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

0
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THƠNG


NGUYỄN QUỐC BẢO

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUN NGÀNH ĐĨNG TÀU THỦY

GVHD: PGS.TS. TRẦN GIA THÁI

Nha Trang, 07/2013


1

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................ 0
CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................. 8
1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 8
1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................... 8
1.2.1 Mục tiêu................................................................................................ 8
1.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................... 9
1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài.................................................................... 9
1.3 THỰC TRẠNG HIỆN NAY ....................................................................... 9
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................. 14

2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP ... 14
2.1.1 Các ngoại lực tác dụng lên tàu ........................................................... 14
2.1.2 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nƣớc ........................... 14
2.2 PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ................................................. 15
2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN ................................................ 17
2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU . 18
2.4.1 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép................................. 18
2.4.2 Kiểm tra độ bền theo giá trị mô-men giới hạn .................................. 19
2.4.3 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng ............................... 19
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU....................................................... 20
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU TÍNH TOÁN ........................................ 20
3.1.1 Các thông số chính ............................................................................. 20
3.1.2 Các đặc điểm kết cấu tàu tính toán .................................................... 20
3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH ........................................................... 21
3.2.1 Mô hình hóa ....................................................................................... 21
3.2.2 Phân bố tải trọng. ............................................................................... 28
3.2.3 Điều kiện biên .................................................................................... 31
3.2.4 Đặt sóng.............................................................................................. 32
3.2.5 Phân tích ............................................................................................. 33


2

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH ........................................................................... 34
3.4 NHẬN XÉT ............................................................................................... 46
3.5 KIỂM TRA BỀN ....................................................................................... 47
3.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ............................................................................. 49
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ...................................... 50
4.3 KẾT LUẬN................................................................................................ 50
4.4 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN ................................................................................... 50

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 51


3

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình tấm gia cƣờng...................................................................... 11
Hình 1.2: Tàu Ro Ro đƣợc mô hình hóa – Phần mềm sử dụng MAESTRO.11
Hình 1.3: Mô hình tàu chở hóa chất 4000T – Phần mềm sử dụng Solid work.
............................................................................................................................... 12
Hình 2.1: Các tải trọng tác dụng lên thân tàu.................................................. 14
Hình 2.2: Tàu cân bằng trên nƣớc tĩnh. ........................................................... 15
Hình 2.3: Tàu cân bằng trên sóng. .................................................................... 15
Hình 2.4: Sơ đồ khối của chƣơng trình PTHH. ............................................... 16
Hình 3.1: Thông tin công việc. ........................................................................... 22
Hình 3.2: Đơn vị tính toán. ................................................................................. 22
Hình 3.3: Vật liệu mô hình hóa. ......................................................................... 23
Hình 3.4: Các kích thƣớc chính mặt cắt ngang giữa tàu. ............................... 23
Hình 3.5. Mặt cắt ngang tàu thực và tàu mô hình hóa trong MAESTRO. .. 24
Hình 3.6: Mặt cắt ngang giữa tàu. ..................................................................... 24
Hình 3.7: Sƣờn 75-115 giữa tàu. ........................................................................ 25
Hình 3.8 : Phần mũi tàu. ..................................................................................... 25
Hình 3.9: Phần đuôi và thƣợng tầng. ................................................................ 25
Hình 3.10: Toàn tàu. ........................................................................................... 26
Hình 3.11: Kết cấu bên trong. ............................................................................ 26
Hình 3.12: Biểu đồ màu thể hiện độ dày tấm. .................................................. 27
Hình 3.13: Tổng quan về mô hình. .................................................................... 27
Hình 3.14: Khoang hàng số 4, mạn phải. .......................................................... 28
Hình 3.15: Phân bố tải trọng. Trƣờng hợp 100% tải. ..................................... 28
Hình 3.16: Phân bố két dằn và nƣớc sạch. Trƣờng hợp 100% Ballast. ........ 31

Hình 3.17: Điều kiện biên ................................................................................... 31
Hình 3.18: Bảng đặt sóng.................................................................................... 32
Hình 3.19: Chạy cân bằng. ................................................................................. 33


4

Hình 3.20:Chạy phân tích................................................................................... 33
Hình 3.21: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH1................................... 34
Hình 3.22: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH1. ................. 34
Hình 3.23: Độ biến dạng chung của tàu – TH1. ............................................... 35
Hình 3.24: Ứng suất Von mises – TH1.............................................................. 35
Hình 3.25: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH2................................... 36
Hình 3.26: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH2. ................. 36
Hình 3.27: Độ biến dạng chung của tàu – TH2. ............................................... 37
Hình 3.28: Ứng suất Von mises – TH2.............................................................. 37
Hình 3.29: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH3................................... 38
Hình 3.30: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH3. ................. 38
Hình 3.31: Độ biến dạng chung của tàu – TH3. ............................................... 39
Hình 3.32: Ứng suất Von mises – TH3.............................................................. 39
Hình 3.33: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH4................................... 40
Hình 3.34: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH4. ................. 40
Hình 3.35: Độ biến dạng chung của tàu – TH4. ............................................... 41
Hình 3.36: Ứng suất Von mises – TH4.............................................................. 41
Hình 3.37: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH5................................... 42
Hình 3.38: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH5. ................. 42
Hình 3.39: Độ biến dạng chung của tàu – TH5. ............................................... 43
Hình 3.40: Ứng suất Von mises – TH5.............................................................. 43
Hình 3.41: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH6................................... 44
Hình 3.42: Áp suất nƣớc biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH6. ................. 44

Hình 3.43: Độ biến dạng chung của tàu – TH6. ............................................... 45
Hình 3.44: Ứng suất Vonmisses TH6. ............................................................... 45
Hình 3.45: Mô-men uốn tàu TH2. ..................................................................... 49


5

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Bảng so sánh các kích thƣớc tàu ...................................................... 27
Bảng 3.2: Bảng phân bố tải trọng - TH 100% tải. ........................................... 29
Bảng 3.3: Bảng phân bố khối lƣợng nƣớc - TH 100% Ballast. ...................... 30
Bảng 3.4: Bảng quy định điều kiện biên (theo quy chuẩn Việt Nam QCVN
21: 2010/ BGTVT) ............................................................................................... 31
Bảng 3.5: Bảng tổng hợp kết quả ...................................................................... 46
Bảng 3.6: Giá trị hệ số k. .................................................................................... 48


6

LỜI NÓI ĐẦU
Đóng tàu là ngành công nghiệp nặng, quan trọng, đã và đang phát triển
mạnh ở các quốc gia.
Việt Nam – một nƣớc đang phát triển với điều kiện tự nhiên thuận lợi
cũng phát triển mạnh nền công nghiệp đóng tàu. Với đƣờng bờ biển dài, nhiều
vũng vịnh, nguồn lao động dồi dào, đƣợc đầu tƣ đúng hƣớng là những lợi thế rõ
thấy nhất tại Việt Nam.
Tuy nhiên, trong 3 năm gần đây với sự khủng hoảng của 2 tập đoàn lớn
trong ngành đóng tàu là VINASHIN và VINALINES đã kéo theo nhiều hậu quả
hết sức nghiêm trọng. Ngành công nghiệp đóng tàu bị đình trệ kéo dài, các công
ty đóng tàu vỡ nợ khiến công nhân mất việc, kỹ sƣ mới ra trƣờng không có việc

làm. Đó là điều đáng báo động với nền công nghiệp đóng tàu của nƣớc ta hiện
nay.
Với tôi, là một sinh viên sắp tốt nghiệp đại học hình ảnh “những con tàu
hàng ngàn tấn chinh phục đại dƣơng” thực sự là một niềm đam mê. Với sức khỏe
và khát khao tuổi trẻ tôi nguyện sẽ cố gắng học tập, làm việc, hi vọng góp một
phần công sức của mình để phát triển nền công nghiệp đóng tàu nƣớc nhà, luôn
tin vào môt tƣơng lai tƣơi sáng: công nghiệp đóng tàu của Việt Nam thoát khỏi
khủng hoảng, phát triển đứng đầu khu vực cũng nhƣ trên thế giới.
Tàu thủy là một công trình lớn và đƣợc đóng với chi phí không hề nhỏ, vì
vậy để giảm chi phí đóng tàu đồng thời giảm tối đa trọng lƣợng bản thân, chở
đƣợc tối đa hàng hóa mà vẫn đủ điều kiện hoạt động lâu dài, an toàn cho tàu và
thủy thủ đoàn là một trong những vấn đề lớn đƣợc đầu tƣ nghiên cứu hiện nay.
Đƣợc sự phân công nghiên cứu về độ bền kết cấu tàu thủy với đề tài:
“Nghiên cứu tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng
thể” do PGS.TS Trần Gia Thái hƣớng dẫn thực hiện đã cho ra những kết quả cuối
cùng. Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau:


7

Chƣơng 1: Đặt vấn đề.
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.
Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu.
Chƣơng 4: Kết luận và đề xuất ý kiến.
Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài dƣới sự hƣớng dẫn tận
tình của PGS.TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, các thầy cô trong bộ môn Kỹ
thuật tàu thủy – Trƣờng Đại học Nha Trang cùng các bạn sinh viên, tôi đã hoàn
thành đề tài đúng thời hạn và đƣa ra đƣợc những kết quả sơ bộ.
Do năng lực, kiến thức và thời gian thực hiện có hạn nên đề tài không
tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Rất mong nhận đƣợc góp ý, chỉ bảo của thầy

cô và các bạn để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cám ơn!
Nha Trang, tháng 6 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quốc Bảo


8

CHƢƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tàu thủy là một hệ thống cấu trúc phức tạp gồm các khung dàn đƣợc gia
cƣờng gắn kết với nhau hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt và vô cùng phức
tạp. Chịu tác động bởi nhiều yếu tố bên ngoài nhƣ tải trọng, va đập, sóng, gió…
Vì vậy bài toán tính toán, kiểm tra bền gặp rất nhiều khó khăn, phức tạp và hầu
nhƣ chƣa có lời giải chính xác. Tuy nhiên, bài toán lại đóng một vai trò rất quan
trọng đối với ngành tàu thuyền.
Bài toán tính toán, kiểm tra bền giúp kiểm tra kết cấu thân tàu có đủ điều
kiện hoạt động lâu dài, an toàn cho tàu và thủy thủ đoàn hay không. Đồng thời
giúp giảm chi phí đóng, giảm tối đa trọng lƣợng bản thân, chở đƣợc tối đa hàng
hóa, mang lại hiệu quả tối đa cho ngƣời sử dụng.
Hiện nay có thể tính toán, kiểm tra bền theo quy phạm hoặc theo phƣơng
pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm và máy tính điện tử. Việc tính toán, kiểm
tra bền theo quy phạm là yêu cầu bắt buộc với tất cả các tàu muốn đi vào hoạt
động. Đồng thời các quy phạm cũng quy định lại việc kiểm tra bền theo phƣơng
pháp phần tử hữu hạn là cần thiết.
Các quy phạm quy định, tính toán và kiểm tra độ bền theo các công thức
kinh nghiệm nên kết cấu thƣờng dƣ bền vì vậy phƣơng pháp phần tử hữu hạn là
phƣơng pháp tối ƣu nhất hiện nay để tính toán, kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu.

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu
Mục tiêu đề tài nhằm nghiên cứu, tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ
thép theo mô hình tổng thể bằng phần mềm MAESTRO 9.0.8. Trên cơ sở đó có
thể đánh giá đƣợc khả năng tính toán của phần mềm và xa hơn nữa là giúp bạn
đọc có thể sử dụng phần mềm MAESTRO để tính toán độ bền kết cấu thân tàu.


9

1.2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
- Thu thập dữ liệu về các đề tài liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các phƣơng pháp tính toán, kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu.
- Nghiên cứu phần mềm MAESTRO, thực hiện các bƣớc tính trên phần
mềm, tiến hành giải bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài
Việc tính toán độ bền kết cấu thân tàu là rất rộng, có thể chia ra rất nhiều
loại tàu nhƣ tàu chạy sông, chạy biển, tàu phá băng, tàu du lịch, tàu ngầm… Phụ
thuộc vào công dụng, đặc điểm làm việc của từng loại mà đặc trƣng về kết cấu,
vật liệu đóng của mỗi loại cũng khác nhau. Đề tài này xin phép đƣợc bó hẹp
trong phạm vi tàu có kết cấu vỏ thép. Phần mềm sử dụng là MAESTRO phiên
bản 9.0.8.
Các trƣờng hợp tải trọng tính toán đƣợc ghi rất cụ thể trong các quy phạm,
tuy nhiên nhằm mục đích đơn giản, đề tài chỉ xét đến 2 trƣờng hợp tải trọng nguy
hiểm nhất là: trƣờng hợp 100% tải và 100% dằn trên nƣớc tĩnh và trên sóng.
1.3 THỰC TRẠNG HIỆN NAY
Dựa vào cách mô hình hóa, điều kiện biên và tính toán, ta có thể chia bài
toán ra làm 2 cách giải nhƣ sau:


Theo mô hình ƣớc định: Là thay kết cấu tàu bằng mô hình tính

tƣơng đƣơng, có thể giải đƣợc theo các phƣơng pháp cơ học thông dụng. Trong
bài toán độ bền chung là xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong
các mặt cắt ngang đang xét dƣới tác dụng của ngoại lực theo phƣơng thẳng
đứng.


Ưu điểm:

- Mô hình đơn giản.
- Giảm thiểu đƣợc độ phức tạp của quá trình trính toán.
- Có khả năng tính toán đƣợc bằng tay trong các điều kiện hạn chế về máy
tính và các chƣơng trình phân tích cỡ lớn.


10



Nhược điểm:

- Có nhiều hạn chế nhất là khi phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc
biệt, tàu chuyên dụng hay tàu có kích thƣớc nằm ngoài phạm vi quy định của quy
phạm hiện hành.
- Kết quả phân tích thƣờng ít chính xác.
- Điều kiện biên khắc nghiệt, riêng biệt cho từng phần của mô hình tính.


Theo mô hình tổng thể: Mô hình hóa toàn bộ các kết cấu của tàu.

Toàn bộ kết cấu thân tàu đƣợc xem nhƣ hệ kết cấu không gian đặt trên nền đàn
hồi hoặc sóng, bao gồm nhiều loại kết cấu nhƣ dầm, tấm, vỏ…liên kết với nhau.
Khi đó, các bộ phận kết cấu thân tàu nhƣ khung dàn đáy, boong, mạn, sƣờn và
những chi tiết hình thành chúng nhƣ hệ thống dầm gia cƣờng, các tấm tôn bao
cùng làm việc trong mô hình. Theo xu hƣớng hiện nay, độ bền chung kết cấu
thân tàu thƣờng đƣợc phân tích theo mô hình tổng thể bằng phƣơng pháp tính
hiện đại và hiệu quả nhất là phƣơng pháp phần tử hữu hạn.


Ưu điểm:

- Mô hình tính sát với thực tế.
- Điều kiện biên đơn giản, dễ áp dụng.
- Lực tác dụng và các yếu tố tác động bên ngoài đƣợc mô hình đúng theo
với thực tế.
- Kết quả tính toán có độ chính xác cao bởi phƣơng pháp bảo toàn đƣợc
những tính chất vật lý, cơ học cũng nhƣ đặc điểm liên kết của kết cấu trong mô
hình so với thực tế.


Nhược điểm:

- Đòi hỏi mô hình hóa toàn tàu, tốn nhiều công sức.
- Số liệu phải đƣợc chuẩn bị kỹ lƣỡng.
- Yêu cầu máy tính mạnh, cấu hình cao, phần mềm phân tích lớn.
Đã có nhiều đề tài trong nƣớc cũng nhƣ quốc tế đƣợc công bố về độ bền
kết cấu tàu vỏ thép, dùng phƣơng pháp phần tử hữu hạn mô hình hóa và tính toán
độ bền cho kết quả khả quan. Điển hình nhƣ đề tài: “Ultimate Strength of Plates

11

and Stiffened Panels” (Độ bền tới hạn của tấm và tấm gia cường) – Đề tài
nghiên cứu của giáo sƣ: Jeom Kee Paik trƣờng Đại học quốc gia Pusan, Hàn
Quốc tại Đại học Southampton, vƣơng quốc Anh.

Hình 1.1: Mô hình tấm gia cƣờng.
Bên cạnh đó, với sự phát triển của máy tính điện tử và các phần mềm lớn,
việc mô hình hóa và tính toán độ bền kết cấu thân tàu không dừng lại ở mô hình
ƣớc định mà thay vào đó là mô hình tổng thể với cái nhìn tổng quan, khái quát
hơn. Vấn đề tính toán độ bền kết cấu thân tàu không mới nhƣng việc áp dụng mô
hình tổng thể để tính toán độ bền lại là một vấn đề còn khá mới mẻ.
Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài đƣợc công bố về việc mô hình hóa toàn
tàu, điển hình nhƣ đề tài “Structural analysis of livestock carrier” (Tính toán độ
bền kết cấu tàu Ro Ro) – Đề tài nghiên cứu của J. Andrić, V. Žanić cùng cộng sự.

Hình 1.2: Tàu Ro Ro đƣợc mô hình hóa – Phần mềm sử dụng: MAESTRO.


12

Hay đề tài “Global and Local Strength Analysis in Equivalent Quasistatic Head Waves, for a Tanker Ship Structure, Based on Full Length and 2-3
Cargo Holds 3D-FEM Models”(Tính toán độ bền chung, cục bộ kết cấu thân tàu
trong điều kiện nước tĩnh cho kết cấu tàu chở hóa chất, dựa trên mô hình tổng
thể và mô hình 2-3 khoang giữa tàu) – Đề tài tiến sĩ của Cioarec Dan Sebastian
trƣờng “EMSHIP” Erasmus Mundus Master Course in “Integrated Advanced
Ship Design”.

Hình 1.3: Mô hình tàu chở hóa chất 4000T – Phần mềm sử dụng Solid work.
Ở nƣớc ta hiện nay, vấn đề mô hình hóa tàu theo mô hình tổng thể còn
nhiều hạn chế, chƣa có kết quả nào đƣợc công bố chính thức. Tuy nhiên tại các
nhà máy đóng tàu lớn, công ty liên doanh nƣớc ngoài đƣợc hỗ trợ về nhân lực và
công cụ, vấn đề trên đã đƣợc giải quyết triệt để. Ví dụ điển hình nhƣ việc tính
toán tần số dao động tự nhiên tàu “CAR CARRIER 4900 CARS” đƣợc đóng tại
nhà máy đóng tàu Hạ Long năm 2008.


13

Hình 1.4: Mô hình tàu CAR CARRIER 4900 CARS – Phần mềm mô hình
hóa MSC/PATRAN, phần mềm tính toán MSC/NASTRAN.
Với thực trang hiện nay ở Việt Nam, để tìm đƣợc nguồn nhân lực, phần
mềm tính toán, máy tính điện tử có thể giải quyết vấn đề trên là khó khăn. Nhờ
sự hƣớng dẫn giúp đỡ của PGS.TS Trần Gia Thái tôi đã chọn phƣơng pháp tính
toán là phƣơng pháp phần tử hữu hạn, phần mềm tính toán là MAESTRO để giải
quyết vấn đề này thành công và đƣa ra đƣợc những kết quả sơ bộ. Kết quả nghiên
cứu sẽ đƣợc nêu ra tại các chƣơng sau.


14

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP
2.1.1 Các ngoại lực tác dụng lên tàu
Các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phƣơng thẳng đứng gồm các thành
phần: trọng lƣợng bản thân, trang thiết bị, tải trọng, thủy thủ đoàn… hƣớng theo
chiều trọng lực kéo tàu chìm xuống và lực nổi có hƣớng ngƣợc lại đẩy tàu nổi
lên. Do lực tác dụng phân bố không đều theo chiều dọc tàu nên mô-men uốn, mômen xoắn, lực cắt… có thể xuất hiện trong các kết cấu thân tàu khi tàu hoạt động.

Trong đó mô-men uốn dọc ảnh hƣởng nhiều nhất đến độ bền chung của tàu.

Hình 2.1: Các tải trọng tác dụng lên thân tàu.
2.1.2 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nƣớc
Tàu thủy là một công trình nổi, phức tạp có thể hoạt động trên mặt nƣớc,
chịu tác động của trọng lực và lực nổi. Khi đó tàu có thể nằm cân bằng trên nƣớc
tĩnh hoặc trên sóng.
Tàu nằm cân bằng trên nƣớc tĩnh: Chịu tác động chính của 2 lực là lực nổi
và trọng lực.


15

Hình 2.2: Tàu cân bằng trên nƣớc tĩnh.
Tàu nằm cân bằng trên sóng: Thực tế cho thấy có 2 trƣờng hợp nguy hiểm
nhất là tàu nằm trên đỉnh sóng (hogging) hoặc đáy sóng (sagging). Mô-men uốn
lớn nhất sinh ra ở khu vực giữa tàu.

Hình 2.3: Tàu cân bằng trên sóng.
2.2 PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phƣơng pháp số đặc biệt
hiệu quả dùng để tìm dạng xấp xỉ của một hàm chƣa biết trên từng phần tử thuộc
miền xác định của nó. Do đó phƣơng pháp này rất thích hợp với các bài toán kỹ
thuật có hàm cần tìm xác định trên miền phức tạp, gồm nhiều vùng nhỏ có đặc
tính hình học, vật lý và điều kiện biên khác nhau.
Cơ sở của phƣơng pháp này là tiến hành rời rạc hóa các miền liên tục
phức tạp của bài toán. Các miền liên tục đƣợc chia thành một số hữu hạn miền
con gọi là phần tử. Các phần tử này liên kết với nhau bởi các điểm nút. Trong

16

phạm vi mỗi phần tử, đại lƣợng cần tìm đƣợc lấy gần đúng dƣới dạng một hàm
đơn giản gọi là hàm xấp xỉ.
Trình tự giải bài toán phân tích độ bền của một chƣơng trình tính bằng
phƣơng pháp PTHH thƣờng gồm các khối chính sau:
Đọc dữ liệu đầu vào
- Các thông số cơ học của vật liệu
- Các thông số hình học của kết cấu
- Các thông số điều khiển lƣới
- Tải trọng tác dụng
- Thông tin ghép nối các phần tử
- Điều kiện biên
Tính toán ma trận độ cứng phần tử k
Tính toán véctơ lực nút phần tử f
Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F
Áp đặt điều kiện biên
(Biến đổi các ma trận K và véctơ F)
Giải hệ phƣơng trình KQ = F
(Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)
Tính toán các đại lƣợng khác
(Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)
In kết quả
- In các kết quả mong muốn
- Vẽ các biểu đồ, đồ thị

Hình 2.4: Sơ đồ khối của chƣơng trình PTHH.


17

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN
Hiện nay có rất nhiều phần mềm lớn tính toán bằng phƣơng pháp phần tử
hữu hạn, có thể kể ra nhƣ sau : RDM (Resistances des Materiaux), SAP 2000
(Structural Analysis Program), ABAQUS, ANSYS (Analysis Systems), VISUAL
NASTRAN, SESAM, SOLID WORK, MAESTRO…Các phần mềm trên đều có
thể áp dụng để tính toán độ bền kết cấu thân tàu.
Phần mềm nghiên cứu và sử dụng : MAESTRO phiên bản 9.0.8.

MAESTRO (Mỹ): Đây là phần mềm do Giáo sƣ Owen Hughes hình thành
và phát triển. MAESTRO là một chƣơng trình áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu
hạn để phân tích, đánh giá và tối ƣu hóa kết cấu của tàu, kết cấu ngoài khơi, và
các cấu trúc mỏng, lớn, phức tạp khác. Với việc tối ƣu hóa thuật toán,
MAESTRO cho phép tính toán độ bền kết cấu với thời gian đƣợc rút ngắn đáng
kể. So với các phần mềm cùng loại khác khả năng tính toán và xuất dữ liệu của
MAESTRO cũng vƣợt trội hơn.
 Các tính năng chính của MAESTRO:
- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng, chính xác.
- Đặt tải dựa vào mô hình.
- Phân tích theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
- Đánh giá kết cấu: độ ổn định, tính nổi.
- Tối ƣu hóa.
- Phân tích cục bộ với lƣới mịn.
- Tính toán bền, rung động, ăn mòn tàu thủy.


Ưu điểm:

- Do MAESTRO là phần mềm chuyên dụng về ngành tàu thủy nên
MAESTRO có những lợi thế rõ rệt hơn so với các phần mềm khác: Các phần tử

MAESTRO sử dụng đều đƣợc tối ƣu hóa và sử dụng trong kết cấu tàu thủy. Vì
vậy việc tạo và sửa đổi mô hình lƣới thô rất dễ dàng. Thích hợp với mọi ngƣời
dùng (kể cả với ngƣời dùng biết ít về máy vi tính).


18

- Lực tƣơng tác trên tàu dựa trên: Khoang hàng, yếu tố thủy tĩnh, trong
môi trƣờng thủy động (có khả năng đặt sóng theo mô hình sóng Trochoidal hoặc
Sinuasoidal).
- Có khả năng tự cân bằng, đánh giá độ ổn định, tính nổi của kết cấu. Cho
phép tự động tính toán đƣờng nƣớc thiết kế.
- Kiểm soát trọng lƣợng bản thân kết cấu, trọng lƣợng và phân bố tải, trục
trung hòa, tâm nổi, trọng tâm, áp lực nƣớc biển…
- Đánh giá, điều khiển kết cấu, hợp nhất và tiêu chuẩn cấu trúc tạo ra mô
hình lƣới thô và lƣới mịn.
- Giảm thiểu thời gian tính toán và xuất kết quả.
- Có khả năng truy vấn nhanh: Ứng suất, biến dạng…
- Xuất ra các đồ thị lực nổi, lực cắt, mô-men uốn (theo phƣơng x, y, z).
- Chia lƣới mịn cho phân tích cục bộ mà không phụ thuộc điều kiện biên
của phần cục bộ muốn phân tích (điều kiện biên cục bộ đƣợc MAESTRO tự động
đặt ra, dựa trên điều kiện biên của mô hình tổng thể).
 Nhược điểm:
- Chia lƣới bằng tay.
2.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU
2.4.1 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép
Kiểm tra độ bền chung theo ứng suất 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 cho phép. Điều kiện kiểm tra độ bền chung theo giá trị
ứng suất pháp và ứng suất tiếp nhƣ sau:

σmax

<

[σ] = kσσch

τmax

<

[τ] = kττch

Trong đó:
σmax – Giá trị ứng suất pháp lớn nhất tính tại mép trên và mép dƣới dầm
tƣơng đƣơng.


19

τmax – Giá trị ứng suất tiếp lớn nhất trong kết cấu đang xét ở khu vực có
lực cắt lớn nhất.
[σ], [τ]– Giá trị ứng suất pháp, tiếp cho phép.
kσ, kτ – Giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong quá
trình uốn chung. Đối với các tàu chở dầu: kσ = 0.55 và kτ = 0.3.
2.4.2 Kiểm tra độ bền theo giá trị mô-men giới hạn
Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị mô-men giới hạn Mgh thực
hiện bằng cách so sánh giá trị mô-men uốn lớn nhất tác dụng lên kết cấu thân tàu
với giá trị mô-men uốn giới hạn. Mô-men uốn giới hạn nói ở đây chính là mômen uốn giả thiết mà khi tác dụng lên thân tàu trong mặt phẳng dọc sẽ gây ra ở
mép ngoài cùng các thanh tƣơng đƣơng (lớp vỏ ngoài cùng của đáy hoặc boong
tại mặt cắt đang xét) ứng suất nguy hiểm có giá trị bằng với giới hạn chảy của vật

liệu.
Mmax < Mgh
Trong đó:
Mmax – Mô-men uốn lớn nhất xuất hiện trong mặt cắt ngang thân tàu.
Mgh

– Mô-men uốn giới hạn đối với các kết cấu thân tàu là mô-men gây

ra ứng suất bằng giới hạn phá hủy vật liệu trong các kết cấu cách xa trục trung
hòa nhất hoặc tại thớ ngoài của mặt cắt ngang đang xét.
Đối với các tàu chở dầu:
2.4.3 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng
Tính toán ứng suất tổng lớn nhất theo thuyết bền và so sánh với giá trị ứng
suất cho phép:
Thuyết bền tính theo ứng suất Von mises:


20

CHƢƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU TÍNH TOÁN
3.1.1 Các thông số chính
 Các thông số cơ bản của tàu 13500 DWT:
+ Chiều dài lớn nhất:

Lmax = 145.3 m

+ Chiều dài thiết kế :

LTK = 136.6 m

+ Chiều rộng lớn nhất :

Bmax = 20.8 m

+ Chiều cao mạn :

H = 11.2 m

+ Chiều chìm :

T = 8.45 m

+ Hệ số béo :

CB = 0.755

+ Trọng tải :

Phh = 13500 DWT

+ Vận tốc :

V = 13.5 knots

+ Vật liệu thép đóng tàu:

[σ]ch = 315 N/mm2

+ Cấp tàu :

Biển hạn chế

+ Đăng kiểm :

NK, MO.

3.1.2 Các đặc điểm kết cấu tàu tính toán
Tàu thiết kế theo hệ thống kết cấu hỗn hợp, khung dàn mạn bố trí 2 xà
dọc mạn và các sƣờn khỏe đặt xen kẽ, đáy đôi đƣợc thiết kế từ vách sau khoang
máy đến vách khoang dầu ở mũi tàu, khoảng cách sƣờn a = 800 mm. Boong tàu
bố trí các dầm ngang boong tƣơng ứng với các sƣờn.


Kết cấu khung dàn đáy:

Tàu có kết cấu đáy đôi kéo dài từ buồng máy tới vách mũi tƣơng ứng với
khoảng sƣờn 9 đến 175. Kết cấu khung dàn đáy gồm 2 sống chính đặt ở giữa tàu
cách nhau 800 mm và mỗi bên bố trí thêm 3 sống phụ.
- Tôn đáy ngoài: 11.5 mm.
- Tôn đáy trong: 13 mm.


Kết cấu khung dàn mạn:


21

Kết cấu khung dàn mạn đƣợc bố trí vách đôi tạo ra các Ballast để chứa
nƣớc sạch và nƣớc dằn. Khung dàn mạn bao gồm các sƣờn thƣờng, sƣờn khỏe và

2 dầm dọc mạn liên kết với nhau tạo thành một hệ thống kết cấu vững chắc.
- Tôn ngoài: 14 mm.
- Tông trong: 11 mm.


Kết cấu khung dàn boong:

Kết cấu khung dàn boong bao gồm xà ngang boong, xà dọc boong, tôn
boong liên kết với nhau. Các xà ngang boong đƣợc bố trí tại các sƣờn khỏe.
Ngoài ra còn có 2 xà dọc boong bố trí tại tâm tàu.
- Tôn boong: 11.5 mm.
- Xà ngang boong: T 800x8/300x20.
- Xà dọc boong khỏe: T 800x13/200x20.


Kết cấu khác.

Tàu có hệ thống vách lƣợn sóng ngang ngăn cách các khoang và vách
lƣợn sóng dọc tâm tàu với chiều dày tấm là 15 mm.
Chi tiết các đặc điểm kết cấu tàu tính toán bao gồm các bản vẽ: đƣờng
hình, kết cấu chính, bố trí chung, mặt cắt ngang của tàu bạn đọc có thể xem trong
phần PHỤ LỤC I: Hồ sơ tàu dầu 13500 DWT.
3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH
3.2.1 Mô hình hóa
- Định nghĩa thông tin công việc: Kích chuột vào biểu tƣợng
thanh công cụ hoặc vào File chọn Job Informatrion.

Toolbar
Menu

File > Job Information...

trên


22

Hình 3.1: Thông tin công việc.
- Định đơn vị tính toán:
Toolbar
Menu

N/A
File > Units...

Hình 3.2: Đơn vị tính toán.


23

- Định vật liệu:
Toolbar
Menu

Model > Materials...

Hình 3.3: Vật liệu mô hình hóa.

Hình 3.4: Các kích thƣớc chính mặt cắt ngang giữa tàu.

24

- Định nghĩa các mô-đun trong MAESTRO, xây dựng các điểm
Endpoints, từ đó xây dựng mặt cắt ngang giữa tàu.
Toolbar
Menu

Model > Parts > Create/Modify

Hình 3.5. Mặt cắt ngang tàu thực và tàu mô hình hóa trong MAESTRO.

Hình 3.6: Mặt cắt ngang giữa tàu.