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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG





HUỲNH HỮU THÁI LÂM



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




LUẬN VĂN THẠC SĨ






KHÁNH HÒA, 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG




HUỲNH HỮU THÁI LÂM

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
Mã ngành: 60520116
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC


TS. HUỲNH VĂN VŨ

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
KHOA SAU ĐẠI HỌC




KHÁNH HÒA, 2014


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.


Tác giả





Huỳnh Hữu Thái Lâm




i

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Trang
MỤC LỤC i
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU iv
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3
1.2. Tình hình nghiên cứu 7
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc 7

1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc 15
1.3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu, mục tiêu, phƣơng pháp nghiên cứu
và nội dung cụ thể 18
1.3.1. Đối tƣợng nghiên cứu 18
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 19
1.3.3. Mục tiêu 19
1.3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 19
1.3.5. Nội dung cụ thể 19
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21
2.1. Lý thuyết va chạm 21
2.1.1. Định nghĩa 21
2.1.2. Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va
chạm 22
2.1.2.1. Định lý biến thiên động lƣợng 22
2.1.2.2. Định lý biến thiên mômen động lƣợng 23
2.1.2.3. Định lý động năng 23
2.2. Đƣờng cong ứng suất – biến dạng 24
2.3. Tổng quan về vật liệu thép sử dụng trong đóng tàu 25
2.4. Tổng quan các quy định và tiêu chuẩn hiện hành về tai nạn đâm va
tàu 27
ii

2.4.1. Các tiêu chuẩn của Vƣơng quốc Anh 27
2.4.2. Đăng kiểm DNV 28
2.4.3. Tiêu chuẩn NORSOK 30
2.5. Các phƣơng pháp giải bài toán đâm va giữa hai tàu 32
2.5.1. Ngoại động lực tàu 32
2.5.2. Nội động lực 35
2.5.2.1. Phƣơng pháp thống kê 35
2.5.2.2. Phƣơng pháp đơn giản hóa 36

2.5.2.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 37
2.5.2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm 47
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49
3.1. Kết quả mô phỏng đối với trƣờng hợp va đập của trọng vật lên tấm
kết cấu có nẹp gia cƣờng. 49
3.2. Mô phỏng tai nạn đâm va giữa mũi tàu và mạn đôi tàu vỏ thép 56
3.2.1. Kịch bản xảy ra tai nạn đâm va 56
3.2.2. Các bƣớc mô hình hóa 59
3.2.3. Kết quả mô phỏng bài toán va chạm giữa mũi tàu vỏ thép
với kết cấu mạn đôi của tàu 20.000 DWT bị tai nạn đâm va 68
3.3.2.1. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH1V11 68
3.3.2.2. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH2V11 và TH3V11 77
3.3.2.3. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH1V5, TH2V5 và
TH3V5 86
3.3.2.4. Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trƣờng hợp
TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 92
3.3.2.5. Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trƣờng hợp
TH1’V5 101
3.3. So sánh các kết quả mô phỏng 106
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 109
4.1. Kết luận 109
4.2. Đề xuất 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
PHỤ LỤC 116
iii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ viết
tắt

Cụm từ nguyên nghĩa
Nghĩa Tiếng Việt
1
FE
Finite Elemnet
Phần tử hữu hạn
2
FEM
Finite Elemnet Method
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
3
CAD
Computer Aided Design

4
CAE
Computer Aided Engineering

5
CAM
Computer Aided Manufacturing

6
FB
FlatBar
Nẹp thẳng
7
SP-FB
Stiffened Plate Flatbar
Tấm gia cƣờng bằng các

thanh nẹp thẳng
8
SP-LB
Stiffened Plate L-Bar
Tấm gia cƣờng bằng các
thanh nẹp thẳng

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thƣờng 26
Bảng 2.2. Yêu cấu đối với thép đóng tàu 26
Bảng 2.3. Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 27
Bảng 2.4. Đơn vị SI 43
Bảng 3.1. Các thông số vật liệu cơ bản của tấm kết cấu thép 50
Bảng 3.2. Các giá trị đầu vào của bài toán mô phỏng 51
Bảng 3.3. Ký hiệu các trƣờng hợp tai nạn đâm va 58
Bảng 3.4. Kích thƣớc cụ thể của mô hình mạn tàu 60
Bảng 3.5. Kích thƣớc cụ thể của mô hình hình học mũi quả lê 61
Bảng 3.6. Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 64
Bảng 3.7. Điều kiện biên của mô hình 67
Bảng 3.8. Các thông số ban đầu của bài toán 68
Bảng 3.9. So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V11, TH2V11 và TH3V11 85
Bảng 3.10. So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 90
Bảng 3.11. So sánh năng lƣợng tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 92
Bảng 3.12. Vị trí phá hủy kết cấu theo độ lõm đâm va và nội năng sau khi kết
thúc đâm va tại TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 101
Bảng 3.13. Thông số vật liệu của thép tấm AISI 1045 102
Bảng 3.14. So sánh 2 trƣờng hợp TH1’V5 và TH1V5 106

Bảng 3.15. Tổng hợp các kết quả mô phỏng cho trƣờng hợp có V = 5 hl/h 107
Bảng 3.16. So sánh các kết quả 108

v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Sự phát triển của thƣơng mại quốc tế trên đƣờng biển tính theo năm 4
Hình 1.2. Tàu LPG Carrier M/T Gas Roman đâm vào khoang hàng số 4 của tàu
M/V Springbok, 2003 5
Hình 1.3. Mật độ các tàu vận chuyển trên biển và các khu vực bị tổn thất 5
Hình 1.4. (a) Tổng tổn thất của các loại tàu năm 2000-2010; (b) Nguyên nhân
tổn thất năm 2000-2010 6
Hình 1.5. Hai tàu đâm va nhau ở bên mạn (collision) 7
Hình 1.6. Thực nghiệm của Amdahl và Kavlie 9
Hình 1.7. Mô hình phần tử hữu hạn của Amdahl và Kavlie 9
Hình 1.8. Kết quả phân tích trên máy tính của Amdahl và Kavlie 10
Hình 1.9. Mô hình phần tử trên Abaqus của Kwísniewski 10
Hình 1.10. Kết quả mô phỏng trên Abaqus của Kwísniewski 11
Hình 1.11. Mô hình phần tử đƣợc chia lƣới đạt (a) và kết quả sau khi tác động (b) 12
Hình 1.12. So sánh kết quả giữa thử nghiệm và phần mềm 12
Hình 1.13. (a) Mô hình mạn tàu chở hàng và (b) mũi quả lê tàu chở dầu 13
Hình 1.14. (a) Mớn nƣớc thay đổi của hai tàu, (b) 04 trƣờng hợp giả sử cho kịch
bản đâm va và (c) kết quả 14
Hình 1.15.(a) Mô hình một phần kết cấu vỏ sà lan và (b) kết quả sau khi mô
phỏng 15
Hình 1.16. Các mẫu trong thực nghiệm 16
Hình 1.17. Máy thử va đập 17
Hình 1.18. Trọng vật 17
Hình 1.19. So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu 17

Hình 2.1. Đƣờng cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất – biến dạng 24
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa độ bền và năng lƣợng tiêu hao. 29
Hình 2.3. Sự phân bố năng lƣợng sau khi đâm va 32
Hình 2.4. Các chuyển động của tàu thủy 33
Hình 2.5. Hệ tọa độ dùng để phân tích của Zhang 35
Hình 2.6. Đơn giản hóa kết cấu mũi tàu chở dầu 2.000 tấn, Kierkegaard, 1993 37
Hình 2.7. Mô phỏng tai nạn đâm va tàu bằng FEM của Kitamura 38
vi

Hình 2.8. Rời rạc hóa miền khảo sát 40
Hình 2.9. Mô hình hóa: (a) Mô hình hình học và (b) Mô hình phần tử 44
Hình 2.10. Công tác chuẩn bị thực nghiệm đâm va tàu ở Đức (1988) 47
Hình 2.11. Thực nghiệm đâm va tàu theo điều kiện thực ở Phần Lan (1998) 48
Hình 3.1. Mô hình hình học mẫu bị va đập. 49
Hình 3.2. Mô hình hình học mẫu va đập. 49
Hình 3.3. Mô hình phần tử của mô hình 50
Hình 3.4. Điều kiện biên mô phỏng. 50
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng giữa trọng vật và tấm có nẹp gia cƣờng đều có thể
biến dạng. 51
Hình 3.6. Kết quả biến dạng sau mô phỏng của tấm có nẹp gia cƣờng. 52
Hình 3.7. Hình ảnh mô phỏng mẫu vật va đập, (a) Trạng thái ban đầu; (b) trạng
thái sau khi va đập 52
Hình 3.8. Vị trí để đo chuyển vị của tấm có nẹp gia cƣờng (a) và trọng vật (b) 53
Hình 3.9. Biểu đồ chuyển vị của tấm gia cƣờng 54
Hình 3.10. Biểu đồ chuyển vị của trọng vật 54
Hình 3.11. Biểu đồ năng lƣợng của cả quá trình va đập 55
Hình 3.12. Biểu đồ vận tốc của tấm gia cƣờng và trọng vật 56
Hình 3.13. Kịch bản tai nạn đâm va 57
Hình 3.14. Trƣờng hợp 1: Hai đối tƣợng có cùng mớn nƣớc
T

= 0 57
Hình 3.15. Trƣờng hợp 2: Hai đối tƣợng có sự chênh lệch mớn nƣớc
T
=1.800mm 58
Hình 3.16. Trƣờng hợp 3: Hai đối tƣợng có sự chênh lệch mớn nƣớc
T
=3.900mm 58
Hình 3.17. Một số kết cấu chính mạn đôi vỏ thép tại Sƣờn 144. 59
Hình 3.18. Mô hình hình học mạn tàu 20.000 DWT (a) Tổng thể và (b) kết cấu
bên trong 60
Hình 3.19. Mô hình hình học mũi quả lê là vật rắn tuyệt đối 61
Hình 3.20. Mô hình hình học mũi quả lê có thể biến dạng. 61
Hình 3.21. Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va là vật tuyệt đối cứng 62
Hình 3.22. Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va có thể biến dạng 62
Hình 3.23. Mô hình phần tử mạn tàu 20.000 DWT 63
vii

Hình 3.24. Đƣờng cong lực và độ dãn dài của mẫu thép cấp A 12 mm 64
Hình 3.25. Chiều dày vỏ ngoài của mạn đôi tàu bị đâm va 65
Hình 3.26. Đặt thuộc tính và gán chiều dày chi tiết cho mạn đôi tàu bị đâm va. 66
Hình 3.27. Dầm đơn chịu tải trọng tập trung giữa dầm. 67
Hình 3.28. Toàn cảnh mô hình trƣớc khi xảy ra va chạm trong TH1V11 68
Hình 3.29. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V11 69
Hình 3.30. Toàn cảnh bên ngoài mô hình sau khi kết thúc va chạm ở TH1V11 69
Hình 3.31. Toàn cảnh bên trong mô hình sau khi kết thúc va chạm ở TH1V11 70
Hình 3.32. Mặt cắt ngang tại sƣờn 144 (a); kết cấu bên trong (b) với điểm A1 và
B1 có độ lõm bằng 0 ở TH1V11 71
Hình 3.33. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 (a); kết
cấu bên trong (b) với điểm A1 = 911 mm và B1 = 283 mm trong TH1V11 72
Hình 3.34. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 (a) và

kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 1877 mm và B1 = 1011 mm trong TH1V11 73
Hình 3.35. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 (a) và
kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 2487 mm và B1 = 1990 mm trong TH1V11 74
Hình 3.36. Độ lõm đâm va tại điểm A1 và điểm B1 của TH1V11 75
Hình 3.37. Đƣờng cong độ lõm do va chạm và vận tốc va chạm của mô hình. 75
Hình 3.38. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm do
va chạm của mô hình trong TH1V11 76
Hình 3.39. Hình dạng mô hình trƣớc khi xảy ra va chạm ở (a) TH2V11 và (b)
TH3V11 77
Hình 3.40. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH2V11(a) và
TH3V11(b) 78
Hình 3.41. Độ lõm ban đầu của kết cấu tại mặt cắt ngang sƣờn 144 và kết cấu
bên trong với điểm A2 và điểm A3 bằng 0 mm tƣơng ứng trong TH2V11 (a) và
TH3V11 (b) 79
Hình 3.42. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang sƣờn 144 và kết cấu
bên trong với điểm A2 = 1185 mm với TH2V11 (a) và A3 = 1911 mm với
TH3V11 (b) 80
viii

Hình 3.43. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong tại điểm A2 = 2011mm của TH2V11 (a) và A3 = 2436mm của
TH3V11 (b) 81
Hình 3.44. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong tại điểm A2 = 2412 mm của TH2V11 (a) và A3 = 2887 mm của
TH3V11 (b) 82
Hình 3.45. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại điểm A2 của TH2V11. 83
Hình 3.46. Đƣờng cong vận tốc đâm va tại điểm A3 của TH3V11 83
Hình 3.47. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm
đâm va của mô hình tại điểm A2 của TH2V11 84
Hình 3.48. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm

đâm va của mô hình tại điểm A3 của TH3V11 85
Hình 3.49. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V5(a), TH2V5(b)
và TH3V5 (c) 87
Hình 3.50. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong với điểm tại TH1V5 (a), TH2V5 (b) và TH3V5 (c) 88
Hình 3.51. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5 89
Hình 3.52. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A2 của TH2V5 89
Hình 3.53. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A3 của TH3V5 90
Hình 3.54. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH1V5 91
Hình 3.55. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A2 của TH2V5 91
Hình 3.56. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A3 của TH3V5 92
Hình 3.57. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V5F(a),
TH2V5F(b) và TH3V5F (c) 93
Hình 3.58. Biến dạng tôn vỏ ngoài: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F; (c)
TH2V5F và (d) TH3V5F 94
Hình 3.59. Biến dạng kết cấu bên trong: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F;
(c) TH2V5F và (d) TH3V5F 95
Hình 3.60. Ứng suất vỏ ngoài mũi quả lê: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F;
(c) TH2V5F và (d) TH3V5F 96
Hình 3.61. Ứng suất kết cấu bên trong mũi quả lê: (a) Trạng thái ban đầu; (b)
TH1V5F; (c) TH2V5F và (d) TH3V5F 97
ix

Hình 3.62. Độ lõm đâm va tại các điểm A1, A2, A3 tƣơng ứng M1, M2, M3 97
Hình 3.63. Quan hệ giữa độ lõm đâm va tại các điểm A1, A2, A3 và M1, M2,
M3 tại ba trƣờng hợp TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 98
Hình 3.64. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5F 98
Hình 3.65. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A2 của TH2V5F 99
Hình 3.66. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A3 của TH3V5F 99
Hình 3.67. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH2V5F 100

Hình 3.68. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A2 của TH2V5F 100
Hình 3.69. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A3 của TH3V5F 101
Hình 3.70. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1’V5(a) và
TH1V5(b) 103
Hình 3.71. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong với điểm tại TH1’V5 (a) và TH1V5 (b) 103
Hình 3.72. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1’ của TH1’V5 104
Hình 3.73. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5 105
Hình 3.74. Đƣờng cong động năng và nội năng tại A1’ của TH1’V5 105
Hình 3.75. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH1V5 106
Hình 3.76. Biểu đồ tổng hợp độ lõm đâm va tại các trƣờng hợp (đơn vị mm) 107
Hình 3.77. Biểu đồ tổng hợp nội năng đối với các trƣờng hợp (đơn vị MJ) 108
Hình 4.1. Sự lan truyền ứng suất trong trƣờng hợp TH2V5 110
1

LỜI MỞ ĐẦU

Nƣớc ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế
mạnh để ngành hàng hải Việt Nam phát triển, cùng với nhu cầu phát triển chung của
ngành kinh tế vận tải biển ngày càng tăng, kéo theo đội tàu biển tăng cả về số lƣợng
cũng nhƣ về tổng dung tích. 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 DWT và có xu hƣớng phát triển mạnh trong thời gian tới [13]. Nhƣng
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 [9]. Tai nạn đâm va thƣờng đem đến những hậu quả rất thảm khốc, ngoài việc
gây thiệt hại về con ngƣời và tài sản, tai nạn đâm va có thể dẫn đến hủy hoại môi
trƣờng, ảnh hƣởng đến cuộc sống của con ngƣời.
Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của các vụ 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. Nhƣng sự cập

nhật và thay đổi của các tiêu chuẩn, các quy định cho việc thực hiện thiết kế kết cấu
tàu lại phụ thuộc quá nhiều vào thống kê, đây là một vấn đề khó khăn đòi hỏi phải áp
dụng nhiều nghiên cứu thực nghiệm để dự báo các tai nạn, các rủi ro trong quá trình
vận hành tàu. Trong nghiên cứu của đề tài này sẽ đề cập đến một khía cạnh của vấn đề
đó, với việc phân tích mô phỏng quá trình đâm va mạn tàu (ship collision) với kết cấu
tàu đã đƣợc mô hình hóa, sẽ dự báo đƣợc các hiện tƣợng xảy ra đối với kết cấu tàu
trong và sau quá trình này.
Nhằm mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời ứng
dụng máy tính vào nghiên cứu mô phỏng độ bền kết cấu tàu do va đập, vấn đề này đối
với nghiên cứu thực nghiệm rất khó thực hiện vì phụ thuộc vào quá nhiều điều kiện.
Do đó, tôi đã mạnh dạn đề xuất với Khoa Kỹ thuật Giao thông, trƣờng Đại học Nha
Trang thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu mạn
đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va”.
Luận văn đƣợc bố cục thành 4 Chƣơng:
Chƣơng 1. Tổng quan nghiên cứu.
Chƣơng 2. Cơ sơ lý thuyết.
Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu.
2

Chƣơng 4. Kết luận và Đề xuất.
Mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, nhƣng đây là lần đầu độc lập
thực hiện một công trình mang tính tổng hợp và nghiên cứu khoa học, với kiến thức
bản thân còn hạn chế, tài liệu tham khảo chƣa đầy đủ và chủ yếu dịch từ các tài liệu
nƣớc ngoài nên khó tránh khỏi những sai sót.
Rất mong đƣợc quý Thầy và đồng nghiệp góp ý chân thành để luận văn đƣợc
hoàn thiện hơn.
Nhân dịp này, cho phép tôi đƣợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành đối với
TS.Huỳnh Văn Vũ đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hƣớng dẫn trong suốt quá
trình nghiên cứu, cùng quý Thầy trong khoa Kỹ thuật Giao thông, trong bộ môn Kỹ
thuật Tàu thủy, cùng Lãnh đạo Cơ quan, bạn bè và gia đình đã động viên và hỗ trợ tôi

hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.


Khánh Hòa, ngày 07 tháng 01 năm 2015
Học viên



Huỳnh Hữu Thái Lâm



3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Lịch sử đã và đang khẳng định vận tải biển là ngành có ảnh hƣởng mạnh mẽ
đến sự phát triển và giữ vị trí quan trọng hàng đầu trong nền kinh tế toàn cầu. Theo
thống kê năm 2012 của IMO (International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải
quốc tế), ngành kinh tế vận tải biển đang chiếm hơn 90% lƣu chuyển thƣơng mại hàng
hóa toàn cầu [14], ngành vận tải biển là một cấu thành quan trọng bậc nhất của hệ
thống hạ tầng kinh tế, hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của mỗi quốc gia. Lịch sử phát
triển các quốc gia hàng đầu thế giới nhƣ Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Hoa
Kỳ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, … đều có sự đóng góp to lớn của ngành
vận tải biển.
Các đại dƣơng rộng lớn trên thế giới hiện đang đón nhận ngày càng nhiều loại
tàu biển với rất nhiều kích cỡ khác nhau và hoạt động tấp nập suốt ngày đêm. Các
trung tâm hàng hải có mật độ vận chuyển dày đặc nhất thế giới có mặt tại khắp tất cả
đại dƣơng và vùng biển lớn. Từ các trung tâm này, đội tàu thế giới vận chuyển hàng

hóa đến tất cả các nƣớc và vùng lãnh thổ trên thế giới. Cùng với các loại hình vận tải
khác nhƣ hàng không, đƣờng sắt, đƣờng bộ, đƣờng ống, thì ngành vận tải biển đã
đảm nhận vai trò luân chuyển các loại hàng hóa vừa có khối lƣợng và dung tích lớn,
vừa có khoảng cách xa nhƣ: dầu thô và các sản phẩm hóa dầu, quặng sắt, than đá, ngũ
cốc, quặng kim loại, gỗ, xi măng, thép sản phẩm, phân bón, nông sản, đƣờng,… do các
tàu dầu và tàu hàng khô đủ các kích cỡ đảm nhận.
Trong tƣơng lai, ngành hàng hải thế giới tiếp tục phát triển các loại tàu khách,
tàu du lịch cỡ lớn đƣa khách đến các vùng biển đẹp, cũng nhƣ các tàu phá băng để
khai thác những vùng biển nhiều tài nguyên ở hai cực Trái đất.
Thống kê của UNCTAD (United Nations Conference On Trade And
Development – Hội nghị Thương mại và Phát triển Liên hiệp quốc) đánh giá về ngành
hàng hải năm 2010, theo đó, tổng lƣợng hàng hóa chuyên chở đối với các loại tàu là
8.408 triệu tấn, trong đó chuyên chở dầu (Oil tanker) chiếm 32,7%, hàng tổng hợp
(Main bulk carrier) chiếm 27,7% và các loại hàng khô khác (Other dry cargo) chiếm
39,6% [16].
4


Hình 1.1. Sự phát triển của thương mại quốc tế trên đường biển tính theo năm [16]
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thế giới trên tất cả
các lĩnh vực, trong đó, lĩnh vực hàng hải cũng có những bƣớc tiến vƣợt bậc. Mặc dù,
các thiết bị điện tử và máy móc hiện đại liên tục đƣợc nâng cấp và 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 hàng hải vẫn xảy ra do đâm va hoặc các sự cố liên
quan gây hậu quả chết ngƣời, mất tích, bị thƣơng, thiệt hại đối với hàng hóa, hành lý,
tài sản trên tàu, cầu cảng và các công trình, thiết bị khác, làm cho tàu bị hƣ hỏng, chìm
đắm, phá hủy, cháy nổ, mắc cạn hoặc gây ô nhiễm môi trƣờng làm đảo lộn cuộc sống
đối với ngƣời dân sống ven biển.
5

Hình 1.2. Tàu LPG Carrier M/T Gas Roman đâm vào khoang hàng số 4 của tàu M/V
Springbok, 2003. [38]
Theo số liệu thống kê của cơ quan Đăng kiểm Anh LR (Lloyd’s Register) từ
năm 2000 đến năm 2010, tổng thiệt hại về hàng hóa của các tàu chở hàng chiếm trên
50%, đại diện cho 20% số lƣợng tàu trên thế giới. Nguyên nhân thiệt hại, theo số liệu
thống kê của Cơ quan an toàn hàng hải Châu Âu [16], giai đoạn từ năm 2007-2010 chỉ
có 6% các vụ tai nạn ở Châu Âu liên quan đến tai nạn chìm tàu, tai nạn đâm va và mắc
cạn là tai nạn phổ biến hơn tới 71% các vụ tai nạn trong vùng biển châu Âu. Trên thế
giới, giai đoạn từ năm 2000-2010, nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến các thiệt hại
chủ yếu là tai nạn chìm tàu chiếm tới 49%; đâm va chiếm 12%; còn các nguyên nhân
do thân tàu, máy móc chỉ chiếm khoảng 2%.

Hình 1.3. Mật độ các tàu vận chuyển trên biển và các khu vực bị tổn thất [16]
6


(a)

(b)
Hình 1.4. (a) Tổng tổn thất của các loại tàu năm 2000-2010; (b) Nguyên nhân tổn thất
năm 2000-2010 [16]
Nƣớc ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế
mạnh để ngành hàng hải Việt Nam phát triển. Tuy nhiên, qua thống kê các năm gần
đây của Cục Hàng hải Việt Nam, tai nạn đâm va chiếm tới trên 80% các vụ tai nạn
hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt Nam [9]. Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của
các 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, đây là một vấn đề khó khăn, đòi hỏi áp dụng nhiều nghiên cứu
kết hợp với khả năng dự báo các rủi ro sẽ xảy ra bằng các phƣơng pháp khác nhau,

trong đó nghiên cứu mô phỏng là hƣớng lựa chọn chủ yếu hiện nay.
Nhằm mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời ứng
dụng máy tính vào nghiên cứu mô phỏng độ bền kết cấu tàu do va đập, tác giả đã
mạnh dạn thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu
mạn đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va”. Ngoài việc đánh giá độ bền
của kết cấu mạn đôi tàu sau tai nạn đâm va qua mô phỏng trên mô hình lựa chọn, kết
quả nghiên cứu còn cho biết đƣợc khả năng chịu đựng và hình dạng của kết cấu mạn
đôi tàu vỏ thép sau tai nạn đâm va, từ đó có thể đƣa ra các biện pháp cải tiến về kết cấu
cũng nhƣ vật liệu phù hợp hơn.
7


Hình 1.5. Hai tàu đâm va nhau ở bên mạn (collision)
1.2. Tình hình nghiên cứu
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc
Năm 2011, Miguel Angel Gonzales Calle, Marcilio Alves [29] đã tổng hợp các
nghiên cứu về tai nạn đâm va giữa hai tàu bằng phƣơng pháp phân tích FEM, nhƣ sau:
- Nghiên cứu đầu tiên đối với một mô phỏng tai nạn đâm va tàu, sử dụng
phƣơng pháp FEM đƣợc thực hiện vào năm 1992 bởi Lenselink và Thung, bằng cách
mô phỏng một tai nạn đâm va dựa trên một thử nghiệm va đập theo đúng thực tế của
tai nạn, có phƣơng vuông góc nhau, một mô hình biến dạng ba chiều thô sơ đƣợc tạo
ra gần khu vực va chạm và mô hình còn lại đƣợc xem nhƣ vật tuyệt đối cứng. Các lực
cản của nƣớc đƣợc trang bị bởi 26 bộ giảm sốc, với một lực ngang đƣợc xem nhƣ
tƣơng đƣơng với vận tốc, gắn lên tàu bị đâm va, đây là một mô hình phá hủy vật liệu,
kết quả mô phỏng tƣơng đƣơng với thực nghiệm khi các vết nứt bắt đầu xuất hiện.
Năm 1995, Carlebur đã phát triển một mô hình và cũng dựa trên các thực nghiệm
tƣơng tự.
- Cũng vào năm 1995, Porter và Ammerman đã mô phỏng một vụ tai nạn đâm
va tàu và đánh giá dựa trên bốn chế độ vận tốc đâm va khác nhau từ 5 đến 15m/s,
nhƣng kết quả mô phỏng không xé rách đƣợc thân tàu. Một năm sau năm 1996,

Ammerman và Daidola đã phát triển một mô hình FEM tƣơng tự với tai nạn đâm va
tàu để so sánh với phƣơng pháp của TSAMC (Tanker Structural Analysis for Minor
Tàu đâm va
(Striking ship)
Tàu bị đâm va
(Struck ship)
8

Collisions) và phƣơng pháp Minorsky.
Mặc dù, đã có những nỗ lực, nhƣng các mô hình phần tử hữu hạn hấp thụ nhiều
năng lƣợng hơn so với các mô hình khác, hai khó khăn chủ yếu trong mô hình đầu tiên
đó là thiếu đi một mô hình phá hủy tƣơng xứng (các kết cấu bị biến dạng lớn không bị
xé rách) và đánh giá thấp các lực thủy động trong một vụ va chạm. Vào năm 1959,
Minorsky đã đề nghị tăng thêm 40% khối lƣợng do lực cản thủy động, nhƣng có một
số nhà nghiên cứu lại đề nghị khác, chẳng hạn nhƣ năm 1966, Motora đã đƣa ra khối
lƣợng bổ sung tăng hơn 150%.
- Năm 1999, Servis và Samuelides đã mô phỏng tai nạn đâm va với mạn tàu của
tàu Ro-Ro bằng một mũi quả lê đƣợc xem nhƣ cứng tuyệt đối sử dụng phƣơng pháp
FEM. Để đánh giá mô phỏng này, hai mô hình thực nghiệm đƣợc tạo ra để so sánh.
Đầu tiên là một mũi tàu tạo bởi hai cạnh đâm va vào một bên của sàn gia cƣờng, và
thứ hai, một mũi tàu quả lê đâm va vào một tấm gia cƣờng, các giá trị đã đƣợc xem xét
và đánh giá là đúng so với thực nghiệm. Ngoài ra, Servis và Samuelides đã phát triển
thành một phƣơng pháp phân tích số - thực nghiệm với sự va chạm giữa mũi quả lê với
hai trƣờng hợp, một trƣờng hợp tàu đứng yên và một trƣờng hợp tàu thả trôi tự do để
mô phỏng thủy động.
- Vào năm 2000, Brown và các công sự đã trình bày một bản tóm tắt các trình
tự nhằm công nhận dự báo rủi ro là có căn cứ khoa học, dự báo trạng thái của kết cấu
trong một vụ tai nạn đâm va tàu, nhằm ngăn chặn sự cố tràn dầu và giảm thiểu sự thiệt
hại của kết cấu.
- Cũng vào năm 2000, Kitamura O. đã phát triển các phân tích FE để đánh giá

sự cải thiện về khả năng hấp thụ năng lƣợng khi giới thiệu một hệ thống đệm chống va
cho mũi quả lê. Thiết kế thay đổi về hình thức và gia cƣờng thêm cho mũi quả lê đã
đƣợc xem xét và đánh giá, độ bền tới hạn và năng lƣợng hấp thụ của mũi tàu và mạn
tàu đƣợc đƣa ra đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng. Sau đó vào năm 2002, Kitamura
đã mô phỏng một vụ tai nạn đâm va sử dụng mô hình FE bao gồm 720.000 phần tử.
Các phƣơng pháp mô phỏng đã chỉ ra một số yếu tố không chắc chắn liên quan đến
phƣơng pháp phân tích đơn giản.
Ngoài ra, còn một số nghiên cứu gần giống với đề tài, cụ thể:
1) Năm 2002, nghiên cứu mô phỏng thiệt hại trong tai nạn đâm va tàu của
K.Wísniewski [24].
9

Để kiểm chứng cho vấn đề mô phỏng, K.Wísniewski đã sử dụng thực nghiệm
của Amdahl và Kavlie về va đập của một vật cứng hình côn với một mô hình cụm kết
cấu thân tàu mạn kép, Amdahl và Kavlie cũng đã phân tích và so sánh kết quả thực
nghiệm trên máy tính và có kết quả (xem Hình 1.7, 1.8, và 1.9).

Hình 1.6. Thực nghiệm của Amdahl và Kavlie [24]

Hình 1.7. Mô hình phần tử hữu hạn của Amdahl và Kavlie [24]

10


Hình 1.8. Kết quả phân tích trên máy tính của Amdahl và Kavlie [24]
Dựa vào kết quả đó, K.Wísniewski đã mô phỏng tai nạn đâm va của một mũi
tàu Container 40.000 DWT đâm vào một bên mạn của tàu dầu 105.400 DWT một góc
90
0
với vận tốc 7 knots (3,6 m/s), mũi tàu đƣợc mô hình hóa nhƣ một vật tuyệt đối

cứng. Mục đích nghiên cứu của K.Wísniewski là sử dụng phần mềm
ABAQUS/Explicit để xem xét, đánh giá mức độ phá hủy kết cấu dựa các thông số: mô
hình vật liệu, hệ số ma sát với sự tiếp xúc giữa các tàu và vận tốc ban đầu của tàu đâm
va. Và kết quả đạt đƣợc nhƣ sau:

Hình 1.9. Mô hình phần tử trên Abaqus của Kwísniewski. [24]
11


Hình 1.10. Kết quả mô phỏng trên Abaqus của Kwísniewski. [24]
2) Năm 2003, trong nghiên cứu của Wu [37], đã đề xuất phƣơng pháp phần tử
hữu hạn là một công cụ mạnh mẽ để đánh giá tai nạn đâm va tàu. Wu dự báo, việc ứng
dụng mô phỏng bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn sẽ đƣợc nghiên cứu nhiều trong
thời gian đến, Wu cho rằng với sự phát triển rất nhanh của công nghệ máy tính và khả
năng ứng dụng của các phần mềm mô phỏng phân tích các bài toán bằng phƣơng pháp
phần tử hữu hạn là lựa chọn khả thi.
3) Năm 2006, O. Ozgue [31], cho rằng mô phỏng tai nạn đâm va giữa hai tàu
vẫn còn đối mặt với một số khó khăn trong việc cung cấp các kết quả chƣa đáng tin
cậy. Độ chính xác của các kết quả mô hình số phụ thuộc nhiều vào việc khai báo đúng
hiện tƣợng xảy ra và phải kiểm soát cẩn thận một số thông số quan trọng nhƣ tiêu
chuẩn phá hủy, phi tuyến tính, loại phần tử, hệ số ma sát, và sự chia mịn lƣới phần tử.
Do đó, Ozgue đã thực hiện các một nghiên cứu nhằm đánh giá các thông số va chạm
trên và cung cấp các hƣớng dẫn để thực hiện các bài toán mô phỏng khi sử dụng phần
mềm phần tử hữu hạn, sau đây là kết quả của nghiên cứu này:
Ozgue đã sử dụng một mô hình thử của ISSC (International Ship and Offshore
Structures Congress) làm chuẩn, nó bao gồm đầy đủ các chi tiết và thông số để ứng
dụng cho công cụ phần tử hữu hạn. Mô hình thử của ISSC đƣợc Hiệp hội cải tiến kết
cấu của Công nghiệp đóng tàu Nhật Bản (Association of Structural Improvement of
Shipbuilding Industry of Japan) thực hiện việc thử nghiệm, một trong các thử nghiệm
là một mô hình kết cấu thép mạn đôi bị đâm va bởi một mô hình mũi quả lê. Trong thử

nghiệm đó, mô hình mũi quả lê đƣợc mô hình là hình trụ côn, đƣợc rơi tự do từ độ cao
4,8m với vận tốc va đập là 9,7m/s. Và kết quả nhƣ trong Hình 1.11 và Hình 1.12.
12


(a)


(b)
Hình 1.11. Mô hình phần tử được chia lưới đạt (a) và kết quả sau khi tác động (b)[31]


Hình 1.12. So sánh kết quả giữa thử nghiệm và phần mềm [31]
Ozgue đã có nhận xét: Giữa thực nghiệm và ứng dụng phần mềm FEM tƣơng
đƣơng nhau [31]. Từ đó Ozgue đã thực hiện một nghiên cứu mô phỏng cho một mạn
tàu chở hàng loại Capsizes bị đâm va bởi một mũi quả lê thuộc loại tàu chở dầu
Aframax đƣợc xem nhƣ tuyệt đối cứng. Và Ozgue đã đƣa ra 4 trƣờng hợp giả sử cho
kịch bản tai nạn đâm va, và kết quả nhƣ Hình 1.13 và Hình 1.14:
13



(a)
(b)
Hình 1.13. (a) Mô hình mạn tàu chở hàng và (b) mũi quả lê tàu chở dầu [31]

(a)
Trƣờng hợp 1