấu không di chuyểnMột cầu nối hoặc đường nối để đi vào bờ

Đê chắn sóng (thường là cần thiết nếu chiều cao sóng là đáng kể - lớn hơn 4 m)để giảm lực sóng tác động lên kết cấu nổi.

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.1 Các thành phần của hệ thống kết cấu nổi

Các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) có thể được xây dựng để tạo ra các sân bay, cầu, đêchắn sóng, cầu cảng và bến cảng, các cơ sở lưu trữ (dầu và khí tự nhiên) và các nhàmáy điện năng lượng mặt trời cho các mục đích quân sự, tạo ra không gian côngnghiệp, căn cứ cứu hộ, các cơ sở giải trí (như sòng bạc), công viên giải trí, các côngtrình ngoài khơi di động và thậm chí cả nơi ở Hiện nay, các khái niệm khác nhau đãđược đề xuất để xây dựng các thành phố nổi hoặc các khu liên hợp sinh sống khổng lồ.

1.1.2Ưu điểm

Những kết cấu nổi siêu lớn này có lợi thế hơn các giải pháp khai hoang đất đai truyềnthống để tạo không gian mới như sau:

Tiết kiệm chi phí hơn khi độ sâu nước lớn.

Thân thiện với môi trường vì chúng không gây tổn hại cho hệ sinh thái biển,hoặc phá vỡ dòng chảy thủy triều.

Dễ dàng và nhanh chóng xây dựng (các bộ phận có thể được sản xuất tại cácxưởng đóng tàu khác nhau và sau đó đưa vào khu vực lắp ráp) và do đó không gianbiển có thể được khai thác nhanh chóng.

Có thể dễ dàng tháo dỡ (nếu không gian biển là cần thiết trong tương lai) hoặcmở rộng.

Các cơ sở và công trình ttền VLFS được bảo vệ khỏi những cú sốc của sóng địachấn.

Trong thời gian gần đây, chi phí đất ở các thành phố lớn đã tăng lên đáng kể và cácnhà quy hoạch đô thị đang cân nhắc khả năng sử dụng nước ven biển để phát triển đôthị bao gồm cả việc có sân bay nổi Vì biển và vùng đất gần bờ thường bằng phẳng,việc đổ bộ và cất cánh máy bay an toàn hơn về mặt này, Nhật Bản đã đạt được tiến bộlớn khi xây dựng một sân bay lớn trên biển Sân bay quốc tế Kansai ở Osaka là một vídụ về một sân bay được xây dựng trên biển (trên một hòn đảo được khai

Hình 1.3 Sân bay Quốc tế Tokyo,

Bến tàu nổi và bến container

Hình 1 6 Căn cứ cứu hộ khẩn cấp ởvịnh Tokyo và vịnh Osaka

Hình 1 7 Bãi đáp trực thăng nổi,Vancouver, Canada

Shừashima, Japan Kamigoto, tỉnh Nagasaki, JapanCăn cứ lưu trữ dầu nổi ở Shirashima, Japan với công suất 5,6 triệu kiloliters, kíchthước mỗi module: 397 x82 x25,1m được xây dựng vào năm 1996 Căn cứ lưu trữ dầunổi ở Kamigoto, tỉnh Nagasaki, Japan với công suất 4,4 triệu kiloliters, kích thước mỗi

module: 390 X 97 X 27,6m xây dựng năm 1988.

1.3Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu1.3.1Lý thuyết Hydroelastic

Một kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) điển hình có kích thước ngang lớn từ vài trăm métđến vài kilomet mà độ dày của VLFS chỉ vài mét Với tỉ số giữa chiều dày và kíchthước theo phương ngang nhỏ, VLFS ứng xử như một tấm đàn hồi khi xét các phảnứng theo phương thẳng đứng Nói cách khác, phản ứng VLFS theo chiều thẳng đứngkhông thể chỉ xét bởi các chuyển động của một vật rắn cứng tuyệt đối Do đó, cần phảitính toán độ uốn của một VLFS khi thiết kế.

Mặt khác, nếu áp lực thay đổi chuyển động của kết cấu nổi cũng bị ảnh hưởng Mốiquan hệ tương hỗ này được gọi là sự tương tác của cấu trúc chất lỏng Neu chuyểnđộng của vật thể nổi bao gồm các biến dạng đàn hồi, tương tác kết cấu-chất lỏng đượcgọi là hydroelastic Với tỉ số giữa chiều dày và kích thước theo phương ngang nhỏ vàkích thước lớn hơn nhiều so với bước sóng của sóng biển, ứng xử của VLFS tác động

Phương tiện lưu trữ nổi

đáng kể đến áp lực chất lỏng xung quanh Do đó phân tíchhydroelastic là cần thiết để đánh giá ứng xử của mộtVLFS.

Khác với những con tàu và kết cấu nổi ngoài khơi, kết cấu VLFS có ứng xửhydroelastic là chủ yếu Sự so sánh ứng xử này khi chịu tải trọng tập trung được minhhọa theo sơ đồ trong Hình 1 10 như là một biện pháp hợp lý để phân biệt VLFS vớicác tàu thuyền thông thường dưới dạng ứng xử toàn phần, một chiều dài đặc trưng làẰc đã được đề xuất bởi Suzuki và Yoshida [1],

Hình 1 10 Phản ứng toàn phần của tấm dưới tác dụng của tải trọng tĩnh

Hình 1 11 Sơ đồ phản ứng toàn phần của kết cấu nổi

này cho thấy rằng ảnh hưởng của tải trọng tác dụng vào kết cấu và sự biến dạng đàn

ơmyíri độ** CÚI v|t ihckhrrj UH1J

I< hi«*« (W l-«* c-tn

CLKU LEU củ* bLC.0

Theo đó nếu chiều dài của kết cấu nhỏ hơn chiều dài đặc trưng thì ứng xử của kết cấulà chuyển động cứng tuyệt đối nếu nó lớn hơn chiều dài đặc trưng, như trong VLFS thìphản ứng là biến dạng đàn hồi.

Cho đến nay nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử hydroelasticcủa nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển Từ bước phân tích đơn giản nhất làthực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng chất lỏng 2phương; cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với mô hình kết cấu vàvùng chất lỏng theo 3 phương.

về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép Chúng đượckhảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do Chuyển động theo phươngngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng.Đồng thời khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nước và kết cấuthường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặctrưng của sóng nên được bỏ qua.

Khi mô hình kết cấu, những mô hình bên dưới đã ứng dụng để mô hình VLFS:Mô hình dầm (T.I Khabakhpasheva, 2002 [2])

Mô hình tấm mỏng (Masashi Kashiwagi, 2004 [3])Mô hình tấm dày Mindlin (Watanabe, 2000 [4])

Mô hình sandwich-grillage (Masahiko Fujikubo, 2001 [5])

1.3.2Các phương pháp phân tích

Nhiều bài báo về phân tích hydroelastic của VLFS đã được công bố cho đến nay Cóthể được tìm thấy trong các bài báo đánh giá của Kashiwagi [10], Watanabe và cộngsự [11], Newman [12], Ohmatsu [13] và Suzuki và cộng sự [14], Một vài nghiên cứuđiển hình sử dụng BEM để phân tích chuyển động của chất lỏng đã được công bố nhưYasuzawa và cộng sự [15] thế vận tốc và các đạo hàm của nó được trình bày phươngtrình tích phân biên Yago & Endo [16], Yasuzawa và cộng sự [17] và Hamamoto vàcộng sự [18] xác định sự phân bố áp suất nước bằng cách sử dụng BEM Ohkusu &Namba [19] và Namba & Ohkusu [20] giới thiệu một phép tính gần đúng của hàm

Green Mamidipudi và Webster [21] đã tiến hành nghiên cứu về phân tích hydroelasticcủa một sân bay nổi bằng cách kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn cho vấn đề tấmvà phương pháp hàm Green cho vấn đề chất lỏng Wu và cộng sự [22] giải quyết vấnđề hydroelastic hai chiều (2-D) bằng phương pháp phân tích sử dụng các hàm riêng.Phản ứng trong thời gian ngắn của VLFS do máy bay hạ cánh và cất cánh đã đượcphân tích bởi Kimand Webster [23], Watanabe và Ưtsunomiya [24], và sau đó cho mộttải di chuyển bởi Watanabe và cộng sự [25], Endo [26] và Kashiwagi [27],

Có thể giải quyết vấn đề hydroelastic của VLFS là sử dụng những phương pháp số gầnđúng Trong phương pháp số gần đúng, có thể kết hợp một số các phương pháp khácnhau để giải quyết phần kết cấu và phần chất lỏng, về nguyên tắc, bất kỳ phương phápnào đã đề cập bên trên có thể được áp dụng để giải quyết vấn đề dao động của tấmhoặc cấu trúc 3-D có thể được sử dụng để giải quyết phần kết cấu Trong các phươngpháp khác nhau, FEM có thể được coi là phương pháp có triển vọng nhất vì tính đadụng của nó trong việc xử lý hình học phức tạp của kết cấu thực Trong một số trườnghợp, toàn bộ VLFS có thể được mô hình như một tấm nổi Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ,mô hình đơn giản này rất hiệu quả và thường được sử dụng trong quy trình thiết kếthực tế Để giải quyết phần chất lỏng, phương pháp được sử dụng ở đây là phươngpháp phần tử biên.

Trong giai đoạn đầu của thiết kế kết cấu VLFS, một mô hình tấm đồng nhất đẳnghướng thường được sử dụng cho phân tích phản ứng hydroelastic Một mô hình cấutrúc đơn giản như vậy có hiệu quả để xác định các tham số độ cứng toàn phần của kếtcấu, đáp ứng các yêu cầu thiết kế Tuy nhiên, để tính toán chính xác cần phải có mộtmô hình cấu trúc chi tiết hơn có thể giải thích được các ứng xử của từng bộ phận kếtcấu Trong luận văn sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phương pháp phần tử biên(BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích tấm nổi trực hướngchịu tải trọng di động để giải bài toán tấm nổi.

1.4Mục tiêu và hướng nghiên cứu

1.4.1Mục tiêu

Trong luận văn sẽ sử dụng phương pháp kết hợp giữa phần tử biên (BEM) và phươngpháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phân tích động lực học tấm nổi trực hướng chịu tảitrọng di động để giải bài toán tấm nổi VLFS.

1.4.2Hướng nghiên cứu

Nước được giả định là không nhớt, không nén được và chuyển động khôngxoáy.

Theo lý thuyết thế năng tuyến tính, chuyển động của chất lỏng được mô tả bởiphương trình chủ đạo Laplace và các điều kiện biên được tuyến tính hóa Phương trìnhLaplace kết hợp với điều kiện biên được giải quyết bằng phương pháp BEM trong đóhàm Green là nghiệm cơ bản của phương trình Laplace trong một miền chất lỏng vôhạn của không gian ba chiều.

Sự chuyển động của kết cấu nổi và miền chất lỏng xung quanh được kết hợp quađiều kiện của bề mặt tiếp xúc giữa VLFS và chất lỏng.

Kết cấu nổi được lý tưởng hóa là một tấm trực hướng có các cạnh biên tự do.Cuối cùng, hệ phương trình kết hợp của tải trọng di động, kết cấu nổi và chấtlỏng xung quanh được giải quyết bằng phương pháp số trong miền thời gian.

1.5Cấu trúc luận văn

Cấu trúc luận văn bao gồm các phần như sau:

Chương 1 là phần tổng quan giới thiệu về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát triểnvà những ưu điểm của kết cấu này Những ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn trongthực tế Mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề tài.

Chương 2 trình bày những cơ sở lý thuyết để tính toán.Chương 3 trình bày mô hình nghiên cứu.

Chương 4 trình bày tiến độ dự kiến của luận văn.

CHƯƠNG 2.

Cơ SỞ LÝ THUYẾT

2.1Mô hình cấu trúc chất lỏng và các điều kiện biên2.1.1Mô hình cấu trúc chất lỏng

Hệ chất lỏng và hệ tọa độ được trình bày trong Hình 2 1 Trục z hướng lên ưên và đáy

biển được coi là phẳng tại z = —h VLFS có chiều dài tối đa là 2a theo phương X,chiều rộng tối đa là 2b theo phương y vấn đề hiện tại là xác định ứng xử của VLFS

dưới tác động của tải trọng di động.

Hình 2 1 Hệ cấu trúc chất lỏng và hệ tọa độTrong phân tích hydroelastic cho tấm VLFS, có các giả thiết sau:

VLFS được mô phỏng như một tấm đàn hồi mỏng (có tính trực hướng) với cáccạnh tự do

Chất lỏng không nén, không nhớt và chuyển động không xoáy.

Biên độ của sóng biển và chuyển động của VLFS đều nhỏ và chỉ có chuyểnđộng theo phương thẳng đứng của cấu trúc được xem xét (nghĩa là hạn chế tấm dichuyển theo chiều ngang trong phân tích).

Mặt dưới của tấm tiếp với chất lỏng ở tất cả các vị trí vì vậy không có khoảngcách giữa tấm và vùng chất lỏng bên dưới nó.

2.1.2Điều kiện biên

Phương trình Laplace cho chất lỏng lý tưởng:

ẽ2ộ ẽ2ộ ẽ2ộ

<^> v2^ = 0

Điều kiện động học ở đáy

Điều kiện biên ở đáy của miền chất lỏng cho biết thành phần pháp tuyến của vận tốcchất lỏng tại bất kỳ điểm nào trên bề mặt đáy đều bằng 0 Điều kiện này là cần thiết đểkhông có dòng chảy ở đáy biển hoặc không có lỗ trống được hình thành bởi dòng chảycủa chất lỏng ở phía dưới:

trong đó n đại diện cho pháp tuyến bên ngoài của miền chất lỏng.

Điều kiện động học tại mặt tiếp xúc của kết cẩu và chẩt lỏng

Giả thiết rằng kết cấu nổi siêu lớn VLFS tiếp xúc với nước ở tất cả các điểm Vì vậy,không có khoảng giữa bề mặt tấm và chất lỏng hay nói cách khác vận tốc của tấm vàchất lỏng tại vị trí tiếp xúc luôn bằng nhau:

dn dt

trong đó w(x,y,z,í) là sự chuyển vị theo phương thẳng đứng của tấm, t là thời gian, n

là vector đơn vị chỉ từ miền chất lỏng vào trong tấm nổi.

Điều kiện biên tại vô cực

Điều kiện này giả định rằng sự dao động trong chất lỏng không truyền đến vùng xa của miền trong khoảng thời gian được xét Điều kiện này đòi hỏi vận tốc của chất lỏngphải bằng 0 khi tiến ra xa:

2.2Lý thuyết tấm trực hướng

Hình 2 2 Kết cấu nổi siêu lớn VLFS

Trong lý thuyết tấm có độ võng nhỏ của Kirchhoff, số lượng hằng số đàn hồi độc lập

là E và V Nếu giả sử rằng các phương chính trực giao trùng với trục tọa độ X và y có

suất và biến dạng trực giao:

trong đó module cắt của vật liệu trực hướng là:

D = y 1

y 12(l-vxvy)Độ cứng xoắn của tấm trực hướng:

2D, = (1 - )7DxDy = í1 - Vxy ) Dxy

Đối với tấm trực hướng có độ dày không đổi thì:

Phương trình vi phân cân bằng: trong đó độ cứng xoắn hữu hiệu của tấm trực hướng là:

Ị x(a2by-ã2y2 + 3ab2x-b2x2j(2b-y)

2.4Phương pháp phần tử biên

Phương pháp phần tử biên (BEM) có thể được xem như là một phương pháp số tổngquát để giải quyết phương trình tích phân biên Phương pháp này có một vài ưu điểm.Thứ nhất, sự rừi rạc hóa chỉ giới hạn ở các biên của một miền, làm giảm đáng kể bậctự do của vấn đề và làm cho việc tạo dữ liệu dễ dàng hơn nhiều Thứ hai, BEM là phùhợp hơn để giải quyết các vấn đề liên quan đến một miền vô hạn vì sự rời rạc hóa chỉđược yêu cầu ưên ranh giới trong cho một số trường hợp Thứ ba, BEM cung cấp mộtcách tiếp cận thuận tiện để giải quyết với các vấn đề liên quan đến một số loại điểmgián đoạn hoặc điểm kỳ dị.

2.4.1Nghiêm cơ bản của phương trình Laplace

Nghiệm của công thức Laplace được xác định trong một vùng vô hạn, cho một điểmnguồn của đơn vị lực, được gọi là nghiệm cơ bản hoặc vùng tự do của hàm Green chovấn đề Đối với miền nước đồng nhất và đẳng hướng, nghiệm cơ bản 3D phải có đốixứng hình cầu về mặt toán học, nó có thể được định nghĩa như là một hàm vô hướng

G và thõa phương trình Laplace ở tất cả các điểm ngoại trừ điểm p (điểm nguồn).

Do thế vận tốc là một hàm số điều hòa, phương trình Laplace trong miền chất lỏng có thể được rút ra như là phương trình tích phân biên bằng cách sử dụng phương trình của Green:

một mặt cầu ta có:

ÕG_ 1ôn 4ffr2

Lấy giới hạn từng giá trị ta được kết quả:

<2'33)Phương pháp giải tích đối với phương trình tích phân biên của phương trình (2.33) chỉtồn tại đối với một số vấn đề rất đơn giản Đối với các vấn đề tổng quát hơn, mộtphương pháp số là cần thiết BEM, dựa trên một phương pháp rời rạc hóa, là mộtphương pháp để giải quyết phương trình tích phân biên Áp dụng BEM đòi hỏi hai

Xấp xỉ đơn giản nhất là giả định rằng ộ và / dn là hằng số trong mỗi phần tử.

Bằng cách áp dụng xấp xỉ này vào phương trình (2.33), chúng ta có được:

(2.38)

2.4.2Phương trình động lực học của kết cấu

Xem xét vấn đề động lực học của một hệ thống kết cấu Sử dụng phương pháp phần tửhữu hạn, phương trình cân bằng động lực học của hệ thống được viết bằng ma trậnnhư sau:

N2 Nn 0 0

0

2.5Lưu đồ thuật toán

BẤT ĐẰU

Chương 3: Ví dụ số

CHƯƠNG 3.

VÍ DỤ SỐ

Chương này gồm: một ví dụ số lựa chọn mô hình tính toán và khảo sát ảnh hưởng củacác thông số khác nhau đến ứng xử động của kết cấu tấm nổi VLFS chịu tác động củatải trọng di dộng Mô hình dự kiến thực hiện trong luận văn được thể hiện trong Hình4 1:

Hình 4 1 Mô hình một kết cấu nổi VLFSMột số ví dụ số bao gồm:

Kiếm chứng chương trình phân tích hydroelastic.

Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độ cứng uốn theo 2phương thay đổi ứng với sự thay đổi vận tốc V.

Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độ cứng uốn theo 2phương thay đổi ứng với sự thay đổi thay đổi tải trọng tác dụng.

Phân tích ứng xử động của tấm trực hướng với các giá trị độ cứng uốn theo 2phương thay đổi ứng với sự thay đổi chiều dày của tấm nổi.