PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu

PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu PHÂN TÍCH sức bền cục bộ tàu

Chương PHÂN TÍCH SỨC BỀN CỤC BỘ TÀU Tài liệu để biên soạn chương trích từ hướng dẫn ABS (USA), DNV (Norway) Phần dùng cho người tính toán độ bền thân tàu Phân tích độ bền thân tàu tiến hành hai phần: (1) phân tích độ bền chung hay còn gọi độ bền dọc tàu (2) phân tích độ bền cục Phân tích độ bền dọc giải ba vấn đề lớn: lực cắt momen uốn đứng, lực cắt momen uốn ngang tàu, xoắn tàu sóng xiên Phân tích độ bền cục thân tàu dựa sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) bao gồm công việc liên quan tính toán độ bền kết cấu, ổn định dầm tham gia kết cấu Công việc vào kích thước hình học kết cấu, tính chất vật liệu tạo nên kết cấu cách làm việc kết cấu để tạo mô hình kết cấu FEM dùng tính Bước gần không tách rời bước đầu mô hình hoá tác động ngoại lực lên hệ thống Mô hình tác động áp lực nước lên đáy tàu trình bày phần khung dầm ví dụ cách làm bước Trong phần tài liệu giới thiệu mô hình phổ biến dùng tính sức bền cục vỏ tàu phương pháp PTHH Trong tài liệu sử dụng phần tử thông dụng tính toán kết cấu tàu, nhiều nhà nghiên cứu sử dụng, phần tử BAR hay TRUSS, BEAM 3D, PLATE, SOLID SHELL hay gọi tắt SHELL, SOLID 3D 1 ABS, Guidance Notes on Finite Element Analysis of Hull Structures- Local 3D Mode Analysis, Dec 2004 ABS, Guidance Notes on Safehull Finite El;ement Analysis of Hull Structures, Dec 2004 SSC 387, Guide for Evaluation of Finite Elements and Results, 1996 SSC 331, Design Guide for Ship Structural Details, 1990 194 Mô hình khung, dầm tàu Những phận kết cấu phức tạp vỏ tàu đưa dạng khung dầm Dàn đáy tàu ví dụ đưa toán chiều giản đơn nhất, song thông thường đưa mô hình khung dầm trực giao không trực giao song nằm mặt phẳng 2D Đáy tàu tư chịu tác động lực theo hướng pháp tuyến, dạng lực tập trung hay phân bố diện tích Với toán dàn đáy, theo lệ thường phân chia dàn có sống dọc đà ngang, loại dàn thứ hai có ba sống dọc nhiều đà ngang, loại sau có nhiều sống dọc nhiều sống ngang Những mô hình kết cấu dạng phức tạp kể sau thường dẫn toán chiều gồm dầm dọc nằm đàn hồi Nguyên tắc chung để tách kết cấu thực mô hình hóa kết cấu có độ cứng lớn phải đảm bảo làm chỗ tựa cho kết cấu độ cứng thấp Trong lúc lý mô hình hoá kết cấu phức tạp thành kết cấu riêng lẻ, mức độ phức tạp tạo thuận lợi dễ dàng tính Điều vô quan trọng cho thời kỳ phương tiện tính chưa đầy đủ Một vài ví dụ xa xưa chứng minh cho Hình lý giải ấùy tìm mô hình sườn tàu Thông thường khung sườn tàu, đà ngang đáy khỏe nhiều so với sườn, trường hợp coi sườn ngàm đáy Xà dọc boong xà dọc hầm hàng với độ cứng lớn nhiều so với độ cứng xà ngang boong miệng hầm hàng dọc trở thành điểm tựa cho xà ngang Bài toán tính kết cấu khung sườn tàu trông chừng rắc rối đưa toán sức bền vật liệu giản đơn, xử lý ba dầm 195 Khung khỏe thuộc kết cấu ngang tàu gồm đà ngang đáy khỏe, sườn khỏe, xà ngang boong khỏe mã nối chúng mô hình hóa thành khung khỏe tàu Giải khung theo phương pháp chuyển vị phương pháp lực tiến hành hướng dẫn phần đầu tài liệu Ngày chọn phương pháp PTHH thay cho phương pháp truyền thống giải hệ khung, giàn Trước mô hình hóa khung sườn tàu thủy, xem cách mô hình khung nhà khuôn khổ phương pháp PTHH hình Hình Mô hình hóa kết cấu khung nhà Những nguyên lý chung mô hình hóa dạng khung tàu, không khác nhiều với trường hợp nêu hình 2, thống nhà nghiên cứu bền tàu thủy sau, hình Hình Mô hình hóa kết cấu tàu dạng kết cấu dầm 196 Khung sườn tàu kết cấu hệ dầm Các mô hình sườn tàu trước coi kết hợp từ dầm Đặc tính hình học dầm tương đương gồm nẹp gia cường giải tôn kèm tính riêng cho dầm thành phần Chiều rộng mép kèm ảnh hưởng đến đặc trưng momen quán tính mặt cắt mun chống uốn đãõ đề cập phần trước Khung sườn tàu mặt cắt ngang thân tàu hình dung qua tàu dầu sau Hình Mặt cắt ngang tàu dầu Tùy độ cứng kết cấu thân tàu người ta mô hình hóa khung sườn tàu theo tình hình thực tế Hình giới thiệu sơ đồ dùng sử dụng hệ khung dầm thẳng Hình Mô hình khung sườn tàu 197 Trong hình (a) áp dụng cho sườn tàu yếu, sườn với đáy sườn với boong không nối mã Hình (b) dùng cho trường hợp đà ngang đáy cứng, sườn bị ngàm đáy Hình (c) dùng cho tàu chở hàng khô, boong, miệng quầy không đủ cứng để đỡ nửa xà ngang boong Hình ( d) dùng cho kết cấu miệng quầy cứng, làm nhiệm vụ đỡ nửa xà ngang Hình (e) thêm mô hình hai cột chống không biến dạng dọc, làm điểm tựa cho boong Mô hình sườn tàu chở dầu với vách dọc tàu giới thiệu phần khung dầm tài liệu Kết cấu thực tế tàu dầu chạy biển đóng vào năm tám mươi có dạng thể hình chụp sau Hình Sườn tàu dầu Sườn tàu kết cấu có nẹp cứng Ngoài mô hình khung dầm, sườn tàu đại sườn khỏe tàu chở dầu cấu tạo từ nẹp gia cường mã nối nằm mặt phẳng sườn Mô hình tính toán sườn dùng phổ biến áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn kiểm tra độ bền cục sườn khỏe Các mặt sườn làm việc trạng thái ứng suất phẳng Sườn tàu cấu tạo từ độ dầy khác nhau, kích thước khác nhau, chịu tải trọng áp lực nước tác động vào vỏ mạn Mô hình mạn, trực tiếp chịu áp lực nước mô hình dầm chịu uốn bao quanh sườn Khi lập mô hình tận dụng tính đối xứng kết cấu tải trọng để giảm bớt số lượng chi tiết tham gia Mô hình lập phải nằm vị trí cân lực momen, thỏa mãn điều kiện hệ phải minimum Gối đỡ phía góc phải giữ cho sườn trạng thái cân nhằm thực ý định Trên hình giới thiệu sơ lược mô hình sườn khỏe tàu chở dầu trọng tải 63000dwt Khi mô hình hóa kết cấu sử dụng lưới với 556 nút, dùng 530 phần tử PLATE gồm bốn cạnh cạnh, 650 phần tử dầm chịu uốn BEAM, giải thích hình Kết kiểm tra cho thấy, tàu nằm vị trí chịu toàn tải, ứng suất kéo, nén lớn đạt 1680 kG/cm2, ứng suất cắt lớn 612,5kG/cm2, chuyển vị lớn cm 198 Hình Sườn khỏe tàu dầu Những mô hình tính độ bền sườn tàu dùng tính toán thực tế đa dạng Mỗi kiểu tàu có kết cấu đặc trưng mô hình tính giống áp dụng Chúng ta xem xét kết cấu sườn tàu vận tải biển Mô hình tính toán phương pháp PTHH giành cho sườn khỏe trình bày làm tài liệu tham khảo tốt cho đồng nghiệp tính độ bền kết cấu Hình 8a Kết phân tích độ bền sườn tàu bulkcarrier trình bày hình Hình 8b 199 Sườn tàu kết cấu 3D Ví dụ sử dụng phần tử 3D tính toán độ bền khung sườn tàu dầu ghi mô hình chấp nhận đầu năm hai nghìn Hình vẽ in lại theo tài liệu hướng dẫn tính độ bền ABS (USA) Hình Mô hình khung sườn tàu gối tựa dùng cho kết cấu tàu dầu theo hướng dẫn sau đây, hình 10 200 Hình 10 Gối tựa khung sườn tàu dầu Tổ chức mạng lưới phần tử nên theo chuẩn sau Hình 11 Mô hình kết cấu khung sườn tàu dầu nhờ phần tử SOLID 3D theo Tàu chở hàng rời tính theo cách tương tự Mô hình tính thể ba hình tiếp Hình 12 Mặt cắt ngang tàu chở hàng rời (bulkcarrier) 201 Hình 13 Gối đỡ khung tàu hàng rời Mô hình hoá kết cấu nhờ phần tử SOLID 3D tính tàu bulkcarrier Hình 14 Tàu chở container đòi hỏi tính toán độ bền tàu uốn tàu bị xoắn Mô hình tính dùng cho tàu dầu với đặc trưng boong liền, miệng hầm hàng vô nhỏ, cải biên dùng cho tàu container có miệng hàng vô rộng Mặt cắt ngang tàu container thông thường có dạng nêu hình 15 Hình Sơ đồ bố trí gối tựa cho tàu sau Hình 16 202 15 Mô hình hóa 3D có dạng sau Hình 17 Tàu chở container Mô hình khung kết cấu boong tàu Boong tàu thường mô hình dạng kết cấu hệ dầm mặt phẳng boong Thông thường mô hình hóa bỏ qua độ cong với độ nâng cao không 1/50 chiều rộng boong Độ cong yên ngựa dọc boong phạm vi khoang bỏ qua mô hình hóa kết cấu Hệ dầm trực giao vùng boong kín xác lập theo phương pháp dùng cho mạn đáy đơn Kết cấu khu vực miệng hầm hàng cần xét cụ thể mô hình Trên hình giới thiệu mặt boong tàu chở hàng khô, khu vực khoang hàng Kết cấu khỏe quanh miệng hầm hàng gồm xà ngang boong miệng quầy ngang hầm hàng, hai xà dọc boong miệng quầy dọc hầm hàng Theo dẫn nêu xà dọc miệng quầy mô hình thành dầm liên tục có tiết diện khác nhau, ngàm vách ngang tàu, tựa gối đàn hồi Xà ngang boong khu vực miệng quầy ngang hầm hàng vào độ cứng tương đối xà dọc tàu nối với miệng quầy ngang độ cứng mạn để tạo thành Có thể coi xà ngàm tàu, đầu thứ hai xà tựa lên mạn đủ cứng Phản lực điểm tiếp xúc xà ngang boong với xà dọc miệng hầm hàng tính R nêu 203 Có thể nhắc lại mô hình giàn đáy tàu từ chương trước để thấy kết cấu thực đáy đưa hệ hình 30 Lực tác động lên giàn theo phương pháp tuyến với mặt giàn Phần tử 2D beam trường hợp tính giàn phải chịu uốn xoắn Kết cấu trình bày hình 28 cho phép nhận xét, cấu hình giàn đối xứng qua trục Ox trục Oy Trong trường hợp nên sử dụng ¼ giàn vào tính toán nhằm tiết kiệm công sức làm công tác chuẩn bị rút ngắn thời gian tính Hình 31 Cấu hình mô hình nêu có đặc điểm sau Mô men quán tính mặt cắt ngang dầm số giữ nguyên giá trị ban đầu mà dầm nhóm có Trong dầm 2, nằm trục đối xứng, tách riêng mang ½ giá trị ban đầu Dầm số giữ lại ½ momen quán tính mặt cắt tham gia mô hình Tải trọng tác động lên dầm phục tùng cách phân bổ vừa nêu Thực tế cho phép đưa nhận xét, dù cố gắng nhiều mô hình đáy tàu thủy xây dựng từ dầm khó tả thực kết cấu vỏ có nẹp cứng chạy dọc ngang Trường hợp xây dựng mô hình vỏ mỏng cho kết cấu đáy Tốt xây dựng mô hình đáy tàu sở sử dụng phần tử SOLID SHELL SOLID 3D Hình 30 trình bày kết tính ứng suất kết cấu đáy đôi tàu xây dựng từ phần tử SOLID nêu Hình 32 Đáy đôi tàu 211 Một số chi tiết đặc trưng kết cấu đáy, ví dụ đà dọc chữ T, cần thiết mô hình hóa với lưới phần tử dày thông thường Hình 30a ví dụ Hình 32a Đà dọc chữ T Với tàu đáy đơn, kết cấu theo hệ thống dọc, xem hình 33, phần tử thích hợp mô hình hóa kết cấu PLATE Ví dụ nêu hình cố gắng miêu tả kết cấu thực phần tử chịu uốn bốn cạnh Hình 33 Kết cấu đáy mạn 212 Mô hình không gian 3D Mô hình điều kiện phương tiện tính chưa đầy đủ nên thực không gian 2D, chí nên đưa toán phức tạp toán chiều Tuy nhận xét rằng, thân tàu thủy có kết cấu phức tạp, dùng mô hình phần tử 1D, 2D nhiều tả thực thực tế Tàu dầu trình bày hình 32 ví dụ phức tạp cấu hình Hình 34 Tàu dầu nằm triền Mô hình hóa thân tàu phương pháp phần tử hữu hạn dùng tính độ bền, tính mỏi cho kết cấu thân tàu trọng hầu hết viện nghiên cứu thiết kế Các mô hình dùng có thiên hướng sử dụng phần tử 3D miêu tả kết cấu thực Tàu chở dầu cỡ lớn kết cấu đáy đôi, mạn kép giới thiệu hình 33 ví dụ Mô hình 3D tàu trình bày hình Hình 35 Bố trí chung tàu chở dầu 213 Hình 36 Mô hình tính 3D theo phương pháp PTHH Ví dụ trình bày mô hình hóa thân tàu phần tử 2D, 3D Bằng cách toàn kết cấu thân tàu miêu tả gần thực hơn, dễ nhận diện hơn, hình Nhờ tính đối xứng hình học thân tàu, mô hình nên sử dụng ½ kết cấu tính, xem tài liệu dẫn SSC Hình 37a 214 Hình 37b Những mô hình tính sau đây, trích từ tài liệu kỹ thuật xuất năm 2004 sau Đăng kiểm ABS nhà nghiên cứu khuyến cáo dùng Mô hình hóa kết cấu tàu chở container theo mô hình nêu hình 38 Hình 38 Mô hình FEM tàu container 215 Tàu vận tải kiểu cũ dùng chở hàng tổng hợp khuyên mô hình cho miền chọn lựa, dạng tương tự nêu hình 39 Hình 39 Mô hình hóa kết cấu tàu vận tải hàng khô Mô hình tính dùng cho tàu chở hàng rời giới thiệu tiếp Hình 40 Tàu chở hàng rời Những kết cấu đặc trưng tàu chở hàng rời mô hình phần tử hữu hạn thấy qua hình sau 216 Hình 41 Kết cấu chi tiết tàu hàng rời Kết cấu tàu hai thân Những hình ảnh liên quan kết cấu thân tàu catamaran giới thiệu giúp người tính toán xây dựng mô hình PTHH cho tàu đặc biệt Có thể sử dụng phần tử SOLID SHELL PLATE cho mục đích Hình 42a Kết cấu theo hệ thống dọc tàu hai thân 217 Hình 42b Hình 42c Kết cấu boong-cầu nối Hình 42d Tính toán kết cấu cầu nối 218 Hình 42e Mô hình xoắn cục thân tàu Mô hình mã liên kết Liên kết chi tiết thân tàu vách với đáy, sườn với xà ngang, sườn với đáy vv … nhờ kết cấu đặc trưng ngành tàu mã (knees brackets) Mã hàn trực tiếp với kết cấu thân tàu, chịu tải trọng chi tiết mà liên kết, hình 43 Mã chiếm giữ vị trí quan trọng kết cấu thân tàu Ứng suất biến dạng kết cấu mã phân bố phức tạp, hình 44 Hình 43 Mã tiêu biểu 219 Hình 44 Phân bố ứng suất đo kG/cm2 mã Một cách làm chấp nhận, coi mã siêu phần tử (supperelement) tính toán Hình 43 giới thiệu mã (knee) kích thước chi tiết Hình 44 giới thiệu lưới chia phần tử dùng mô hình mã Hình cuối trình bày mạng lưới vị trí dày Hình 45 220 Hình 46 Hình 47 Mô hình kết cấu mã chân vách trình bày hình 46 Những mô hình tính trở thành bắt buộc tính độ bền mỏi tàu năm gần Hình 48 Kết cấu mã tàu dầu Tính đối xứng kết cấu Thông thường kết cấu thân tàu có tính đối xứng qua mặt cắt dọc tàu Lợi dụng tính đối xứng này, mô hình hóa sử dụng nửa khung dầm để tính toán Thường gặp thiết kế, cấu hình kết cấu đối xứng, ví dụ: boong, đáy, tải tác động lên kết cấu đối xứng, hình 49 Trong điều kiện sử dụng tính đối xứng cấu hình, tải giảm khối lượng tính toán 221 Hình 49 Kết cấu có cấu hình đối xứng, tải đối xứng Trường hợp có cấu hình đối xứng, tải đối xứng, nên tiến hành xử lý điều kiện biên trục đối xứng để đưa toán dạng “phản đối xứng”, hình 50 Hình 50 Trường hợp đối xứng tải Hình 51 Xử lý tải trường hợp đối xứng 222 Thông thường dàn đáy tàu nằm khu vực tàu có tính đối xứng ngang dọc Trong trường hợp cần sử dụng phần bốn dàn đáy để tính toán Điều kiện biên mặt đối xứng áp dụng cho trường hợp cụ thể là, chuyển vị ngang, pháp tuyến với mặt đối xứng không, góc xoay không chuyển vị theo phương thẳng đứng đạt cực trị Kết tính theo mô hình khác đưa lại kết không hoàn toàn giống Dưới trình bày kết tính ứng suất cho dàn đáy tàu vận tải theo mô hình kết cấu dầm 2D 3D Độ võng tính cm, ứng suất tính kG/cm2 Bảng Độ võng giữa,cm ng suất nút ng suất ngàm Mô hình ,lưới dầy 0,45 181,5 Mô hình tấm, lưới thưa 0,49 304,1 Tấùm trực hướng Khung dầm 0,532 398,3 0,745 544,9 274,7 784,8 784,8 1079,1 Hình 53 Hình 53 223 Hình trình bày kết cấu dàn conson dàn khoan di động Dàn conson tựa sàn boong khai thác, có khả kéo vào, Trang thiết bị khai thác bố trí dàn, gây tải trọng cục cho cụm kết cấu dàn Với kết cấu kiểu này, kết cấu thượng tầng tàu khách, tàu du lịch vv sử dụng mô hình 2D khó diễn tả đủ tính kết cấu thực Mô hình 3D dạng khung dầm áp dụng vào miêu tả gần đầy đủ tính dàn Trong mô hình 3D này, thành đứng cao 4727mm đưa dạng dầm chịu uốn kéo, nén, tựa đứng boong khai thác Xà ngang nối cứng với thành đứng mã đỡ tôn sàn Góc 90° thành đứng xà ngang không biến dạng làm việc Tại mặt phẳng đối xứng, chuyển vị ngang dàn conson gán 0, góc xoay quanh trục dọc Điểm tựa đưa mô hình gối cứng, di động theo hướng lên-xuống, đảm bảo cho chuyển vị theo phương thẳng đứng khác 0, theo phương ngang Chiều dài 1/2 sải tính từ nút liên kết với thành đứng đến mặt đối xứng 7620mm hình Kết kiểm tra tình trạng khai thác cho thấy, ứng suất lớn kết cấu không vượt 1600kG/cm2 Như đề cập phần trước, thượng tầng tàu thường có cấu hình dạng 3D cách tính tốt nên mô hình hóa thượng tầng không gian ba chiều Vách thượng tầng đưa mô hình tấm, nẹp gia cường nên đưa vể dạng dầm chịu uốn, xoắn Thông dụng mô hình hoá thượng tầng nên chuyển sang mô hình dầm không gian Dưới giới thiệu mô hình thượng tầng tàu chở khách chạy ven biển Kết cấu thượng tầng nêu hình trên, hình sơ đồ bố trí phần tử BEAM dùng tính toán Một số đặc trưng hình học kết cấu sau Xà dọc boong thượng tầng lxb = 15,7x0,9m; chiều dầy t = 3,5mm; Diện tích mặt cắt tính toán A = 31,8 cm2; momen quán tính mặt cắt I = 1548,7 cm4 Xà ngang boong thượng tầng : lxb = 5,6x1,8m; chiều dầy tôn t = 3,5 mm; diện tích mặt cắt A = 40,3 cm2; momen quán tính mặt cắt I = 1635 cm4 Mô hình khung dầm 3D kết cấu thượng tầng trình bày hình vẽ 224 Hình 54 Trong sơ đồ dùng loại phần tử BEAM với 12 bậc tự Số nút dùng tính toán 51, số phần tử 66 Kết tính cho xà dọc boong thứ nhất, gần mặt đối xứng sau Momen uốn lớn ngàm 1,453tm, ứng suất 1081 kG/cm2 Momen uốn tính sườn khu vực gần khoang , sườn thứ tư kể từ trái sang hình vẽ, có dạng gần giống hình parabol, giá trị lớn trục đối xứng dọc đạt 1,66tm ng suất tính điểm 1223,5 kG/cm2 Trong ứng suất tính vị trí chiều cao sườn 1381,8 kG/cm2 Trong thực tế tính toán sức bền cục bộ, người ta thường kết hợp dàn mạn với dàn boong mô hình không gian chiều Tùy thuộc độ cứng thành phần tham gia kết cấu mô hình tính đơn giản song nhiều phức tạp Chúng ta ghép hai mô hính tạo riêng lẻ phần boong mạn thành mô hình đơn giản hình Hình 55 Kết cấu miệng hầm hàng kết cấu boong xác định mặt phẳng nằm ngang Kết cấu mạn thẳng đứng, ngàm đáy, liên kết cứng với mép boong tạo nên khung 3D 225 ... nghiệp tính độ bền kết cấu Hình 8a Kết phân tích độ bền sườn tàu bulkcarrier trình bày hình Hình 8b 199 Sườn tàu kết cấu 3D Ví dụ sử dụng phần tử 3D tính toán độ bền khung sườn tàu dầu ghi mô... tính tàu bulkcarrier Hình 14 Tàu chở container đòi hỏi tính toán độ bền tàu uốn tàu bị xoắn Mô hình tính dùng cho tàu dầu với đặc trưng boong liền, miệng hầm hàng vô nhỏ, cải biên dùng cho tàu. .. cập phần trước Khung sườn tàu mặt cắt ngang thân tàu hình dung qua tàu dầu sau Hình Mặt cắt ngang tàu dầu Tùy độ cứng kết cấu thân tàu người ta mô hình hóa khung sườn tàu theo tình hình thực tế