Nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu đáy của tàu pha sông biển chịu tải trọng phức tạp

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU SỨC BỀN GIỚI HẠN KẾT CẤU ĐÁY CỦA
TÀU PHA SÔNG BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG PHỨC TẠP
STUDY ON ULTIMATE STRENGTH OF THE BOTTOM
STRUCTURE OF A RIVER-SEA SHIP UNDER COMBINED LOAD
Vũ Văn Tản, Vũ Hoa Kỳ, Nguyễn Thị Khánh
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài: 8/3/2018
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 27/3/2018
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018
Tóm tắt
Kết cấu thân tàu là hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống tấm liên kết với các
hệ thống thanh gia cường. Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa
rất quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn của kết cấu khi làm việc. Trong bài báo này, nhóm tác giả
dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích sức bền giới hạn của khung dàn đáy của
kết cấu tàu chạy tuyến pha sông biển dưới tác dụng của tải trọng phức tạp. Kết quả tính toán sức bền
giới hạn của kết cấu đáy đã xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của kết cấu làm cơ
sở để tính toán, thiết kế kết cấu tàu.
Từ khóa: Kết cấu tàu; phần tử hữu hạn; tải trọng phức tạp; sức bền giới hạn.
Abstract
The ship hull structure is three-dimensional structure with consist of steel plates, stiffened panels system.
In analysis and design of ship structure, the ultimate strength analysis is a very importand part of ship
structural analyses to assess the safe condition of the structure. In present paper, the nonlinear finite
element method to calculate ultimate strength of bottom structure of a river-sea ship under combine
load. From the results of bottom structure model analyses, it is shown that the relationship between load
and deformation of ship structural basis for calculation and design of river-sea ship structural
Keywords: Ship structure; finite element; combined load; ultimate strength.
1. GIỚI THIỆU
Thân tàu có kết cấu phức tạp, kết cấu thân tàu

được cấu thành bởi hệ thống tấm phủ lên hệ
thống thanh gia cường [1]. Tính toán thiết kế kết
cấu thân tàu, phân tích sức bền giới hạn là nhiệm
vụ không thể thiếu để đánh giá điều kiện làm việc
an toàn của kết cấu.
Kết cấu tấm có thanh gia cường là hệ thống cơ
bản trong kết cấu thân tàu như kết cấu đáy, kết
cấu mạn, kết cấu boong… Do đó, phân tích sức
bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường
có ý nghĩa quan trọng trong tính toán sức bền giới
hạn của thân tàu.
Trong những năm gần đây, sức bền giới hạn của
hệ thống tấm có thanh gia cường của kết cấu
thân tàu cũng được nhiều tác giả quan tâm. Beom
Seon Jang cùng nhóm tác giả [2] đã phân tích
sức bền giới hạn của kết cấu tàu theo quy phạm.
Các quy phạm được nhóm tác giả áp dụng là quy
phạm DNV, IACS.
Park và nhóm tác giả [3, 4] đã nghiên cứu, đánh
giá về sức bền giới hạn của kết cấu tấm, tấm có

thanh gia cường. Mô hình tính toán là kết cấu đáy
ngoài của tàu dầu tải trọng 100000 tấn. Xây dựng
mối quan hệ giữa giá trị tải trọng và biến dạng của
kết cấu.
Tác giả Shi Gui Jie [5] đã xây dựng một mô
hình dầm hộp để tính sức bền giới hạn của mô
hình dưới tác dụng của tải trọng phức tạp bằng
phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến và dự
đoán những vết nứt gãy tại các vị trí nguy hiểm.

Năm 2018, Bin Yanga, Jia-meng Wu [7] cùng
nhóm tác giả đã nghiên cứu sức bền giới hạn
của kết cấu đáy dưới tác dụng của tải trọng dọc,
ngang, áp lực nước và lực. Nhóm tác giả đã dùng
phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân
tích tính phi tuyến của tải trọng tác dụng lên hệ
thống kết cấu. Tính toán sức bền giới hạn của kết
cấu và so sánh với kết quả thực nghiệm.
Đối tượng nghiên cứu trong bài báo này là hệ
thống khung dàn đáy của kết cấu tàu hàng khô
chạy tuyến pha sông biển. Chiều dài lớn nhất của
tàu 130 m. Dựa trên các kết quả tính toán sức bền
giới hạn của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng

46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
bên và áp lực nước, tác giả xây dựng các đồ thị
liên hệ giữa tải trọng và sức bền giới hạn của kết
cấu làm cơ sở để tính toán thiết kế kết cấu tàu
đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
2. PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT
CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN PHI TUYẾN
2.1. Kích thước và tính chất vật liệu của mô
hình tính
Bài báo nghiên cứu kết cấu khung dàn đáy của
con tàu chạy tuyến pha sông biển có chiều dài
lớn nhất là 130 m. Kết cấu mặt cắt ngang thân tàu

được thể hiện trên hình 1. Khoảng cách các nẹp
dọc của kết cấu đáy là 650 mm. Khoảng cách hai
sống dọc là 2600 mm, khoảng cách sườn khỏe là
2800 mm, kích thước và tính chất vật liệu được
thể hiện trên bảng 1.

2.2. Điều kiện ban đầu
Trong nghiên cứu này, những điều kiện về độ lệch
ban đầu của tấm được xem xét. Độ lệch ban đầu
của mô hình được giả thiết theo công thức kinh
nghiệm của tác giả Park [3].

W0p =

b
= 00,005b
.005b
.
200

(1)

trong đó: W0P: độ lệch ban đầu của tấm; b: khoảng
cách giữa các nẹp gia cường (b = 650 mm).

Hình 2. Độ lệch ban đầu của kết cấu tấm
có thanh gia cường

W0C = W0S =

a
= 0,001a
0.001
a.
1000

(2)

trong đó: W0C: độ lệch ban đầu của các nẹp gia
cường theo hướng thẳng đứng; W0S: độ lệch ban
đầu của nẹp gia cường theo phương ngang; a:
chiều dài nẹp gia cường (a = 2800 mm). Độ lệch
ban đầu của tấm và thanh gia cường được thể
hiện trên hình 2.
Hình 1. Mặt cắt ngang giữa tàu

2.3. Mô hình phần tử hữu hạn

Bảng 1. Kích thước và tính chất vật liệu của
mô hình
STT

Ký

Tên gọi

hiệu

Kích thước

1

Chiều dài tấm

a

2800 mm

2

Chiều rộng tấm

b

2600 mm

3

Chiều dày tấm

c

11 mm

4

Chiều cao bản bụng
thanh gia cường

hw

250 mm

5

Chiều dày bản bụng

tw

10 mm

bf

80 mm

S

650 mm

tf

12 mm

S

650

6
7
8

9

Chiều rộng bản cánh
thanh gia cường
Khoảng cách các
nẹp dọc
Chiều dày bản cánh
Khoảng cách các
thanh gia cường

10

Modul đàn hồi

E

2,06e5 N/mm2

11

Hế số Poisson
Ứng suất giới hạn
của vật liệu tấm
Ứng suất giới hạn
của vật liệu thanh gia
cường

µ

0,3

sy1

355 MPa

sy2

235 MPa

12
13

Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn để
phân tích. Nhóm tác giả dùng phần mềm FEM
Abaqus để phân tích, tính toán. Trong bài báo này,
phần tử tấm S4R trong phần mềm FEA Abaqus
được sử dụng đối với phần tử tấm và phần tử
thanh gia cường [1, 3, 4] (hình 2).
Kích thước phần tử hữu hạn của mô hình là
70 mm x 65 mm, trong đó giữa hai nẹp dọc là 10
đơn vị phần tử, bản thành của thanh gia cường
được chia làm 6 đơn vị phần tử, bản mặt 4 đơn vị
phần tử. Hệ trục toạ độ OXYZ được thể hiện trên
hình 3.

Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 47

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
2.3. Điều kiện biên
Để thiết lập điều kiện ràng buộc cho các điểm của
mô hình, trên phần mềm Abaqus ban đầu ta thiết
lập một nút chính trên 4 cạnh của mô hình. Nút
chính sau đó được thiết lập quan hệ ràng buộc với
các nút khác của cạnh [6]. Chuyển vị của tất cả
các nút trên mỗi cạnh được xác định bằng chuyển
vị của nút chính. Cụ thể điều kiện biên đối với mô
hình nghiên cứu được thiết lập như sau:

Đối với trường hợp xét đến áp lực nước, nhóm tác
giả cũng đi phân tích đối với tất cả các trường hợp
tỷ lệ tải trọng trên.
Kết quả tính toán một số trường hợp được thể
hiện trên hình 5.

Hình 4. Phạm vi mô hình nghiên cứu
- Cạnh AC hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương
X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Y và Z.
- Cạnh BD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương
Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z.
- Cạnh AB hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương
X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục X và Z.
- Cạnh CD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương
Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z.
- Tại sườn ngang EF, MN hạn chế chuyển động
theo phương Z, các điểm trên thanh gia cường
hạn chế chuyển động theo phương Y.
- Để đảm bảo cho kết cấu thêm độ cứng, độ ổn

định ta thiết lập điểm G tại trọng tâm của tấm,
và tấm được hạn chế chuyển động tịnh tiến theo
phương Z.
2.4. Tải trọng
Tải trọng tác dụng lên thân tàu thường là những
tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa,
tải trọng sóng, gió, áp lực nước… Do vậy, trong
bài báo này tải trọng được nhóm tác giả đưa vào
phân tích là tải trọng dọc, tải trọng ngang và áp lực
nước tác dụng lên kết cấu. Áp lực nước được tính
trong hai trường hợp là P = 0 và P = 0,124 MPa.
2.5. Phân tích kết quả tính toán
Để tính toán sức bền giới hạn của tấm có thanh
gia cường dưới tác dụng của tải trọng kết hợp.
Tỷ lệ tải trọng tác dụng theo các hướng được xét
trong các trường hợp sau: Fx:Fy = 10:0; 9:1; 8:2;
7:3: 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10.

Hình 5. Cột đồ thị bên trái: Đồ thị liên hệ giữa

Fx, Fy lần lượt là hai thành phần lực tác dụng theo
hai hướng X và Y.

dạng theo phương Y đối với các trường hợp tỷ lệ

ứng suất - biến dạng theo phương X đối với các
trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau; Cột đồ thị
bên phải: Đồ thị liên hệ giữa ứng suất - biến
tải trọng khác nhau

48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Trên hình 5 là đồ thị kết quả thể hiện mối quan hệ
giữa ứng suất và biến dạng trong các điều kiện tải

trọng khác nhau. Các kết quả tính toán cho các
trường hợp được thể hiện cụ thể trong bảng 2.

Bảng 2. Kết quả tính toán ứng suất giới hạn cho các trường hợp tải trọng
σx (MPa)

σy (MPa)

Fx:Fy
P=0

P = 0,124 MPa

So sánh

P=0

P = 0,124 MPa

So sánh

10:0

227,70

204,42

-10,23%

0,00

0,00

0%

9:1

225,15

199,94

-11,20%

25,02

22,22

-11,20%

8:2

213,32

192,90

-9,57%

53,33

48,23

-9,57%

7:3

202,38

175,00

-13,53%

86,74

75,00

-13,53%

6:4

185,81

141,10

-24,06%

123,87

94,07

-24,06%

5:5

165,22

95,53

-42,18%

165,22

95,53

-42,18%

4:6

109,70

66,92

-39,00%

164,55

100,38

-39,00%

3:7

54,80

42,16

-23,07%

127,86

98,37

-23,07%

2:8

32,37

24,43

-24,54%

129,48

97,71

-24,54%

1:9

12,36

11,06

-10,49%

111,25

99,58

-10,49%

0:10

0,00

0,00

0%

111,39

98,82

-11,28%

Từ bảng 2 xây dựng được đồ thị thể hiện mối liên
hệ giữa ứng suất giới hạn theo trục X và ứng suất

(a)

giới hạn theo trục Y theo các tỷ lệ tải trọng khác
nhau như trên hình 6.

(b)

Hình 6. Đường cong mối quan hệ ứng suất giới hạn trong các điều kiện tải trọng khác nhau.
a) Sức bền giới hạn dọc; b) Sức bền giới hạn ngang
Trong trường hợp có xét đến áp lực nước, rõ
ràng ảnh hưởng của áp lực nước đến biến
dạng cũng như sức bền giới hạn của kết

cấu (6a; 6b). Áp lực nước làm giảm giá trị
sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh
gia cường.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 49


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Hình 7. Phân bố ứng suất trong kết cấu (Fx:Fy = 6:4)
Khi tỷ lệ tải trọng Fx:Fy = 5:5 thì sự ảnh hưởng
của áp lực nước đến giá trị sức bền giới hạn của

kết cấu lớn nhất so với trường hợp không có áp
lực nước (42,18%). Trong trường hợp tỷ lệ tải
trọng Fx:Fy < 6:4, giá trị ứng suất giới hạn σy thay
đổi nhỏ hơn so với các trường hợp còn lại (hình
6b). Biến dạng và sự phân bố ứng suất trong kết
cấu tấm có thanh gia cường trong trường hợp
Fx:Fy = 6:4 được thể hiện trên hình 7.

góp phần đưa ra những lựa chọn tối ưu đối với
việc lựa chọn quy cách và kích thước kết cấu khi
thiết kế kết cấu tàu.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. IACS (2012). Common Structural Rules for Bulk
Carriers. [S].
[2]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for

3. KẾT LUẬN

ultimate limit state assessment of ships and

Trong bài báo này, tác giả đã tính toán, phân tích
sức bền giới hạn của mô hình tấm có thanh gia
cường của kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô
chạy tuyến pha sông biển. Thông qua các kết quả
nghiên cứu có thể đưa ra các kết luận sau:

stiffened panels [J]. Ocean Engineering, 35(2):

- Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn

phi tuyến để tính toán sức bền giới hạn cho mô
hình kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô. Nghiên
cứu xét điều kiện biến dạng ban đầu theo công
thức thực nghiệm, nghiên cứu nhiều trường hợp
tải trọng khác nhau, áp lực nước… như trường
hợp kết cấu làm việc trong môi trường thực tế.
Xây dựng được mối quan hệ giữa tải trọng tác
dụng, áp lực nước với giá trị ứng suất giới hạn của
kết cấu.

ship-shaped

offshore

structures:

Part

II

271-280.
[3]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for
ultimate limit state assessment of ships and
ship-shaped

offshore

hull

[J].

girders

structures:

Ocean

Part

Engineering,

III

35(2):

281-286.
[4]. Shi, G.j and Wang D, Y (2012). Residual ultimate
strength of open box girders with cracked damage.
Ocean Engineering, 43, pp.90-101.
[5]. Shi, G. J and Wang D, Y (2012). Residual ultimate
strength of cracked box girders under torsional
loading. Ocean Engineering, 43, pp.102-112.
[6]. Liu Bin, Wu Weiguo (2013). Standardized nonlinear
finite element analysys of the ultimate strength
of bulk carriers. Journal of Wuhan University of

- Kết quả nghiên cứu sức bền giới hạn của kết cấu
tấm có thanh gia cường có ý nghĩa quan trọng để
đánh giá sức bền thân tàu, làm cơ sở cho việc thiết
kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn

[7]. Bin Yang, Jia-meng Wu, C. Guedes Soares (2018).

định trong quá trình làm việc. Kết quả nghiên cứu

pressure. Ocean Engineering, 157 , pp. 44-53.

Technology Transportation Science.
Dynamic ultimate strength of outer bottom stiffened
plates under in-plane compression and lateral

50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018