nghiên cứu tính toán kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng bằng phương pháp phần tử hữu hạn_2

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 1 of 95.

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, hầu hết các nhà máy đóng tàu tại Việt Nam nếu thi công các
chủng loại tàu lớn với trọng tải từ 20.000 tấn trở lên đều phải mua thiết kế của
nước ngoài. Trong quá trình thi công nếu xảy ra sai lỗi hay phải sửa đổi, bổ
sung theo công ước hoặc yêu câu thêm của chủ tàu thì đều phải chờ đợi cơ
quan thiết kế không chủ động được trong công việc.
Với sự tiến bộ của công nghệ thông tin, việc ứng dụng máy tính vào việc
giải quyết các bài toán kỹ thuật trở lên gần gũi. Để có thể ứng dụng máy tính ta
cần phải mô phỏng các ứng xử hệ thuật, chuyển chúng thành các hệ phương
trình, sử dụng tốc độ và độ tin cậy của máy tính để giải các hệ phương trình
này. Trong tính toán kết cấu, ta có thể nhiều phương pháp khác nhau như:
phương pháp lực, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp tích phân,
phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Trong đó phương pháp PTHH với sự
trợ giúp của máy tính điện tử cho kết quả với độ chính xác cao, cho phép tiếp
cận và giải các bài toán phức tạp. Hiện nay, Quy phạm của các tổ chức Đăng
kiểm trên thế giới đều yêu cầu bài toán kiểm tra độ bền kết cấu những tàu cỡ
lớn bằng phương pháp PTHH. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng phương
pháp PTHH vào bài toán kiểm tra bền kết cấu những tàu cỡ lớn là điều cần
thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Rút ra lý thuyết phần tử hữu hạn áp dụng cho kiểm tra bền dàn đáy
Xây dựng mô hình bài toán tính toán kiểm tra độ bền cho dàn đáy khoang
hàng nói riêng và kết cấu tàu nói chung.
Áp dụng phần mềm ANSYS cho việc mô hình hóa và tính toán

1

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 2 of 95.

Tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và làm chủ phương pháp. Kết hợp
với việc sử dụng phần mềm chuyên dụng sử dụng lý thuyết PTHH để giải
quyết các bài toán kiên quan tới kiểm tra độ bền kết cấu tàu thủy.
3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài
3.1 Đối tƣợng của đề tài
- Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho dàn đáy tàu
- Độ bền dàn đáy khoang hàng tàu chở hàng 53.000 DWT
3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Do giới hạn về thời gian, đề tài tập trung giải quyết bài toán kiểm tra
bền cho dàn đáy khoang hàng tàu chở hàng 53.000 DWT. Bài toán
kiểm tra bền kết cấu thân tàu
4. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Chƣơng 1. Tổng quan về phƣơng pháp phần tử hữu hạn và cấu trúc
phần mềm Ansys.
1.1 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn
1.2 Phần mềm Ansys
Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết đánh giá kiểm tra độ bền dàn đáy khoang
hàng tàu 53000DWT
2.1 Giới thiệu về đối tượng cần nghiên cứu
2.2 Mô hình giải bài toán kiểm tra bền
2.3 Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn đáy
2.4 Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền cục bộ
Chƣơng 3. Ứng dụng phần mềm ANSYS đánh giá kiểm tra bền dàn đáy
khoang hàng tàu 53000DWT.
3.1. Trình tự phân tích trong ANSYS

2

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 3 of 95.

3.2. Kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT bằng phần mềm
ANSYS
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Nghiên cứu này là tài liệu để xây dựng mô hình phục vụ cho việc nghiên
cứu tính toán kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng bằng phương pháp phần tử
hữu hạn
Là thực tiễn chứng minh phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải bài toán
kiểm tra bền cho dàn đáy tàu thủy cỡ lớn.
5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Có thể sử dụng phần mềm Ansys để giải các bài toán tính toán độ bền cục
bộ cho tàu và công trình ngoài khơi.

3

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 4 of 95.

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM ANSYS
1.1. Tổng quan về phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những
đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và
hữu hiệu cho lời giải số 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 trong ô
tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán
của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn
hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ
thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và
thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự
xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được
cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của
phương pháp.
1.1.1. Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn
Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó
(chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra làm nhiều miền
con ve có kích thước và bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng
trên sẽ được tính trong tập hợp các miền ve.
Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve được gọi là phương pháp xấp xỉ
bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:
- Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn
vào nút của ve và biên của nó.

4

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 5 of 95.

- Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng
liên tục trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác
nhau.
- Các miền con ve được gọi là các phần tử.
1.1.2. Nút hình học các phần tử hữu hạn
Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các
PTHH. Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các
phần tử ve có dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó được
xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có
nghĩa là các toạ độ nằm trong ve hoặc trên biên của nó.
1.1.3. Quy tắc chia miền thành các phần tử.
Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau:
- Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên
của chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới
giữa các phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1).
- Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với
miền V cho trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử.
v1

v2

biên giới

v2

v1

v1
biên giới

v2
biên giới

Hình 1.1. Các dạng biên chung giữa các phần tử
1.1.4. Các dạng phần tử hữu hạn
Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba
chiều. Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi

5

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 6 of 95.

là phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v. Dưới đây, chúng ta làm quen
với một số dạng phần tử hữu hạn hay gặp.
Phần tử một chiều

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc ba

Phần tử hai chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Phần tử ba chiều
Phần tử tứ diện

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Hình 1.2 : Các dạng phần tử hữu hạn
1.1.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực
Với mục đích đơn giản hoá việc xác định giải tích các phần tử có dạng
phức tạp, chúng ta đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn
hoá, ký hiệu là vr. Phần tử qui chiếu thường là phần tử đơn giản, được xác
định trong không gian qui chiếu mà từ đó, ta có thể biến đổi nó thành từng

6

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 7 of 95.

phần tử thực ve nhờ một phép biến đổi hình học re. Ví dụ trong trường hợp
phần tử tam giác (Hình 1.3).
(5)

y
(4)



r3

0,1

0,0

(3)

v2
r2

(1)

r1

vr

v3

v1
(2)

1,0

x



Hình 1.3. Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác
Các phép biến đổi hình học phải sinh ra các phần tử thực và phải thoả mãn
các qui tắc chia phần tử đã trình bày ở trên. Muốn vậy, mỗi phép biến đổi
hình học phải được chọn sao cho có các tính chất sau:
a. Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) đối với mọi điểm  trong
phần tử qui chiếu hoặc trên biên; mỗi điểm của vr ứng với một và chỉ một
điểm của ve và ngược lại.
b. Mỗi phần biên của phần tử qui chiếu được xác định bởi các nút hình học của
biên đó ứng với phần biên của phần tử thực được xác định bởi các nút tương
ứng.
Chú ý:
-

Một phần tử qui chiếu vr được biến đổi thành tất cả các phần tử thực ve

cùng loại nhờ các phép biến đổi khác nhau. Vì vậy, phần tử qui chiếu còn
được gọi là phần tử bố-mẹ.
-

Có thể coi phép biến đổi hình học nói trên như một phép đổi biến đơn giản.

-

 (, ) được xem như hệ toạ độ địa phương gắn với mỗi phần tử.

7

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 8 of 95.

1.1.6. Một số dạng phần tử quy chiếu
Phần tử qui chiếu một chiều

-1

0

1 

-1

1 

0

-1

-1

Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai

0

/2

1



1

/2

Phần tử bậc ba

Phần tử qui chiếu hai chiều





1

1

1

1

vr
0,0

1



/2

1 ,1
/2 /2

r

1

v

0,0

Phần tử bậc nhất

2

1

/2



1

Phần tử bậc hai

1 ,2

/3 /3

/3

2 ,1
/3 /3

vr

/3

0,0

1

/3

2

/3



1

Phần tử bậc ba

Phần tử qui chiếu ba chiều
Phần tử tứ diện






0,0,1

0,0,1


vr
0,0,0

0,0,1


vr

0,1,0

0,1,0
1,0,0



Phần tử bậc nhất

1,0,0



Phần tử bậc hai



vr

0,1,0
1,0,0



Phần tử bậc ba

8

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 9 of 95.

Phần tử sáu mặt




0,1,1

0,1,1

vr

vr

vr





1,1,0





0,1,1



Phần tử bậc nhất

1,1,0

1,1,0



Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

Hình 1.4 : Một số dạng phần tử quy chiếu
1.1.7. Lực, chuyển vị , biến dạng và ứng suất
Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng
véctơ cột:
- Lực thể tích

f : f = f[ fx, fy , fz]

T

- Lực diện tích T : T = T[ Tx, Ty , Tz]T
- Lực tập trung Pi: Pi= Pi [ Px, Py , Pz]T
Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi:
u = [u, v, w] T

(1.1)

Các thành phần của tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột:

 = [x , y, z, yz, xz, xy] T

(1.2)

Trường hợp biến dạng bé:
 u
 
 x

v
y

w
z

v w

z y

u w

z x

T

u v 
 
y x 

(1.3)

Các thành phần của tenxơ ứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột:

 = [x ,  y, z,  yz,  xz,  xy] T

(1.4)

9

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 10 of 95.

Với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, ta có quan hệ giữa ứng suất
với biến dạng:

=D

(1.5)

Trong đó:


1 
 
1 


 

1 
E
D

0
0
1  1  2   0
 0

0
0

0
0
 0

0
0
0
0,5 

0
0
0
0

0
0

0,5 
0







0 


0,5  
0
0
0
0

E là môđun đàn hồi,  là hệ số Poisson của vật liệu.
1.1.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần
Thế năng toàn phần  của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lượng
biến dạng U và công của ngoại lực tác dụng W:

 =U+W

(1.6)

Với vật thể đàn hồi tuyến tính thì năng lượng biến dạng trên một đơn vị
1
2

thể tích được xác định bởi:  T 
Do đó năng lượng biến dạng toàn phần:
U 

1


2

T

dv

(1.7)

V

Công của ngoại lực được xác định bởi:
n

W    u T FdV   u T TdS   ui Pi
V

S

T

(1.8)

i 1

Thế năng toàn phần của vật thể đàn hồi sẽ là:


n
1
T
T
T
T



dV

u
f
dV

u
TdS

ui Pi




2V
i 1
V
S

(1.9)

Trong đó: u là véctơ chuyển vị và Pi là lực tập trung tại nút i có chuyển
vị là ui

10

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 11 of 95.

Áp dụng nguyên lý cực tiểu thế năng: Đối với một hệ bảo toàn, trong tất cả
các di chuyển khả dĩ, di chuyển thực ứng với trạng thái cân bằng sẽ làm cho
thế năng đạt cực trị. Khi thế năng đạt giá trị cực tiểu thì vật (hệ) ở trạng thái
cân bằng ổn định.
1.1.9. Sơ đồ tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau:
Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông
tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu
(môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt...), các thông tin về tải trọng tác dụng và
thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên);
Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f
của mỗi phần tử;
Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F
chung cho cả hệ (ghép nối phần tử);
Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến
đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F;
Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ
chuyển vị chung Q;
Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên
nhiệt độ, v.v.) ;
Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị
của các đại lượng theo yêu cầu.
Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 1.5);

11

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 12 of 95.

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 lưới
- 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 vec tơ F)
Giải hệ phương trình KQ = F
(Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)
Tính toán các đại lượng 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 1.5. Sơ đồ khối của chương trình PTHH

12

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 13 of 95.

1.2. Phần mềm ANSYS
1.2.1. Giới thiệu chung
ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr. John
Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System) tại Mỹ, là
một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các
bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân phương trình đạo
hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc
hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác
động của các loại tải trọng khác nhau.
Trong bài toán kết cấu, phần mềm ANSYS nói chung dùng để xác định
trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất và các phản lực. Phân tích kết cấu gồm
phân tích tĩnh, phân tích động và một số phân tích kết cấu khác như phân tích
phổ, phân tích dao động riêng, mất ổn định,...
Như vậy tác dụng của ANSYS là để tính toán kiểm tra độ bền, ứng suất,
biến dạng, dao động, nhiệt, tối ưu hóa kết cấu... Nếu đã có kết cấu, có thể sử
dụng ANSYS để kiểm tra kết cấu có bền hay không, nếu chưa đủ bền thì
nguyên nhân là ở đâu và từ đó tìm ra cách khắc phục kịp thời, hoặc nếu có sai
hỏng thì cũng biết được lý do tại sao. Nếu chưa có kết cấu thì có thể dùng
ANSYS để nghiến cứu và tìm ra phương án tối ưu cho kết cấu, tránh đươc
những sai sót gây ra thiệt hại. Vì ý nghĩa rất lớn nên ANSYS được dùng nhiều
trong các cơ quan nghiên cứu, thiết kế cơ khí và cơ học.
1.2.2. Chức năng của ANSYS
ANSYS có những tính năng nổi bật như sau:
+ Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh
và chính xác, cũng như truyền dẫn những mô hình CAD.
+ Giải được nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công
trình, điện, điện từ, điện từ, nhiệt, lưu chất...

13

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 14 of 95.

+ Thư viện phần từ lớn, có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ
cứng phần tử trong mô hình tính toán.
+ Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc…
+ Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu...
+ Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất,
trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ.
+ Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm.
+ Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó
khăn.
+ Hệ thống Menu có tính trực giác giúp người sử dụng có thể định
hướng xuyên suốt chương trình ANSYS.

14

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 15 of 95.

CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA ĐỘ BỀN
DÀN ĐÁY KHOANG HÀNG TÀU 53000DWT
2.1 Giới thiệu về đối tƣợng cần nghiên cứu

2.1.1 Các thông số chủ yếu của tàu 53000DWT
Chiều dài lớn nhất

190 m

Chiều dài giữa 2 đường vuông góc

183,25 m

Chiều rộng tàu

32,26 m

Chiều cao mạn

17,5 m

Chiều chìm thiết kế

11,1 m

Vùng hoạt động

Biển không hạn chế

Trọng tải thiết kế

53000 DWT

2.1.2 Sơ đồ kết cấu dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT

Giới hạn dàn đáy:
+ Theo chiều dài tàu từ sườn 110 đến sườn 145
+ Theo chiều rộng tàu từ mạn này sang mạn kia
+ Theo chiều cao tàu từ mặt phẳng cơ bản lên đáy trên
Khoảng sườn 800 mm
Khoảng cách cơ cấu dọc 800 mm
Gồm các cơ cấu:
-Dầm dọc đáy: HP260x10

15

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 16 of 95.

- Đà ngang, Sống dọc

FB100x10
11.0

600
x
400

600

F3
F2

600
x
400

900

F1

600
x
400

600
x
400

870 465

800
x
600

FB150x12

650 575

Kết cấu mặt cắt ngang của dàn đáy vùng khoang hàng:

TANKTOP
18000 AB BL

F4
800
x
600

FB150x12

B12

B11

B10

B9

B8

B7

B6

B5

B4

B3

R75

B1

BL
B2

CL
800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800
5600

CN - 5

8800

200x100 El ipc e

FB 150x12

800

12800

Kết cấu cơ bản dàn đáy:
110

115

120

24.0 NV32

125

130

24.0 NV32
135

24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32

140

24.0 NV32
145

24.0 NV32

24.0 NV32
24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32

24.0 NV32
600x 600 R100

24.0 NV32

24.0 NV32

20

24.0 NV32

1500

20.0

R300
800 300

R500
R1000
R300
800

FB 150x 12

20.0 NV32
FB 150x 12

HP260X10

R400
20.0 NV32
R400
800

15.0 NV32

Hình 2.1 Kết cấu dàn đáy tàu chở hàng rời

16

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 17 of 95.

2.1.3. Thông số về vật liệu đóng tàu
Vật liệu thiết kế tàu chở hàng rời 53000 DWT là thép AH32.
Các đặc trưng cơ học của thép AH32:
Mô đun đàn hồi pháp tuyến

E= 2x106

kN/m2

Mô đun đàn hồi trượt

G= 0,67x106

kN/m2

Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu

 ch = 315.000

kN/m2

Hệ số poisson của vật liệu

 = 0,3

2.2 Mô hình giải bài toán kiểm tra bền
Để giải được bài toán kiểm tra bền ta cần phải xác định đầy đủ các yếu
tố đầu vào của phương pháp PTHH:
+ Tải trọng tác dụng
+ Phân tích kết cấu xác định liên kết tại các điểm nút
+ Phân chia phần tử, các nút theo phương pháp PTHH

2.2.1 Mô hình tải trọng tính toán cho dàn đáy tàu 53000DWT
Tải trọng tính toán bao gồm:
+ Nội lực ( Trọng lượng bản thân của các cơ cấu có trên khung giàn nghiên
cứu)
+ Ngoại lực tác dụng:

17

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 18 of 95.

Ngoại lực tác dụng lên dàn đáy vùng khoang hàng bao gồm hai thành
phần lực là áp lực nước ngoài mạn và áp lực của hàng hóa trong khoang.
Tải trọng tác dụng lên dàn đáy
+ Tải trọng hàng trong khoang : Ph
+ Áp lực nước bên ngoài tác dụng lên dàn đáy : Pd
Ta xét cho hai trường hợp là áp lực thủy tĩnh và áp lực thủy động.
Áp lực nước tác dụng lên dàn mạn là Pm được biểu diễn dưới dạng áp lực một
cột nước có chiều cao h và có trị số theo công thức:
Pm   .h

(kN/m2)

Trong đó:  : là trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu [kg/m3]
Giá trị h sẽ được tính riêng cho từng trường hợp khác nhau.
a. Xét khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh

Hình 2.2 Tải trọng nước tác dụng lên tàu trên nước tĩnh

18

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 19 of 95.

Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh chiều cao cột áp được tính theo

mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng
ngang hay nghiêng dọc (h = d). Áp lực tính toán tại đáy được tính theo cao độ
của vị trí cơ cấu tới vị trí mốc là mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh theo
hệ tọa độ cơ bản sẽ được tính:
Pm   .(d  z ) (kN/m )
2

b. Tàu nằm cân bằng trên sóng
Khi tàu chạy trên sóng có chiều cao sóng hs mức nước ở vùng đỉnh
sóng đo ở mặt cắt ngang giữa tàu lớn hơn mớn nước trên nước tĩnh d, nên có
thể tính chiều cao cột nước h so với đáy tàu như sau:
hd

hs
2

Nếu h  D : quy luật phân bố tam giác với chiều cao h  d 

hs
như hình sau:
2

Hình 2.2 Tải trọng nước tác dụng lên thân tàu trường hợp h < D

19

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 20 of 95.

Nếu h  D : quy luật phân bố tam giác với chiều cao h = D
Tải trọng tác dụng lên dàn đáy là tải trọng Pd viết trong các hình vẽ.

2.2.2 Mô hình liên kết
Trong nội dung lựa chọn và xây dựng mô hình tính, một vấn đề cực kì
quan trọng liên quan tới kết quả bài toán chính là xác định được các hệ số liên
kết tại các điểm mút của đối tượng tính toán với các dàn lân cận trên tàu. Các
dạng liên kết, các hệ số liên kết chính là sự ảnh hưởng của các dàn khác tới
đối tượng tính toán khi ta tách độc lập đối tượng tính toán ra để thành bài toán
độc lập. Chất lượng mô phỏng của mô hình tính không những chỉ phụ thuộc
vào loại hình kết cấu và chia lưới phần tử mà còn phụ thuộc vào chất lượng
miêu tả điều kiện biên. Nội dung này càng trở nên quan trọng trong bài toán
phân tích cục bộ các khung dàn, bởi vì các bộ phận kết cấu này nằm trong kết
cấu tổng hợp khá phức tạp.
Phương pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề trên là thay thế các bộ
phận của kết cấu đang xét bằng các liên kết đàn hồi, dựa trên cơ sở điều kiện
liên tục về chuyển vị. Để đơn giản hóa quá trình mà vẫn đảm bảo độ chính
xác cần thiết, ta có thể áp dụng các quy định của quy phạm trong việc xác
định liên kết kết cấu với các dàn lân cận.

2.2.2.1. Liên kết của sống đáy với đà ngang kín nƣớc:
- Nếu chiều dài các khoang kề vách đang xét khác nhau không quá 20% - thì
tại đó coi là ngàm cứng

20

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -

luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 21 of 95.

- Nếu chiều dài các khoang kề vách đang xét khác nhau quá 20% - thì tại đó
coi là ngàm đàn hồi với hệ số ngàm:



 L'k 
 
 Lk 
L'k
1  0,5
Lk

q'
1  0,5 k
qk

3

Trong đó:
qk , qk' : cường độ tải trọng trên khoang khảo sát và kề khoang khảo sát (T/m3)

Lk , L'k : chiều dài khoang khảo sát và kề khoang khảo sát

2.2.2.2. Liên kết của đà ngang đặc tại hông tàu
Coi là ngàm đàn hồi, với hệ số ngàm


1

1 f

l I
Bi i

Trong đó:
l: nhịp sườn
i: Mô men quán tính tiết diện ngang của sườn
Bi: Nhịp của đà ngang tương ứng
I: Mô men quán tính tiết diện ngang của đà ngang tương ứng
f: Hệ số tra theo bảng 2.1:

21

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 22 of 95.

Bảng 2.1
Số lượng vách
dọc

Trị số f

l I
Bi i

Tàu đủ tải

Tàu không đủ tải

0

-

0,5

0,65

1

1

0,5

1,35

1

0,17

1,35

1

0,5

1,1

1

0,17

1,1

2

2.2.2.3 Liên kết của tấm đáy
Coi như gắn cứng tại vành đế, ứng suất uốn tấm được tính cho các điểm sau:
- Giữa nhịp của tấm
- Giữa cạnh dài của tấm (với hệ thống ngang)
- Giữa cạnh ngắn tấm (với hệ thống dọc)

2.3 Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn đáy
2.3.1. Phần tử dầm chịu uốn xoắn
Nếu ta coi mặt phẳng của dàn phẳng tàu thủy trùng với mặt phẳng (x, y) thì
trục z sẽ vuông góc với mặt phẳng (x, y) (mặt phẳng chứa các trục chính của
các dầm). Khi đó ta có các chuyển vị là w (chuyển vị thẳng theo z), 2 chuyện
vị góc là x , y
- Nếu hệ dàn biết Ix , Iy ta có:
+/ Ma trận độ cứng của phần tử khung chịu uốn là:

22

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 23 of 95.

2


 y 
u
ke  3 
e 



12

3
6
4

5

6

6 e 
2 2e 

6 e 
4 2e 

12
6 e
12

e
2
e

§X

2
3
5
6

+/ Ma trận phần tử dàn chịu xoắn:
1
k ue 

4

GI x  1 1 1

1 4
e  1

Vậy ta có ma trận độ cứng phần tử của dàn phẳng là:
1

2

3

4

 GI x 2e
GI x 2e
0
0 

EI
EI y
y


12 6 e
0



0
4 2e
 y 
ke  3

GI x 2e
e

EI y






 § .X

5

6

0
12
6
0
12

e


0  1

6 e
 2

2 
2 e
3

0  4

6 e 
5



4 2e  6

(2.1)

2.3.1.1. Ma trận chuyển trục tọa độ.
Ta thấy mỗi nút của phần tử của dàn phẳng có 3 chuyển vị vùng góc với
mặt phẳng chứa hệ dầm, chuyển vị xoay trong mặt phẳng (y, z). Tại các vị trí
khác nhau của hệ tọa độ tổng quát chuyển vị thẳng đối không thay đổi.
Giả thiết có một phần tử dầm nằm trong mặt phẳng nghiêng với trục x
của hệ tọa độ tổng quát một góc  (hình 2.3).

23

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 24 of 95.

y
ye


x

Hình 2.3. Phần tử dầm trực giao trong hệ tọa độ tổng quát x, y.
Theo hình học giải tích thì tọa độ cục bộ được chuyển về hệ tọa độ tổng
quát theo công thức sau:
x 
 x e 





 
 
y 
ye 

(2.2)

Trong đó:


 

 x

 mx



my 
y

lx = cos(xe , x); ly = cos(ye , x); mx = cos(xe , y); my = cos(ye , y)
Nếu tọa độ nút đầu và cuối của phần tử dầm là (x1 , y1) và (x2 , y2) theo
tọa độ tổng quát, ta xác định được các giá trị của lx , ly ,mx , my là :
lx = cos  ; ly = -sin  ; mx = sin  ; my = cos 
Khi đó ta có ma trận chuyển tọa độ là:
 x


    0
m
 x



1 0
0 my 


 
  
 0

0 


  



0

y

(2.3)

24

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -


luan van thac si - luan van thac si kinh te - luan an tien - luan van 25 of 95.

2.3.1.2. Chuyển tải trọng về nút:
Tải trọng bao gồm:
- Lực theo phương z (tác dụng lên mặt chứa dàn).
- Mômen Mx.
- Mômen My .
Các tải trọng được cộng trực tiếp và các véc tơ lực nút theo đúng chỉ số
của chuyển vị tương ứng w, x , y ...
Chú ý: Do kết cấu tàu phụ thuộc vào kích thước của nó nên khi phân tích
chọn sơ đồ cho phù hợp. Ví dụ tàu đáy đôi có thể phân ra các dàn gồm các
dầm khỏe (sống đáy, đà ngang đóng) và các dàn phụ do các dầm khỏe đỡ (nẹp
dọc đáy, đà ngang hở...).
Đối với dầm có độ cong ngang: phần tử dầm không cùng mặt phẳng vì
vậy nó còn có thành phần kéo (nén) nên ma trận độ cứng phần tử của các dầm
này và ma trận K tổng thể có kể đến kéo nén (vấn đề này được đề cập trong
phần khác)

2.3.2. Phần tử tấm chữ nhật
Mô hình phần tử hữu hạn của phần tử tấm chữ nhật được xây dựng dựa
trên lý thuyết tấm của KIRCHOFF.
LÝ THUYẾT TẤM KIRCHOFF.
Giả thiết cơ bản của lý thuyết uốn tấm Kirchoff là : đoạn thẳng vuông
góc với mặt phẳng trung bình (mặt phẳng chia đôi chiều cao tấm) vẫn phẳng
và vuông góc với mặt phẳng trung bình sau khi biến dạng. Hệ quả của giả
thiết này là ta đã bỏ qua các thành phần biến dạng do cắt ngang (yz = xz = 0).
Do đó các thành phần chuyển vị trong mặt phẳng : u, v và w (hình 2.4) được

biểu diễn như sau:

25

Footer Page - Footer Page - kho luan van - tai lieu - 123doc- tieu luan - khoa luan-tai chinh ngan hang - thuong mai -