Ứng dụng chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu, chương 3 doc

CHƯƠNG 3
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU THÂN TÀU.
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
kh
ông tính đến các ngoại lực tác dụng ngang như lực đẩy của chân
vịt, lực cản của môi 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 u
ốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền của các
kết cấu nên trong bài toán phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác
định ứng 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 b
ên
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 l
ên kết cấu thân tàu như áp
lực thuỷ tĩnh của nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và
các thi
ết bị trên tàu. Bài toán uốn chung thân tàu có thể đưa về bài
toán u
ốn 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 phân tích độ bền chung sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị
uốn chung.

Để tính sức bền chung ta xét đến hai trường hợp: T
àu nằm
cân bằng trên nước tĩnh và nằm cân bằng trên sóng (trên đỉnh sóng
và trên đáy sóng).
2.2. TÍNH ĐỘ BỀN CỤC BỘ KẾT CẤU THÂN TÀU.
2.2.1. Gi
ới thiệu chung.
Kết cấu thân tàu là tổ hợp gồm nhiều loại kết cấu khác nhau
như thanh, dầm v
à các kết cấu dạng tấm vỏ như tôn đáy, tôn mạn,
tôn boong, vách ngăn dọc… Đ
a số những kết cấu này đều tham gia
vào việc đảm bảo sức bền dọc chung cho toàn bộ thân tàu, đồng
thời lại còn chịu tác dụng của các tải trọng riêng như áp lực nước,
trọng lượng hàng hóa…nên ngoài biến dạng do uốn chung, các kết
cấu còn chịu biến dạng riêng do uốn cục bộ gây ra. Khác với độ
bền chung do quá trình uốn tàu gây ra, độ bền cục bộ nói ở đây
thường được hiểu là độ bền của các khung d
àn riêng biệt trong kết
cấu thân tàu dưới tác dụng trực tiếp của tải trọng. Do đó ngoài việc
tính độ bền chung, b
ài toán tính độ bền cục bộ chiếm tỉ trọng và
vai trò khá l
ớn với mục đích tính giá trị ứng suất và biến dạng xuất
hiện trong kết cấu thân tàu khi uốn cục bộ nhằm đảm bảo biến
dạng khi uốn cục bộ không gây ra ứng suất có giá trị lớn hơn ứng
suất cho phép, xác định phụ thuộc đặc điểm kết cấu và đặc điểm
ngoại lực tác dụng riêng lên các kết cấu thân tàu. Về mặt phương
pháp, bài toán tính độ bền cục bộ sẽ dẫn đến phân tích các bộ phận
kết cấu chính như: khung dàn đáy, khung dàn mạn, khung dàn

boong, khung sườn ngang, cách vách ngăn…Tùy theo phương
pháp, mô hình tính của các kết cấu nói trên khi tính độ bền cục bộ
sẽ khác nhau, trong đó theo phương pháp truyền thống, mô hình
tính khá đơn giản, và thường chỉ ở dạng phẳng. Còn mô hình tính
theo phương pháp hiện đại, nhất là PPPTHH phản ánh đặc điểm
kết cấu và làm việc gần với thực tế hơn nên kết quả có độ chính
xác và độ tin cậy cao hơn, nhất l
à khi ứng dụng máy tính vào tính
toán.
V
ề nguyên tắc, khi phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu
thường có xu hướng mô hình hóa các tải trọng tác dụng và các kết
cấu phức tạp trong thực tế về những mô hình tính đơn giản tương
đương, sao cho vừa có thể phản ánh được chính xác đặc điểm l
àm
vi
ệc thực tế, lại vừa thuận tiện khi tính. Do đó vấn đề xây dựng mô
hình kết cấu và mô hình các tải trọng có vai trò, ý nghĩa rất quan
trọng và có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả bài toán
phân tích độ bền kết cấu thân tàu. Có thể tóm tắt trình tự bài toán
phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu như sau:
- Mô hình hóa tải trọng tác dụng cục bộ lên kết cấu.
- Mô hình hóa kết cấu.
- Lựa chọn phương pháp tính ứng suất và biến dạng của mô
hình kết cấu.
- Kiểm tra và đánh giá độ bền cục bộ kết cấu đang xét.
2.2.2. Mô hình hóa tải trọng tác dụng.
Tải trọng tác dụng lên kết cấu thân tàu khá đa dạng và phức
tạp, bao gồm áp lực nước bên ngoài vỏ tàu, áp lực của trọng lượng
hàng hóa đặt n

ên tàu, trọng lượng tàu, tải trọng gió, … Việc mô
hình hóa tải trọng tác dụng nên lên kết cấu thân tàu là một công
việc rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của
kết quả tính toán. Tuy nhiên trong khuôn khổ của đề tài chỉ xét tải
trọng tác dụng cục bộ nên kết cấu thân tàu gồm hai thành phần
chính:
- Áp l
ực nước bên ngoài vỏ tàu.
- Áp l
ực của trọng lượng hàng hóa trên tàu.
2.2.2.1. Áp lực nước bên ngoài vỏ tàu.
Áp lực nước xung quanh bề mặt vỏ tàu p
n
tác dụng nên các bộ
phận kết cấu thân tàu thường được biểu diễn dưới dạng áp lực một
cột nước có chiều cao h và có giá trị tính theo công thức:
hp
n
*

 (2.1)
Trong đó:

= trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu, đơn
vị tấn/m
3
.
Trên cơ sở đó, mô hình quy luật phân bố của áp lực nước lên
k
ết cấu thân tàu sẽ được mô tả cụ thể như sau:

- Áp lực nước tác dụng lên đáy phẳng phân bố theo dạng
hình chữ nhật với chiều cao h = const, không thay đổi suốt
chiều rộng tàu.
- Áp l
ực nước tác dụng lên mạn tàu phân bố theo dạng hình
tam giác hay d
ạng hình thang với chiều cao và chiều rộng
bằng chiều cao cột áp.
Khi phân tích độ bền cục bộ những kết cấu thân tàu dưới tác
dụng của áp lực thủy tĩnh do nhận thấy chiều cao cột áp h sẽ phụ
thuộc chủ yếu vào chiều chìm và trạng thái nổi của tàu nên cần
chọn chiều cao cột áp phù hợp trường hợp tàu nằm cân bằng trên
nước tĩnh và trên sóng. Trong khuôn khổ của đề tài, ta chỉ tính toán
phần thân tàu trong đoạn thân ống, nên chỉ xét áp lực thủy tĩnh của
nước tác dụng l
ên tàu mạn thẳng đứng, đáy phẳng. Còn áp lực của
nước tác dụng n
ên tàu mạn không thẳng đứng, đáy không phẳng
mà có dạng chữ V hay tương tự không được nhắc đến ở đây.
 Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh:
Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh ở mớn nước T (hình
2.1), xác định phần thân tàu dưới nước chiều cao cột áp h được
tính theo mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh, không trùng với
giá trị lúc tàu nghiêng ngang hay nghiêng dọc.
h = T (2.2)
h=T
p
n
=


h
Hình 2.1: Mô hình tải nước tĩnh tác dụng lên thân tàu.
 Tàu nằm cân bằng trên sóng:
Khi ch
ạy trên sóng có chiều cao h
s
mức nước ở vùng đỉnh
sóng đo ở mặt cắt ngang giữa t
àu lớn hơn mớn nước trên nước
tĩnh T nên có thể tính chiều cao cột nước h so với đáy tàu như
sau:
h = T +
2
s
h
(2.3)
- N
ếu h

H: quy luật phân bố dạng tam giác với chiều cao
h = T +
2
s
h
như trên hình 2.2a.
- N
ếu h > H: quy luật phân bố dạng hình thang với chiều
cao h = H như trên h
ình 2.2b.
Áp l

ực thủy tĩnh của nước tác dụng lên tấm đáy có chiều rộng
B (m) và chiều dài a (m) tính theo công thức vừa nêu có dạng:
p
đáy
= aB
h
T
s







2

(2.4)
p
n
=

T
Hình 2.2: Mô hình tải sóng nước tác dụng lên thân tàu.
2.2.2.2. Áp l
ực của trọng lượng hàng hóa p
hh
Trong thực tế, hàng hóa trên tàu thường gồm các loại hàng rời
đặt tr
ên mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động

trên diện tích không lớn và hàng lỏng chứa trong các khoang nên
áp l
ực của hàng hóa tác dụng nên KCTT khá đa dạng, không chỉ là
áp l
ực các loại hàng, mà còn cả các tải trọng do sự xê dịch hàng
hóa, t
ải trọng hàng nặng tập trung tại một điểm v v… Tuy nhiên,
khi tiêu chu
ẩn hóa tải trọng do hàng hóa gây ra trong khoang hoặc
khi đặt tr
ên boong các quy phạm về độ bền tàu hiện nay thường
quy đổi từ áp lực h
àng hóa sang áp lực cột nước, với quy luật phân
bố phụ thuộc chủ yếu đặc điểm hàng chở và điều kiện làm việc của
kết cấu. Áp lực trung bình hàng hóa p
hh
do hàng hóa gây ra trên
m
ặt sàn có thể tính theo công thức tổng quát sau:
h=H
p
n
=

H
p
n
=


(T+h
s
/2)
h=T+h
s
/2
(a) h

H

(b) h
>
H

b
L
W
p
hh


(2.5)
Trong đó:
W = trọng lượng hàng (tấn)
L, b = lần lượt chiều dài và chiều rộng phần diện tích
có đặt trọng lượng hàng hóa W. Các kích thước L, b có thể l
à kích
thước khung dàn khoang hàng hay đáy một két trên tàu.
Áp lực hàng rời và hàng lỏng chứa trong khoang hàng được
tính khác nhau. Trong giới hạn của đề tài, ta chỉ xét áp lực của

hàng rời.
Áp lực của hàng rời tác dụng nên vách khoang chứa được xem
như phân bố theo h
ình tam giác với chiều rộng đáy của tam giác áp
lực có thể được tính theo công thức:
p
hr
= k
hr

H (2.6)
Trong đó:
hr

= trọng lượng riêng hàng chở trên tàu, tính bằng
t/m
3
hoặc kN/m
3
.
H = chi
ều cao hàng rời (m)
K = hệ số tính đến ảnh hưởng sự không đều của từng
mặt hàng cụ thể.
Như vậy, quy luật phân bố áp lực của hàng rời không khác quy
luật phân bố áp lực nước, nhưng áp lực hàng rời có giá trị phụ
thuộc trọng lượng riêng và quy luật phân bố hàng được chở.
Bảng 2.1. Bảng hệ số phân bố k và trọng lượng riêng một số
loại hàng hóa.
Tên g

ọi
các loại
hàng chở
Trọng lượng riêng 
h
(t/m
3
)
Hệ số phân bố
k
Than đá 0,80 0,27
Muối 0,96 0,22
Lúa, gạo 0,73 – 0,78 0,25 – 0,33
Xi măng 1,2 – 1,3 0,42
Cát 1,5 – 2,0 0,22 – 0,42