Nghiên cứu, ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào kiểm tra độ bền của dàn boong chính tàu chở container (tt)

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.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã
đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Hải Phòng, ngày …. tháng …. năm 2015
Tác giả

KS. Hoàng Trung Sơn

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ đƣợc hoàn thành năm 2015 tại Trƣờng Đại học Hàng
hải Việt Nam. Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận đƣợc sự giúp
đỡ nhiệt tình từ gia đình, bạn bè, các thầy cô giáo trong Viện đào tạo Sau Đại
học, cùng các đồng nghiệp trong Khoa Đóng tàu Trƣờng Đại học Hàng hải
Việt Nam. Trong đó, không thể không kể đến vai trò quan trọng của PGS.TS
Phạm Tiến Tỉnh, ngƣời đã tận tình giúp đỡ tôi tiến hành nghiên cứu và hoàn
thành bản luận văn này.
Do thời gian nghiên cứu và làm Luận văn không dài, kiến thức cũng
nhƣ nguồn thông tin còn hạn chế, do vậy Luận văn không tránh khỏi những
thiếu sót nhất định. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự góp ý, nhận xét của các
thầy cô giáo, các đồng nghiệp và các bạn học viên để Luận văn đƣợc hoàn
thiện hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.

Hải Phòng, ngày …. tháng …. năm 2015

Tác giả

KS. Hoàng Trung Sơn

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
DANH MỤC KÝ HIỆU ................................................................................... vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ ........................................................................ viii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................. 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................ 2
3.1. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài......................................................... 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................ 2
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài ................................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .................................................. 3
5.1. Ý nghĩa khoa học của đề tài................................................................ 3
5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................ 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN
TÀU BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ................................... 4
1.1. Tổng quan về phƣơng pháp phần tử hữu hạn ......................................... 4
1.1.1. Lịch sử phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn............................ 4

1.1.2. Ƣu điểm của phƣơng pháp phần tử hữu hạn ................................... 5
1.2. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong phân tích kết
cấu .................................................................................................................. 5
1.2.1. Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn........................................................... 5
1.2.2. Nút hình học các phần tử hữu hạn ................................................... 6

iii


1.2.3. Quy tắc chia miền thành các phần tử. .............................................. 6
1.2.4. Các dạng phần tử hữu hạn ............................................................... 7
1.2.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực ...................................................... 7
1.2.6. Một số dạng phần tử quy chiếu ....................................................... 8
1.2.7. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất .......................................... 10
1.2.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần .................................. 11
1.2.9. Mô hình bài toán dàn phẳng .......................................................... 12
1.2.10. Phân tích phần tử hữu hạn và mô hình hóa môđun vỏ tàu .......... 13
1.2.11. Sơ đồ tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ................... 22
1.3. Tình hình nghiên cứu tính toán kiểm tra độ bền thân tàu bằng phƣơng
pháp phần tử hữu hạn .................................................................................. 24
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................ 24
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc .................................................. 25
1.4. Phân tích, lựa chọn phần mềm ............................................................. 26
CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KIỂM TRA ĐỘ BỀN DÀN BOONG
CHÍNH TÀU THỦY ....................................................................................... 30
2.1. Mô hình tính toán trong bài toán phân tích kết cấu thân tàu ................ 30
2.1.1. Mô hình tổng thể............................................................................ 30
2.1.2. Phân tích độ bền chung .................................................................. 30
2.1.3. Phân tích độ bền cục bộ ................................................................. 31
2.2. Mô hình tải trọng tác dụng lên dàn boong ........................................... 32

2.3. Mô hình liên kết của dàn boong ........................................................... 35
2.4. Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra bền cục bộ ............................................. 36
2.5. Tính toán kiểm tra kết cấu dàn boong theo phƣơng pháp phần tử hữu
hạn ............................................................................................................... 36
2.5.1. Mô hình hóa ................................................................................... 36
2.5.2. Thiết lập ma trận độ cứng phần tử - Ma trận độ cứng chung ........ 38
2.5.3. Xác định tải trọng, điều kiện biên của bài toán ............................. 40

iv


2.5.4. Thiết lập và giải hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn ....................... 41
CHƢƠNG 3: KIỂM TRA ĐỘ BỀN DÀN BOONG CHÍNH TÀU CHỞ
CONTAINER 700 TEU BẰNG PHẦN MỀM ANSYS ................................. 43
3.1. Mô hình tính toán kiểm tra bền dàn boong chính cho tàu chở container
700 TEU ...................................................................................................... 43
3.1.1. Thông số chủ yếu của tàu chở container 700 TEU ....................... 43
3.1.2. Sơ đồ kết cấu dàn boong chính khoang hàng ................................ 43
3.1.3. Vật liệu của dàn boong chính khoang hàng................................... 46
3.1.4. Mô hình tải trọng ........................................................................... 47
3.1.5. Mô hình liên kết ............................................................................. 50
3.2. Kiểm tra độ bền dàn boong chính tàu chở container 700 TEU bằng
phần mềm ANSYS ...................................................................................... 50
3.2.1. Các bƣớc cơ bản để thực hiện tính toán và phân tích kết cấu bằng
phần mềm ANSYS .................................................................................. 50
3.2.2. Lựa chọn và thiết lập các thông số hình học ................................. 50
3.2.3. Xây dựng mô hình hình học .......................................................... 52
3.2.4. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn................................................ 55
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 62
1. Kết luận.................................................................................................... 62

2. Kiến nghị ................................................................................................. 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 63

v


DANH MỤC KÝ HIỆU

Ký hiệu
E
G

 ch



p
v

Đơn vị
Giải thích
[kN/m] Mô đun đàn hồi pháp tuyến
[kN/m2] Mô đun đàn hồi trƣợt
[kN/m2] Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu
Hệ số poisson của vật liệu
2
[N/m ] Áp suất tĩnh
[m/s] Vận tốc tàu

vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Giải thích

PTHH

Phần tử hữu hạn

vii


DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1

Trị số của a và b

35

Bảng 2.2

Trị số tối thiểu của h

35

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Các dạng biên chung giữa các phần tử

6

Hình 1.2

Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam

8

Hình 1.3

Các phần tử điển hình trong 1 môđun thân vỏ

17

Hình 1.4

Mô hình vỏ của 1 tàu biển

18

Hình 1.5

Vị trí của các đoạn phần tử (strakes)

19

Hình 1.6

Phân đoạn phần tử đáy đôi

20

Hình 1.7

Các môđun con của đoạn phần tử

21

Hình 1.8

Siêu phần tử vách ngang điển hình

21

Hình 1.9

Sơ đồ khối của chƣơng trình phần tử hữu hạn

23

Hình 1.10

Giao diện của phần mềm ANSYS

28

Hình 1.11

Trình tự giải bài toán trong ANSYS

29

Hình 2.1

Mô hình uốn thân tàu trên nƣớc tĩnh.

32

Hình 2.2

Đo khoảng cách y

34

Hình 2.3

Phần tử dầm ghép

39

Hình 2.4

Sử dụng phần tử dầm ghép

39

Hình 2.5

Lực phân bố.

42

Hình 2.6

Lực phân bố bậc nhất.

43

Hình 3.1

Kết cấu dàn boong khoang hàng số 2

39

Hình 3.2

Mặt cắt ngang sƣờn thƣờng khoang hàng

40

ix


Hình 3.3

Mặt cắt ngang sƣờn khỏe khoang hàng

41

Hình 3.4

Sơ đồ xếp hàng tàu 700 TEU

43

Hình 3.5

Modun phân tích kết cấu Static Structural

46

Hình 3.6

Lựa chọn đặc trƣng của vật liệu

47

Hình 3.7

Thiết lập thông số cho phần mô phỏng hình học

47

Hình 3.8

Màn hình làm việc của phần mô phỏng hình học

48

Hình 3.9

Kết cấu phân đoạn hoàn thiện

49

Hình 3.10

Lựa chọn hệ đơn vị trong phân tích kết cấu

50

Hình 3.11

Gán vật liệu cho từng đối tƣợng của kết cấu

51

Hình 3.12

Định nghĩa liên kết

51

Hình 3.13

Lƣới phần tử của phân đoạn

52

Hình 3.14

Mô hình liên kết của phân đoạn

54

Hình 3.15

Phân bố ứng suất

55

Hình 3.16

Kết quả phân tích

56

x