Phân tích và thiết kế kết cấu một mẫu tàu câu vỏ gỗ khu vực đà nẵng, chương 14 ppsx

64
Chương 14:
Xác định đường cong lực nổi theo
chiều dài tàu
Khi tàu hoạt động trong môi trường nước, tất cả những thành
phần ngoại lực tác dụng theo chiều dài tàu là phân bố đều và theo
một quy luật tuyến tính. Mặt khác áp lực nước tác dụng lên bề mặt
vỏ tàu sẽ thay đổi theo diện tích tiếp xúc và sự thay đổi này được
theo định luật Acsimet:
D = .V (tấn)
Trong đó V: thể tích chiếm nước của tàu (m
3
), được xác định từ đồ
thị thuỷ tĩnh của tàu (hình vẽ trang sau).
: Khối lượng riêng của nước (tấn/m
3
),với nước biển ta có 
=1,025 (tấn/m
3
).
D: thành phần thẳng đứng của áp lực nước tác dụng lên vỏ
tàu (tấn)
Nếu chỉ xét trong phạm vi từng khoảng sườn lý thuyết thì quy
luật phân bố của lực nổi b(x) sẽ được xác định theo công thức:
b(x) = .(x).L = . V(x)
b(x) =
 
































2

2

)(
0
10
0
0
0
n
n
n
n
i
i
L
Ldxx




Vì trong phạm vi mỗi khoảng sườn, thể tích phần thân tàu
chìm dưới nước được tính gần đúng bằng tích chiều dài khoảng
65
sườn L với diện tích mặt cắt ngang giữa khoảng sườn 
k
nên ta có
thể xây dựng công thức tính b(x) gần đúng như trên. 
k
được xác
định từ đồ thị BonGien có giá trị phụ thuộc vào chiều chìm tàu, xác
định theo mớn nước mũi và đuôi.
65

Tỉ lệ bản vẽ M =0,02m
2
/mm
Hình 3.7 : Đồ thị BonGien
66
Việc xây dựng quy luật phân bố lực nổi trong phạm vi từng
khoảng sườn (theo chiều dài tàu) thực chất là đi tìm đường nước
thực tế, tức là xác định vị trí cân bằng dọc của tàu trên nước. Để
tàu nổi cân bằng thì P = D(điều kiện cân bằng lực) và X
G
= X
c
(điều kiện cân bằng moment). Từ kết quả của bảng phân bố trọng
lượng các tải trọng v
à dựa vào đường cong thuỷ tĩnh (hình 3.2) của
tàu xác định mớn nước trung b
ình T
tb
, hoành độ trọng tâm X
G
,
hoành độ tâm nổi X
C
và một số thông số cơ bản khác của mặt
đường nước thực tế của t
àu.
N
ếu X
G
và X

C
không nằm trên cùng một đường thẳng đứng
thì tàu sẽ bị nghiêng dọc và khi đó phải tìm được đường nước thực
tế của tàu để có thể xác định chính xác sự phân bố lượng chiếm
nước dọc theo chiều d
ài tàu. Quá trình xác định đường nước thực
tế của tàu như vậy gọi là quá trình cân bằng dọc tàu.
Điều kiện đảm bảo tàu cân bằng dọc là:











)%05,001,0(
)%5,01,0(
L
XX
D
DD
CG
i
Trong đó:
D,X
G

: trọng lượng chiếm nước và hoành độ tâm tàu đang xét.
D
i
, X
C
: trọng lượng chiếm nước và hoành độ tâm nổi đang
tính.
Quá trình xác
định đường nước thực tế và xác định lực cắt,
67
moment uốn của tàu chia ra hai trường hợp như sau:
1. Trường hợp tàu nổi trên nước tĩnh.
Từ kết quả tính trọng lượng tàu trong bảng trên, sử dụng đồ
thị đường cong thuỷ tĩnh của tàu ta xác định được các thông số cơ
bản như sau:
+ Hoành độ trọng tâm mặt đường nước
: X
F
= - 0,193 (m)
+ Hoành độ tâm nổi : X
C
= -0,09 (m)
+ Bán kính tâm
ổn định dọc : R = 21,6 (m)
+ M
ớn nước trung bình : T
tb
= 1,574 (m)
+ Hoành độ trọng tâm : X
G

= 0,127 (m)
T
ừ các thông số trên ta xác định mớn nước T
m
và mớn nước
T
đ
của tàu theo các công thức:
T
m
= T + T
m
= T + tg  T + (L/2 – X
f
).
(3 - 13a)
T
đ
= T + T
đ
= T - tg  T – (L/2 + X
f
).
(3 - 13b)
Trường hợp X
G
 X
C
ta có M
d

= P(X
G
– X
C
) và M
d
= M
hp

Đường nước lý thuyết
L/2
X
c
Hình 3.8: Đường nước thực tế của tàu trên nước tĩnh
68
 P.H
o
. = P.(X
G
– X
C
)   =
o
CG
H
XX

(H
o
= R)

Suy ra: T
m
= T + T
m
= T + (L/2 – X
f
).(X
G
– X
C
)/R
= 1,574 + (18/2 + 0,193).(0,127+0,09)/21,6 =1,67 (m)
T
đ
= T + T
đ
= T – (L/2 + X
f
).(X
G
– X
C
)/R
= 1,574 – (18/2 – 0,193).(0,127 + 0,09)/21,6 = 1,4 85 (m)
V
ậy:
1,67( )
1,485( )
m
d

T m
T m





Đặt giá trị T
m
và T
đ
vào đồ thị BonGien
Hình 3.9 Đường nước thực tế của tàu thiết kế trên nước tĩnh
Từ đồ thị trên xác định được diện tích của mặt cắt ngang 
i
trên
mặt nước tĩnh như sau:

0
= 0 (m
2
)

1
= 0 (m
2
)

2
= 0,34 (m

2
)

3
= 2,58 (m
2
)

7
= 5,38 (m
2
)

8
= 5,46 (m
2
)

9
= 5,4 6 (m
2
)

10
= 5,56 (m
2
)

14
= 4,94 (m

2
)

15
= 4,58 (m
2
)

16
= 4,06 (m
2
)

17
= 3,1 (m
2
)
69

4
= 4,0 (m
2
)

5
= 4,98 (m
2
)

6

= 5,34 (m
2
)

11
= 5,54 (m
2
)

12
= 5,18 (m
2
)

13
= 4,16 (m
2
)

18
= 1,86 (m
2
)

19
= 0,9 (m
2
)

20

= 0 (m
2
)
Lượng chiếm nước của tàu được xác định theo công thức:
D = .V (tấn)
Với:
/ 2
0
0
/ 2
2
L
n
n
i
i
L
V dx L
 
 


  
 
    
 
 
 
 



67(m
3
)
 D =68,675 (tấn)
Ta có bảng tính cân bằng dọc tàu theo bảng sau:
70
Bảng 3.6. Bảng tính cân bằng dọc tàu trên nước tĩnh
LẦN 1
STT sườn lý thuyết Hệ số tay đòn
Diện tích
sườn (m
2
)
(2) x (3)
(1) (2) (3)
(4)
0 -10 0 0
1 -9 0 0
2 -8 0.34 -2.72
3 -7 2.58 -18.06
4 -6 4 -24
5 -5 4.98 -24.9
6 -4 5.34 -21.36
7 -3 5.38 -16.14
8 -2 5.46 -10.92
9 -1 5.46 -5.46
10 0 5.56 0
11 1 5.54 5.54
12 2 5.18 10.36

13 3 5.16 15.48
14 4 4.94 19.76
15 5 4.58 22.9
16 6 4.06 24.36
17 7 3.1 21.7
18 8 1.86 14.88
19 9 0.9 8.1
20 10 0 0
Tổng
(3) =
74.42
(4) =
19.52
D
1
= .L.(3) = 68,65 (tấn)
71
X
C1
=
oy
M
L



=
(4)
(3)
L



= 0,236(m)
Ki
ểm tra điều kiện:
64,48 68,65
0,44% (0,1 0,5)%
64,48
0,129 0,236
0,05% (0, 01 0,05)%
18
i
G C
D D
D
X X
L



   






   



Thoả mãn điều kiện cân bằng dọc tàu trong lần tính thứ nhất.
Vậy tàu thiết kế đảm bảo cân bằng dọc trên nước tĩnh.
 Xác định lực nổi, lực cắt và mo ment uốn tàu trên nước
tĩnh.
Nội lực xuất hiện trong các khoảng sườn, lực cắt và moment
u
ốn được xác định trong bảng tính sau với các giá trị tính theo các
công thức sau.
 
 












L
nn
L
L
nn
dxxNxM
qqqq
L

dxxqxN
L
dxxxb
0
)()1()1()0(
0
0
110
)()(
2 2
2
)()(
2 2
2
)()(

(3 -
14) Hi
ệu chỉnh:
20
20
)(
20
)(
)(
20
)(
M
i
iM

N
i
iN


Trong đó: (N)20, (M)
20
: giá trị lực cắt và moment uốn trên nước tĩnh
tính tại vị trí sườn 20
N(i), M(i): độ hiệu chỉnh lực cắt và mômen ở sườn thứ
i.
B
ảng tính lực nổi, lực cắt và momen uốn của tàu trên nước
72
tĩnh ( bảng 3.7)
Bảng 3.7. Bảng tính lực cắt, momen uốn tàu nằm trên
nước tĩnh.
73
74
Từ bảng tính trên ta có biểu đồ phân bố lực nổi, phân bố tải
trọng, lực cắt và moment uốn tàu trên nước tĩnh như sau:
Bi
ểu đồ phân bố trọng lượng theo khoảng sườn lý thuyết
-2.74
-2.86
-2.83
-2.78
-2.82
-3.49
-3.22

-2.71
-2.46
-3.50
-3.77
-4.43
-3.81
-4.42
-4.46
-3.85
-3.77
-2.97
-2.25
-1.34
-5.00
-4.50
-4.00
-3.50
-3.00
-2.50
-2.00
-1.50
-1.00
-0.50
0.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Biểu đồ phân bố lực nổi trên nước tĩnh theo khoảng sườn
0.00
0.16
1.35
3.04

4.14
4.76
4.94
5.00
5.04
5.08
5.12
4.94
4.77
4.66
4.39
3.99
3.30
2.29
1.27
0.42
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
1
2
3
4
5
6
7

8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Biểu đồ phân bố trọng tải trên nước tĩnh theo khoảng sườn
75
2.74
2.70
1.48
-0.26
-1.32
-1.27
-1.72
-2.29
-2.57
-1.59
-1.35
-0.51
-0.96
-0.24
0.07

-0.13
0.46
0.68
0.98
0.93
-3.00
-2.00
-1.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Biểu đồ lực cắt tàu trên nước tĩnh
1.44
4.10
6.19
6.95
6.45
5.49
4.36
2.76
0.78
-0.88
-2.00
-2.63
-3.08
-3.42
-3.28

-3.10
-2.74
-2.02
-1.07
0.00
-4.00
-2.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Biểu đồ Moment trên nước tĩnh
76
3.97
11.63
23.62
38.04
52.30
64.69
74.57
81.30
84.04
82.71
78.19
71.51
63.33
53.94
43.93

33.83
23.84
14.52
6.46
0.000.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Hình 3.10. Biểu đồ phân bố trọng lượng, lực nổi, tải trọng, lực
cắt và moment uốn tàu trên nước tĩnh.
2. Trường hợp tàu nổi trên sóng.
Khi tàu nổi trên sóng, mặt nước quanh tàu không còn
cùng m
ột mặt phẳng mà là mặt cong hình dáng. Do đó phân bố lực
nổi theo chiều dọc tàu cũng thay đổi đồng thời gây tải trọng phụ
biến đổi tĩnh dẫn đến sự xuất hiện lực cắt và momen uốn trên sóng.
Xét v
ề phương diện độ bền dọc ta nhận thấy hai vị trí nguy
hiểm nhất khi tàu nổi trên sóng là khi mặt cắt của tàu nằm trên
đỉnh sóng, hoặc tàu nằm trên đáy sóng.
Nếu tàu nằm trên đỉnh sóng lực nổi trên đoạn giữa tàu tăng
lên và sau đó giảm dần về hai đầu n
ên thân tàu sẽ bị bẻ cong lên.

77
Ngược lại, nếu tàu nằm trên đáy sóng lực nổi ở giữa nhỏ và tăng
dần về hai đầu nên thân tàu sẽ bị uốn cong theo hướng ngược lại
(uốn cong xuống) thể hiện như hình vẽ
Trường hợp t
àu nằm trên sóng ta có các giả thiết sau:
+ Thân tàu có chiều dài L đặt trên mặt sóng nghĩa là tàu đang
chạy cùng hướng với sóng hai chiều và có vận tốc bằng vận tốc
sóng. Khi đó vận tốc tương đối giữa vỏ t
àu và sóng bằng 0 nên một
cách gần đúng có thể bỏ qua lực cản nước và lực quán tính trong
khi tính.
+ Th
ực tế cho thấy, khi đặt tàu nằm trên sóng có chiều dài 

= L
TK
a) Tàu nằm trên đỉnh sóng
 = L
TK
b) Tàu nằm trên đáy sóng
Hình 3.11. Các vị trí nguy hiểm nhất của tàu trên sóng
78
bằng đúng với chiều dài tàu L thì moment uốn và lực cắt sinh ra sẽ
lớn hơn so với khi đặt trên sóng có chiều dài nhỏ hơn. Do đó
thường chỉ phân tích độ bền chung đối với các sóng có chiều d
ài
b
ằng chiều dài tàu, còn đối với tàu quá lớn không thể áp đặt sóng
có chiều dài không có trong thực tế thì sẽ chọn sóng có chiều dài

thường hay gặp để tính.
+ Để đơn giản trong tính toán thường xem sóng biển là sóng
điều hoà hình sin hay cos chỉ có dạng hai chiều thể hiện như hình
v
ẽ.
Hình 3.12. Biên dạng sóng điều hòa hình sin
Phương trình sóng điều hoà hình sin được viết như sau:
x
h
y .
2
cos.
2




: là tần số góc của sóng:





C22

C : tốc độ truyền sóng bằng tốc độ tàu (m/s)
: Chiều dài bước sóng;  = L
TK
= 18 (m)
: tung độ profin sóng tại điểm có hoành độ x

h: chiều cao sóng được xác định theo công thức:

h
x
y
h: Chiều cao sóng
: bước sóng
79












mkhimh
mmkhimh
mkhimh
120)(
20
12060)(2
30
60)(1
20







Vì tàu có chiều dài  < 60 m nên ta chọn:
1( )
20
h m

 
 h = 1,9 (m)
và
2
0,349






.
2
R = 2,865 (m) là bán kính của đường tròn lăn.

2
h
r
 = 0,95(m) là khoảng cách từ điểm A đến tâm đường
tròn lăn.

Bảng tính vẽ profin sóng:
Bảng 3.8. Giá trị tung độ tương đối của sóng Troxoide
theo chiều dài tàu
Sườn lý thuyết
Trạng thái tàu
10 9 ; 11 8 ; 12 7 ; 13 6 ; 14
Trên đỉnh
sóng
/r
1.0 0.963 0.845 0.667 0.441
Trên đáy
sóng
/r
-1.0 -0.932 -0.742
-0.470 -0.158
Sườn lý thuyết
Trạng thái tàu
5 ; 15
4 ; 16 3 ; 17 2 ; 8 1 ; 19 0 ; 20
Trên đỉnh
sóng
/r
0.154
-0.158 -0.147 -0.742 -0.932 -1
80
Trên đáy
sóng
/r
0.154
-0.441 0.667 0.845 0.963 1

(Theo Sổ tay kỹ thuật đóng tàu thủy, tập 2, Nhà Xuất bản Khoa học và
K
ỹ thuật, trang 20)
Cách xác định profin sóng như h
ình vẽ sau:
Hình 3.13. Đồ thị sóng tính toán dạng Troxoide


R
r

Ltk
A