Khung khoûe thuoäc keát caáu ngang cuûa taøu goàm ñaø ngang ñaùy khoûe, söôøn khoûe, xaø ngang boong khoûe cuøng caùc maõ noái chuùng ñöôïc moâ hình hoùa thaønh khung khoûe cuûa taøu..[r]
(1)Chương
PHÂN TÍCH SỨC BỀN CỤC BỘ TAØU
Tài liệu để biên soạn chương trích từ hướng dẫn ABS (USA), DNV (Norway)1 Phần dùng cho người tính tốn độ bền thân tàu
Phân tích độ bền thân tàu tiến hành hai phần: (1) phân tích độ bền chung hay cịn cịn gọi độ bền dọc tàu (2) phân tích độ bền cục boä
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 bộ thân tàu dựa sở phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) bao gồm cơng 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 mơ hình kết cấu FEM dùng tính Bước gần khơng tách rời bước đầu mơ hình hố tác động ngoại lực lên hệ thống Mơ 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 mơ hình phổ biến dùng tính sức bền cục vỏ tàu phương pháp PTHH
Trong tài liệu sử dụng phần tử thông dụng tính tốn 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
vaø
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
(2)1 Mô hình khung, dầm tàu
Những phận kết cấu phức tạp vỏ tàu đưa dạng khung dầm Dàn đáy tàu ví dụ đưa tốn chiều giản đơn nhất, song thơng thường đưa mơ 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 tốn 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 mơ 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 mơ hình hố kết cấu phức tạp thành kết cấu riêng lẻ, mức độ phức tạp tạo thuận lợi dễ dàng tính Điều vơ quan trọng cho thời kỳ phương tiện tính chưa đầy đủ
Một vài ví dụ xa xưa chứng minh cho
(3)Khung khỏe thuộc kết cấu ngang tàu gồm đà ngang đáy khỏe, sườn khỏe, xà ngang boong khỏe mã nối chúng mơ 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 mơ hình hóa khung sườn tàu thủy, xem cách mơ hình khung nhà khn khổ phương pháp PTHH hình
Hình Mô hình hóa kết cấu khung nhà
Những ngun lý chung mơ hình hóa dạng khung tàu, khơng khác nhiều với trường hợp nêu hình 2, thống nhà nghiên cứu bền tàu thủy sau, hình
(4)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 mođun 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 mơ hình hóa khung sườn tàu theo tình hình thực tế Hình giới thiệu sơ đồ dùng sử dụng hệ khung dầm thẳng
(5)Trong hình (a) áp dụng cho sườn tàu yếu, sườn với đáy sườn với boong khơng nối mã Hình (b) dùng cho trường hợp đà ngang đáy cứng, sườn bị ngàm đáy Hình (c) dùng cho tàu chở hàng khơ, 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) cịn thêm mơ hình hai cột chống khơng biến dạng dọc, làm điểm tựa cho boong Mơ 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
Ngồi mơ hình khung dầm, sườn tàu đại sườn khỏe tàu chở dầu cấu tạo từ nẹp gia cường mã nối nằm mặt phẳng sườn Mơ 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 Mơ hình mạn, trực tiếp chịu áp lực nước mơ hình dầm chịu uốn bao quanh sườn Khi lập mơ hình tận dụng tính đối xứng kết cấu tải trọng để giảm bớt số lượng chi tiết tham gia Mơ 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 mơ hình sườn khỏe tàu chở dầu trọng tải 63000dwt Khi mơ 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 tồn tải, ứng suất kéo, nén lớn đạt 1680 kG/cm2, ứng suất cắt lớn
(6)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 mơ hình 2D khó diễn tả đủ tính kết cấu thực Mơ hình 3D dạng khung dầm áp dụng vào miêu tả gần đầy đủ tính dàn Trong mơ 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 tơn 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 mơ 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 mơ hình hóa thượng tầng không gian ba chiều Vách thượng tầng đưa mơ hình tấm, nẹp gia cường nên đưa vể dạng dầm chịu uốn, xoắn Thông dụng mơ hình hố thượng tầng nên chuyển sang mơ hình dầm khơng gian
Dưới giới thiệu mơ 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 tốn
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 tốn 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
(7)Hình 54 Trong sơ đồ dùng loại phần tử BEAM với 12 bậc tự Số nút dùng tính tốn 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 Ưùng suất tính điểm 1223,5 kG/cm2 Trong ứng suất tính vị trí
giữa chiều cao sườn 1381,8 kG/cm2
Trong thực tế tính tốn sức bền cục bộ, người ta thường kết hợp dàn mạn với dàn boong mơ hình không gian chiều Tùy thuộc độ cứng thành phần tham gia kết cấu mơ hình tính đơn giản song nhiều phức tạp Chúng ta ghép hai mơ hính tạo riêng lẻ phần boong mạn thành mơ hình đơn giản hình
Hình 55