Nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu đáy của tàu pha sông biển chịu tải trọng phức tạp

Kết cấu thân tàu là hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống tấm liên kết với các hệ thống thanh gia cường. Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa rất quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn của kết cấu khi làm việc.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU SỨC BỀN GIỚI HẠN KẾT CẤU ĐÁY CỦA TÀU PHA SÔNG BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG PHỨC TẠP STUDY ON ULTIMATE STRENGTH OF THE BOTTOM STRUCTURE OF A RIVER-SEA SHIP UNDER COMBINED LOAD Vũ Văn Tản, Vũ Hoa Kỳ, Nguyễn Thị Khánh Email: vutannnn@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 8/3/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 27/3/2018 Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018 Tóm tắt Kết cấu thân tàu hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống liên kết với hệ thống gia cường Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn kết cấu làm việc Trong báo này, nhóm tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích sức bền giới hạn khung dàn đáy kết cấu tàu chạy tuyến pha sông biển tác dụng tải trọng phức tạp Kết tính tốn sức bền giới hạn kết cấu đáy xây dựng mối quan hệ ứng suất, biến dạng kết cấu làm sở để tính tốn, thiết kế kết cấu tàu Từ khóa: Kết cấu tàu; phần tử hữu hạn; tải trọng phức tạp; sức bền giới hạn Abstract The ship hull structure is three-dimensional structure with consist of steel plates, stiffened panels system In analysis and design of ship structure, the ultimate strength analysis is a very importand part of ship structural analyses to assess the safe condition of the structure In present paper, the nonlinear finite element method to calculate ultimate strength of bottom structure of a river-sea ship under combine load From the results of bottom structure model analyses, it is shown that the relationship between load and deformation of ship structural basis for calculation and design of river-sea ship structural Keywords: Ship structure; finite element; combined load; ultimate strength GIỚI THIỆU Thân tàu có kết cấu phức tạp, kết cấu thân tàu cấu thành hệ thống phủ lên hệ thống gia cường [1] Tính tốn thiết kế kết cấu thân tàu, phân tích sức bền giới hạn nhiệm vụ thiếu để đánh giá điều kiện làm việc an toàn kết cấu Kết cấu có gia cường hệ thống kết cấu thân tàu kết cấu đáy, kết cấu mạn, kết cấu boong… Do đó, phân tích sức bền giới hạn kết cấu có gia cường có ý nghĩa quan trọng tính tốn sức bền giới hạn thân tàu Trong năm gần đây, sức bền giới hạn hệ thống có gia cường kết cấu thân tàu nhiều tác giả quan tâm Beom Seon Jang nhóm tác giả [2] phân tích sức bền giới hạn kết cấu tàu theo quy phạm Các quy phạm nhóm tác giả áp dụng quy phạm DNV, IACS Park nhóm tác giả [3, 4] nghiên cứu, đánh giá sức bền giới hạn kết cấu tấm, có gia cường Mơ hình tính tốn kết cấu đáy ngồi tàu dầu tải trọng 100000 Xây dựng mối quan hệ giá trị tải trọng biến dạng kết cấu Tác giả Shi Gui Jie [5] xây dựng mơ hình dầm hộp để tính sức bền giới hạn mơ hình tác dụng tải trọng phức tạp phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến dự đoán vết nứt gãy vị trí nguy hiểm Năm 2018, Bin Yanga, Jia-meng Wu [7] nhóm tác giả nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu đáy tác dụng tải trọng dọc, ngang, áp lực nước lực Nhóm tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích tính phi tuyến tải trọng tác dụng lên hệ thống kết cấu Tính tốn sức bền giới hạn kết cấu so sánh với kết thực nghiệm Đối tượng nghiên cứu báo hệ thống khung dàn đáy kết cấu tàu hàng khô chạy tuyến pha sông biển Chiều dài lớn tàu 130 m Dựa kết tính tốn sức bền giới hạn kết cấu tác dụng tải trọng 46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC bên áp lực nước, tác giả xây dựng đồ thị liên hệ tải trọng sức bền giới hạn kết cấu làm sở để tính tốn thiết kế kết cấu tàu đảm bảo an tồn q trình làm việc PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHI TUYẾN 2.1 Kích thước tính chất vật liệu mơ hình tính Bài báo nghiên cứu kết cấu khung dàn đáy tàu chạy tuyến pha sơng biển có chiều dài lớn 130 m Kết cấu mặt cắt ngang thân tàu thể hình Khoảng cách nẹp dọc kết cấu đáy 650 mm Khoảng cách hai sống dọc 2600 mm, khoảng cách sườn khỏe 2800 mm, kích thước tính chất vật liệu thể bảng 2.2 Điều kiện ban đầu Trong nghiên cứu này, điều kiện độ lệch ban đầu xem xét Độ lệch ban đầu mơ hình giả thiết theo cơng thức kinh nghiệm tác giả Park [3] W0p = b = 00,005b 005b 200 (1) đó: W0P: độ lệch ban đầu tấm; b: khoảng cách nẹp gia cường (b = 650 mm) Hình Độ lệch ban đầu kết cấu có gia cường W0C = W0S = a = 0,001a 0.001 a 1000 (2) đó: W0C: độ lệch ban đầu nẹp gia cường theo hướng thẳng đứng; W0S: độ lệch ban đầu nẹp gia cường theo phương ngang; a: chiều dài nẹp gia cường (a = 2800 mm) Độ lệch ban đầu gia cường thể hình Hình Mặt cắt ngang tàu 2.3 Mơ hình phần tử hữu hạn Bảng Kích thước tính chất vật liệu mơ hình STT Ký Tên gọi hiệu Kích thước Chiều dài a 2800 mm Chiều rộng b 2600 mm Chiều dày c 11 mm Chiều cao bụng gia cường hw 250 mm Chiều dày bụng tw 10 mm bf 80 mm S 650 mm tf 12 mm S 650 Chiều rộng cánh gia cường Khoảng cách nẹp dọc Chiều dày cánh Khoảng cách gia cường 10 Modul đàn hồi E 2,06e5 N/mm2 11 Hế số Poisson Ứng suất giới hạn vật liệu Ứng suất giới hạn vật liệu gia cường µ 0,3 sy1 355 MPa sy2 235 MPa 12 13 Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích Nhóm tác giả dùng phần mềm FEM Abaqus để phân tích, tính tốn Trong báo này, phần tử S4R phần mềm FEA Abaqus sử dụng phần tử phần tử gia cường [1, 3, 4] (hình 2) Kích thước phần tử hữu hạn mơ hình 70 mm x 65 mm, hai nẹp dọc 10 đơn vị phần tử, thành gia cường chia làm đơn vị phần tử, mặt đơn vị phần tử Hệ trục toạ độ OXYZ thể hình Hình Mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 47 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.3 Điều kiện biên Để thiết lập điều kiện ràng buộc cho điểm mơ hình, phần mềm Abaqus ban đầu ta thiết lập nút cạnh mơ hình Nút sau thiết lập quan hệ ràng buộc với nút khác cạnh [6] Chuyển nút cạnh xác định chuyển vị nút Cụ thể điều kiện biên mơ hình nghiên cứu thiết lập sau: Đối với trường hợp xét đến áp lực nước, nhóm tác giả phân tích tất trường hợp tỷ lệ tải trọng Kết tính tốn số trường hợp thể hình Hình Phạm vi mơ hình nghiên cứu - Cạnh AC hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương X, Z hạn chế chuyển vị quay theo trục Y Z - Cạnh BD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương Y, Z hạn chế chuyển vị quay theo trục Z - Cạnh AB hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương X, Z hạn chế chuyển vị quay theo trục X Z - Cạnh CD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương Y, Z hạn chế chuyển vị quay theo trục Z - Tại sườn ngang EF, MN hạn chế chuyển động theo phương Z, điểm gia cường hạn chế chuyển động theo phương Y - Để đảm bảo cho kết cấu thêm độ cứng, độ ổn định ta thiết lập điểm G trọng tâm tấm, hạn chế chuyển động tịnh tiến theo phương Z 2.4 Tải trọng Tải trọng tác dụng lên thân tàu thường tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa, tải trọng sóng, gió, áp lực nước… Do vậy, báo tải trọng nhóm tác giả đưa vào phân tích tải trọng dọc, tải trọng ngang áp lực nước tác dụng lên kết cấu Áp lực nước tính hai trường hợp P = P = 0,124 MPa 2.5 Phân tích kết tính tốn Để tính tốn sức bền giới hạn có gia cường tác dụng tải trọng kết hợp Tỷ lệ tải trọng tác dụng theo hướng xét trường hợp sau: Fx:Fy = 10:0; 9:1; 8:2; 7:3: 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10 Hình Cột đồ thị bên trái: Đồ thị liên hệ Fx, Fy hai thành phần lực tác dụng theo hai hướng X Y dạng theo phương Y trường hợp tỷ lệ ứng suất - biến dạng theo phương X trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau; Cột đồ thị bên phải: Đồ thị liên hệ ứng suất - biến tải trọng khác 48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Trên hình đồ thị kết thể mối quan hệ ứng suất biến dạng điều kiện tải trọng khác Các kết tính tốn cho trường hợp thể cụ thể bảng Bảng Kết tính tốn ứng suất giới hạn cho trường hợp tải trọng σx (MPa) σy (MPa) Fx:Fy P=0 P = 0,124 MPa So sánh P=0 P = 0,124 MPa So sánh 10:0 227,70 204,42 -10,23% 0,00 0,00 0% 9:1 225,15 199,94 -11,20% 25,02 22,22 -11,20% 8:2 213,32 192,90 -9,57% 53,33 48,23 -9,57% 7:3 202,38 175,00 -13,53% 86,74 75,00 -13,53% 6:4 185,81 141,10 -24,06% 123,87 94,07 -24,06% 5:5 165,22 95,53 -42,18% 165,22 95,53 -42,18% 4:6 109,70 66,92 -39,00% 164,55 100,38 -39,00% 3:7 54,80 42,16 -23,07% 127,86 98,37 -23,07% 2:8 32,37 24,43 -24,54% 129,48 97,71 -24,54% 1:9 12,36 11,06 -10,49% 111,25 99,58 -10,49% 0:10 0,00 0,00 0% 111,39 98,82 -11,28% Từ bảng xây dựng đồ thị thể mối liên hệ ứng suất giới hạn theo trục X ứng suất (a) giới hạn theo trục Y theo tỷ lệ tải trọng khác hình (b) Hình Đường cong mối quan hệ ứng suất giới hạn điều kiện tải trọng khác a) Sức bền giới hạn dọc; b) Sức bền giới hạn ngang Trong trường hợp có xét đến áp lực nước, rõ ràng ảnh hưởng áp lực nước đến biến dạng sức bền giới hạn kết cấu (6a; 6b) Áp lực nước làm giảm giá trị sức bền giới hạn kết cấu có gia cường Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 49 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình Phân bố ứng suất kết cấu (Fx:Fy = 6:4) Khi tỷ lệ tải trọng Fx:Fy = 5:5 ảnh hưởng áp lực nước đến giá trị sức bền giới hạn kết cấu lớn so với trường hợp khơng có áp lực nước (42,18%) Trong trường hợp tỷ lệ tải trọng Fx:Fy < 6:4, giá trị ứng suất giới hạn σy thay đổi nhỏ so với trường hợp lại (hình 6b) Biến dạng phân bố ứng suất kết cấu có gia cường trường hợp Fx:Fy = 6:4 thể hình góp phần đưa lựa chọn tối ưu việc lựa chọn quy cách kích thước kết cấu thiết kế kết cấu tàu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] IACS (2012) Common Structural Rules for Bulk Carriers [S] [2] Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008) Methods for KẾT LUẬN ultimate limit state assessment of ships and Trong báo này, tác giả tính tốn, phân tích sức bền giới hạn mơ hình có gia cường kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô chạy tuyến pha sông biển Thông qua kết nghiên cứu đưa kết luận sau: stiffened panels [J] Ocean Engineering, 35(2): - Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để tính tốn sức bền giới hạn cho mơ hình kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khơ Nghiên cứu xét điều kiện biến dạng ban đầu theo công thức thực nghiệm, nghiên cứu nhiều trường hợp tải trọng khác nhau, áp lực nước… trường hợp kết cấu làm việc môi trường thực tế Xây dựng mối quan hệ tải trọng tác dụng, áp lực nước với giá trị ứng suất giới hạn kết cấu ship-shaped offshore structures: Part II 271-280 [3] Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008) Methods for ultimate limit state assessment of ships and ship-shaped offshore hull [J] girders structures: Ocean Part Engineering, III 35(2): 281-286 [4] Shi, G.j and Wang D, Y (2012) Residual ultimate strength of open box girders with cracked damage Ocean Engineering, 43, pp.90-101 [5] Shi, G J and Wang D, Y (2012) Residual ultimate strength of cracked box girders under torsional loading Ocean Engineering, 43, pp.102-112 [6] Liu Bin, Wu Weiguo (2013) Standardized nonlinear finite element analysys of the ultimate strength of bulk carriers Journal of Wuhan University of - Kết nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu có gia cường có ý nghĩa quan trọng để đánh giá sức bền thân tàu, làm sở cho việc thiết kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng độ ổn [7] Bin Yang, Jia-meng Wu, C Guedes Soares (2018) định trình làm việc Kết nghiên cứu pressure Ocean Engineering, 157 , pp 44-53 Technology Transportation Science Dynamic ultimate strength of outer bottom stiffened plates under in-plane compression and lateral 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 ... liên hệ tải trọng sức bền giới hạn kết cấu làm sở để tính tốn thiết kế kết cấu tàu đảm bảo an tồn q trình làm việc PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHI... Wuhan University of - Kết nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu có gia cường có ý nghĩa quan trọng để đánh giá sức bền thân tàu, làm sở cho việc thiết kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng độ ổn... dụng lên thân tàu thường tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa, tải trọng sóng, gió, áp lực nước… Do vậy, báo tải trọng nhóm tác giả đưa vào phân tích tải trọng dọc, tải trọng ngang áp