Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc xây dựng mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Đề tài: Nghiên cứu, ứng dụng
phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc xây dựng
mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng 53000 tấn
với sự hỗ trợ của phần mềm MATLAB
Học viên: Đỗ Xuân Diệu
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thuỷ
Khoá: 2012 - 2014


Kết cấu nội dung của đề tài
Mở đầu
Bảng danh mục các ký hiệu, hình vẽ
Chương 1: Tổng quan về độ bền kết cấu thân tàu
Chương 2: Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn
trong việc tính toán kiểm tra bền kết cấu tàu thủy
Chương 3: Xây dựng mô hình tính toán kiểm tra bền dàn
mạn tàu hàng 53000 tấn

Kết luận, kiến nghị
Tài liệu tham khảo


Mở đầu
Lý do chọn đề tài
Mục đích nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Nội dung nghiên cứu của đề tài

Lý do chọn đề tài
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phƣơng pháp rất tổng
quát và hữu hiệu cho lời giải nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ
việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí,
các chi tiết của ôtô, máy bay, tàu thủy, dầm cầu, khung nhà cao tầng,
…, đến các bài toán lý thuyết trƣờng, cơ chất lỏng, thủy đàn hồi … Với
sự trợ giúp của công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu
phức tạp cũng đó đƣợc tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
 Hiện nay, Quy phạm các nƣớc trên thế giới yêu cầu bài toán kiểm tra
độ bền kết cấu những tàu cỡ lớn bằng phƣơng pháp PTHH trở nên bắt
buộc. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng phƣơng pháp PTHH vào
bài toán kiểm tra bền dàn mạn những tàu cỡ lớn là điều cần thiết.


Mục đích nghiên cứu
Xây dựng đƣợc bài toán và thiết lập đƣợc mô hình tính toán kiểm tra
bền kết cấu thân tàu thuỷ theo phƣơng pháp PTHH với điển hình là
bài toán về dàn mạn tàu hàng;
Chƣơng trình của bài toán đƣợc xây dựng trên phần mềm MATLAB
R2011 bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn;


Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tƣợng:

- Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong cơ học kết
cấu tàu thuỷ;
- Độ bền dàn mạn của tàu hàng 53000 tấn.

Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài tập trung giải quyết:

- Bài toán phân tích (tĩnh học) kết cấu dàn mạn đối với tàu hàng;
- Bài toán kiểm tra bền (tĩnh học) cục bộ dàn mạn tàu hàng ở trạng thái
tải trọng tính toán dàn mạn (bao gồm áp lực thuỷ tĩnh và áp lực thuỷ
động).


Nội dung nghiên cứu của đề tài
Để giải quyết đƣợc các mục đích đề ra, trong đề tài sẽ giải quyết các
vấn đề sau:
- Phân tích tổng quan độ bền kết cấu thân tàu để đƣa ra mô hình tính toán
trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc
tính toán kiểm tra bền kết cấu tàu thủy từ đó xây dựng lên mô hình tính
toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
- Áp dụng để xây dựng mô hình kiểm tra bền cho dàn mạn tàu hàng
53000 tấn và đánh giá kết quả thu đƣợc


Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài sẽ đƣa ra mô hình kiểm tra bền dàn mạn tàu bằng phƣơng
pháp phần tử hữu hạn, cho độ chính xác và độ tin cậy của kết quả cao;
Đề tài sẽ xây dựng đƣợc các kiến thức có tính ứng dụng, là nguồn
tƣ liệu giúp cho sinh viên chuyên ngành đóng tàu thủy và thiết kế tàu thủy
để giải các bài toán cơ học kết cấu tàu thủy nói chung và tính toán kiểm

tra bền dàn mạn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn nói riêng cũng nhƣ
áp dụng trong giảng dạy các học phần có liên quan đến cơ học tàu thuỷ
đối với giảng viên.


Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đề tài đƣợc hoàn thiện sẽ là trở thành một phần tƣ liệu phục vụ cho
công việc thực tiễn của các cán bộ kỹ thuật trong ngành đóng tàu, là tài
liệu tham khảo để giảng viên giảng dạy cũng nhƣ giúp ích cho sinh viên
nắm rõ và giải quyết thấu đáo các bài toán cơ học kết cấu tàu thủy bằng
phƣơng pháp PTHH.


Nội dung nghiên cứu: Chương 1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU
Tình hình nghiên cứu tính toán kiểm tra độ bền kết
cấu thân tàu thủy hiện nay
Mô hình tính toán trong bài toán phân tích độ bền kết
cấu thân tàu


Nội dung nghiên cứu: Chương 1
Tình hình nghiên cứu tính toán kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu thủy
hiện nay
- Sử dụng phƣơng pháp cổ điển:

Phƣơng pháp so sánh độ võng với dàn đơn giản; phƣơng pháp gần

đúng khi chia tải trọng tác dụng lên tấm cho các nẹp gia cƣờng, rồi tính
theo mô hình dầm trên nền đàn hồi; phƣơng pháp tải trọng cơ sở
- Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
- Các phần mềm PTHH: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF,
SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF …


Nội dung nghiên cứu: Chương 1
Mô hình tính toán trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu:

Mô hình
tính toán

Mô hình
tổng thể
Mô hình
ƣớc định

Phân tích độ
bền chung
Phân tích độ
bền cục bộ


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
TRONG VIỆC TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN KẾT CẤU TÀU THUỶ
Khái quát về phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ

bền kết cấu
Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn mạn
Véc tơ tải phần tử
Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền (tĩnh học) cục bộ


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Khái quát về phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Phƣơng trình
Phƣơng pháp
PTHH

Thực chất

Ƣu điểm


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Khái quát về phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Phƣơng
trình

K.Q = F


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Khái quát về phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Phân tích trạng thái ứng
suất biến dạng trong nội bộ
từng phần tử (Ke)

Thực chất
Phân tích trạng thái ứng
suất, biến dạng của toàn hệ
gồm nhiều phần tử liên két
với nhau tại hữu hạn các
điểm nút (K)


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Khái quát về phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Khả năng tự động
hóa
Ƣu điểm

Cho kết quả tính đảm
bảo độ tin cậy

Khả năng áp dụng cao


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ
bền kết cấu

Hàm xấp xỉ

chuyển vị
Cơ sở lý thuyết

Ma trận nội suy
Ma trận độ
cứng và véc tơ
tải phần tử


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ
bền kết cấu
Dễ thỏa mãn
tiêu chuẩn hội
tụ

Hàm xấp xỉ
chuyển vị

Chọn hàm xấp
xỉ dƣới dạng đa
thức
các đa thức
đƣợc chọn từ
tam giác Pascal

Cho phép tính toán
nhanh bằng tay cũng
nhƣ bằng máy tính

Có khả năng tăng
độ chính bằng
cách tăng bậc của
đa thức xấp xỉ


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ
bền kết cấu

Ma trận nội suy


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong việc phân tích độ
bền kết cấu

Ma trận độ
cứng và véc
tơ tải phần tử

Ma trận độ
cứng
Véc tơ tải
phần tử


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
Mô hình tải trọng

Mô hình tính toán

Mô hình liên kết

Mô hình bài toán


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
Mô hình tải trọng:
- Tải trọng: là áp lực nƣớc bên ngoài vỏ tàu khi tàu chở đầy hàng

- Áp lực của nƣớc bên ngoài vỏ tàu bao gồm tổng áp lực thủy tĩnh và
áp lực thủy động
- Công thức: P = Ps + Pw


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
Mô hình tải trọng Ps:
- Áp lực thuỷ tĩnh:


Nội dung nghiên cứu: Chương 2
Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn mạn tàu hàng
Mô hình tải trọng Pw:
- Áp lực thuỷ động: