3.6.1. Xây dựng mô hình tính kết cấu
Mặt cắt ngang tàu tính toán gồm nhiều chi tiết kết cấu liên kết chặt chẽ với nhau bằng mối liên kết hàn, tạo nên một tổ hợp kết cấu rất phức tạp. Nếu chúng ta để nguyên kết cấu như vậy thì việc tính toán độ bền cho khung sườn tàu sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc tạo mô hình tính, đặt lực và thực hiện tính toán. Vì vậy để thuận lợi trong việc tính toán cũng như có thể áp dụng được các phần mềm tính toán thông dụng hiện nay ta cần phải mô hình hóa kết cấu về dạng đơn giản hơn. Tuy nhiên việc đưa kết cấu khung sườn tàu từ dạng phức tạp về dạng đơn giản hơn ta phải phản ánh được đầy đủ điều kiện làm việc của kết cấu đang xét.
Khung sườn ngang khỏe thực tế của tàu có kết cấu như sau: Đà ngang đáy dạng tấm có mép dưới hàn với tôn đáy ngoài và mép trên hàn với tôn đáy trên. Sườn mạn khỏe là thép chữ T được hàn với tôn mạn, đầu trên hàn với xà ngang boong, đầu dưới hàn với đà ngang đáy và tại vị trí hàn nối có mã gia cường. Xà ngang boong nối vào xà dọc và kết cấu cứng của miệng hầm hàng.
Trong mô hình tính ta bỏ qua độ cong tôn hông để góc giữa khung dàn đáy và mạn là vuông hoặc gần vuông, đồng thời góc bẻ này là giao điểm hai trục trung hòa của sườn và đà ngang đáy. Mỗi đoạn của mô hình khung phẳng nói trên được xét dưới dạng dầm phẳng, có chiều dài bằng khoảng cách tính từ vị trí trục trung hòa của thanh này đến vị trí trung hòa của thanh đối diện và có đặc điểm hình học gồm nẹp gia cường và mép tôn kèm tính riêng cho từng dầm thành phần. Các nút liên kết khung xem như không di động, đồng thời do mã hông có độ cứng đảm bảo nên góc giữa đà ngang và sườn mạn hay giữa sườn mạn và boong không đổi trong quá trình làm việc. Đặc điểm liên kết tại các gối đỡ khung sườn được xác định tùy thuộc vào độ cứng tương đối giữa các kết cấu khung dàn đáy, khung dàn mạn,
khung dàn boong và miệng hầm hàng… trong đó mạn tàu với kết cấu đủ cứng vững có thể xem như là gối tựa cho những đà ngang đáy, còn thành miệng hầm hàng rất cứng lại được xem như là gối tựa cho kết cấu boong.
Xác định điều kiện liên kết:
- Do độ cứng của sống chính lớn hơn nhiều so với độ cứng của đà ngang đáy nên tại nút liên kết chỉ cho phép chuyển vị theo phương của lực tác dụng còn các chuyển vị khác đều bằng 0 (Dx =θ =0;Dy ≠0).
- Vị trí giao giữa đà ngang đáy với sườn và sườn với xà ngang boong thì coi như là nút tự do như điều kiện liên kết thực tế của nó.
- Tại các nút liên kết còn lại như vị trí giao của các sống phụ với đà ngang đáy, sườn với các xà dọc mạn ta sẽ áp đặt điều kiện biên là cố định chuyển vị theo phương của lực tác dụng, các chuyển vị còn lại thì tự do, tương ứng với gối di động. - Tại nút liên kết của xà ngang boong cụt với sống dọc boong và với sườn thì ta coi đây là các liên kết gối di động.
3.6.2. Xác định tải trọng tác dụng.
Mô hình tải trọng tác dụng nên khung sườn ngang được minh họa cụ thể trên hình 3.22 trong mục 3.5.
Hình 3.28. Mô hình tải trọng tác dụng trong một khoảng sườn. 3.6.3. Kết quả tính bằng RDM.
Từ kết quả phân tích độ bền cục bộ các khung dàn ở trên ta nhận thấy rằng các kết cấu dầm của khung sườn tại vị trí sườn 73 và 81 là các dầm chịu ứng suất uốn lớn nhất. Do đó ta có thể chọn một trong hai khung sườn nói trên để phân tích độ bền cục bộ, trong bài toán dưới đây tôi chọn khung sườn 73. Các giá trị tải trọng tác dụng lên từng kết cấu của khung sườn sẽ được lấy đúng bằng giá trị tải trọng tác dụng lên các kết cấu đó như khi tính cho khung dàn phần trên (hình 3.28)
2,2 m 1,5 m 1,7 m 1,6 m 1,6 m 2,2 m 1,6 m 1,6 m 2,2 m 2,78 (t/m) 2,6 (t/m) 1,85 (t/m) 1,2 (t/m) 0,5 (t/m) 0,46 (t/m) 0,47 (t/m)
X Y Z
Hình 3.29: Mô hình solid
Hình 3.30: Mặt cắt ngang kết cấu khung sườn ngang 73 Bảng 3.8: Kích thước của tiết diện khung sườn ngang 73
Kích thước (mm) Boong Mạn Đáy
tf 10 10 10 df 100 120 300 tw 8 8 10 dw 400 400 750 tp 10 10 10 c 300 300 300
Hình 3.31: Tải tác dụng và điều kiện biên.
Hình 3.33: Biến dạng của kết cấu khung sườn ngang.
Hình 3.35: Biểu đồ mô men uốn trong khung sường ngang.
Hình 3.36: Biểu đồ ứng suất pháp trong khung sườn ngang.
Từ kết quả tính bằng phần mền RDM ta nhận thấy rằng giá trị ứng suất uốn lớn nhất tại đáy, đặt tại vị trí giao giữa sống phụ 2 và đà ngang đáy có giá trị:
83 , 17 = u σ MPa. [ ]u u σ σ <
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN
- Mặc dù là một chương trình cỡ nhỏ, RDM cho phép ta giải quyết gần như toàn bộ các bài toán phân tích kết cấu thân tàu theo mô hình ước định. Do khuôn khổ hạn chế về thời gian, đề tài mới giải quyết được một số bài toán chính. RDM còn có thể sử dụng trong tính toán tấm chịu uốn, tính ổn định kết cấu thanh, ...
- Với việc kết hợp mô đun Drawing – Meshing với mô đun Cross Section cho phép ta dễ dàng tính được các đặc trưng hình học của mặt cắt ngang có hình dáng bất kỳ, và cả mặt cắt ngang của con tàu. Nhờ tính năng này cho phép chúng ta thực hiện các bài toán tính với mức độ tự động hoá cao mà nhiều chương trình thương mại cỡ lớn hơn như 3D Beam, Sáp không có.
- Trên phương diện thực hành, ngoài ưu điểm giao diện đẹp và dễ sử dụng ta thấy RDM còn có một số hạn chế: việc nhập dữ liệu đồ hoạ từ các chương trình khác như Autocad không thực hiện được, các biểu đồ nội lực, ứng suất không hiển thị được giá trị tại một số điểm đặc biệt mà phải đòi hỏi người sử dụng nhắp chuột lên từng phần tử.
- Có một khác biệt mà người sử dụng RDM cần lưu ý: biểu đồ mô men uốn được vẽ theo nguyên tắc về phía dương của trục toạ độ chứ không phải về phía thớ căng như trong sức bền vật liệu, quy ước về chiều dương của lực cắt cũng ngược với trong sức bền vật liệu dẫn đến biểu đồ lực cắt cũng ngược so với sức bền vật liêu; với mặt cắt ngang không có trục đối xứng, chương trình tự động xoay mặt cắt ngang sao cho 1 trục quán tính chính trung tâm luôn thẳng đứng nên người sử dụng cần quay mặt cắt ngang lại cho đúng thực tế, ...
- Sử dụng chương trình RDM trong phân tính độ bền kết cấu thân tàu cho ta kết quả rất chính xác và có độ tin cậy cao. Vì vậy qua đề tài này tôi mong mỏi về sự quan tâm của các nhà thiết kế và cơ sở đóng tàu đến vấn đề “Ứng dụng chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu” cũng như các kết quả đã đạt được
trong đề tài này nhằm nâng cao chất lượng thiết kế và qua đó nâng cao chất lượng, hiểu quả tàu thuyền Việt Nam.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Hoàng Anh Dũng – Ngô Cân – Hồ Văn Bình, Phân tích độ bền kết cấu tàu thủy bằng PPPTHH – tập 1, Nxb giao thông vận tải – Hà Nội 1987.
[2]. Quách Hoài Nam, Hướng dẫn sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn RDM6, Đại Học Thủy Sản 2/2004
[3]. Quách Hoài Nam, Nhập môn Phương pháp phần tử hữu hạn, Đại Học Thủy Sản 2/2004
[4]. Quách Hoài Nam, Luận văn: Nghiên cứu tính độ bền kết cấu bình chứa chất lỏng theo PPPTHH.
[5]. Trần Công Nghị, Tính toán, thiết kế kết cấu thân tàu, NXB Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh 2002.
[6]. Trương Văn Phương, Luận văn tốt nghiệp: Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn – 2006.
[7]. Trần Gia Thái, Bài giảng “Sức bền thân tàu” , Đại Học Nha Trang 2006. [8]. Trần Gia Thái, Bài giảng “Kết cấu thân tàu”, Đại Học Nha Trang 2006. [9]. Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép TCVN 6259: 2003.
PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TRONG RDM
+----KHUNG DÀN ĐÁY---+
+---+ | Nodal displacements [ m, rad ] | +---+ Node dz rotx roty
1 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 2 -6.935E-05 3.967E-04 -2.231E-04 3 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 4 -2.200E-04 3.503E-04 -3.077E-04 5 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 6 -3.956E-04 -1.164E-04 -3.260E-04 7 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 8 -5.695E-04 2.430E-04 -2.949E-04 9 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 10 -7.139E-04 1.988E-04 -2.306E-04 11 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 12 -8.300E-04 -2.496E-04 -2.035E-04 13 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 14 -9.363E-04 1.304E-04 -1.682E-04 15 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 16 -1.005E-03 1.113E-04 -7.880E-05 17 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 18 -1.025E-03 1.031E-04 -4.474E-06 19 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 20 -1.025E-03 -3.093E-04 -1.413E-05 21 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 22 -1.043E-03 9.787E-05 -3.407E-05 23 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 24 -1.051E-03 9.737E-05 9.431E-06 25 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 26 -1.033E-03 1.007E-04 4.757E-05 27 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 28 -1.012E-03 -3.054E-04 1.150E-05 29 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 30 -1.021E-03 1.044E-04 -2.684E-05 31 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 32 -1.029E-03 1.040E-04 4.428E-06 33 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 34 -1.016E-03 1.059E-04 3.641E-05
35 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 36 -1.001E-03 -3.021E-04 2.150E-07 37 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 38 -1.015E-03 1.061E-04 -3.383E-05 39 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 40 -1.025E-03 1.051E-04 4.621E-06 41 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 42 -1.010E-03 1.079E-04 4.665E-05 43 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 44 -9.863E-04 -2.974E-04 2.335E-05 45 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 46 -9.839E-04 1.158E-04 2.791E-06 47 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 48 -9.703E-04 1.219E-04 5.303E-05 49 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 50 -9.253E-04 1.338E-04 1.049E-04 51 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 52 -8.671E-04 -2.608E-04 8.946E-05 53 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 54 -8.299E-04 1.635E-04 5.764E-05 55 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 56 -7.974E-04 1.735E-04 6.052E-05 57 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 58 -7.697E-04 -2.308E-04 2.843E-05 59 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 60 -7.657E-04 1.832E-04 -1.352E-06 61 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 62 -7.640E-04 1.837E-04 8.415E-06 63 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 64 -7.620E-04 -2.284E-04 -1.212E-05 65 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 66 -7.762E-04 1.799E-04 -2.687E-05 67 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 68 -7.839E-04 1.776E-04 3.021E-07 69 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 70 -7.810E-04 -2.343E-04 -4.077E-07 71 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 72 -7.823E-04 1.781E-04 9.835E-06 73 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 74 -7.611E-04 1.845E-04 6.986E-05 75 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 76 -7.091E-04 -2.125E-04 1.098E-04 77 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
78 -6.387E-04 2.218E-04 1.582E-04 79 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 80 -5.283E-04 2.555E-04 2.433E-04 81 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 82 -3.773E-04 -1.109E-04 2.945E-04 83 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 84 -2.141E-04 3.521E-04 2.928E-04 85 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 86 -6.844E-05 3.969E-04 2.187E-04 87 -5.215E-05 -6.607E-05 -1.675E-04 88 -1.650E-04 1.601E-05 -2.299E-04 89 -2.961E-04 2.146E-04 -2.433E-04 90 -4.259E-04 2.066E-04 -2.199E-04 91 -5.333E-04 2.853E-04 -1.712E-04 92 -6.196E-04 4.514E-04 -1.519E-04 93 -6.993E-04 4.066E-04 -1.263E-04 94 -7.508E-04 4.432E-04 -5.850E-05 95 -7.657E-04 4.554E-04 -2.035E-06 96 -7.649E-04 5.580E-04 -1.033E-05 97 -7.785E-04 4.649E-04 -2.634E-05 98 -7.848E-04 4.684E-04 7.030E-06 99 -7.715E-04 4.598E-04 3.643E-05 100 -7.553E-04 5.509E-04 8.529E-06 101 -7.624E-04 4.531E-04 -2.106E-05 102 -7.686E-04 4.564E-04 3.280E-06 103 -7.587E-04 4.504E-04 2.815E-05 104 -7.473E-04 5.451E-04 1.484E-07 105 -7.583E-04 4.500E-04 -2.626E-05 106 -7.659E-04 4.544E-04 3.388E-06 107 -7.540E-04 4.469E-04 3.568E-05 108 -7.359E-04 5.367E-04 1.721E-05 109 -7.347E-04 4.326E-04 8.651E-07 110 -7.249E-04 4.243E-04 3.948E-05 111 -6.910E-04 4.007E-04 7.954E-05 112 -6.470E-04 4.717E-04 6.743E-05 113 -6.191E-04 3.486E-04 4.288E-05 114 -5.949E-04 3.308E-04 4.543E-05 115 -5.741E-04 4.185E-04 2.108E-05 116 -5.713E-04 3.135E-04 -1.437E-06 117 -5.701E-04 3.126E-04 6.581E-06 118 -5.684E-04 4.143E-04 -9.025E-06 119 -5.792E-04 3.193E-04 -2.033E-05 120 -5.849E-04 3.234E-04 5.890E-07
121 -5.826E-04 4.247E-04 -3.670E-07 122 -5.838E-04 3.225E-04 6.797E-06 123 -5.681E-04 3.110E-04 5.208E-05 124 -5.294E-04 3.855E-04 8.135E-05 125 -4.774E-04 2.443E-04 1.170E-04 126 -3.954E-04 1.841E-04 1.815E-04 127 -2.825E-04 2.046E-04 2.200E-04 128 -1.606E-04 1.277E-05 2.190E-04 129 -5.149E-05 -6.658E-05 1.643E-04 130 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 131 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 132 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 133 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 134 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 135 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 136 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 137 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 138 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 139 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 140 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 141 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 142 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 143 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 144 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 145 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 146 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 147 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 148 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 149 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 150 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 151 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 152 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 153 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 154 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 155 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 156 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 157 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 158 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 159 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 160 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 161 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 162 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 163 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
164 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 165 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 166 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 167 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 168 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 169 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 170 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 171 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 172 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 173 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 174 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 175 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 176 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00
Maximum displacement on z = 1.0512E-03 m [ Node 24 ]
+---KHUNG DÀN BOONG---+
+---+ | Nodal displacements [ m, rad ] | +---+ Node dz rotx roty
1 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 2 -7.748E-05 1.748E-04 -2.466E-04 3 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 4 -2.402E-04 1.147E-04 -3.239E-04 5 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00 6 -4.180E-04 -1.471E-04 -3.154E-04