Ảnh hưởng của khuyết tật ban đầu đến độ bền tới hạn của tấm thép có nẹp gia cường chịu nén dọc

Bài viết nghiên cứu các dạng khuyết tật ban đầu và ảnh hưởng của chúng tới khả năng chịu tải của tấm có nẹp gia cường được trình bày tổng quan và thảo luận, đánh giá một cách chi tiết. Một loạt các phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến của tấm có nẹp gia cường chịu nén dọc khi kể và không kể đến sự có mặt của khuyết tật ban đầu được thực hiện trên phần mềm ANSYS.

TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY ẢNH HƯỞNG CỦA KHUYẾT TẬT BAN ĐẦU ĐẾN ĐỘ BỀN TỚI HẠN CỦA TẤM THÉP CÓ NẸP GIA CƯỜNG CHỊU NÉN DỌC THE INFLUENCE OF INITIAL IMPERFECTIONS ON THE ULTIMATE STRENGTH OF STEEL STIFFENED PANEL UNDER UNIAXIAL COMPRESSION ĐOÀN VĂN TUYỀN Khoa Đóng tàu, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email liên hệ: dvantuyen@vimaru.edu.vn Tóm tắt Sự tồn khuyết tật ban đầu sau gia công kết cấu vỏ mỏng liên kết hàn điều khó tránh khỏi Do đó, nghiên cứu này, dạng khuyết tật ban đầu ảnh hưởng chúng tới khả chịu tải có nẹp gia cường trình bày tổng quan thảo luận, đánh giá cách chi tiết Một loạt phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến có nẹp gia cường chịu nén dọc kể không kể đến có mặt khuyết tật ban đầu thực phần mềm ANSYS Kết rằng, biến dạng ban đầu khơng ảnh hưởng đến hình dạng hư hỏng, mà làm thay đổi phân bố ứng suất làm giảm đáng kể độ bền tới hạn kết cấu Mức độ giảm độ bền tới hạn lớn kể đến ảnh hưởng ứng suất dư hàn Từ khóa: Độ bền tới hạn, có nẹp gia cường, khuyết tật ban đầu, ứng suất dư hàn Abstract The presence of initial imperfections in thinwalled structures fabricated by welding is inevitable Hence, in this work, the types of initial imperfections and their influences on loading capacity of stiffened panels are comprehensively introduced, and deeply discussed and evaluated A series of nonlinear finite element analyses of a stiffened panel with and without initial imperfections under uniaxial compression are performed using ANSYS software It is seen that the existence of initial deflections not only drives the collapse mode, but also changes the stress distribution and reduces significantly the ultimate strength of the panel This reduction of ultimate strength is larger in case of consideration the effect of welding-induced stresses Keywords: Ultimate strength, stiffened panel, Initial imperfections, welding-induced stress 28 Giới thiệu Kết cấu có nẹp gia cường (stiffened panel, sau gọi panel) thành phần kết cấu quan trọng sử dụng rộng rãi kết cấu thân tàu cơng trình ngồi khơi có tỷ số “độ bền/ khối lượng kết cấu” lớn Do độ bền panel đáy boong tham gia vào độ bền chung nên phá hủy kết cấu kéo theo phá hủy kết cấu tổng thể Khác với kết cấu cột chống, kết cấu mà việc ổn định đồng nghĩa với việc phá hủy chung, kết cấu panel thường chịu thêm tải sau bị ổn định kết cấu Do khoảng hai thập niên trở lại đây, việc thiết kế đánh giá độ bền kết cấu panel nói riêng thân tàu nói chung dần chuyển sang đánh giá theo phương pháp trạng thái tới hạn [1] Các nghiên cứu thực theo phương pháp khác rằng, ứng xử kết cấu độ bền tới hạn có nẹp gia cường chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố bất định đặc tính vật liệu, đặc trưng hình học, khuyết tật ban đầu, thay đổi kết cấu, tải trọng, điều kiện biên, v.v Thậm chí, kết tính tốn tác giả khác thực mơ hình theo phương pháp, độ xác tốn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm người phân tích Chính vậy, nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến ứng xử kết cấu độ bền tới hạn panel thiết thực chủ đề nhiều tác giả giới quan tâm, đặc biệt ảnh hưởng khuyết tật ban đầu [2] Ở báo này, tác giả trình bày tổng quan dạng khuyết tật ban đầu ảnh hưởng chúng đến ứng xử kết cấu độ bền tới hạn panel chịu nén dọc Kết thu từ tốn phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến phần mềm ANSYS Mechanical APDL mơ hình kết cấu panel đáy tàu hàng rời minh họa chi tiết ảnh hưởng Các dạng khuyết tật ban đầu Kết cấu panel tàu cơng trình khơi phần lớn tạo thành phương pháp hàn, SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY cấu (nẹp sống) hàn với hàn với vị trí giao (Hình 1) Trong hàn sau hàn, vật liệu mối hàn khu vực lân cận bị giãn nở nung nóng co lại nguội không đồng làm cho panel bị biến dạng hình dáng (hay cong vênh) tồn ứng suất dư sau gia công Thông thường, khuyết tật sau gia công bao gồm độ lồi lõm cục tấm, độ vặn nẹp, độ cong vênh panel ứng suất dư cấu thường gọi chung khuyết tật ban đầu hàn Hình mơ tả loại biến dạng hình dáng ứng suất dư hàn panel điển hình sau gia cơng Hình Kết cấu panel đặc trưng tàu cơng trình biển Rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm thực với kim loại khác nhằm đo đạc để xác định hình dạng độ lớn biến dạng hình dáng ban đầu trị số ứng suất dư Biến dạng hình dáng ban đầu panel thường có dạng lượn sóng (hay “lộ sườn”, tiếng Anh “thin horse”/“hungry horse”) Các biến dạng cục tấm, cấu gia cường tổng thể panel biểu diễn gần dạng hàm lượng giác [1, 3] Cụ thể, công thức (1) - (3) mô tả độ võng cục nẹp, độ vặn nẹp độ vênh tổng thể panel: p wo = wopl sin wso = wos z a πy sin ; b πx hw wco = woc sin mπx sin ; a πx a πy sin , B (1) Hình Khuyết tật ban đầu panel sau gia cơng (2) (3) p Trong đó: wo , wso , wco - tương ứng độ võng tấm, độ vặn nẹp, độ vênh toàn panel; wopl, wos, woc - tương ứng độ võng ban đầu lớn tấm, độ vặn ban đầu lớn nẹp độ vênh ban đầu lớn panel; a, B, b - tương ứng khoảng cách Thực tế, độ lớn biến dạng hình dáng ban đầu thay đổi nhiều tùy thuộc vào nhiều yếu tố phương pháp hàn, thông số hàn, đặc tính vật liệu, chiều dày trình độ tay nghề người thi công Thông thường, độ biến dạng chia làm ba mức: Nhỏ, vừa lớn Trong Ngành Cơng nghiệp Đóng tàu cơng trình ngồi khơi, tiêu chuẩn sau thường sử dụng: Với thép: sống ngang, sống dọc nẹp; m số nửa bước sóng ổn định theo phương dọc, wopl số nguyên nhỏ thỏa mãn điều kiện theo công thức (4) [1]; hw chiều cao nẹp, a b ≤ √m(m+1) 0,025β2 t mức nhỏ, = {0,1β2 t mức vừa, 0,3β t mức lớn; woc = wos = 0,0006a ÷ 0,0015a (4) (6) Với hợp kim nhôm: wopl 0,018β2 t mức nhỏ, = {0,096β2 t mức vừa, 0,252β2 t mức lớn; 0,00016a mức nhỏ, woc = {0,0018a mức vừa, 0,0056a mức lớn; SỐ 68 (11-2021) (5) (7) (8) 29 TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 0,00019a mức nhỏ, wos = {0,001a mức vừa, 0,0024a mức lớn, (9) Ảnh hưởng biến dạng hình dáng ban đầu đến độ bền tới hạn panel chịu nén dọc 3.1 Phương pháp nghiên cứu Trong đó: 𝛽 = (b⁄t)√σY ⁄E hệ số mảnh tấm, t chiều dày tấm, σY E - tương ứng giới hạn chảy mô đun đàn hồi pháp tuyến vật liệu Ngoài ra, tổ chức đăng kiểm đề xuất độ biến dạng lớn panel kết cấu thép: wopl = b/200; woc = wos = 0,001a (10) Trong báo này, toán phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến độ bền tới hạn panel đáy tàu chở hàng rời kết cấu thép chịu nén dọc thực phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ANSYS Mechanical APDL (ANSYS STUDENT 2021 R1), có để ý đến tính chất phi tuyến hình dáng vật liệu Các kết thu từ toán mơ hình có khơng có khuyết tật ban đầu phân tích, so sánh đánh giá 3.2 Mơ hình phân tích Hình Ứng suất dư hàn Trong đó, ứng suất dư sinh hàn gồm ứng suất kéo vùng ảnh hưởng hàn ứng suất nén khu vực lân cận (Hình 3) Trị số ứng suất kéo/ nén theo phương x/y (σrtx , σrty , σrcx , σrcy ) chiều rộng vùng ảnh hưởng hàn at bt thỏa mãn điều kiện tự cân lực, biểu diễn qua mối quan hệ (11) (12) Với thép thông thường, độ lớn ứng suất kéo σrtx , σrty với giới hạn chảy, khoảng 80% giới hạn chảy với thép độ bền cao [4] Cịn với kết cấu hợp kim nhơm, ứng suất kéo với giới hạn chảy kim loại vùng ảnh hưởng hàn (khoảng 50%-70% giới hạn chảy kim loại bản) [5] Ứng suất dư hàn thành cấu phân chia thành mức nhỏ, vừa lớn tương ứng với chiều rộng vùng ảnh hưởng hàn 2bt = σrcx = σrcx σrcx - σrtx b, 2at = 2bt σ , 2bt - b rtx σrcy σrcy - σrty σrcy = a; 2at σ 2at - a rty (11) (12) Có thể nhận thấy, biến dạng hình dáng ban đầu hàn ảnh hưởng đến dạng ổn định dạng hư hỏng panel, ứng suất dư hàn làm thay đổi phân bố ứng suất cấu gia cường chịu lực Do đó, tồn khuyết tật ban đầu dẫn tới thay đổi ứng xử kết cấu khả chịu tải panel 30 Hình thể quy cách kết cấu panel đáy ngồi: chiều dày tơn đáy 13mm, khoảng cách dầm dọc đáy b = 850mm, khoảng cách đà ngang a = 2550mm, khoảng cách sống dọc 2550mm, quy cách dầm dọc đáy T235×10/90×15 Tuy nhiên, sống dọc đà ngang không mô phỏng, ảnh hưởng chúng thay điều kiện biên phù hợp vị trí giao với giao với dầm dọc Vật liệu thép AH32, có giới hạn chảy σY, mô đun đàn hồi pháp tuyến E hệ số Poisson ν tương ứng 313,6MPa, 2,058GPa 0,3 [6, 7] Mơ hình phân tích sử dụng phần tử bốn nút SHELL181, kích thước phần tử lựa chọn với 50mm, với nẹp, số lượng phần tử thành 10 cánh theo đề xuất [8, 9] Có thể nhận thấy, kích thước phần tử đủ để mơ tả cách xác biến dạng mơ hình mà khơng q nhiều thời gian tính tốn phù hợp với giới hạn số lượng phần tử tối đa phần mềm Ansys phiên đào tạo Kích thước mơ hình theo hai phương lựa chọn (½ + + ½) lần khoảng cách cấu khỏe Điều kiện biên hai mép ngang tuần hoàn [10], hai mép dọc dịch chuyển ngang đều, vị trí đà ngang sống dọc tựa tự do, thành dầm dọc coi giữ nguyên tư vị trí giao với đà ngang, cụ thể sau: Tại x = x = 2a: ux2a = 0, uy0 = uy2a, uz0 = uz2a, rotx0 = rotx2a, roty0 = roty2a, rotz0 = rotz2a; Tại y = 0, y = 6b: uy; Tại y = 3b/2: uy = 0, uz = 0; Tại y = 9b/2: uz = 0; Tại x = a/2 x = 3a/2 tấm: uz = 0; cấu: roty = 0, rotz = SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ đồng đều, ứng suất Panel3 phân bố đồng so với Panel2 Điều chứng tỏ hình dáng biến dạng ban đầu có ảnh hưởng lớn đến hình dáng biến dạng panel hư hỏng phân bố ứng suất Trong đó, tồn ứng suất dư hàn làm cho ứng suất panel phân bố đồng khơng ảnh hưởng nhiều đến hình dáng biến dạng panel hư hỏng Hình Mơ hình kết cấu panel đáy ngồi 3.3 Biến dạng hình dáng ban đầu Hiện nay, phân tích kết cấu thường sử dụng bốn phương pháp để mơ biến dạng hình dáng ban đầu panel, gồm: Đo biến dạng thực tế sau gia cơng, phân tích đàn hồi tuyến tính tác dụng áp lực mặt, tổ hợp biến dạng biểu diễn thông qua hàm lượng giác (cơng thức (1) - (3)), phân tích dạng ổn định đặc trưng Ở đây, tác giả sử dụng phương pháp phân tích dạng ổn định đặc trưng, phương pháp thường nhà nghiên cứu lựa chọn mô tả gần với biến dạng hình dáng ban đầu panel làm từ thép Hình biểu diễn hình dáng biến dạng ban đầu cục tấm, nẹp tổng thể panel Biến dạng lớn lựa chọn mức vừa, cụ thể: wopl = b/200 = 4,25mm wos = woc = 0,001a = 4,1mm Hình Hình dáng biến dạng ban đầu panel 3.4 Kết thảo luận Hình thể hình dáng biến dạng phân bố ứng suất tương đương trạng thái tới hạn mối quan hệ ứng suất - biến dạng panel không kể đến khuyết tật ban đầu (Panel1), kể đến biến dạng hình dáng mà khơng kể đến ứng suất dư hàn (Panel2) kể đến biến dạng ban đầu ứng suất dư (Panel3) Có thể nhận thấy, hư hỏng panel chung xuất phát điểm từ ổn định tấm, ảnh hưởng khuyết tật ban đầu đến ứng xử kết cấu, đến phân bố ứng suất độ bền tới hạn panel rõ ràng Cụ thể, hình dáng biến dạng Panel2 (Hình 6, b) Panel3 (Hình 6, c) gần giống với hình dáng biến dạng hình dáng ban đầu (Hình 5) Trong hình dáng biến dạng Panel1 (Hình 6, a) lại hồn tồn khác biệt Sự phân bố ứng suất tương đương trạng thái tới hạn cho thấy khác biệt rõ nét Với Panel1, ứng suất lớn tập trung vị trí tấm, nhiên phân bố khơng đồng tồn panel Cịn với Panel2 Panel3 ứng suất lớn phân bố thành dầm dọc SỐ 68 (11-2021) Hình Biến dạng phân bố ứng suất trạng thái tới hạn: (a) Panel1; (b) Panel2; (c) Panel3 31 TẠP CHÍ KHOA HỌC - CƠNG NGHỆ Hình Biểu đồ ứng suất - biến dạng Từ đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất nén dọc trung bình biến dạng σx-ε panel (Hình 7), thấy rõ khác biệt lớn có khơng có khuyết tật ban đầu Mặc dù, ba đường cong gồm ba giai đoạn: Giai đoạn tuyến tính, giai đoạn từ xuất ổn định đến ứng suất đạt giá trị tới hạn giai đoạn sau đạt giá trị tới hạn, thời điểm cách thức chuyển tiếp từ giai đoạn sang giai đoạn không giống Với panel khơng có khuyết tật ban đầu (Panel1), quan hệ ứng suất biến dạng gần tuyến tính ứng suất đạt giá trị tới hạn Ngay sau đó, ứng suất giảm cách đột ngột, giảm giai đoạn cuối Với panel kể đến khuyết tật hình dáng ban đầu (Panel2), thời điểm chuyển tiếp từ giai đoạn sang giai đoạn không rõ ràng, tới gần cuối giai đoạn thấy rõ khác biệt, lúc đó, ứng suất dao động nhẹ đạt giá trị tới hạn Qua thời điểm này, ứng suất giảm tương đối nhanh khoảng nhỏ giảm Còn với Panel3 để ý đến biến dạng hình dáng ứng suất dư hàn thay đổi ứng suất qua giai đoạn diễn cách Ngoài nhận thấy rõ, độ bền tới hạn panel giảm lớn có xuất khuyết tật ban đầu Ứng suất tới hạn panel giảm từ 283,8MPa xuống 248,2MPa (khoảng 12,5%) có biến dạng hình dáng ban đầu giảm khoảng 19,2% (từ 283,8MPa xuống 229,3MPa) kể đến ảnh hưởng biến dạng hình dáng ứng suất dư hàn Sự sai lệch ứng suất tới hạn Panel2 Panel3 (khoảng 7%) cho thấy ảnh hưởng ứng suất dư đến khả chịu tải panel đáng kể ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY cơng Vì vậy, dạng khuyết tật ban đầu ảnh hưởng chúng đến ứng xử độ bền tới hạn panel chịu nén dọc trình bày cách chi tiết báo Kết phân tích phi tuyến độ bền tới hạn panel đáy tàu hàng rời chịu nén dọc có kể khơng kể đến ảnh hưởng biến dạng hình dáng ban đầu ứng suất dư hàn rằng: Hình dáng hư hỏng panel trạng thái tới hạn tương đồng với hình dáng biến dạng ban đầu Ứng suất phát sinh cấu gia cường panel chịu lực chịu ảnh hưởng nhiều khơng biến dạng hình dáng ban đầu mà ứng suất dư hàn Các khuyết tật ban đầu hàn làm thay đổi nhiều ứng xử kết cấu chịu lực So với kết cấu khơng có khuyết tật ban đầu, ứng suất tới hạn (hay độ bền tới hạn) panel giảm tới 12,5% kể đến ảnh hưởng biến dạng hình dáng ban đầu giảm tới 19,2% kể đến ảnh hưởng ứng suất dư hàn Chính vậy, khuyết tật ban đầu cần phải đưa vào tính tốn độ bền tới hạn kết cấu Các nhận định củng cố thêm số lượng mơ hình phân tích chủng loại tàu mở rộng Điều thực nghiên cứu Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đề tài mã số: DT20-21.21 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J K Paik, Ultimate limit state analysis and design of plated structures, ed.: John Wiley & Sons, 2018 [2] D K Kim, H L Lim, and S Y Yu, A technical review on ultimate strength prediction of stiffened panels in axial compression, Ocean Engineering, Vol.170, pp.392-406, 2018 [3] T Yao and M Fujikubo, Buckling and ultimate strength of ship and ship-like floating structures: Elsevier, 2016 Kết luận [4] J K Paik and J M Sohn, Effects of welding residual stresses on high tensile plate ultimate strength: nonlinear finite element method investigations, In: Proceedings of the ASME 2009 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (OMAE), Hawaii, USA, 2009 Thực tế rằng, tồn khuyết tật ban đầu tránh khỏi với kết cấu hàn sau gia [5] M D Collette, The impact of fusion welds on the ultimate strength of aluminum structures, In: 32 SỐ 68 (11-2021) TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X KHOA HỌC CƠNG NGHỆ HÀNG HẢI JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ Proceedings of the 10th International Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating Structures, Texas, USA, 2007 [6] S Tanaka, D Yanagihara, A Yasuoka, M Harada, S Okazawa, M Fujikubo, and T Yao, Evaluation of ultimate strength of stiffened panels under longitudinal thrust, Marine Structures, Vol.36, pp.21-50, 2014 [7] Lloyd's Register, Rules for the Manufacture, Testing and Certification of Materials, 2019 [8] American Bureau of Shipping, Guidance notes on Nonlinear finite element analysis of marine and offshore structures, 2020 [9] Lloyd's Register, ShipRight Design and Construction: Additional design procedures of Non-linear structural collapse analysis for plates and stiffened panels, 2016 [10] V T Doan, B Liu, Y Garbatov, W Wu, and C Guedes Soares, Strength assessment of aluminium and steel stiffened panels with openings on longitudinal girders, Ocean Engineering, Vol.200, p.107047, 2020 Ngày nhận bài: 25/5/2021 Ngày nhận sửa: 03/6/2021 Ngày duyệt đăng: 08/6/2021 SỐ 68 (11-2021) 33 ... cấu chịu lực So với kết cấu khơng có khuyết tật ban đầu, ứng suất tới hạn (hay độ bền tới hạn) panel giảm tới 12,5% kể đến ảnh hưởng biến dạng hình dáng ban đầu giảm tới 19,2% kể đến ảnh hưởng. .. bền tới hạn panel chịu nén dọc trình bày cách chi tiết báo Kết phân tích phi tuyến độ bền tới hạn panel đáy tàu hàng rời chịu nén dọc có kể khơng kể đến ảnh hưởng biến dạng hình dáng ban đầu ứng... ứng độ võng tấm, độ vặn nẹp, độ vênh toàn panel; wopl, wos, woc - tương ứng độ võng ban đầu lớn tấm, độ vặn ban đầu lớn nẹp độ vênh ban đầu lớn panel; a, B, b - tương ứng khoảng cách Thực tế, độ