Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
0 0 0




LƯƠNG VĂN THẠCH





NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CỤC BỘ
KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO MÔ HÌNH
TỔNG THỂ




ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY

Nha Trang, tháng 07 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
0 0 0




LƯƠNG VĂN THẠCH





NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CỤC BỘ
KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO MÔ HÌNH
TỔNG THỂ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC


CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY














Nha Trang, tháng 07 năm 2013


GVHD : PGS.TS TRẦN GIA THÁI



NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Thạch Lớp: 51TT-DT2
Chuyên ngành: Đóng tàu thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông
Tên đề tài: “
Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng
thể
”
Số trang: 65 Số chương: 4 Số tài liệu kham khảo: 6
Hiện vật: 3 quyển báo cáo, 1 quyển hướng dẫn sử dụng Maestro, 1 quyển dịch Maestro, 1 usb.

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN







Kết luận:







ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


PGS.TS TRẦN GIA THÁI






PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Thạch Lớp: 51TT-DT2
Ngành: Đóng tàu thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông
Tên đề tài: “
Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng
thể
”
Số trang: 65 Số chương: 4 Số tài liệu kham khảo: 6
Hiện vật: 3 quyển báo cáo, 1 quyển hướng dẫn sử dụng Maestro, 1 quyển dịch Maestro, 1 usb.


NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Đánh giá chung:







ĐIỂM CHUNG
Bằng chữ Bằng số

ĐIỂM
Bằng chữ Bằng số

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013
CÁN BỘ PHẢN BIỆN

Nha Trang, ngày … tháng … năm 2013
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG





M ỤC L ỤC

MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2
1.2.Tình hình nghiên cứu 2
1.3 .Mục tiêu phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài 2
1.3.1.Mục tiêu 2
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 2
1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài 3
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu 4
2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu. 4
2.1.2.Bài toán phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu: 5
2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu: 6
2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu 6
2.2.1.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép 6
2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn 7
2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp 8
2.3.Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn 8
2.3.1.Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn 8
2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo
phương pháp phần tử hữu hạn 9
2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8 11
2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn. 11
2.4.2. Giới thiệu về Maestro 9.0.8 14
Chương III: Kết quả nghiên cứu 17
3.1.Giới thiệu chung về tàu tính toán. 17


3.1.1.Các thông số chính 17

3.1.2.Đặc điểm kết cấu. 17
3.2.Ứng dụng phần mềm Maestro 9.0.8 vào giải bài toán bền kết cấu thân tàu
cụ thể 24
3.3.Giải bài toán tính bền cục bộ theo mô hình tổng thể 31
3.3.1.Kết quả mô hình hóa 31
3.3.2.Phân bố tải trọng 35
3.3.3.Đặt điều kiện biên 37
3.3.4.Xây dựng mô hình sóng tính toán: 38
3.4.Thảo luận kết quả nghiên cứu 38
3.4.1.TH1 100% tải, không dằn trên nước tĩnh 38
3.4.2 TH2 100% tải, không dằn trên đáy sóng 42
3.4.3 TH3 100% tải, không dằn trên đỉnh sóng. 46
3.4.4 TH4 100% dằn, không tải trên nước tĩnh 50
3.4.5.TH5 100% dằn, không tải trên đáy sóng 54
3.4.6.TH6 100% dằn, không tải trên đỉnh sóng. 58
3.5.Kiểm tra độ bền cục bộ của khung dàn đáy 62
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 63
4.1.Kết luận: 63
4.2.Đề xuất. 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu 4
Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh 5
Hình 2.3.Cấu trúc mô hình trong Maestro 16
Hình 3.1.Biểu tượng của Maestro 24
Hình 3.2.Giao diện của Maestro 24
Hình 3.3.Hộp thoại khai báo thông tin công việc 25
Hình 3.4.Hộp thoại đặt đơn vị 25
Hình 3.5.Hộp thoại khai báo vật liệu 26
Hình 3.6.Hộp thoại khai báo đặc trưng của tấm 26
Hình 3.7.Hộp thoại đặc trưng tấm sau khi khai báo xong 27
Hình 3.8.Các kích thước đo trên mặt cắt ngang 27
Hình 3.9.Hộp thoại EndPoint 28
Hình 3.10.Dãy EndPoint sau khi tạo 28
Hình 3.11.Các dãy Endpoint của của sườn sau khi tạo xong 29
Hình 3.12.Hộp thoại Compounds 29
Hình 3.13.Các điểm EndPoint sau khi rải compound 30
Hình 3.14.Hộp thoại Strakes 30
Hình 3.15.Tấm strake tôn đáy trong có chiều dày là 13mm theo bản vẽ 31
Hình 3.16.Mặt cắt ngang giữa tàu của tàu dầu 13500DWT 32
Hình 3.17.Đo các kích thước trên mặt cắt ngang 32
Hình 3.18.Mặt cắt ngang mô hình trong Maestro 33
Hình 3.19.Mô hình tàu dầu 13500 DWT trong Maestro theo phần tử hữu hạn 33
Hình 3.20.Mô hình hóa khung dàn đáy giữa tàu (sườn 86 đến 92) 34
Hình 3.21.Biểu đồ màu thể hiện độ dày của tấm 34
Hình 3.22.Vị trí các khoang dầu 36
Hình 3.23.Vị trí các két dằn 37

Hình 3.24.Hộp thoại đặt điều kiện biên trong maestro 37
Hình 3.25.Mô hình tàu TH1 38


Hình 3.26.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm tàu TH1 38
Hình 3.27.Phân bố lực nổi TH1 39
Hình 3.28.Phân bố tổng trọng lượng TH1 39
Hình 3.29.Biến dạng của khung dàn đáy TH1 41
Hình 3.30.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH1 41
Hình 3.31.Mô hình tàu TH2 42
Hình 3.32.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm tàu TH2 42
Hình 3.34.Phân bố tổng trọng lượng TH2 43
Hình 3.35.Biến dạn của khung dàn đáy TH2 45
Hình 3.36.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH2 45
Hình 3.37.Mô hình tàu TH3 46
Hình 3.38.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm của tàu TH3 46
Hình 3.39.Phân bố lực nổi TH3 47
Hình 3.40.Phân bố tổng trọng lượng TH3 47
Hình 3.42.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH3 49
Hình 3.43.Mô hình tàu TH4 50
Hình 3.44.Tọa độ tâm nổi và trọng tâm tàu TH4 50
Hình 3.45.Phân bố lực nổi TH4 51
Hình 3.46.Phân bố tổng trọng lượng TH4 51
Hình 3.47.Biến dạng của khung dàn đáy TH4 53
Hình 3.48.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH4 53
Hình 3.49.Mô hình tàu TH5 54
Hình 3.50.Phân bố lực nổi và trong tâm của tàu TH5 54
Hình 3.51.Phân bố lực nổi TH5 55
Hình 3.52.Phân bố tổng trọng lượng TH5 55
Hình 3.53.Biến dạng của khung dàn đáy TH5 57

Hình 3.54.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH5 57
Hình 3.55.Mô hình tàu TH6 58
Hình 3.56.Tọa độ trọng tâm và tâm nổi TH6 58
Hình 3.57.Biểu đồ phân bố lực nổi TH6 59
Hình 3.58.Biểu đồ phân bố tổng trọng lượng TH6 59


Hình 3.59.Biến dạng của khung dàn đáy TH6 61
Hình 3.60.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH6 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1.Quy cách các kết cấu của tàu dầu 13 500DWT 18
Bảng 3.1.Phân bố tải theo chiều dài tàu 35
Bảng 3.2.Phân bố két dằn theo chiều dài tàu 36
Bảng 3.3.Điều kiện biên cho mô hình tính 37
Bảng 3.4. Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH1 40
Bảng 3.5.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH2 44
Bảng 3.6.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH3 48
Bảng 3.7.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH4 52
Bảng 3.8.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH5 56
Bảng 3.9.Giá trị các lực dọc tác dụng lên tàu TH6 60
Bảng 3.10. Tổng hợp kết quả ứng suất và biến dạng của khung dàn đáy 62
1


MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trên con đường công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước. Để
góp phần vào quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước thì không thể không kể
đến ngành công nghiệp đóng tàu.

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi hoạt động trong điều kiện chịu tác dụng
của ngoại lực, phục vụ các mục đích khác nhau của con người. Vì thế, có một con tàu
đóng xong đòi hỏi phải đảm bảo các tính năng của nó. Trong đó tính bền hay còn gọi
là độ bền kết cấu thân tàu là yếu góp phần quan trọng vào việc giúp con tàu có khả
năng chống chịu lại các tác dụng khắc nghiệt của môi trường để đảm bảo cho con tàu
hoặt động bình thường nhằm hạn chế sự thiệt hại về tài sản và tính mạng cho con
người đi tàu. Do đó tôi đã chọn chuyên đề: “Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết
cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” làm đề tài tốt nghiệp. Được sự hướng dẫn của
PGS-TS Trần Gia Thái nội dung thực hiện của đề tài gồm những nội dung sau:
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài với sự hướng dẫn rất tận tình của
PGS-TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, và các thầy trong Bộ môn Đóng Tàu-
Trường Đại học Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề
tài này đúng thời hạn. Tôi xin chân thành cảm ơn!
Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi
những thiếu xót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy và các bạn sinh viên
để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn.
Nha Trang, ngày 11 tháng 7 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Lương Văn Thạch

2


CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có cấu trúc phức tạp gồm nhiều thành

phần kết cấu như đáy, mạn, sườn, vách ngăn, sàn, đà ngang, dầm dọc… hoạt động
trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố như: sóng gió, va đập, tải
trọng trên tàu,… vì vậy việc giải quyết bài toán độ bền thân tàu là cực kì phức tạp và
hầu như chưa có lời giải chính xác.
Trước kia người ta thường giải bài toán bền kết cấu thân tàu theo phương pháp
giải tích, phương pháp này có nhược điểm là mô hình tính không phản ảnh được chính
xác kết cấu đang xét và tốn nhiều thời gian công sức. Do đó hiện nay người ta thường
giải quyết bài toán này phổ biến nhất là phương pháp phần tử hữu hạn. Mô hình tính
theo phương pháp này phản ảnh được kết cấu thực tế nên cho kết quả chính xác hơn.
Đặc biệt hiện nay cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, các phần mềm tính
độ bền thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn cũng đang được phát triển mạnh
mẽ, giúp công việc và khối lượng công việc tính đơn giản hơn nhiều. Nhưng việc
nghiên cứu để ứng dụng một phần mềm vào tính toán độ bền không phải là một công
việc đơn giản. Đó cũng là những lý do tôi sử dụng phần mềm Maestro để đi tính toán
độ bền cục bộ cho kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể trong chuyên đề này.
1.2.Tình hình nghiên cứu
Như đã trình bày bài toán tính bền kết cấu thân tàu là bài toán phức tạp nên một
số nước phát triển như Mỹ, Nga, Nhật…là tiếp cận được bài toán này. Riêng ở Việt
Nam cho tới hiện nay chưa thấy bất kì một công trình nghiên cứu nào liên quan đến
vấn đề này được công bố.
1.3 .Mục tiêu phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài
1.3.1.Mục tiêu
Sử dụng phần mềm Maestro 9.0.8 vào tính toán độ bền kết cấu tàu vỏ thép.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài
Dùng Maestro tính độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể.
Do thành phần ứng suất pháp của quá trình uốn cục bộ khung dàn đáy gây ra rất
quan trọng và có giá trị lớn thứ hai, sau giá trị ứng suất pháp xuất hiện do quá trình
3

uốn chung gây ra, nên trong đề tài này sẽ đi tính bền cục bộ cho khung dàn đáy giữa
tàu (sườn 86 đến sườn 92).
1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài
Thu thập dữ liệu về các đề tài liên quan và các tài liệu liên quan đến chuyên đề
nghiên cứu.
Tìm hiểu lý thuyết về tính bền kết cấu thân tàu.
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Maestro vào tính bền kết cấu thân tàu.

4


CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu.
2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu.
Khi tàu hoạt động các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phương thẳng đứng gồm
các thành phần: trọng lượng bản thân, trang thiết bị, tải trọng, thủy thủ đoàn… hướng
theo chiều trọng lực kéo tàu chìm xuống và lực nổi có hướng ngược lại đẩy tàu nổi lên.
Do lực tác dụng phân bố không đều theo chiều dọc tàu nên mô-men uốn, mô-men
xoắn, lực cắt… có thể xuất hiện trong các kết cấu thân tàu khi tàu hoạt động. Trong đó
mômen uốn dọc ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền chung của tàu.
Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu.

Vì vậy đối với một con tàu khi thiết kế ra phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Đủ bền để kết cấu thân tàu không bị gẫy nứt.
+Đủ cứng để biến dạng không vượt quá giá trị cho phép.
+ Đủ ổn định để hình dạng không bị thay đổi.
Để đảm bảo được điều kiện này thì chúng ta tăng kích thước của con tàu sẽ ảnh
hưởng rất nhiều đến tính năng của con tàu như: tốc độ của con tàu. Vì vậy bài toán
phân tích độ bền có vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo con tàu.
Bài toán phân tích độ bền nhằm giải quyết hai bài toán sau đây:

Bài toán thuận: chúng ta đi kiểm tra và đánh giá độ bền 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 ngoại lực.
Bài toán ngược: chúng ta đi tính toán, lựa chọn hình dạng và kích thước kết cấu
thân tàu một cách hợp lý nhất trên cư sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với
5


chi phí vật liệu là thấp nhất. Tuy nhiên do kết cấu thân tàu là một kết cấu phức tạp
gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau đồng thời còn chịu tác dụng của ngoại lực phức
tạp nên bài toán phân tích độ bền là rất phức tạp. Hiện nay tùy thuộc theo đặc điểm các
mô hình tính có thể chia bài toán phân tích độ bền thân tàu thành hai bài toán chính
như sau:
Bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định: xem toàn bộ
kết cấu thân tàu dưới dạng các thanh thành mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng
của các ngoại lực tương ứng với các ngoại lực tác dụng lên thân tàu. Bài toán tương
đối đơn giản nhưng độ chính xác không cao.
Bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể: theo mô hình
tổng thể kết cấu thân tàu xem như hệ kết cấu không gian gồm nhiều loại hình kết cấu
như: dầm, tấm, khối liên kết với nhau và đặt trên nền đàn hồi. Trong mô hình tính này
các kết cấu khung dàn đáy, mạn,.v v…đều tham gia làm việc đồng thời trong mô hình
tính. Các điều kiện biên được xây dựng trên cơ sở xem vật thể đàn hồi dưới tác dụng
của hai nhóm lực: trọng lượng các tải trọng trên tàu và phản lực của nền đàn hồi chính
là lực đẩy của nước. Mô hình tổng thể thể hiện tương đối chính xác tình trạng làm việc
của con tàu nên kết quả tính toán có độ chính xác cao. Khi đó bài toán phân tích độ
bền phân thành hai nội dung chính: bài toán phân tích độ bền chung và bài toán phân
tích độ bền cục bộ.
2.1.2.Bài toán phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu:
Là bài toán xác định ứng xuất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang
dưới tác dụng của các ngoại lực theo phương thẳng đứng là trọng lượng và lực nổi, quá

trình cho ta ứng xuất chung
1

.

Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh

6


2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu:
Là bài toán xác định giá trị ứng xuất và biến dạng xuất hiện bên trong các kết
cấu đang xét dưới tác dụng của ngoại lực riêng tác dụng lên từng kết cấu đang xét.
Giải bài toán cục bộ dẫn đến giải quyết bài toán cơ học kết cấu cụ thể: kết cấu khung
giàn, dầm nhiều nhịp,.v v… Kết quả xác định được giá trị ứng suất cục bộ
i

(i=2÷n)
và ứng suất tổng hợp tác dụng kết cấu thân tàu



n
i
i
2
1

.
2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

Theo quy định trong quy phạm các nước, sau khi xác định được tiêu chuẩn bền
thích hợp cần tiến hành kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu trong các
trường hợp cụ thể:
- Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp do uốn chung thân
tàu gây ra.
- Kiểm tra theo giá trị mômen giới hạn.
- Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp.
2.2.1.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép
1.Kiểm tra độ bền chung
Kiểm tra độ bền chung theo ứng suất cho phép được thực hiện bằng cách so
sánh giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trong quá trình uốn
chung kết cấu thân tàu với giá trị ứng suất cho phép. Điều kiện để kiểm tra độ bền
chung theo giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp như sau:



 





Y
Y
k
k





max
max

trong đó:

max

: giá trị ứng suất pháp lớn nhất tính tại mép trên và mép dưới dầm tương
đương.

max

: giá trị ứng suất tiếp lớn nhất trong kết cấu đang xét ở khu vực lực cắt lớn
nhất





: giá trị ứng suất pháp cho phép




: giá trị ứng suất tiếp cho phép
7





k
,

k
: giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong quá trình
uốn chung bằng tỷ lệ giá trị ứng suất cho phép so với ứng suất chảy
Y

của vật liệu
(PGS-TS Trần Gia Thái, Sức bền thân tàu, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006,
Bảng 51 trang 332).
2.Kiểm tra độ bền cục bộ
Kiểm tra độ bền cục bộ theo ứng suất cho phép được thực hiện bằng cách so
sánh giá trị ứng suất cục bộ xuất hiện trong kết cấu với giá trị ứng suất cho phép, tính
theo ứng suất chảy
Y

của vật liệu.



 





Ycb
Ycb
k

k





Trong đó:

cb

: giá trị ứng suất pháp cục bộ xuất hiện trong kết cấu

cb

: giá trị ứng suất tiếp cục bộ xuất hiện trong kết cấu


k
,

k
: giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp khi uốn cục bộ
bằng tỷ lệ giá trị ứng suất cho phép so với ứng suất chảy
Y

của vật liệu.
2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn
Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị mômen giới hạn M
gh
thực hiện bằng

cách so sánh giá trị mômen uốn lớn nhất tác dụng lên kết cấu thân tàu với giá trị
mômen uốn giới hạn. Mômen uốn giới hạn nói đây chính là mômen uốn giả thiết mà
khi tác dụng lên thân tàu trong mặt phẳng dọc sẽ gây ra ở các mép ngoài cùng của
thanh tương đương (lớp vỏ ngoài cùng của đáy hoặc boong tại mặt cắt đang xét) ứng
suất nguy hiểm có giá trị bằng giới hạn chảy vật liệu.
Công thức tổng quát như sau:
W
z
I
M
ghYYgh


max

trong đó:
W
gh
, I: giá trị môđun chống uốn nhỏ nhất và giá trị mômen quá tính mặt cắt
ngang dầm tương đương tàu đang xét, xác định trên cơ sở giả thiết giá trị ứng suất xuất
hiện tại lớp xa trục trung hòa nhất bằng giới hạn chảy của vật liệu
z
max
: khoảng cách từ trục trung hòa đến kết cấu cách xa nhất (m)
8



Y


: giá trị gới hạn chảy của vật liệu ở mép ngoài cùng (trên hay dưới) của kết
cấu dọc trong mặt cắt kiểm tra có mômen uốn lớn nhất (MPa)
2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp
Kiểm tra bằng cách so sánh giá trị ứng suất tổng hợp, gồm các ứng suất uốn chung và
ứng suất uốn cục bộ xuất hiện trong các kết cấu với giá trị cho phép.

T
cp
i
iT




4
2
1

trong đó:

T

: giá trị ứng suất pháp tổng hợp, xuất hiện trong các kết cấu vừa tham gia
đảm bảo độ bền chung vừa chịu tác dụng đồng thời của các tải trọng riêng.

T
cp

: giá trị ứng suất cho phép đối với các kết cấu chịu ứng suất tổng hợp.

1

: giá trị ứng suất pháp xuất hiện do quá trình uốn chung gây ra trong kết cấu

i

: giá trị ứng suất pháp xuất hiện do quá trình uốn cục bộ tấm của các khung
dàn gây ra.
2.3.Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn
2.3.1.Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phân tích kết cấu trên cơ sở thay thế kết
cấu thực bằng một mô hình tính rời rạc. Mô hình tính bao gồm một số hữu hạn các
phần tử riêng biệt liên kết với nhau bằng một số hữu hạn các điểm nút, còn ngoài lực
được đưa về các lực lượng tương đương tác dụng tại nút. Phương trình chính tắc được
viết cho các nút của mô hình tính. Kết quả tính sẽ là các trường ứng suất, biến dạng và
chuyển vị tại các điểm nút. So với các phương pháp phân tích truyền thống, phương
pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm nổi bật. Có thể khái quát các ưu điểm chủ yếu
của phương pháp phần tử hữu hạn thay cho những lời giải thích tại sao phương pháp
này ngày càng được áp dụng rộng rãi trong cơ học.
+ Khả năng tự động hóa: tất cả các bài toán cơ học nói chung, xác định ma trận
[K
e
] và ma trận [K] đều được thực hiện bằng phép tính sơ cấp của lý thuyết ma trận và
các toán tử chu trình thể hiện khả năng tự động hóa cao của phương pháp PTHH.
+ Độ tin cậy: ưu điểm thứ hai của phương pháp PTHH là cho kết quả tính đảm
bảo độ tin cậy. Trong phương pháp PTHH, thay thế các kết cấu thực (là hệ liên tục)
bằng một hệ rời rạc bao gồm một số các phần tử riêng biệt liên kết với nhau ở một số
9

hữu hạn các điểm nút dựa trên cơ sở là thừa nhận năng lượng bên trong các mô hình
tính thay thế bằng năng lượng bên trong của kết cấu thực.
Nếu trên biên của các phần tử, điều kiện biên liên tục về lực và chuyển vị được
thỏa mãn (tức là xác định được chính xác các lực tương tác giữa các phần tử lân cận),
thì mô hình thay thế làm việc hoàn toàn giống kết cấu thực.
+ Khả năng áp dụng: có thể xem phương pháp PTHH là một phương pháp vạn
năng. Đó là ưu điểm thứ ba. Áp dụng phương pháp PTHH có thể giải được những bài
toán hết sức phức tạp, thậm chí trước đây dùng các phương pháp khác không giải được.
Trong lĩnh vực cơ học môi trường liên tục, người ta áp dụng phương pháp
PTHH bằng các sở dụng phối hợp các phần tử khác nhau (các phần tử điểm. phần tử
đường. phần tử khối,.v v…) và theo nguyên lý cộng tác dụng, dễ dàng phân tích được
các bài toán kết cấu hỗn hợp, kết cấu có sườn bất kì, kết cấu có hình dạng phức
tạp,.v v… Với bài toán có lỗ khoét, một số tác giả sử dụng khái niệm phần tử ảo để
phân tích và đã cho kết quả đảm bảo độ tin cậy.
2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo
phương pháp phần tử hữu hạn.
1. Mô hình hóa:
Chương trình máy tính: Chương trình máy tính để phân tích theo phương pháp
phần tử hữu hạn phải phù hợp với yêu cầu phân tích dự kiến. Độ tin cậy của chương
trình phải được chứng minh là thoả mãn yêu cầu của Đăng kiểm trước khi tiến hành
việc phân tích.
Việc mô hình hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn tàu tính toán cần phải
tuân theo các bước cơ bản sau đây:
- Mô hình hóa phải tuân theo các bản vẽ của tàu tính toán. Danh mục các bản
vẽ, hồ sơ của tàu tính toán phải rõ ràng, có ghi rõ ngày tháng, kể cả các lần sửa đổi nếu có.
- Mô tả chi tiết các quy tắc mô hình hóa kết cấu và những thay đổi của mô hình
so với kết cấu thực.
- Sơ đồ mô hình của kết cấu, xác đinh mục đích của mô hình hóa:
+ Mô hình tổng thể.
+ Mô hình ước định: 2 khoang, 3 khoang giữa tàu.

- Đặc tính vật liệu, chiều dày tấm.
10


- Đưa ra được khối lượng bản thân tàu tính toán (Nếu có).
- Chia lưới phần tử phải phù hợp với việc phân tích độ bền.
- Chia lưới nhỏ, phân tích độ bền cục bộ cho các khu vực nguy hiểm, nghi vấn
về độ bền.
2.Xác định điều kiện biên, lực tác dụng, các trường hợp tải trọng và phân tích.
- Nêu chi tiết về đặt điều kiện biên.
- Các lực tác dụng lên tàu (Sóng, gió…)
- Các trường hợp tải trọng phân tích: Phân bố lực, khối lượng tải trọng phân bố
tại các khoang, két dằn… Phân bố lực cũng như tải trọng phải tuân theo bản vẽ bố trí
chung.
- Nhập dữ liệu, sau đó chạy phân tích.
3.Xử lí kết quả phân tích:
- Tổng hợp các đồ thị, dữ liệu phần mềm xuất ra
+ Phân bố tải (lực tác dụng).
+ Lực nổi trên sóng (nếu có).
+ Mô men uốn.
+ Lực cắt.
- Tổng hợp biến dạng, ứng suất lớn nhất của tàu tính toán của mỗi trường hợp
tải trọng, từ đó đưa ra kết luận về trường hợp nguy hiểm nhất.
- Đưa ra được vị trí, phần tử có độ biến dạng, ứng suất lớn nhất.
- Đánh giá các giá trị về ứng suất và độ biến dạng: Đưa ra kết luận về độ bền và
các phương pháp sử lí:
+ Dư bền: Đánh giá về độ dư bền, tối ưu hóa kết cấu.
+ Thiếu bền: Tăng độ dày thép, các biện pháp gia cường.
- Đưa ra bản đánh giá chi tiết độ bền.
- Liệt kê các kết quả chỉ rõ sự phù hợp với các tiêu chuẩn thực tế.

- Kết luận.




11


2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8.
2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn.
Các phần mền có khả năng phân tích độ bền tàu bằng phương pháp phần tử hữu
hạn: RDM, SAP, MISA(Nhật), NASTRAN, MAESTRO(Mỹ), ASKA(Đức), ANSYS,
SESAM (Na uy), AMUR(Nga)
+ RDM (Resistances des Materiaux) là phần mềm tính bền bằng phương pháp
phần tử hữu hạn do giáo sư Yves DEBARD ( Đại học Le Mans ) của Pháp viết dùng
để tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán về đàn hồi lực phẳng, truyền
nhiệt uốn tấm….RDM gồm có 3 modun chính:
- Flexion: cho phép tính kết cấu dầm phẳng.
- Ossatures: Cho phép tính kết cấu khung dàn.
- Elements finis: Cho phép tính bài toán đàn hồi phẳng và đối xứng trục, truyền
nhiệt phẳng và đối xứng trục, tấm uốn.
+ SAP 2000 (Structural Analysis Program) là phần mềm áp dụng phương pháp
phần tử hữu hạn trong tính toán cơ học mà người đặt nền móng là Giáo sư Edward
L.Wilson (University Avenue Berkeley, California, USA) . Nó bao gồm các phiên bản
SOLIDSAP, SAP3, SAP IV, SAP80, SAP90, SAP 2000. Trong đó SAP 2000 là một
bước đột phá của họ phần mềm SAP, mà theo CSI tuyên bố SAP 2000 là công nghệ
ngày nay cho tương lai ( technology today for future ). SAP 2000 đã tích hợp các chức
năng phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và chức năng thiết kế kết
cấu thành một. SAP2000 có khả năng tính toán mạnh, hỗ trợ nhiều loại kết cấu làm

việc ở nhiều trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải trọng như: hệ thanh,
hệ tấm vỏ, kết cấu đặc. Các kết cấu có thể làm việc ở các trạng thái đặc biệt như: trạng
thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục, biến dạng lớn. Về vật liệu có thể
mô tả vật liệu đẳng hướng, trực hướng, dị hướng hay vật liệu với các tính chất phi
tuyến. Về mặt tải trọng tác dụng, SAP2000 hỗ trợ rất tốt với sự đa dạng về thể loại đó
là: tĩnh tải với các loại lực, nhiệt độ, gối lún, dự ứng lực…
SAP2000 có 3 cấp khác nhau: Cơ bản – Basic (B), Bổ sung – Plus (P) và Nâng
cao- Advanced (A). Có cả các môđun thêm vào (add-on modules)Cầu-Bridge (BR),
12


Công trình ngoài khơi/sóng – Offshore/wave (OS), Thi công theo giai đoạn – Staged
Construction (SC).
+ STAAD.PRO là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu hàng đầu trên thế giới
được phát triển bởi hãng phần mềm REI và được Bentley mua lại vào năm 2005.
Staad.Pro là một công cụ hoàn hảo tích hợp khả năng phân tích theo phương pháp
phần tử hữu hạn và tối ưu hóa thiết kế, bao gồm giao diện đồ họa trực quan, công cụ
hiển thị và tiêu chuẩn thiết kế quốc tế. Phần mềm STAAD.Pro phù hợp với nhiều dạng
công trình bao gồm Tháp, nhà máy hóa dầu, hầm, cầu, sân vận động, và các công trình
hàng hải,vv
+ ABAQUS là một bộ phần mềm lớn, trong công trình dùng để mô phỏng làm
việc của công trình bằng phương pháp số. Nói cách khác, ABAQUS là bộ phần mềm
thương mại, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) để tính
toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị, giao động,… và các ứng xử khác của công trình
dưới tác động của các ngoại và nội lực, các lực tĩnh và động.
Abaqus là phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người dùng, sử
dụng tương đối đơn giản. Hiện nay Abaqus có hai khối phân tích chủ yếu:
ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn còn có hai khối phân tích
phụ có công dụng đặc biệt ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS>CAE là
khối giao tiếp với người dùng, làm các công tác tiền sử lý như thiết lập mô hình gán

đặc tính và điều kiện biên, phân chia lưới… ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân
tích và sử lý kết quả.
+ ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn
(Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công
nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết
cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính
(preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). ANSYS gồm 03
Modul chính: Ansys Worksbench, CFX, Ansys LS/Dyna.
 Ansys Worksbench: Là Module tính toán hệ cơ khí trong môi trường liên
tục. Việc xây dựng mô hình 3D trên môi trường CAD suất sang môi trường tính toán
13


của Ansys WB và áp đặt các giá trị tải trọng cho phép khai thác các giá trị ứng suất,
biến dạng của hệ. Từ đó cho phép đánh giá khả năng làm việc của cơ cấu.
 CFX: Là Module sử dụng hiệu quả trong việc xác định phân bố lưu lượng và
nhiệt độ trong một dòng chảy.Có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng
nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp.
 Ansys LS/Dyna: là modul giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao
mô phỏng các quá trình va chạm, chế tạo áp lực, các quá trình xảy ra với biến dạng lớn.
+ VISUAL NASTRAN : Một chương trình đầy quyền năng do NASA thực
hiện, có những lệnh và công cụ mạnh giúp người thiết kế có thể xây dựng, mô tả nhiều
đặc trưng của hệ thống cơ, một khi xây dựng xong mô hình, người thiết kế có thể tiến
hành mô phỏng đặt các lực (ngẫu lực, trọng lực, lực tập trung, lực ma sát v.v) lên mô
hình để khảo sát. Với Visual Nastran người dùng có thể:
 Thiết kế thử nghiệm nhiều mẫu mã khác nhau và phân tích thiết kế bằng
cách đo các giá trị lực, moment, gia tốc của bất kỳ chi tiết nào trong hệ thống.
 Cho phép mô phỏng nhiều dạng liên kết cơ bản như liên kết thanh, khớp
quay, tời, rãnh trượt hay các liên kết phức tạp như bánh răng, motor, cơ cấu chấp hành,

lò xo thẳng, lò xo xoắn, giảm chấn v.v.
 Có thể thực hiện, dừng, hiệu chỉnh lại quá trình mô phỏng tại bất kỳ thời điểm nào
 Khả năng mô hình hóa cho các phương pháp phân tích FEM, BEM. Kết quả
có thể xuất ra dưới định dạng vector, giá trị số hay đồ thị với các hệ đơn vị khác nhau.
 Có thể phân tích kết cấu tĩnh cho kết quả biểu đồ nội lực, mô phỏng quá
trình thường gặp trong cuộc sống như tiếp xúc, va chạm, ma sát.
 Các thông số cho quá trình mô phỏng có thể nhập từ nhiều cách khác nhau
như: Từ các ô nhập liệu, thanh trượt, từ bảng tính Excel hay kết quả tính toán từ MatLab.
 Giao tiếp và nhập dữ liệu từ AutoCAD hay kết quả từ các chương trình
CAD-CAM khác như Solid Edge, SolidWorks, Inventor, Catia v.v.
+ SESAM: là bộ phần mềm của DNV dùng để tính toán và kiểm tra bền cho
các kết cấu tàu thủy, công trình biển dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn.Bao gồm
các modun sau: Sesam GeniE, Sesam GeniE Lite, Sesam Hydro D, Sesam DeepC,
Sesam Pipeline, Sesam Wind, Sesam Probability, Sesam SurveySimulator.
14


 SESAM Genie là một công cụ phần mềm dùng để thiết kế và phân tích kết
cấu ngoài khơi và hàng hải làm bằng dầm và tấm.
 SESAM Genie Lite là một công cụ phần mềm dùng để mô hình hóa, phân
tích, xử lý kết quả và kiểm tra các dầm được thực hiện trong môi trường đồ họa tương tự.
 SESAM HydroD là một công cụ cho thủy tĩnh và phân tích thủy động lực học.
 SESAM DeepC là một công cụ để thiết kế neo và ống dẫn cũng như quá
trình hoạt động của các cấu trúc nổi ngoài khơi. Nó sẽ thực hiện phân tích riêng neo
hoặc bao gồm cả các ảnh hưởng từ ống dẫn và tàu.
 SESAM Pipeline là phần mềm dùng để tính bền và phân tích độ bền mỏi của
đường ống ngoài khơi
 SESAM Wind là phần mềm dùng để tính bền và phân tích độ bền mỏi của
tua bin gió ngoài khơi và các cấu trúc phụ.
 Sesam Probability là phương pháp phân tích xác suất theo nhiều loại khác nhau.

+ MAESTRO (Mỹ): Đây là phần mềm do Giáo sư Owen Hughes hình thành
và phát triển, 1982–1983 nó được chuyển đến người sử dụng. MAESTRO là một
chương trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, đánh giá và tối ưu
hóa cấu trúc của tàu, kết cấu ngoài khơi, và các cấu trúc mỏng lớn và phức tạp khác.
2.4.2. Giới thiệu về Maestro 9.0.8


15


MAESTRO 9.0.8 là công cụ thiết kế đặt biệt dành cho các kỹ sư hàng hải và
những người có nhu cầu phân tích đánh giá độ bền trong trạng thái giới hạn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu của bất kì phân tích tích kết là để xác định
chính xác sự thay đổi của kết cấu, cái mà được mô hình hóa với phần tử hữu hạn và
chịu tải trọng nhất định. MAESTRO hoàn thành mục tiêu này thông qua một giao diện
người dùng đồ họa dựa trên Windows giúp người dùng có thể hoàn thành các mô hình
cấu trúc (tiền xử lý), tàu dưới tác dụng của tải trọng, phân tích theo phần tử hữu hạn,
đánh giá trạng thái giới hạn, và sau xử lý.
- MAESTRO là phần mềm có khả năng thiết kế kết cấu một con tàu hoàn chỉnh với:
- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng.
- Đặt tải dựa vào mô hình
- Phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn
- Đánh giá kết cấu
- Tối ưu hóa
- Phân tích theo mô hình lưới tốt
- Tần số tự nhiên.
+ Các module cơ bản của Maestro :
- Modeling/Analysis/Evaluation:Module này bao gồm các công cụ hổ trợ xây
dựng mô hình đồ họa để phát triển mô hình cấu trúc MAESTRO và khả năng sau xử lý
đầy đủ.

- Finemesh Analysis:Module này cho phép người dùng tạo ra lưới FEA 3-D
của bất kì phần nào của mô hình MAESTRO một cách nhanh chóng
- Eigenvalue Solver (Natural Frequency):MAESTRO có thể tính toán tần số
tự nhiên của con tàu trong nước hoặc không khí. Khi phân tích được thực hiện trong
nước, khối lượng tăng thêm của nước được tự động áp dụng cho phần tử ướt.
- Optimization:Module này cho phép người dùng lập trình tuyến tính tuần tự
để thiết kế lại cấu trúc.
- ALPS/ULSAP
- ALPS/HULL
- Nastran Translator
- ANSYS Translator