Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép

1

LỜI NĨI ĐẦU
Trên thế giới, hầu hết các nước có ngành công nghiệp tàu thủy phát triển đều
sử dụng các phần mềm ứng dụng vào các công việc liên quan như thiết kế cơ bản,
thiết kế kết cấu và tính toán kiểm tra độ bền cho kết cấu….
Ở nước ta hiện nay, hầu hết các loại tàu đóng mới đều là tàu cỡ nhỏ và đóng
theo các phương pháp kinh nghiệm và tàu mẫu là chủ yếu. Để đóng mới các con tàu
có trọng tải lớn thì đều phải mua bản vẽ thiết kế từ nước ngoài, việc ứng dụng các
phần mềm trong lĩnh vực thiết kế tàu đang trong giai đoạn đầu và chưa được phổ
biến rộng rãi.
Do đó, trong cơng trình tốt nghiệp của mình em đã thực hiện đề tài “Ứng
dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ
thép”. Đề tài thực hiện theo năm chương với nội dung sau:
Chương 1: Đặt vấn đề.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.
Chương 3: Mơ hình hóa kết cấu.
Chương 4: Phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép.
Chương 5: Kết luận và đề xuất.
Qua đề tài sẽ giúp chúng ta tiếp cận thêm được một phần mềm ứng dụng
được sử dụng trong việc phân tích, kiểm tra độ bền cho kết cấu thân tàu.
Trong quá trình thực hiện đề tài em đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian
và sự hiểu biết cịn hạn chế do đó khó tránh khỏi nhiều thiếu sót. Vì vậy em rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy và các bạn để cho đề tài được hoàn
thiện hơn.
Qua đây, em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy
Huỳnh Lê Hồng Thái, các thầy cơ trong khoa và các bạn đã giúp đỡ em hoàn thành
cơng trình tốt nghiệp này.
Nha Trang, ngày 25 tháng 11 năm 2007
Sinh viên thực hiện:
Vũ Văn Ngưu

2

CHƯƠNG 1.
ĐẶT VẤN ĐỀ.
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
1.1.1. Giới thiệu chung về ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam.
Trong những năm gần đây ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam đã có
những bước phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực như: đóng mới, sửa chữa,
vận tải thương mại và dịch vụ…Được sự đầu tư phát triển của Nhà nước, nhiều nhà
máy đóng tàu trọng tải lớn đã được mở rộng quy mô sản xuất cũng như xây dựng
mới như: nhà máy đóng tàu Hạ Long, Dung Quất, Cam Ranh…
Dựa trên những thế mạnh về vị trí địa lý như có đường bờ biển dài, nhiều
cảng nước sâu, là cửa ngõ giao thông đường biển của thế giới. Do đó chúng ta đã
đặt ra mục tiêu là đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia có ngành cơng
nghiệp Đóng tàu phát triển hàng đầu trên thế giới. Nhưng bên cạnh đó hầu như tất
cả các con tàu lớn được đóng tại Việt Nam đều phải mua thiết kế từ nước ngoài và
chịu sự giám sát của Đăng kiểm nước ngồi. Vì vậy, vấn đề đặt ra cho chúng ta là
làm sao có thể thiết kế ra những con tàu có trọng tải lớn vừa đảm bảo được độ bền,
độ tin cậy khi hoạt động trên biển lại có giá thành vừa phải sẽ là một nhiệm vụ hết
sức quan trong đối với ngành Cơng nghiệp tàu thủy Việt Nam hiện nay. Trong bài
tốn đó thì vấn đề tính độ bền cho kết cấu thân tàu là một bài toán phức tạp nhất
trong quá trình thiết kế tàu, việc giải quyết tốt bài tốn này sẽ góp phần thúc đẩy
năng lực thiết kế của chúng ta lên một tầm cao mới. Nó sẽ giúp chúng ta thiết kế ra
được một con tàu tối ưu về việc đáp ứng đủ độ bền kết cấu, chi phí vật liệu thấp
nhất và giá thành hợp lý nhất.
1.1.2. Giới thiệu về đề tài.
Tàu thủy là một cơng trình kỹ thuật nổi có hình dạng và kết cấu phức tạp,
hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố khác nhau

như: tải trọng trên tàu, sự va đập của sóng, gió….Do đó việc giải quyết bài toán cơ
học kết cấu thân tàu nhằm đảm bảo về mặt sức bền thân tàu có vai trị rất quan trọng
trong quá trình hoạt động thực tế của con tàu.


3
Trước kia việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu thân tàu thường sử dụng
các phương pháp truyền thống như: phương pháp lực, phương pháp chuyển vị. Các
cách giải quyết bài tốn như trên địi hỏi khá nhiều thời gian cho việc phân tích và
tính tốn của người giải. Ngày nay, việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu thân tàu
chủ yếu bằng phương pháp hiện đại, đó là việc ứng dụng phần tử hữu hạn kết hợp
với sự trợ giúp của máy tính đang trở nên khá phổ biến và được ứng dụng rộng rãi.
Bên cạnh đó lại có khá nhiều phần mềm phân tích, tính tốn độ bền kết cấu
của nước ngồi đang có mặt tại Việt Nam. Mỗi phần mềm đều có những ưu điểm và
nhược điểm riêng của chúng cũng như dựa trên những cơ sở lý thuyết khác nhau
nên mỗi phần mềm sẽ có độ chính xác trong kết quả tính là khác nhau. Do đó khả
năng ứng dụng của mỗi loại phần mềm vào từng bài tốn cụ thể địi hỏi người sử
dụng sẽ phải cân nhắc thật kỹ khi lựa chọn.
Đối với bài tốn tính sức bền tàu thì việc áp dụng phần mềm trong khi tính
tốn đã trở nên rất phổ biến. Do đó để có thể có cái nhìn đầy đủ hơn về việc áp dụng
phần mềm trong việc tính tốn kết cấu tàu hiện nay em đã chọn phần mềm 3D
Beam để kiểm tra độ bền kết cấu cho tàu chở hàng khô 2000 tấn. Qua đề tài: “ Ứng
dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép”
sẽ giúp cho chúng ta tiếp cận thêm được một phần mềm phân tích, tính tốn độ bền
kết cấu thân tàu mới. Phần mềm này hiện đang được tổ chức Nauticus thuộc cơ
quan đăng kiểm Na Uy (DNV – DET NORSKE VERITAS) sử dụng để kiểm tra độ
bền kết cấu thân tàu trong thiết kế và đóng mới tàu thủy.
Để chúng ta có thể hiểu rõ hơn về việc sử dụng các phần mềm và ứng dụng
của chúng trong từng lĩnh vực em sẽ đề cập vấn đề này trong phần dưới đây.
1.2. Tổng quan về các phần mềm phân tích kết cấu hiện nay.

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kỹ thuật thì việc
ứng dụng các thành tựu của ngành công nghệ thông tin vào các lĩnh vực của đời
sống xã hội trở nên phổ biến. Sự ra đời của các phần mềm máy tính đã giúp con
người thực hiện các công việc một cách dễ dàng hơn và nhanh chóng hơn.


4
Trong lĩnh vực cơ học kết cấu thân tàu cũng xuất hiện nhiều phần mềm phân
tích, tính tốn kết cấu và đa số các phần mềm này đều dựa trên thuật toán phương
pháp phần tử hữu hạn. Nhờ việc sử dụng các phần mềm mà các nhà thiết kế có thể
tạo ra được các sản phẩm có độ chính xác, chất lượng và độ tin cậy cao hơn. Sau
đây là một số phần mềm dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn đã và
đang có mặt tại Việt Nam:
+ SAP (Structural Analysis Program) có khả năng phân tích tĩnh và động các
kết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện các phần tử hữu hạn phong phú, ứng
xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên có thể dùng phân tích khá rộng các bài
tốn kết cấu trong thực tế. SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính tốn và
biểu hiện kết quả tính tốn cuối cùng rất trực quan và rõ ràng tạo nhiều thuận lợi
cho người sử dụng.
+ Hệ thống STRAND của Úc cũng là bộ chương trình phân tích kết cấu
tương tự như SAP. Phiên bản cuối có mặt ở nước ta là STRAND6, cũng có khả
năng phân tích như SAP, đã được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra các thiết kế
phức tạp. STRAND6 là sự phát triển cao nhất của hệ thống STRAND, nó đã trở
thành sản phẩm phần mềm thương mại trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế xây
dựng.
+ STAAD.PRO của Mĩ, là bộ chương trình phân tích và thiết kế kết cấu. Về
khả năng phân tích kết cấu STAAD.PRO đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn
giải quyết các bài toán tĩnh và động, phẳng và không gian với mức độ phức tạp đáp
ứng được các u cầu trong thiết kế các cơng trình thực tế hiện nay. Về khả năng
thiết kế kết cấu STAAD.PRO là một chương trình khá hồn thiện nhằm thực hiện

việc thiết kế kết cấu với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Chương trình có hỗ trợ
phần đồ hoạ tốt nên nó có thể cho ra hình ảnh mơ hình đẹp, dễ nhìn cho người sử
dụng.
+ ANSYS là chương trình phần mềm có thể giải quyểt được các bài toán về
ứng suất dao động ngẫu nhiên, bài toán truyền nhiệt, bức xạ nhiệt, dịng chảy thuỷ
lực…ANSYS có khả năng liên kết với các phần mềm khác như Pro/Eng,


5
FLOTRAN…để phân tích và kiểm tra các thiết kế. ANSYS đã được khai thác và sử
dụng có hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, giảng dạy và trong sản xuất.
+ RDM (Resistances des Materiaux) của Pháp, đây là phần mềm phần tử hữu
hạn dùng để tính các bài tốn kết cấu dầm, khung giàn, các bài toán đàn hồi lực
phẳng, truyền nhiệt uốn tấm…
+ LUSAS là bộ chương trình phân tích kết cấu tĩnh học và động học, kết cấu
phẳng và không gian trong xây dựng và chế tạo cơ khí vận tải, đây cũng là một bộ
chương trình có quy mơ lớn có khả năng giải quyết rộng rãi các bài tốn kết cấu, kể
cả kết cấu ơtơ, máy bay…
+ 3D Beam là chương trình dùng phân tích tĩnh các kết cấu tàu và các kết
cấu xa bờ, đặc biệt hiệu quả với các kết cấu các sườn tàu điển hình hoặc kết cấu
khung giàn tàu. 3D Beam được phát triển bởi Det Norske Veritas (cơ quan Đăng
kiểm Na Uy – DNV) và là một phần công việc của tổ chức Nauticus trong việc
kiểm tra kết cấu thân tàu. Phần mềm có giao diện đẹp, dễ sử dụng, có thể cho phép
người sử dụng làm việc trong mơ hình 2D với các hệ tọa độ khác nhau hoặc mơ
hình 3D và có thể hiện được kết cấu trên mơ hình Solid rất dễ nhìn.
1.3. Giới hạn nội dung nghiên cứu.
Với cách đặt vấn đề như trên, chúng ta nhận thấy rằng việc phân tích độ bền
kết cấu thân tàu của một con tàu bất kỳ là một vấn đề rất quan trọng. Tuy nhiên để
thực hiện được bài toán như trên khơng những địi hỏi về mặt kiến thức chun mơn
mà cịn phải bỏ ra rất nhiều thời gian để mơ hình hóa kết cấu tàu và tính tốn kết

quả. Trong đề tài của mình em sẽ đề cập tới việc phân tích độ bền kết cấu phần thân
ống của tàu chở hàng khơ vỏ thép có trọng tải 2000 tấn thông qua việc sử dụng
phần mềm 3D Beam. Kết cấu tàu 2000 tấn sử dụng được lấy từ đề tài “ Thiết kế
kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn” của tác giả Trương Văn
Phương lớp 43TT.
Trong đề tài của mình tác giả đã tiến hành tính tốn độ bền chung và độ bền
cục bộ cho tàu thiết kế. Mà bản chất của bài tốn phân tích độ bền chung là xác định
ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các kết cấu thân tàu dưới tác dụng của các


6
ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng và khơng tính đến các ngoại lực tác dụng
ngang như lực đẩy của chân vịt, lực cản của mơi trường…vì ứng suất uốn do các
lực nằm ngang gây ra trong kết cấu thường khơng lớn lắm và có thể bỏ qua. Thực tế
cho thấy, do các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều theo chiều dài
tàu nên kết cấu thân tàu sẽ bị uốn và sinh ra ứng suất và biến dạng. Mà trong đoạn
thân ống của một con tàu vỏ thép thì các lực tác dụng theo phương thẳng đứng xem
như phân bố đều. Mặt khác do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong đề tài của
mình em chỉ đề cập tới việc phân tích độ bền cục bộ kết cấu phần thân ống của tàu.
Các vấn đề được đề cập tới trong đề tài bao gồm:
- Phân tích độ bền cục bộ của khung giàn đáy, khung giàn mạn và khung
giàn boong trong phần thân ống bằng phần mềm 3D Beam.
- Phân tích độ bền cục bộ một khung sườn tàu trong phần thân ống của tàu
bằng phần mềm 3D Beam và RDM6.
- Phân tích độ bền cục bộ của sống chính tàu bằng phần mềm 3D Beam.
Cuối cùng từ kết quả tính được ta đưa ra nhận xét chung về khả năng ứng
dụng của phần mềm 3D Beam trong bài tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu.


7

CHƯƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu.
Từ thực tế ta nhận thấy rằng, để đảm bảo cho một con tàu hoạt động an toàn
và tin cậy trong khai thác thì địi hỏi các chi tiết kết cấu của nó phải đáp ứng được
các điều kiện sau:
+ Kết cấu phải đủ bền để không bị nứt, vỡ hay phá hủy
+ Kết cấu phải đủ cứng để đảm bảo không bị biến dạng quá mức cho phép
+ Kết cấu phải ổn định để ln giữ được hình dạng ban đầu
Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên chúng ta cần tiến hành phân tích độ
bền nhằm mục đích xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu
thân tàu đang tính, cơ sở để thực hiện kiểm tra và đánh giá độ an toàn của các kết
cấu thân tàu trong điều kiện thực tế. Có thể nhận thấy nếu tăng kích thước các bộ
phận kết cấu lên hoặc sử dụng vật liệu tốt hơn thì khả năng đáp ứng những yêu cầu
đặt ra ở trên là dễ dàng thực hiện được. Tuy nhiên nếu tăng kích thước kết cấu lên
thì khơng chỉ làm tăng giá thành con tàu mà còn làm cho khối lượng kết cấu lớn sẽ
có ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng và tính năng hàng hải của con tàu. Do đó phân
tích độ bền kết cấu thân tàu là một trong những vấn đề có vai trị và ý nghĩa quan
trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo tàu thủy. Qua đó việc phân tích độ bền kết
cấu thân tàu cịn nhằm giải quyết hai bài tốn cơ bản sau:
+ Bài toán thuận để kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu cụ thể
nhằm đảm bảo kết cấu có đủ độ bền để tàu có thể hoạt động an toàn và tin cậy dưới
tác dụng của các ngoại lực.
+ Bài tốn ngược để tính tốn, lựa chọn hình dạng và kích thước kết cấu thân
tàu một cách hợp lý nhất trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với chi
phí vật liệu là thấp nhất.
Tuy nhiên, do kết cấu thân tàu rất phức tạp và bao gồm nhiều loại hình kết
cấu khác nhau nên việc tìm mơ hình thể hiện đầy đủ và chính xác đặc điểm làm việc
của kết cấu thực là rất khó, đồng thời do kết cấu thân tàu lại chịu tác dụng ngoại lực

8
phức tạp ở cả ba chiều trong không gian nên phân tích độ bền kết cấu thân tàu là bài
tốn phức tạp và thường ít có được lời giải chính xác. Tùy theo đặc điểm của việc
xây dựng mơ hình tính chúng ta có thể chia bài tốn phân tích độ bền kết cấu thân
tàu thành hai nhóm chính như sau:
- Phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mơ hình tổng thể: theo mơ hình này
thì tồn bộ kết cấu thân tàu được xem như hệ kết cấu khơng gian đặt trên nền đàn
hồi, gồm nhiều loại hình kết cấu như dầm, tấm, vỏ, khối… liên kết với nhau. Khi
đó, các bộ phận kết cấu thân tàu như khung giàn đáy, boong, mạn, khung sườn và
các chi tiết hình thành nên chúng như hệ dầm gia cường, tơn bao xem như làm việc
đồng thời trong mơ hình. Các điều kiện biên xây dựng trên cơ sở xem toàn bộ kết
cấu thân tàu như một vật thể đàn hồi nằm cân bằng dưới tác dụng của trọng lượng
những tải trọng có trên tàu và phản lực của nền là lực đẩy. Mơ hình này thể hiện khá
chính xác điều kiện làm việc thực tế của các kết cấu thân tàu nhưng sẽ rất phức tạp
trong q trình tính tốn.
- Phân tích độ bền thân tàu theo mơ hình ước định: theo mơ hình tính ước
định thì tồn bộ kết cấu thân tàu thường được mô phỏng dưới dạng một thanh thành
mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng tương ứng với lực tác dụng lên thân tàu.
Khi đó bài tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường được chia làm hai bài tốn
chính là: phân tích độ bền chung và phân tích độ bền cục bộ.
2.1.1. Bài tốn phân tích độ bền chung.
Phân tích độ bền chung là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng
xuất hiện trong các mặt cắt ngang kết cấu thân tàu, dưới tác dụng của hệ ngoại lực
đặt theo phương thẳng đứng và khơng tính đến các ngoại lực tác dụng ngang như
lực đẩy của chân vịt, lực cản của mơi trường…vì ứng suất uốn do các lực nằm
ngang gây ra trong kết cấu thường không lớn lắm và có thể bỏ qua. Thực tế do các
ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc theo chiều dài tàu nên kết
cấu thân tàu nói chung thường sẽ bị uốn, bị xoắn hoặc có thể vừa bị uốn và xoắn

đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình uốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền của
các kết cấu nên trong bài tốn phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng


9
suất uốn chung xuất hiện trong kết cấu. Khi đó, kết cấu thân tàu dưới dạng vỏ mỏng
kín nước với kết cấu gia cường bên trong được xem như thanh thành mỏng với mặt
cắt ngang kín hay hở có đặc điểm khác nhau, chịu tác dụng của các lực thẳng đứng,
tương ứng với các ngoại lực tác dụng lên kết cấu thân tàu như áp lực thuỷ tĩnh của
nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và các thiết bị trên tàu. Bài tốn uốn
chung thân tàu có thể đưa về bài toán uốn chung của thanh tương đương đặt trên
nền đàn hồi chịu tác dụng của ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực và lực nổi. Kết
quả tính của bài tốn phân tích độ bền chung sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốn
chung  1 .
Trong bài toán tồn tại 2 trường hợp ứng với 2 mơ hình cần tính ứng suất uốn
là trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh và nằm trên sóng như sau:
+ Trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh
1700T

1600T

1900T

150T

200T

1700T

300T

1900T

800T

2500T

300T

1900T

1900T

100T
120T


10

 LTK
a) Tàu nằm trên đỉnh sóng
+ Trường hợp tàu nằm trên sóng

 LTK
b) Tàu nằm trên đáy sóng
Hình 2.1. Mơ hình tàu trên nước tĩnh và trên sóng


11
2.1.2. Bài tốn phân tích độ bền cục bộ.

Phân tích độ bền cục bộ là bài toán xác đinh giá trị ứng suất và biến dạng
xuất hiện trong những kết cấu thân tàu dưới ảnh của các ngoại lực tác dụng riêng
lên từng kết cấu đang xét. Ví dụ, kết cấu khung giàn đáy ngoài việc chịu uốn chung
dưới tác dụng của trọng lực và lực nổi còn chịu uốn cục bộ do tác dụng của áp lực
nước bên ngoài tàu và áp lực hàng hóa trong các khoang tàu. Giải bài toán độ bền
cục bộ thường dẫn đến việc giải bài toán cơ học kết cấu thân tàu cụ thể như: khung
giàn, tôn vỏ, khung sườn ngang… và kết quả sẽ cho giá trị ứng suất cục bộ  i (i =
2,3…).
Cuối cùng giá trị ứng suất tại một điểm bất kỳ trên kết cấu thân tàu sẽ được
xác định trên cơ sở tổng hợp kết quả bài toán tính độ bền chung và bài tốn tính độ
n

bền cục bộ theo công thức:   1    i .
i 2

Việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mơ hình ước định hay mơ hình
tổng thể có các ưu nhược điểm riêng, đồng thời địi hỏi những điều kiện để thực
hiện tính tốn cũng khác nhau. Thực tế cho thấy, mơ hình tổng thể cho kết quả tính
gần sát thực tế hơn so với mơ hình ước định bởi vì nó đảm bảo được những tính
chất vật lý và cơ học của kết cấu thực tế ở mức độ khá cao, nhưng nó lại địi hỏi
nhiều cơng sức trong việc thiết lập mơ hình tính, chuẩn bị số liệu và phân tích kết
quả tính. Hơn nữa phương pháp này chỉ có thể thực hiện được khi có chương trình
phân tích độ bền kết cấu và máy tính lớn có tốc độ cao, điều kiện này khơng phải
lúc nào cũng đáp ứng được. Cịn mơ hình ước định, tuy đơn giản hơn và khơng địi
hỏi các điều kiện phức tạp như đối với mơ hình tổng thể nhưng với cách đặt vấn đề
như thế thì mơ hình vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm, nhất là khi phải thực hiện
phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, các tàu chuyên dụng…Kết quả phân
tích độ bền các kết cấu thân tàu dựa theo mơ hình ước định thường ít chính xác hơn.
Có thể tóm tắt q trình phân tích độ bền kết cấu thân tàu dựa theo mơ hình
ước định và mơ hình tổng thể theo sơ đồ sau:

12

THƠNG TIN VỀ TÀU

KẾT CẤU TÀU THỦY

Phân tích ứng suất
và biến dạng của kết
cấu thân tàu theo mơ
hình tổng thể

1

i

Phân tích độ bền chung của
kết cấu thân tàu chịu uốn, nén
và xoắn

Phân tích độ bền cục bộ các
kết cấu thân tàu như: khung
giàn đáy, giàn boong, giàn
mạn, khung sườn ngang, tôn
vỏ…

n

  1    i

i 2

Đánh giá độ bền kết cấu thân tàu


13
Trước kia do điều kiện phát triển khoa hoc kỹ thuật còn nhiều hạn chế nên
người ta thường giải bài tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mơ hình ước
định. Nhưng trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển các phương pháp phân
tích độ bền kết cấu, nhất là phương pháp phần tử hữu hạn, cùng sự có mặt của các
chương trình phân tích kết cấu đã cho phép tính độ bền kết cấu thân tàu theo mơ
hình tổng thể.
Phần mềm 3D Beam là chương trình được xây dựng trên lý thuyết dầm của
nhà khoa học Timoshenko, nên trong phần dưới đây em sẽ trình bày rõ hơn về vấn
đề này.
2.2. Lý thuyết dầm Timoshenko.
Lý thuyết dầm Timoshenko (hoặc lý thuyết dầm dày) tính tốn cho cả hai
tác động của quán tính quay và biến dạng cắt, dầm Timoshenko kể đến biến dạng
ngang do ảnh hưởng của lực cắt. Điều này có nghĩa là một tiết diện vng góc với
trục dầm trước biến dạng sẽ khơng cịn vng góc với trục dầm nữa sau biến dạng.
Cịn đối với dầm Bernoulli (lý thuyết dầm mỏng) thì mặt phẳng vng góc với trục
trung tâm trước biến dạng vẫn vng góc với trục trung tâm sau biến dạng. Sự khác
biệt được thể hiện trong 2 hình minh hoạ cho dầm Timoshenko và dầm EulerBernoulli sau:

 



v
x

V

X


x

Dầm Euler – Bernoulli
Y,V

X

Dầm Timoshenko


14
d

dx

Hình 2.2. Mơ hình dầm của Timoshenko và Bernoulli
Trong khi phương pháp Galerkin được dùng để đạo hàm phương trình ma trận phần
tử hữu hạn cho phương trình dầm Bernoulli, thì phương pháp năng lượng được
dùng cho cơng thức của dầm Timoshenko.
Đặt u và v là dịch chuyển dọc trục và ngang của dầm. Vì bị biến dạng ngang
do lực cắt, nên góc xoay của dầm khơng cịn là
bằng

d
nữa. Thay vào đó, góc xoay

dx

d
  , với  là biến dạng cắt ngang. Kết quả là trường chuyển vị trong dầm
dx

Timoshenko được viết như sau:

u ( x, y)  y ( x)

(2.1)

 ( x) 

(2.2)

với trục x được đặt dọc theo trục trung tâm của dầm và dầm không đặt tải dọc trục
để đảm bảo trục trung tâm khơng có biến dạng dọc trục. Một dầm chịu tải cả ngang
và dọc trục được tính tốn trong phần cấu trúc khung. Từ phương trình (2.1) và
phương trình (2.2), biến dạng cắt và dọc trục là:

 y

d
dx

(2.3)


15

   

dv
dx

(2.4)

Dựa theo phương pháp năng lượng, ma trận độ cứng phần tử có thể đạt được
từ biểu thức năng lượng biến dạng cho một phần tử. Năng lượng biến dạng cho một
phần tử có chiều dài l là:
h
2

l

U 

h
2

l

b
b
 T E dxdy+
T Gdydx

20 h
2 

0 h




2

(2.5)

2

Trong đó số hạng đầu là năng lượng biến dạng uốn và số hạng thứ hai là năng lượng
biến dạng cắt, b và h là chiều rộng và chiều cao của tấm còn  là hệ số hiệu chỉnh
cho năng lượng cắt mà giá trị của nó thơng thường là 5/6.
Trước tiên, thay (2.3) và (2.4) vào (2.5) và lấy tích phân riêng với y được:
l

T

l

T

1  d 
 
d 
d 
 d 

U  

 EI 
 dydx+    
 GA    
 dydx
2 0  dx 
2 0
dx 
dx 
 dx 


(2.6)

với I và A là mơmen qn tính và diện tích của tiết diện dầm.
Để đạo hàm ma trận độ cứng phần tử cho dầm Timoshenko, biến  và  cần
được nội suy trong mỗi phần tử. Như thấy trong phương trình (2.6),  và  là các
biến độc lập. Nghĩa là có thể nội suy chúng một cách độc lập sử dụng các hàm dạng
riêng.
Điều này thoả mãn sự tương thích bên trong các phần tử, có nghĩa là sự liên
tục của cả chuyển vị ngang  và góc xoay  giữa hai phần tử kề nhau. Kết quả là
cho các hàm dạng trơn bậc C0 có thể sử dụng cho phần tử dầm hiện tại. Cấu tạo hàm
dạng trơn bậc C0 dễ hơn nhiều so với hàm dạng bậc C 1 cho việc phân tích bài tốn
hai chiều và ba chiều (lý thuyết tấm cổ điển).
Sử dụng hàm dạng tuyến tính cho hai biến  và  :

 
  N1 N 2   1 
2 

(2.7)

16

 
  N1 N 2   1 
 2 

(2.8)

với N1 và N2 là các hàm dạng tuyến tính. Phần tử tuyến tính giống như trong hình
sau:
H

1
H 1 (x)

H 3 (x)

H 2 (x)
x
0

H 4 (x)

1

Tuy nhiên hàm dạng được
sử2.3.
dụng

hồntửtồn
với hàm dạng của phần tử dầm
Hình
Phần
dầmkhác
Hermitian
Hermitian. Thay (2.7) và (2.8) vào biểu thức năng lượng biến dạng (2.6), ma trận độ
cứng phần tử cho dầm Timoshenko là:

 K e   K b e    K s e 

(2.9)

0

EI  0
e
 K b  
l 0

0

(2.10)

0
1
0
1

0

0
0
0

0
 1
0

1

 4 2l  4 2l 

2
 2l l 2 
 GA  2l l
e
 K s  
4l   4  2l 4  2l 


2
 2l l 2 
 2l l

(2.11)

Trong đó số hạng ma trận độ cứng uốn trong phương trình (2.10) có được
nhờ tích phân xác định năng lượng biến dạng uốn, còn ma trận độ cứng cắt trong
phương trình (2.11) có được nhờ kỹ thuật tích phân Gauss.

17
Ta có lời giải của dầm mỏng, dầm dày khác nhau với bề rộng đơn vị như sau:

Hình dạng

Biến dạng cực đại
Dầm mỏng
Dầm dày

P
h
L

Dầm mỏng
Dầm dày

h
L
Dầm mỏng
Dầm dày

h
L

Dầm mỏng
Dầm dày

q
h

L

Dầm mỏng
Dầm dày
L
L/2

P

Dầm mỏng
Dầm dày

L

E là môđun đàn hồi, G là mơđun lực cắt, I là mơmen qn tính của mặt cắt


18

2.3. Ứng dụng lý thuyết dầm Timoshenko trong phần mềm 3D Beam để giải
quyết bài toán.
2.3.1. Ứng dụng lý thuyết dầm Timoshenko trong phần mềm 3D Beam.
Phần mềm 3D Beam là chương trình được xây dựng trên cơ sở phương pháp
ma trận chuyển vị và kết cấu khung giàn tàu được lý tưởng hóa bằng các nút, dầm
và các cơng cụ hỗ trợ. Dầm đàn hồi được phân tích theo lý thuyết dầm của nhà
khoa học X.P.Timoshenko, với góc giữa dầm thẳng và mặt cắt ngang bình thường
của dầm thì tương ứng với lực cắt. Điểm khác biệt của dầm Timoshenko được ứng
dụng trong phần mềm này là mặt phẳng cắt ngang dầm sẽ giữ nguyên trạng thái so
với trước và sau khi biến dạng, đồng thời cho phép phần mềm vận dụng được các
dầm ngắn, dài, mỏng rất tốt như các dầm của lý thuyết Bernoulli-Euler.

Trong phần mềm, việc tính tốn cho từng dầm được cụ thể hóa như sau:
tương ứng với mỗi là một dạng ma trận độ cứng, nó chỉ ra mối quan hệ giữa các lực
S và chuyển vị  tại các điểm cuối của dầm theo biểu thức sau
S=kx

(2.12)


19
Độ cứng thành phần trong mỗi dầm sẽ được thêm vào ma trận độ cứng cuối cùng K,
trong trường hợp đã cho trước tải trọng R, thành phần này sẽ cân bằng với lực của
dầm S. Mối quan hệ giữa lực R và chuyển vị r cho toàn bộ hệ thống được viết như
sau:
R=Kxr

(2.13)

Đây là công thức cuối cùng giải quyết vấn đề chuyển vị với mong muốn tương ứng
để thiết lập một ngoại lực.
Vùng biến dạng theo trục Z của hệ tọa độ cục bộ được định nghĩa như sau:

AZ 

I y xt p
Sy

(2.14)

Trong đó:
Iy là mơmen qn tính đối với trục tọa độ cục bộ y

tp là chiều dày biên dạng
Sy là mômen thứ nhất đối với trục tọa độ cục bộ y
Ứng suất cắt cực đại xuất hiện trong trục trung hòa của biên dạng được định nghĩa:

 Qz 

Qz S y
I yt p



Qz
Az

(2.15)

với vùng biến dạng theo trục z trong hệ tọa độ cục bộ được xác định theo công thức
(2.15) ở trên. Vùng cắt dùng để tính độ cứng dầm và ứng suất cắt cực đại theo chiều
cao biên dạng.
Trong phần mềm 3D Beam phiên bản 7.0 ta nhận thấy rằng việc thay thế kết
cấu thực bằng các mơ hình dầm có trong thư viện của phần mềm sẽ bị hạn chế bởi
trong phần mềm chỉ có các biên dạng mặt cắt của kết cấu như: biên dạng chữ I, biên
dạng chữ I đối xứng, biên dạng hộp và biên dạng trịn. Vì vậy để việc mơ hình hóa
kết cấu phản ánh sát với điều kiện liên kết của kết cấu thực thì ta sẽ cần phải đưa ra
các biện pháp thay thế kết cấu tương đương, sự thay thế kết cấu tương đương này sẽ
giúp cho việc thực hiện bài toán được thuận lợi hơn.


20
Bên cạnh đó việc định dạng các biên dạng mặt cắt trong phần mềm có thể

thực hiện dễ dàng bằng cách nhập các kích thước cơ bản của nó. Do đó, để thay thế
ảnh hưởng của lớp tơn vỏ tham gia đảm bảo độ bền cho kết cấu thì trong q trình
mơ hình hóa ta có thể tăng kích thước biên dạng mặt cắt của kết cấu lên. Việc xác
định chiều rộng của mép kèm cho các kết cấu sẽ được lựa chọn cách tính theo Quy
phạm hoặc cơng thức mà nhà khoa học X.P.Timoshenko đã đề xuất.
2.3.2. Xác định quy cách mép kèm theo Quy phạm và lý thuyết của XP.
Timoshenko.
Trong bài tốn phân tích độ bền kết cấu thân tàu và mơ hình hố kết cấu
thường phải tính đến phần mép kèm khi tách kết cấu hệ dầm ra khỏi tấm tôn vỏ.
Mép kèm ở đây được hiểu là dải tôn kèm chịu lực cùng tham gia làm việc với kết
cấu đang tính, vì vậy việc tính tốn nó có ý nghĩa quan trọng trong bài tốn phân
tích độ bền kết cấu.
2.3.2.1. Xác định kích thước mép kèm theo Quy phạm.
Các Quy phạm thường quy định quy cách kích thước mép kèm như sau:
+ Chiều dày mép kèm bằng với chiều dày của tấm tôn mép kèm tương ứng
+ Chiều dài mép kèm không được nhỏ hơn

l
chiều dài nhịp của kết cấu
6

đang xét
+ Chiều rộng của mép kèm C thường được tính cho từng kết cấu và từng
khung giàn cụ thể. Có thể tính gần đúng chiều rộng mép kèm theo công thức sau:
C = min (

l
, a)
6

(2.16)

Trong đó:
a là khoảng cách sườn
l là chiều dài nhịp của kết cấu đang xét
2.3.2.2. Xác định kích thước mép kèm bằng tính tốn lý thuyết của
XP.Timoshenko.
Bài tốn phân tích vai trò tham gia vào biến dạng do uốn dầm của các tấm vỏ
từ đó thay ảnh hưởng của tơn vỏ bằng tấm mép tương đương, tạo thành phần tử dầm