Đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm nẹp gia cường của kết cấu thân tàu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
o0o




ĐẶNG TRẦN QUỐC TÁNH



ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VA ĐẬP CỦA
TRỌNG VẬT LÊN TẤM CÓ NẸP GIA CƢỜNG
CỦA KẾT CẤU THÂN TÀU


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH ĐÓNG TÀU THỦY


GVHD: TS. HUỲNH VĂN VŨ




NHA TRANG, 06/ 2014


i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
Họ và tên sinh viên: Đặng Trần Quốc Tánh Lớp : 52 DT
Nghành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông.
Tên Đề tài: “ Đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm có nẹp gia cƣờng
của kết cấu thân tàu”
Số Trang: 66 Số chƣơng: 04 Số tài liệu tham khảo: 15
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN








Kết luận:





Nha Trang, ngày tháng năm 2014
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ tên)


TS Huỳnh Văn Vũ

ĐIỂM CHUNG

Bằng chữ
Bằng số




ii
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Đặng Trần Quốc Tánh Lớp : 52 DT
Nghành: Kỹ Thuật Tàu Thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông.
Tên Đề tài: “
Đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm kết cấu có nẹp gia
cƣờng của kết cấu than tàu
”
Số Trang: 66 Số chƣơng: 04 Số tài liệu tham khảo: 15
Hiện vật: 03 quyển đồ án, 03 CD.
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN





Đánh giá chung:






Nha Trang, ngày tháng năm 2014

CÁN BỘ PHẢN BIỆN
Nha Trang, ngày tháng năm 2014





ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ
Bằng số





iii
LỜI CẢM ƠN.

Trƣớc tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc tới các thầy cô
giáo trong trƣờng Đại học Nha Trang nói chung và các thầy cô giáo trong khoa Kỹ
thuật Giao thông, bộ môn Kỹ thuật tàu thủy nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền
đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian vừa qua.
Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến T.S Huỳnh Văn Vũ, thầy đã tận tình giúp
đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hƣớng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp.
Trong thời gian làm việc với thầy, em không những tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức
bổ ích mà còn học tập đƣợc tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm
túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học tập và
công tác sau này.
Đồng thời em xin chân thành cảm ơn Thạc sĩ Bùi Văn Nghiệp, thầy đã tận tình
giúp đỡ em làm các mẫu vật cần thiết trong phạm vi đề tài.

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã động viên,
đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tâp, nghiên cứu và hoàn thành đồ án
tốt nghiệp.

Nha Trang, ngày 15 tháng 6 năm 2014.
Ngƣời thực hiện


Đặng Trần Quốc Tánh


iv
MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN. iii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC HÌNH vi
DANH MỤC BẢNG viii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG PHẠM VI ĐỒ ÁN. ix
Chƣơng 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1
1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VA ĐẬP TRONG KẾT CẤU TÀU
THỦY. 1
1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. 4
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6
2.1 LÝ THUYẾT VA ĐẬP 6
2.1.1 Định nghĩa. 6
2.1.2 Các đặc điểm của quá trình va đập. 6
2.1.3 Các giả thiết. 7
2.1.4 Bài toán va đập của trọng vật lên tấm kết cấu tàu thủy. 7
2.1.5 Kết cấu thép tấm có nẹp gia cường. 9

2.2 TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM. 14
2.2.1 Chế tạo mẫu vật 14
2.2.2 Giới thiệu thiết bị thử va đập. 17
2.2.3 Quy trình thử va đập. 20
2.3 TRÌNH TỰ MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VA ĐẬP CỦA TRỌNG VẬT LÊN TẤM KẾT CẤU
TÀU THỦY. 25
2.3.1 Mô hình hóa. 26
2.3.2 Đặt thuộc tính vật liệu. 29
2.3.3 Điều kiện biên. 30
2.3.4 Đặt lực tác dụng. 31
Chƣơng 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, MÔ PHỎNG ĐỘ BỀN CỦA TẤM CÓ
NẸP GIA CƢỜNG 32


v
CỦA KẾT CẤU THÂN TÀU. 32
3.1 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. 32
3.1.1 Kết quả thực nghiệm của mẫu SP-FB. 33
3.1.2 Kết quả thực nghiệm mẫu SP-LB. 34
3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. 37
3.2.1 Hình dạng các mẫu sau mô phỏng. 37
3.2.2 Đồ thị chuyển vị tại các vị trí đặc biệt. 40
3.3 SO SÁNH GIÁ TRỊ CHUYỂN VỊ GIỮA THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG. 45
3.3.1 So sánh hình dạng của các mẫu tương ứng. 45
3.3.2 So sánh chuyển vị của các tấm kết cấu tương ứng. 47
3.4 MỞ RỘNG MÔ PHỎNG CHO CÁC TRƢỜNG HỢP KHÁC. 49
3.4.1 Trường hợp 1 (SP-FB-42). 49
3.4.2 Trường hợp 2 (SP-FB-84). 54
3.4.3 Trường hợp 3 (SP-LB-240). 57
3.4.4 Trường hợp 4 (SP-FB-20). 60

Chƣơng 4: KẾT LUẬN 63
1. Thảo luận kết quả 63
2. Đề xuất. 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO 66



vi
DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 : Va đập của trọng vật lên dầm được ngàm hai đầu 2
Hình 2.1: Mô hình trọng vật trong thí nghiệm va đập. 8
Hình 2.2: Lực
F

và chuyển vị

d

. 9
Hình 2.3: Khu vực tính toán của các mẫu vật. 11
Hình 2.4: Các mẫu trong thực nghiệm. 12
Hình 2.5 Giản đồ Lực kéo – chuyển vị của một mẫu thử kéo. 13
Hình 2.7: Vạch dấu lắp ráp. 15
Hình 2.8: Mẫu SP-FB sau khi chế tạo xong. 15
Hình 2.9: Mẫu SP-LB sau khi chế tạo xong. 16
Hình 2.11: Máy thử va đập. 18
Hình 2.13: Hình ảnh không gian của tấm sau khi chế tạo xong và mô hình hóa xong 19
Hình 2.14: Cố định tấm kết cấu bằng bulong. 20
Hình 2.16: Nâng, căn chỉnh trọng vật và con dọi. 22

Hình 2.17: Thả trọng vật. 23
Hình 2.19: Mô hình tấm kết cấu và trọng vật trong mô phỏng. 27
Hình 2.20: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-FB. 28
Hình 2.21: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-LB. 28
Hình 2.22: Kết quả phân tích hội tụ mẫu SP-TB. 28
Hình 2.24: Điều kiện biên mô phỏng. 30
Hình 3.1: Vị trí và . 33
Hình 3.2: Hình ảnh mẫu SP-FB sau va đập. 34
Hình 3.3: Hình ảnh mẫu SP-LB sau thử nghiệm. 35
Hình 3.6: Hình dạng mẫu SP-LB sau mô phỏng. 38
Hình 3.7: Hình dạng mẫu SP-TB sau mô phỏng. 39
Hình 3.8: Vị trí để đo chuyển vị 40
Hình 3.9: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-FB. 40
Hình 3.10: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-LB. 41


vii
Hình 3.11: Biểu đồ chuyển vị của của mẫu SP-TB. 41
Hình 3.12:Các giai đoạn chuyển vị của các nút trong quá trình va đập tại nút số 1. . 42
Hình 3.13: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-FB. 43
Hình 3.14: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-LB. 43
Hình 3.15: Biểu đồ năng lượng của của mẫu SP-TB. 44
Hình 3.16: Các giai đoạn của năng lượng nôi tại của tấm. 44
Hình 3.17: Các giai đoạn của năng lượng trọng vật truyền cho tấm. 45
Hình 3.18: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng của mẫu SP-FB 46
Hình 3.19: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu SP-LB. 47
Hình 3.20: So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu SP-TB. 47
Hình 3.21: Mô hình phẩn tử mẫu SP-FB-42. 50
Hình 3.22: Hình dạng mẫu SP-FB-42 sau mô phỏng. 51
Hình 3.23: Đồ thị chuyển vị của các điểm đặt biệt mẫu SP-FB-42. 52

Hình 3.24: Sơ đồ năng lượng của mẫu SP-FB-24. 53
Hình 3.25: Mô hình phẩn tử mẫu SP-FB-84. 54
Hình 3.26: Hình dạng mẫu SP-FB-84 sau mô phỏng. 55
Hình 3.27: Đồ thị chuyển vị mẫu SP-FB-84. 56
Hình 3.28: Đồ thị chuyển vị của các điểm đặt biệt mẫu SP-FB-150. 56
Hình 3.29: Mô hình phần tử mẫu SP-LB-240. 57
Hình3.30: Kết quả mô phỏng mẫu SP-LB-240. 58
Hình 3.31: Sơ đồ chuyển vị của các điểm trong mẫu SP-LB-240. 59



viii
DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường. 10
Bảng 2.2: Yêu cấu đối với thép đóng tàu trong TCVN-6259:2003. 10
Bảng 2.3: Đơn vị SI được dùng. 26
Bảng 2.4 :Các thông số vật liệu cơ bản của tấm kết cấu thép 29
Bảng 2.5: Các giá trị đầu vào của bài toán mô phỏng 31
Bảng 3.1: Thông số cơ bản của các mẫu thực nghiệm. 32
Bảng 3.8 : So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng. 49
Bảng 3.9: Các thông số đầu vào của mẫu SP-FB-42. 50



ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG PHẠM VI ĐỒ ÁN.

STT
CHỮ VIẾT TẮT

CỤM TỪ NGUYÊN
NGHĨA
NGHĨA TIẾNG VIỆT
TƢƠNG ỨNG
1
CAE
Computer Added
Engineering
Phần mếm tính toán và
mô phỏng
2
FB
FlatBar
Nẹp thẳng
3
SP-FB
Stiffened Plate Flatbar

Tấm gia cƣờng bằng các
thanh nẹp thẳng
4
SP-LB
Stiffened Plate L-Bar

Tấm gia cƣờng bằng các
thanh nẹp chữ L
5
SP-TB
Stiffened Plate T-Bar

Tấm gia cƣờng bằng các
thanh nẹp chữ T
6
Internal En
Internal Energy
Năng lƣợng nội tại
7
Kinetic En
Knitic Energy
Năng lƣợng động
8
AISI
American Iron and Steel
Istitut
Trung tâm kiển tra chất
lƣợng thép
9
USA
United State American
Nƣớc Mỹ








1
Chƣơng 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VA ĐẬP TRONG KẾT CẤU TÀU
THỦY.
Ngày nay cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học - công nghệ thế
giới, khoa học - công nghệ trong lĩnh vực hàng hải cũng có những bƣớc tiến vƣợt
bậc. Mặc dù các thiết bị, máy móc hiện đại liên tục đƣợc sử dụng trong việc điều
khiển, mở rộng tầm nhìn khi lái tàu, phát hiện các mục tiêu, mối nguy hiểm ở
khoảng cách xa…nhƣng tai nạn tàu thủy vẫn xảy ra và gây nhiều thiệt hại về ngƣời
và của. Trong đó đáng kể nhất là các dạng tai nạn nhƣ tàu đâm nhau, tàu mắc cạn,
tàu dụng phải băng trôi, tàu dụng đá ngầm…Những hiện tƣợng này đƣợc gọi chung
là va đập trong lĩnh vực hàng hải. Vấn đề này đã đƣợc quan tâm và nghiên cứu từ
hàng thập kỷ qua, đây cũng là lĩnh vực vô cùng quan trọng và rất đƣợc nhiều nhà
khoa học quan tâm trong thiết kế tối ƣu, bởi vì trong các trƣờng hợp tải thì tải va
đập (tải động) luôn gây nguy hiểm hơn nhiều so với tải tĩnh.
Nghiên cứu về va đập của vật rắn tuyệt đối năm 1682, Galilê [1] đã khẳng định
rằng vật rắn khi va đập sẽ sinh ra công. L ý thuyết va đập cổ điển chỉ gần đúng với
thực tế và lý thuyết này không giải thích đƣợc hiện tƣợng biến dạng vị trí ở vùng
tiếp xúc giữa vật va đập và vật bị va đập. Lý thuyết va đập cổ điển không xét đến
quá trình của thời gian va chạm mà đƣợc giới hạn bằng việc xét hiệu ứng tích phân
ở pha đầu và pha cuối.
Vào năm 1881, Hec [1] đƣa ra bài toán ứng suất vị trí đƣợc sinh ra khi có tác
dụng va chạm giữa các vật thể đàn hồi.Tuy nhiên bài toán này chỉ là một bài toán
tĩnh. Nhƣng sau khi bổ sung thêm giới hạn phụ nhƣ vận tốc tƣơng đối của các vật,
ông đã mở rộng miền áp dụng cho các bài toán động lực học cho các vật thể đàn
hồi. Sau đó Luariê và Staerơman [1] với sự nghiên cứu sâu sắc bài toán tiếp xúc đã
chỉ ra rằng cách đặt bài toán va đập là không xác định và nghiệm của Hec là một
trong số nhiều nghiệm thoả mãn hệ phƣơng trình của bài toán va đập.


2
Khi ghiên cứu ứng xử của dầm có chiều dài 2L đƣợc ngàm hai đầu và chịu tác

động tại điểm giữa của dầm bởi một trọng vật M rơi với vận tốc ban đầu Vo,
Norman Join [2] cho rằng vận tốc Vo đƣợc xác định ngay tại thời điểm đầu tiên khi
trọng vật tác động tại điểm giữa của dầm. Do đó để duy trì trạng thái cân bằng, một
lực đàn hồi đƣợc truyền đi từ nhịp giữa của dầm trong khi trọng vật đƣợc giả định
rằng khối M vẫn duy trì một lực lên dầm. Chuyển động xảy ra với hai giai đoạn
khác biệt.
Khi quá trình va đập xảy ra, tức là khi trọng vật M bắt đầu chạm vào dầm thì
biến dạng ngay lập tức đƣợc hình thành tại những điểm tiếp xúc giữa trọng vật và
dầm . Lúc này xuất hiện một dao động từ nhịp giữa của dầm lan truyền ra hai ngàm
và biến dạng của dầm càng lớn tại thời điểm đầu của chuyển động va đập nhƣ hình
(1.1b). Biến dạng của dầm đƣợc duy trì cho đến khi giai đoạn va đập kết thúc. Dầm
sẽ đạt biến dạng lớn nhất ở nhịp giữa do đã đƣợc ngàm tại vị trí hai đầu nhƣ hình
(1.2c)











Hình 1.1 : Va đập của trọng vật lên dầm được ngàm hai đầu


3
Khi nghiên cứu về vật liệu năm 1972, Johnson [3] đã đƣa ra giả thiết rằng, trong
thời gian va đập vô cùng ngắn, yếu tố bên ngoài tác động lên kết cấu đƣợc xem nhƣ

là một vật cứng tuyệt đối, và kết cấu chịu tác động va đập đƣợc xem là vật bị biến
dạng bởi tác động của vật cứng tuyệt đối này. Lúc này bài toán va đập kết cấu đƣợc
đƣa về bài toán xét biến dạng của một tấm kết cấu, chịu va đập bởi vật có hình dạng
xác định.
Ngoài ra các nghiên cứu của Kolsky năm 1963 [4], Karagiozova và Jones năm
1998 [5] về ảnh hƣởng của sóng lực đến kết cấu dƣới tác động của lực va đập, càng
củng cố và khẳng định tính đúng đắn của hƣớng nghiên cứu về thuộc tính, khả năng
hấp thụ khi nghiên cứu về va đập của kết cấu.
Công trình nghiên cứu của Reid và Reddy [6] năm 1983: thử nghiệm tác động
của quán tính đến hệ thống dƣới tác dụng của va đập đã kết luận rằng: Trong thời
gian kết cấu chịu tải va đập, sự phát triển của biến dạng của hệ thống tại từng thời
điểm là không đồng nhất.
Cùng với đó, năm 1999, Paik và Chung [7] khi nghiên cứu về sự phá hủy của ống
cứng dƣới tác động của tĩnh và động lực đã đƣa ra kết quả: trọng lƣợng của trọng
vật hay vận tốc va đập càng lớn thì quán tính càng tăng tuy nhiên không đáng kể khi
so với độ tăng động năng và do đó có thể bỏ qua với điều kiện hệ số biến dạng ɛ chỉ
cần nhỏ hơn 50.
Năm 2003, ông Jeom Kee Paik [8] cho rằng có ma sát có xuất hiện giữa kết cấu
và tải trọng va đập. Trƣờng hợp đơn giản nhất có thể thấy là hiện tƣợng tàu bị mắc
cạn trên các bãi đá ngầm hai hai tàu đụng nhau. Tuy nhiên đối với kết cấu chịu va
đập, quan hệ và ảnh hƣởng của ma sát là rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Mặc khác, va đập cơ học bên ngoài đƣợc định nghĩa là toàn bộ động năng phải
đƣợc kết cấu hấp thụ và bị tiêu hao trong quá trình tàu chuyển động. Điều kiện để
giải quyết bài toán là kết cấu phải có khả năng hấp thụ đƣợc toàn bộ năng lƣợng
đƣợc sinh ra do va đập. Việc phân tích bản chất va đập cơ học là cần thiết để tìm ra
lực gây biến dạng. Từ biến dạng và diện tích xung quanh sẽ có đƣợc các đánh giá về
khả năng hấp thụ các thành phần năng lƣợng va đập.


4

Hiện nay trên thế giới bây giờ nghiên cứu về lĩnh vực va đập này ngày càng phổ
biến, và lại càng đƣợc quan tâm hơn nhiều. Về lĩnh vực tàu thủy, các nhà nghiên
cứu tập trung nhiều vào các trƣờng hợp tai nạn đƣợc xem xét nhƣ các trƣờng hợp
chịu tải nguy hiểm nhất có thể xảy ra. Trong đó phải kể đến va chạm giữa các tàu
với nhau tại vùng mạn tàu hoặc mũi tàu , hoặc va chạm giữa tàu với các vật thể nổi
trên biển nhƣ băng, hay rác bên cạnh đó còn có thể xảy ra trƣờng hợp tàu bị mắc
cạn, hay va chạm với các tảng đá ngầm, san hô Lúc này vùng kết cấu chịu ảnh
hƣởng nhiều nhất chính là vùng đáy tàu. Nói tóm lại, theo sự phân loại về lĩnh vực
va đập kết cấu hàng hải có thể chia theo: va đập quán tính/khối lƣợng (mass impact:
collision, grounding); va chạm áp suất liên tục (repeated pressure impact: slamming,
sloshing, green water); va chạm áp suất kích động (underwater explosion, air blast).
1.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI.
Va đập là một lĩnh vực lớn trong khoa học hàng hải, do điều kiện thời gian và
các trang thiết bị có đƣợc còn hạn chế nên phạm vi nghiên cứu trong đề tài chỉ tập
trung ở tính ứng xử của tấm kết cấu tàu thủy phẳng có nẹp gia cƣờng chịu tác động
của trọng vật rơi tự do từ độ cao h định sẵn. Lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi đề
tài thuộc về lĩnh vực động lực học – va đập. Cụ thể là xác định đƣợc chuyển vị,
năng lƣợng, công sinh ra của tấm kết cấu thép có nẹp gia cƣờng dƣới tác dụng của
trọng vật có khối lƣợng m rơi tự do từ độ cao h bằng cả hai phƣơng pháp thực
nghiệm và mô phỏng.
- Phƣơng pháp thực nghiệm: việc chế tạo mẫu vật đƣợc thực hiện ngay tại
khoa Kỹ thuật giao thông theo thiết kế cho trƣớc bằng các thiết bị có sẵn tại khoa:
máy hàn, máy cắt, máy khoan, máy sơn…Sau khi tiến hành xong thí nghiệm va đập
từng mẫu vật, các hình ảnh đƣợc ghi lại và tiến hành đo đạc, tính toán số liệu để xác
định các đại lƣợng đặc trƣng cho tính ửng xử của vật liệu nhƣ độ biến dạng của tấm
kết cấu có nẹp gia cƣờng, độ biến dạng tƣơng đối của tấm kết cấu, năng lƣợng mất
đi do va đập và công sinh ra trong quá trình va đập.
- Phƣơng pháp mô phỏng : Mỗi thí nghiệm thử va đập trong thực tế đều ghi
lại các thông số: khối lƣợng trọng vật, chiều cao trọng vật so với tấm kết cấu để đƣa

5
vào mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm ABAQUS CAE 6.10. Kết quả nhận
đƣợc sau khi kết thúc quá trình mô phỏng đƣợc thể hiện qua các biểu đồ chuyển vị
tại các vị trí đặc biệt, biểu đồ năng lƣợng của tấm kết cấu.
Có đƣợc kết quả từ thực nghiệm và mô phỏng, việc so sánh những số liệu, hình
ảnh giữa hai nhóm kết quả này sẽ có đƣợc những nhận xét, đánh giá mới về tính
ứng xử của tấm kết cấu có nẹp gia cƣờng nói riêng và của vật liệu thép nói chung.
Mặc dù đƣợc tạo mọi điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài nhƣng do điều
kiện thời gian và cơ sở vật chất hiện có, đề tài chỉ tập trung vào các vấn đề sau:
- Sử dụng thép tấm có độ dày bằng 3 mm để chế tạo ba mẫu vật khác nhau
cho thí nghiệm thử va đập. Ba mẫu vật đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp hàn từ các
tấm kết cấu phẳng và các thanh nẹp gia cƣờng thẳng có kích thƣớc và quy cách
khác nhau.
- Sau khi có đƣợc các mẫu vật thực nghiệm đúng với thiết kế đã đề ra, sử
dụng máy thử va đập đƣợc đặt tại khoa Kỹ thuật giao thông để tiến hành thí
nghiệm thử va đập cho ba mẫu vật khác nhau.
- Sử dụng phần mềm ABAQUS CAE 6.10 để tiến hành mô phỏng lại quá
trình va đập với các điều kiện ban đầu tƣơng tự nhƣ các điều kiện khi tiến hành thí
nghiệm thử va đập: khối lƣợng trọng vật, chiều cao rơi, vận tốc va đập.
- Việc so sánh những kết quả có đƣợc từ thực nghiệm và mô phỏng sẽ chỉ ra
những nhận xét, đánh giá về ứng xử tấm kết cấu khi chịu những điều kiện tác động
từ bên ngoài: vận tốc và khối lƣợng của trọng vật, chiều cao rơi của trọng vật.
- Kết quả của quá trình va đập bao gồm nhiều đại lƣợng với những thông số
khác nhau nhƣng do điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị thí nghiệm không đầy đủ nên
chỉ cho phép ngƣời thực hiện đề tài xác định chuyển vị của tấm kết cấu bằng cách
sử dụng đồng hồ so.
- Những điểm tƣơng đồng có đƣợc giữa kết quả mô phỏng và thực nghiệm
ở các mẫu tƣơng ứng sẽ khẳng định rằng mô hình tính toán là đúng. Để từ đó tiếp
tục sử dụng phần mềm ABAQUS CAE để tiến hành mô phỏng các trƣờng hợp

khác nhau nhằm đa dạng hơn những trƣờng hợp mô phỏng. Thế nên nhiều nhận
định, nhiều nhận xét, đánh giá mới sẽ đƣợc đúc kết.



6
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 LÝ THUYẾT VA ĐẬP
2.1.1 Định nghĩa.
Va đập là một trƣờng hợp đặc biệt của chuyển động cơ học, là sự tác động của 1
vật (vật va đập) lên một vật khác (vật chịu va đập) gây ra những biến đổi về mặt
hình dạng, năng lƣợng, chuyển vị…của vật chịu va đập đặc biệt là các phần tử trong
khu vực tiếp xúc giữa vật va đập và vật chịu va đập. Hiện tƣợng va đập đƣợc gặp
nhiều trong thực tế, nhƣ hai tàu đâm nhau, tàu đâm vào đá ngầm, sự rơi rớt của các
thùng hàng hóa khi đƣợc cẩu nâng lên cao…
2.1.2 Các đặc điểm của quá trình va đập.
Quá trình va đập đƣợc tạo nên bởi hai vật: vật va đập và vật chịu va đập tác động
vào nhau. Vật va đập là tác nhân gây ra va đập cho vật chịu va đập. Vật chịu va đập
sẽ chịu tác động và nhận năng lƣợng va đập từ vật va đập và phản hồi lại tác động
ấy. Hiện tƣợng này xảy ra trong thời gian rất ngắn, khoảng từ 10
-2
s tới 10
-3
s, gọi là
thời gian va đập t.
Thời gian mà quá trình va đập bắt đầu xảy ra và kết thúc tuy rất bé nhƣng độ biến
đổi vận tốc của trọng vật trong thời gian này thì lớn và gia tốc cũng rất lớn. Thế nên
trong quá trình va đập xuất hiện một lực lớn, lực va đập.
Lực va đập rất lớn so với các lực thông thƣờng nhƣ trọng lực, áp lực Lực va
đập rất lớn gây ra sự biến đổi vận tốc của các chất điểm một lƣợng hữu hạn, điều

này đồng nghĩa với nhận định động lƣợng của các chất điểm biến đổi hữu hạn. Thế
nên xung lƣợng của lực va đập là hữu hạn. Trong khi nghiên cứu quá trình va đập,
ngƣời ta không dựa vào lực va đập mà dựa vào xung lực va đập:


S
dtN
t

0

(2.1)
Trong đó:
N

là lực va đập, t là thời gian va đập.
Do hiện tƣợng xảy ra tức thời nên trong khoảng thời gian va đập rất bé, các chất
điểm của cơ hệ di chuyển rất ít đồng thời đoạn di chuyển của các chất điểm trong


7
quá trình va đập là những đại lƣợng bé cùng bậc với thời gian va đập. Nói khác đi,
trong quá trình va đập các chất điểm của cơ hệ di chuyển không đáng kể.
Quan sát quá trình va đập ngƣời ta nhận thấy quá trình va đập tiến triển theo
hai giai đoạn: giai đoạn biến dạng và giai đoạn hồi phục. Giai đoạn biến dạng xảy ra
trong khoảng thời gian bắt đầu từ lúc hai vật vừa tiếp xúc với nhau, do khả năng
biến dạng của chúng, chỗ tiếp xúc hai vật xảy ra quá trình biến dạng từ lúc hai vật
có vận tốc khác nhau và kết thúc khi hai vật có vận tốc bằng nhau. Giai đoạn khôi
phục kéo dài trong khoảng thời gian bắt đầu từ thời điểm cuối của giai đoạn biến
dạng, lúc đó hai vật có vận tốc bằng nhau, do tính chất đàn hổi, các vật có thể lấy lại

hình dạng một phần hoặc hoàn toàn và kết thúc khi hai vật có vận tốc khác nhau,
chúng rời khỏi nhau.
2.1.3 Các giả thiết.
Quá trình va đập là quá trình rất phức tạp. Để đơn giản dựa vào các đặc điểm của
quá trình va đập ngƣời ta đƣa ra các giả thiết sau:
- Trong quá trình va đập chỉ xét các lực va đập, bỏ qua các lực thƣờng.
- Các chất điểm không di chuyển trong quá trình va đập.
- Hệ số khôi phục là hằng số.
2.1.4 Bài toán va đập của trọng vật lên tấm kết cấu tàu thủy.
Lĩnh vực nghiên cứu trong phạm vi đề tài thuộc về động lực học. Tức là xét hiện
tƣợng trọng vật có khối lƣợng m rơi tự do từ độ cao h với vận tốc ban đầu bằng 0
tác dụng lên tấm thép phẳng có nẹp gia cƣờng đƣợc cố bên dƣới bệ của thiết bị thử
bằng các con bulong. Kết thúc quá trình rơi tự đo, trọng vật sẽ đạt đƣợc một vận tốc
mới, cũng chính thời gian này, quá trình va đập bắt đầu xảy ra. Nghĩa là vận tốc ban
đầu của quá trình va đập chính là vận tốc cuối quá trình rơi tự do của trọng vật lên
tấm kết cấu phẳng có nẹp gia cƣờng. Vì thế để xác định giá trị vận tốc vào của quá
trình va đập, cách đơn giản nhất là tính vận tốc cuối cùng của quá trình rơi tự do.
Hình 2.1 biểu thị mô hình trọng vật và tấm kết cấu trong thí nghiệm va đập ở dạng
mặt cắt ngang.


8

Hình 2.1: Mô hình trọng vật trong thí nghiệm va đập.
Áp dụng công thức của phƣơng trình chuyển động thẳng biến đổi đều: `
2
00
2
1
attvx=x 

(2.2)

atvv 
0
(2.3).
Trong đó:
0
x
là tọa độ ban đầu của trọng vật. Chọn gốc tọa độ nằm ngay tại điểm
dƣới cùng của trọng vật thì
0
o
x

x là tọa độ của trọng vật sau thời gian t.
0
v
(m/s) là vận tốc ban đầu của trọng vật (
0
v
= 0).
v (m/s) là vận tốc của trọng vật tại thời gian t.
a (m/s
2
) là gia tốc của trọng vật tại thời điểm t.
Quãng đƣờng chuyển động bằng độ cao rơi ban đầu, gia tốc a bằng gia tốc trọng
trƣờng g. Do đó công thức (2.2) đƣợc viết lại là:
2
2

1
athx 
(2.4).
Từ (1.4) có thể xác định đƣợc thời gian rơi của trọng vật :
g
h
t
2

(2.5)
Thay công thức (2.5) vào (23), vận tốc đƣợc tính nhƣ sau:
ghgtv 2
(2.6)
Định luật bảo toàn cơ năng: năng lƣợng không tự sinh ra mà cũng không tự mất


9
đi, năng lƣợng đƣợc chuyển từ dạng này sang dạng khác.
Dƣới tác dụng va đập của trọng vật, tấm kết cấu bị lõm xuống do có một công
đƣợc sinh ra. Công này đƣợc tính bởi công thức

cos dFdFA 


. (2.7)

Hình 2.2: Lực
F

và chuyển vị

d

.
Với
F

là lực mà trọng vật tác động lên tấm kết cấu và lực này chính bằng trọng
lực P của trọng vật. Nghĩa là F=P=mg.

d

là độ dịch chuyển của tấm kết cấu sau khi chịu va đập từ trọng vật.


là góc đƣợc tạo bởi hai véc tơ
F

và
d

. Trong trƣờng hợp này
0

do
phƣơng của hai véc tơ
F

và
d


trùng nhau.
Do đó công đƣợc tính là A=F.d (2.8)
Động năng của trọng vật ở cuối quá trình rơi
2
2
mv
W 
(2.9).
2.1.5 Kết cấu thép tấm có nẹp gia cƣờng.
2.1.5.1 Tổng quan về vật liệu thép sử dụng trong đóng tàu.
Thép làm vỏ tàu thƣờng là thép cacbon, chứa từ 0.15% đến 0.23% cacbon
cùng lƣợng mangan cao. Hai thành phần gồm lƣu huỳnh và phốt pho trong thép
đóng tàu phải thấp nhất, dƣới 0.05%. Từ năm 1959 các đăng kiểm đồng ý tiêu
chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng trong ngành
này, trên cơ sở đảm bảo chất lƣợng. Theo tiêu chuẩn đã đƣợc chấp nhận này, có
năm cấp thép, từ kĩ thuật bằng tiếng Anh viết là grade, chất lƣợng khác nhau. Đó là
cấp A, B, C, D và E. Thép cấp B đƣợc dùng tại những vùng nhạy cảm, những nơi
yêu cầu tấm có chiều dày lớn. Theo cách ghi trọng qui phạm do Đăng kiểm Việt
Nam đƣa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “phân loại thép’, Điều 3.1.2-Qui phạm
phân cấp và đóng tàu biển võ thép, 2003, gồm A, B, C, D. [9]


10
Những yêu cầu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thƣờng.
Bảng 2.1: Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường.

A
B
D
E

Cacbon (%)
≤ 0.21
≤ 0.21
≤ 0.21
≤ 0.18
Mangan (%)
≤ 0.25
≤ 0.6
≤ 0.6
-
Photpho (%)
≤ 0.35
≤ 0.035
≤ 0.035
≤ 0.035
Lƣu huỳnh (%)
≤ 0.04
≤ 0.04
≤ 0.04
≤ 0.04
Silic (%)
≤ 0.50
≤ 0.35
0.10-0.35
0.10-0.35
Ni, Cr,Cu…(%)
Ít hơn 0.02 %
Độ bền vệt liệu
Giới hạn bền tất cả các nhóm:
)/5004100(/490400

22
cmkGmmN 

Thép hình nhóm A: 400-550 N/mm
2
Giới hạn chảy của tất cả các nhóm: 235 N/mm
2
(2400kG/cm
2
).
Thép nhóm A, dày trên 25 mm: 220N/mm
2
(2250 kG/cm
2
).
Trong tài liệu chính thức do Đăng kiểm Việt Nam ban hành, yêu cầu chung cho
tất cả 4 cấp, theo TCVN-6259-7:2003 [9] là:
Bảng 2.2: Yêu cấu đối với thép đóng tàu trong TCVN-6259:2003.
Cấp thép
Thử kéo
Giới hạn chảy
(N/mm
2
)
Giới hạn bền
(N/mm
2
)
Độ giãn dài
(%)

A
≥ 235
400÷520
≥ 22
B
D
E
Nguồn cung cấp thép khá đa dang và phong phú. Chọn thép có kết cấu cần biết
xuất sứ và các tiêu chuẩn dùng thép đƣợc chọn. Một số hệ thống quy tắc bắt buộc áp
dụng khi dùng thép sản xuất tại USA (United State American) có thể kể sau đây. Hệ
thống phân loại quan trọng nhất của USA là AISI (American Iron and Steel Istitut),
theo hệ thống này, cấp thép đƣợc dùng bốn con số để chỉ. Số thứ nhất chỉ cacbon,


11
con số thứ hai chỉ lƣợng phần trăm hợp chất chính yếu trong đó. Ví dụ 10XX chỉ
thép cacbon. Hai con số cuối chỉ lƣợng cacbon, tính bằng phần trăm, ví dụ AISI
1040 chỉ thép cacbon chứa 0.04% cacbon.
2.1.5.2 Kết cấu của các mẫu thí nghiệm.
Tấm kết cấu có nẹp gia cƣờng trong phạm vi đồ án có chiều dài bằng chiều
rộng bằng 760 mm tuy nhiên khu vực tính toán chỉ là 560x560. Khu vực tính toán
đƣợc gia cƣờng thêm ba thanh gia cƣờng ở mỗi mẫu, các thanh gia cƣờng cách nhau
140 mm.

Hình 2.3: Khu vực tính toán của các mẫu vật.
Việc thực nghiệm đƣợc tiến hành trên máy thử va đập, ở Khoa Kỹ thuật giao
thông, trƣờng Đại học Nha Trang với ba loại mẫu thử là các tấm đƣợc gia cƣờng bởi
các nẹp gia cƣờng là các thanh Flatbar (FB) có tên SP-FB (Stiffened Plate Flatbar),
thép chữ L có tên SP-LB (Stiffened Plate L-Bar) và thép chữ T có tên SP-TB
(Stiffened Plate T-Bar) có hình dáng mặt cắt ngang nhƣ hình 2.4. Các mẫu thí

nghiệm chịu tác dụng của trọng vật rơi tự do từ độ cao định sẵn. Sau khi quá trình
va đập kết thúc, các giá trị biến dạng của tấm kết cấu (chuyển vị, hình dạng) sẽ
đƣợc thu thập một cách chính xác bằng hình ảnh và bằng dụng cụ đo.


12

Hình 2.4: Các mẫu trong thực nghiệm.
Dƣới tác dụng va đập của trọng vật, kết cấu thép dễ bị phá hủy hơn so với tải
trọng tĩnh. Đặc điểm sau va chạm của kết cấu thép ảnh hƣởng đáng kể bởi các
thông số ban đầu: khối lƣợng trọng vật, vận tốc của trọng vật…và tính chất của
vật liệu thép.
Khi động năng từ bên ngoài lớn, bài toán đƣợc giải quyết bằng cách thêm vào
các yếu tố quan hệ động học. Quá trình phân tích động học kết cấu cũng tƣơng tự
nhƣ phân tích tĩnh học, ngoại trừ vận tốc đƣợc sử dụng để thể hiện chuyển động của
kết cấu trong động học thay cho biến dạng trong tĩnh học. Bài toán động học có các
điều kiện thêm vào nhƣ quán tính, điều kiện biên để đƣợc giải quyết. Vấn đề đƣợc
giải quyết khi điều kiện biến dạng với vận tốc giả định phù hợp. Có thể nói rằng khả
năng đàn hồi của trọng vật có thể đƣợc bỏ khi lực tác động lớn hơn đáng kể với khả
năng hấp thụ của tấm thử, và coi là toàn bộ quá trình va đập đủ ngắn để xem là
tƣơng đƣơng với kết cấu ngoài tự nhiên.


13

Hình 2.5 Giản đồ Lực kéo – chuyển vị của một mẫu thử kéo.
Ở hình 2.5, mối quan hệ giữa lực kéo – chuyển vị của vật liệu đƣợc thể hiện rất
rõ. Ở vùng 1, vật liệu trở lại trạng thái ban đầu sau khi ngắt tải, ở vùng 2 vật liệu trở
về một phần trạng thái ban đầu sau ngắt tải (vừa biến dạng đàn hồi, vừa biến dạng
dẻo), vùng 3 vật liệu biến dạng dẻo, không còn khả năng phục hồi nhƣ vùng 2. Từ

vùng 4 trở đi, lực kéo giảm xuống nhƣng biến dạng vẫn tăng lên, cho đến mức bị
phá hủy.
Đối với mô phỏng – phân tích trên máy, sử dụng phần mềm ABAQUS CAE 6.10
[10], với các ràng buộc và điều kiện tƣơng tự thực nghiệm, đồng thời thêm vào
phần mềm các thông số của vật liệu thép, từ đó thu lại các giá trị tƣơng ứng với thực
nghiệm để tiến hành so sánh.
Cuối cùng, các nhận định và kết luận đƣợc đƣa ra sau khi thực hiện xong việc so
sánh và đánh giá những kết quả có đƣợc từ các mẫu thực nghiệm và mẫu mô phỏng
tƣơng ứng. Để từ đó chỉ ra những hạn chế, sai sót trong quá trình thực hiện và đƣa
ra các đề xuất, ý kiến.



14
2.2 TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM.
2.2.1 Chế tạo mẫu vật
2.2.1.1 Giới thiệu mẫu vật.
Đáy tàu là khu vực chịu tác động nhiều nhất từ các hiện tƣợng tàu bị mắc cạn,
đụng đá ngầm. Do đó khi nghiên cứu về va đập trong phạm vi đồ án, các dạng mẫu
vật đƣợc đề xuất nhƣ hình 2.6.

Tên mẫu
Hình dạng
Chú thích
MẪU
SP-FB

- Tấm: 560x560x3.
- Nẹp gia cƣờng:60x3.
- Khoảng cách nẹp: 140mm.

MẪU
SP-LB

- Tấm kết cấu: 560x560x3.
- Nẹp gia cƣờng: L60x60x3.
- Khoảng cách nẹp: 140mm.
MẪU
SP-TB

- Tấm kết cấu: 560x560x3.
- Nẹp gia cƣờng: T40x40x3.
- Khoảng cách nẹp: 140mm.
Hình 2.6: Hình dạng các mẫu vật trong thí nghiệm.


15
2.2.1.2 Chuẩn bị.
Mẫu vật đƣợc dùng trong thí nghiệm thử va đập đƣợc chế tạo bằng cách sử dụng
các máy móc và thiết bị sau: Máy cắt thép tấm, máy dập thép, máy hàn, máy sơn,
máy khoan lỗ và một số dụng cụ hỗ trợ nhƣ búa, kềm, ghi đông, thƣớc thẳng, thƣớc
góc, thƣớc dây….
2.2.1.3 Quy trình chế tạo các mẫu.
- Vạch dấu lắp ráp lên các tấm thép: Thép tấm có kích thƣớc 760x760x3
nhƣng khu vực tính toán chỉ là 560x560, do đó để chế tạo đƣợc chính xác mẫu vật
phải dùng bút xóa hoặc phấn vạch dấu lên tấm thép.

Hình 2.7: Vạch dấu lắp ráp.
- Tiến hành hàn gắn các thanh kết cấu vào trong các tấm.

Hình 2.8: Mẫu SP-FB sau khi chế tạo xong.