Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN CỦA KẾT CẤU MẠN ĐÔI TÀU VỎ THÉP SAU
KHI XẢY RA TAI NẠN ĐÂM VA

KS. Huỳnh Hữu Thái Lâm
1
, TS. Huỳnh Văn Vũ
2
(1) Sở Khoa học và Công nghệ Khánh Hòa; (2) Trường Đại học Nha Trang
Theo Tổng Công ty Hàng hải Việt Nam (Vinalines), tính đến tháng 3 năm 2014, đội
tàu biển của Vinalines gồm 116 chiếc với tổng tải trọng lên đến 2,5 triệu tấn và có xu
hướng phát triển mạnh trong thời gian tới [5]. Nhưng theo số liệu thống kê năm 2010 của
Cục Hàng hải Việt Nam, các năm gần đây tai nạn đâm va tàu chiếm tới trên 80% các vụ
tai nạn hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt Nam [6]. Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng
của tai nạn đâm va tàu, đòi hỏi sự phát triển các quy định và các yêu cầu về phân cấp và
thiết kế kết cấu tàu. Nhưng để cập nhật và thay đổi của các tiêu chuẩn, các quy định phân
cấp cho việc thiết kế kết cấu tàu lại phụ thuộc vào các nghiên cứu thực nghiệm rất tốn
kém. Đề tài “Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra
tai nạn đâm va”, lần đầu tiên tại Việt Nam thực hiện việc ứng dụng máy tính với sự trợ
giúp của phần mềm Abaqus/Explicit vào nghiên cứu mô phỏng quá trình đâm va giữa mũi
tàu dạng quả lê đâm vào mạn đôi tàu (ship collision), kết quả mô phỏng cho biết khả năng
chịu đựng và hình dạng của kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép khi bị đâm va, từ đó các chuyên
gia thiết kế kết cấu tàu có thể đưa ra các biện pháp cải tiến về kết cấu cũng như vật liệu
phù hợp hơn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Theo Lý thuyết va chạm, tàu đâm va có khối lượng M
s
(tấn) di chuyển với tốc độ ban
đầu V
0
(m/s) đâm va vào một bên mạn của tàu bị đâm va có khối lượng M
i

(tấn), sau đâm va
cả hai tàu dính nhau và cùng di chuyển với tốc độ là V. Động năng tiêu hao được xác định
bằng công thức [1]:
ΔE
đ
2
0
)(2
1
V
MM
MM
is
is
+
=
, KJ (1)
Theo Zhang [3] và D.Chen [4], để giải bài toán đâm va tàu gồm 3 cách:
- Cách 1: Ngoại động lực, cách này tính toán động năng thất thoát dựa vào các thông
số liên quan đến động lực học đâm va tàu, gồm một số phương pháp phổ biến được sử dụng:
Minorsky, DAMAGE, Hutchison, Zhang. Trong nghiên cứu này sẽ sử dụng phương pháp
Minorsky để tính toán động năng tiêu hao: ΔE
đ

( )
2
0
sin
43,12
φ

V
MM
MM
is
is
+
=
, KJ (2)
- Cách 2: Nội động lực, cách này tính toán năng lượng sinh ra của kết cấu kháng lại
đâm va, gồm các phương pháp: Thống kê; Đơn giản hóa; Thực nghiệm; và Phần tử hữu hạn.
- Cách 3: Mô phỏng với sự kết hợp của nội và ngoại động lực.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH
Đối tượng nghiên cứu là tàu hàng vỏ thép có tải trọng 20.000 DWT, đóng tại Nhà máy
Đóng tàu Cam Ranh, được phân cấp bởi Đăng kiểm Việt Nam VR.
* Mô hình hình học
Gồm một tổng đoạn phần thân ống của tàu 20.000 DWT tại khu vực bị đâm va, gồm
đầy đủ các chi tiết theo bản vẽ thiết kế kết cấu và mũi quả lê tàu 20.000 DWT.
1
Hình 1. Mô hình hình học phần mạn đôi tàu Hình 2. Mô hình hình
học phần mũi quả lê
* Mô hình phần tử
Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va trong trường hợp là vật tuyệt đối cứng có
19.738 phần tử, với 19.708 là phần tử dạng cứng (rigid element) 4 nút R3D4 và 30 là phần tử
dạng cứng 3 nút R3D3, kích thước phần tử 100x100 mm;
Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va là có thể biến dạng có tổng cộng là 15.662
phần tử, với 15.268 là phần tử dạng tấm hình chữ nhật 4 nút S4R và 394 là phần tử dạng tấm
tam giác 3 nút S3, kích thước phần tử là 200x200 mm;
Mô hình phần mạn đôi vỏ thép tàu có 253.875 phần tử, với 253.455 là phần tử dạng
tấm chữ nhật 4 nút S4R và 420 là phần tử dạng tấm tam giác 3 nút S3. Tại khu vực bị đâm va
(ở giữa phần mạn đôi, có chiều dài 2800 mm) có dạng fine mesh với kích thước phần tử là

50x50 mm, ngoài khu vực đó có dạng coarse mesh với kích thước phần tử là 100x100 mm.
(a) (b) (c)
Hình 3. Mô hình phần tử mũi quả lê là (a) vật tuyệt đối cứng (b) vật biến dạng và (c) Mô
hình phần tử mạn đôi tàu 20.000 DWT
* Thuộc tính vật liệu
Bảng 1. Thông số vật liệu của
thép đóng tàu cấp A [2]
Thông số
Thép
đóng tàu
cấp A
Môđun đàn hồi,
MPa
207.000
Trọng lượng
riêng,tấn/mm
3
7,85.10
-9
Hệ số Possion 0,3
Giới hạn chảy,
MPa
247
Giới hạn bền kéo,
MPa
403,6
Độ dãn dài tối đa 0,3
Hình 4. Đường cong lực và độ dãn dài của mẫu thép cấp
A 12 mm được Viện nghiên cứu chế tạo tàu thủy, đại học
Nha Trang thử nghiệm [2]

2
(a) (b)
Hình 5. Đặt thuộc tính cho (a) mũi quả lê tàu đâm va và (b) mạn đôi tàu bị đâm va.
* Điều kiện biên của mô hình
Hình 6. Dầm đơn chịu tải trọng tập trung giữa dầm.
Cụ thể xem bảng 2 sau:
Bảng 2. Điều kiện biên của mô hình
RP1 RP2 Tâm tàu Ghi chú
Trục 1
theo chiều ngang tàu
U1 = 0 U1 = 0 U1 = 0 U – Chuyển vị
UR – Góc xoay
Trục 2
theo chiều dọc tàu
U2 = 0
UR2 = 0
UR2 = 0 UR2 = 0
Trục 3
theo chiều cao tàu
U3 = 0
UR3 = 0
U3 = 0
UR3 = 0
UR3 = 0
* Điều kiện ban đầu của bài toán va chạm
Bảng 3. Các thông số ban đầu của bài toán
Thông số Số liệu
Vận tốc V = 5 hl/h = 2572,2 mm/s
Khối lượng tàu va chạm 7.497 Tấn
KỊCH BẢN TAI NẠN ĐÂM VA TÀU

(a) (b) (c)
Hình 7. Các trường hợp của kịch bản đâm va: (a) Trường hợp 1,
T
∆
= 0; (b) Trường hợp 2,
T
∆
= 1.800mm và (c) Trường hợp 3,
T
∆
= 3.900mm
Để dễ dàng trong quản lý các trường hợp, thống nhất ký hiệu cho các trường hợp như
Bảng 4 sau:
3
RP1
RP2
Chiều dài mạn tàu nghiên cứu
Lực đâm va của mũi quả lê
1
3
2
1 2
3
Chiều
rộng
mạn
tàu
nghiên
cứu
Bảng 4. Ký hiệu các trường hợp tai nạn đâm va

Ký hiệu trường hợp Mô tả
TH1V5, TH2V5 và TH3V5
-
T
∆
= 0; 1.800 và 3.900mm; V
0
= 5hl/h.
- Mũi quả lê tuyệt đối cứng.
TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F
-
T
∆
= 0; 1.800 và 3.900mm; V
0
= 5hl/h.
- Cả hai mô hình đều có thể biến dạng.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
* Trường hợp có vận tốc 5 hl/h với mũi quả lê tàu đâm va là tuyệt đối cứng
- Phần biến dạng
(a) TH1V5 (b) TH2V5 (c) TH3V5
Hình 8. Toàn cảnh biến dạng mạn đôi tàu bị đâm va của các trường hợp
- Phần đồ thị
(a) TH1V5 (b) TH2V5 (c) TH3V5
Hình 9. Đồ thị vận tốc và năng lượng theo độ lõm đâm va của các trường hợp
Trong 2 trường hợp TH2V5 và TH3V5, mạn đôi tàu có khả năng kháng lại sự đâm va
mà tôn mạn ngoài không bị xé rách.
* Trường hợp có vận tốc 5 hl/h và cả hai đối tượng đâm va đều là phần tử tấm biến
dạng
- Phần biến dạng

4
(a) TH1V5F (b) TH2V5F (c) TH3V5F
Hình 10. Toàn cảnh biến dạng mạn đôi tàu của các trường hợp
- Phần đồ thị
(a) TH1V5F (b) TH2V5F (c) TH3V5F
Hình 11. Đồ thị vận tốc và năng lượng theo độ lõm đâm va của các trường hợp
Trong ba trường hợp TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F mạn đôi tàu có khả năng kháng
lại sự đâm va mà tôn mạn ngoài không bị xé rách.
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Từ qua các kết quả nghiên cứu đã trình bày, có thể rút ra một số kết luận sau:
- Đối với mô hình mạn đôi tàu bị đâm va có thể biến dạng và mũi tàu đâm va là vật
tuyệt đối cứng: Động năng tiêu hao chỉ có mạn đôi tàu hấp thu. Đối với mô hình mạn đôi tàu
và mũi tàu đều biến dạng: Động năng tiêu hao được hấp thu bởi cả hai mô hình.
- Động năng tiêu hao khi kết thúc đâm va, sai lệch giữa kết quả mô phỏng bằng
phương pháp phần tử hữu hạn với lý thuyết va chạm (công thức (1)) là 2-3%; và so với
phương pháp Minorsky (công thức (2)) là 14-16%.
Do khối lượng nghiên cứu khá tốn nhiều thời gian, đặc biệt là thời gian dành cho việc
mô hình hóa đối tượng, nên tác giả đề xuất thực hiện nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng
kết quả mô phỏng bằng thực nghiệm va đập với mô hình tương đương với mô hình đã nghiên
cứu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Duy Cường (2002), Cơ học lý thuyết, Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.
5
2. Viện Nghiên cứu chế tạo tàu thủy, (2008), “Kết quả thử nghiệm thép tấm (12mm)”,
trường đại học Nha Trang.
3. Shengming Zhang (1999), The Mechanics of Ship Collisions, Department of Naval
Architecture and Offshore Engineering, Technical University of Denmark.
4. Donghui Chen (2000), Simplified Ship Collision Model, PhD thesis of Science in Ocean
Engineering, Blacksburg, Virginia.
5. www.vinalines.com.vn/?mod=news&view_news_name=gioi-thieu

6. www1.vinamarine.gov.vn/MT/Detail.aspx?id=8d13cd15-e382-4f42-a1dc-
36f8fd871387&CatID=106&NextTime=06/08/2012%2014:43&PubID=129
6