Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét
Evaluation of the ultimate strength structure with cutout
Mạc Thị Nguyên
Email:
Trường Đại học Sao Đỏ
Ngày nhận bài:16/42019
Ngày nhận bài sau phản biện: 28/6/2019
Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019

Tóm tắt
Mục đích của nghiên cứu này nhằm đánh giá ứng suất và biến dạng giới hạn của kết cấu bị khoét
lỗ dưới tải trọng nén. Đây là hình thức tải trọng chính phát sinh từ trọng lượng hàng hóa và áp lực
nước tác động lên kết cấu tàu thủy và cơng trình nổi. Các tấm được coi là ngàm cứng và chịu tải trọng
nén. Các lỗ khoét được khảo sát là hình trịn và nằm ở trung tâm của tấm. Một loạt các phân tích
phần tử hữu hạn Abaqus phi tuyến được thực hiện với việc thay đổi kích thước lỗ khoét đã được khảo
sát. Bằng cách phân tích hồi quy các kết quả FEA thu được giúp các nhà thiết kế cơng trình biển đưa ra
kết cấu tối ưu nhất nhằm đảm bảo độ bền đồng thời tiết kiệm tối đa nguyên vật liệu.
Từ khóa: Sức bền giới hạn; phần tử hữu hạn; tấm khoét lỗ; kết cấu tàu.
Abstract
The aim of this study is to evaluate the stress and ultimate strength of perforated structures with holes
under the compression edge load. Which is the main action type arising from cargo weight and water
pressure affecting the ships structure and offshore structures. The panels are considered to be simply
supported along two edges and kept compression loads. The cutout is circular and located in the
center of the plate. A series of Abaqus nonlinear finite element analyses performed with cutout size is
investigated. By regression analysis of the FEA results is obtained, it helps marine designers to give the
optimum structure for simultaneous durability to ensure the maximum saving of raw materials.
Keywords: Ultimate strength; finite element; plates with cutout; ship’s structure.
1. GIỚI THIỆU
Trong kết cấu tàu thủy và các cấu trúc ngoài khơi,

các lỗ khoét thường được tạo ra nhằm mục đích
làm các lỗ thơng giữa các khoang két, lỗ người
chui, lỗ giảm trọng lượng... Với các tấm có khoét
lỗ phân bố ứng suất biến dạng trong tấm càng trở
nên phức tạp [1]. Những lỗ này làm giảm khả năng
chịu lực của kết cấu, đặc biệt là đối với các tấm
phẳng [2]. Các lỗ khoét trên tấm phẳng gây ra sự
khơng hồn hảo và sụt giảm lớn đối với tải trọng
lên cấu trúc. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện
đối với tấm có các lỗ khoét nhằm tối ưu hóa khả
năng chống vênh của tấm. Nhiều phương pháp
nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu mô phỏng số, nghiên cứu thực nghiệm
[3] đã được đề xuất.
Người phản biện: 1. PGS.TS. Trần Vệ Quốc
2. TS. Vũ Hoa Kỳ

Hình 1. Hình ảnh lỗ khoét trên kết cấu
Trong những thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên
cứu liên quan đến độ bền của các tấm bị khoét lỗ
được thực hiện bởi các nhà khoa học [3, 4]. Tuy
nhiên, để đánh giá một cách chính xác ảnh hưởng
của lỗ kht tới cơ cấu thì vẫn cịn nhiều thách
thức vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng. Không
chỉ các kết cấu ngồi khơi mà cịn cả các cấu trúc
trên đất liền. Trái ngược với các tấm hồn hảo,

48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
sức bền giới hạn của tấm có kht lỗ ln nhỏ hơn
sức bền giới hạn của tấm hồn hảo [5]. Do đó, cần
phải trực tiếp xem xét sức bền giới hạn của tấm bị
khoét lỗ tùy thuộc vào mục đích thiết kế khác nhau
của kết cấu. Tuy nhiên, do các đặc tính hoạt động
của các phần tử tấm được sử dụng cho tàu và cấu
trúc ngoài khơi khá khác biệt so với các cấu trúc
trên đất liền, nên các nghiên cứu đối với các loại
kết cấu này chắc chắn là cần thiết và cấp bách đối
với các nhà nghiên cứu hiện nay [2, 6].
Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, đối với tấm
có lỗ khoét chỉ căn cứ vào tỉ số đường kính lỗ
kht (đối với lỗ hình trịn) so với chiều rộng tấm
thì khơng đủ cơ sở đánh giá chính xác được sức
bền giới hạn của tấm. Cụ thể trong nghiên cứu [7]
tại bảng 3 mục 3.6, nhóm tác giả đã chứng minh
rằng tỉ lệ lỗ khoét trên chiều rộng không tỉ lệ với
sức bền giới hạn của kết cấu.

tấm trong khi nó có thể nghiêng về cạnh của tấm
trong một số trường hợp khác nhau cũng thường
xuyên xuất hiện [2, 3].
Do đó, ảnh hưởng của việc kht lỗ hình dạng
khác và vị trí cắt lệch tâm sẽ được nghiên cứu
trong tương lai nhằm đem lại lợi ích về kinh tế
trước tiên đối với việc giảm trọng lượng kết cấu,
sau đó là giảm chi phí vận hành khi đưa sản phẩm
vào khai thác thực tế. Như được hiển thị trong hình
2, kích thước tấm là a × b × t (a là chiều dài tấm,

b là chiều rộng tấm và t là chiều dày tấm) được
khảo sát. Môđun Young là E = 200000 Mpa, ứng
suất vật liệu là σ = 690 N/mm2 và tỷ lệ Poisson là
ν = 0,3. Đường kính của lỗ khoét là D. Giả thiết
rằng vật liệu tấm luôn nằm trong miền đàn hồi.

Mục đích của nghiên cứu này là:
- Thứ nhất: Đề xuất phương pháp tính tốn sức
bền giới hạn, khơng mang tính chất khảo sát tồn
bộ tất cả các trường hợp hay tỉ lệ đường kính lỗ
khoét so với chiều rộng tấm.
- Thứ hai: Ứng dụng phần mềm FE Abaqus để
đưa ra phương pháp tính tốn, nghiên cứu ứng
suất và biến dạng của các tấm bị khoét các lỗ nằm
tại trung tâm của tấm, được sử dụng cho tàu và
các cơng trình ngồi khơi. Các phân tích phần tử
hữu hạn FEA được thực hiện nhằm đưa ra đánh
giá chi tiết ảnh hưởng của kích thước lỗ tới độ bền
kết cấu.
2. MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN
Đối với tàu và các cấu trúc ngoài khơi, việc khoét
lỗ thường được thực hiện trong các tấm của
bể chứa nước dằn, khoang két, lỗ giảm trọng
lượng. Thông thường đối với tấm sau khi bị khoét
sẽ có kết cấu gia cường xung quanh nhằm bù đắp
lại phần kết cấu đã bị bỏ đi. Tuy nhiên, hiện nay để
tính tốn chính xác kích thước kết cấu gia cường
là bao nhiêu thì các nhà thiết kế tàu thường dựa
vào công thức được trình bày trong quy phạm, do
đó làm tăng trọng lượng thiết kế cơng trình. Trong

nghiên cứu này đã đưa ra so sánh chính xác ảnh
hưởng của kết cấu bị khoét lỗ so với kết cấu hồn
chỉnh bằng phân tích FEA.
Giới hạn nghiên cứu này, chỉ có lỗ kht hình trịn
được tác giả xem xét, tuy nhiên đối với kết cấu tàu
và kiến trúc ngồi khơi, các loại lỗ kht hình elip
hoặc hình chữ nhật cũng được sử dụng khá phổ
biến. Ngồi ra, phần bị cắt nằm ở trung tâm của

Hình 2. Mơ hình tính tốn
Các tấm bị suy yếu bởi các vết cắt hình trịn
dưới tải trọng. Trong những trường hợp này,
các ứng suất, biến dạng tại khu vực gần lỗ
kht có thể được ước tính bằng hai cách tiếp
cận khác nhau.
Cách thứ nhất, các công thức phần tử hữu
hạn cung cấp các giải pháp chính xác cho một loạt
các tùy chọn có sẵn liên quan đến vấn đề mơ hình
hóa. Các cơng thức đã được tích hợp sẵn trong
phần mềm này đã được áp dụng rộng rãi cho
vấn đề nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu. Tuy
nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn yêu cầu
chính xác vấn đề chia lưới, đặc biệt là xung quanh
mép lỗ khoét, nếu việc chia lưới ở khu vực này
không được quan tâm thích đáng sẽ dẫn đến thiếu
chính xác đối với kết quả thu được. Song nếu lưới
được chia quá nhỏ sẽ làm tăng đáng kể thời gian
tính tốn mà kết quả không thay đổi nhiều.
Trong cách tiếp cận thứ hai, một loạt các công
thức thực nghiệm đã được tổng hợp, đây là giải

pháp tính tốn nhanh hơn, phù hợp để bắt đầu các
vấn đề thiết kế sơ bộ mà không cần u cầu độ
chính xác cao. Các cơng thức như vậy là phương
pháp nhanh chóng để tiến hành phân tích ứng
suất xung quanh các phần bị cắt. Phương pháp
này dựa trên các hàm xấp xỉ được sử dụng để hội
tụ nhanh.

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 49


NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Một nghiên cứu hội tụ với việc chia lưới phần tử
hữu hạn đã được thực hiện nhằm tính tốn FEA
của tấm được thể hiện trong hình 3.

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 5 cho thấy mối quan hệ biến dạng và ứng suất
đối với tấm bị khoét lỗ so với tâm hoàn hảo. Từ đồ
thị cho chúng ta thấy rõ ràng là trong hình 5 việc
cắt bỏ làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của
tấm. Khi đường kính của phần lỗ bị khoét là 50%
chiều rộng của tấm (D/b = 0,5), khi đó sức bền
giới hạn của tấm bị giảm hơn một nửa so với tấm
không bị khoét lỗ (tương ứng với giá trị trung bình
ứng suất tấm có D/b = 0,5 chia cho giá trị trung
bình ứng suất tấm nguyên vẹn là 0,478).

Hình 3. Chia lưới phần tử hữu hạn
3. ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ TẢI TRỌNG

Abaqus có thể tự động thực hiện các bước tính
tốn. Tuy nhiên, người sử dụng cần phải gán điều
kiện biên ban đầu trong quá trình thiết lập cơ bản.
Đồng thời thiết lập các bước phân tích tiếp theo,
gán tải trọng trong các bước phân tích tiếp theo.
Điều kiện biên được thiết lập bởi phần mềm tính
tốn phần tử hữu hạn Abaqus. Tấm được chia
thành các điểm nút và có mối quan hệ ràng buộc
với nhau. Các mối quan hệ này thông qua biến
dạng và chuyển vị nút tương ứng. Trong nghiên
cứu này, tấm được cố định ngàm cứng một đầu,
đầu cịn lại có khả năng chuyển động tịnh tiến theo
trục X như hình 4.

Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và giới hạn
khi thay đổi kích thước lỗ khoét
Trong đó:
Da - biến dạng theo phương X;
a - chiều dài tấm;
da/a - tỉ số biến dạng chia chiều dài.
Biến dạng và phân bố ứng suất của tấm với các
trường hợp khảo sát được thể hiện trong hình 6.

Hình 4. Điều kiện biên và tải trọng
Tải trọng tác dụng lên kết cấu ngoài khơi thường
là tải trọng phức tạp. Song nhằm đơn giản hóa bài
tốn, trong nghiên cứu này chúng tôi tách riêng
biệt các thành phần tải trọng. Tải trọng tính tốn
ở bài viết này là tải trọng theo chiều dọc tấm (tải
trọng song song với trục X).

Giá trị đặt lực tại điểm nút được xem xét là 4000 N.
Phần mềm Abaqus cho phép định nghĩa thuộc tính
vật liệu của mơ hình, tác dụng tương hỗ giữa các
chi tiết, tải trọng, điều kiện biên… trực tiếp trên mơ
hình hình học. Không bắt buộc định nghĩa trực tiếp
trên phần tử và điểm nút, khi phân chia lại lưới cấu
trúc. Các tham số này đều không cần phải định
nghĩa lại.

(a) Tấm ban đầu

(b) Tấm khoét lỗ D/b = 0,3

(c) Tấm khoét lỗ D/b = 0,5
Hình 6. Ứng suất và biến dạng tấm

50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019


LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
khảo sát tồn bộ các trường hợp kích thước lỗ
khoét xuất hiện trên kết cấu.

(d) Tấm khoét lỗ D/b=0,7
Hình 6. (tiếp theo)
Từ kết quả thu được cho thấy tấm bị khoét lỗ
thì hiện tượng giảm bền sẽ ảnh hưởng trực tiếp
xung quanh mép lỗ. Điều đó cho thấy rằng khi kết
cấu bị khoét lỗ cần có sự gia cường thỏa đáng
xung quanh mép lỗ nhằm đảm bảo sức bền giới

hạn. Đồng thời làm giảm ứng suất tập trung tại
khu vực này.

Trong nghiên cứu tiếp theo, các loại tải khác nhau,
tải kết hợp, với các loại lỗ khoét hoặc vị trí lỗ khoét
khác nhau sẽ được chúng tôi thực hiện nhằm
đánh giá tổng quát sức bền giới hạn các loại kết
cấu thường được ứng dụng đối với tàu thủy cũng
như cơng trình ngồi khơi.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

5. KẾT LUẬN

[1] Bích Vũ Ngọc (2007), Kết cấu tàu thủy - Tập
1, 2, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP.
Hồ Chí Minh.

[2] Nghị Trần Cơng (2006). Thiết kế tàu thủy - Tập 1,
2. Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia
TP. Hồ Chí Minh.

[3] RenhuaWanga, Shenoib R. Ajit, and AdamSobeyc

Nghiên cứu này trình bày ảnh hưởng của lỗ khoét
đối với tấm phẳng. Phương pháp phân tích phần
tử hữu hạn phi tuyến đã được phát triển để đánh
giá ảnh hưởng của lỗ khoét đối với kết cấu tàu
thủy và kiến trúc ngoài khơi dưới tải trọng nén.
Có thể dùng các phần mềm phân tích phần tử

hữu hạn để làm thực nghiệm số nghiên cứu ảnh
hưởng của hình dạng lỗ khoét đến ứng suất giới
hạn của tấm kết cấu. Lỗ khoét ảnh hưởng rõ rệt
đến sự phân bố ứng suất trong tấm dẫn đến ảnh
hưởng đến khả năng chịu tải. Mức độ giảm này
phụ thuộc vào kích thước lỗ khoét. Một loạt các
FEA đã được thực hiện, từ kết quả tính tốn và mơ
phỏng cho thấy rằng việc cắt bỏ làm giảm đáng kể
sức bền giới hạn của tấm.
Với phương pháp được đề xuất giúp cho các nhà
nghiên cứu theo hướng này có thể tính tốn và

(2018), Ultimate strength assessment of plated
steel structures with random pitting corrosion
damage, Journal of Constructional Steel
Research, Vol. 143, No. pp. 331-342.

[4] AhmadRahbar-Ranji,

NabiNiamir,
and
ArvinZarookian (2015), Ultimate strength
of stiffened plates with pitting corrosion,
International Journal of Naval Architecture and
Ocean Engineering, Vol. 7, No. 3, pp. 509-525.

[5] Abaqus 6.13 Documentation - Polish Academy of
Sciences. Abaqus/CAE User's Guide.

[6] J. Brown Christopher and L. Yettram Alan

(1986), The elastic stability of square perforated
plates under combinations of bending, shear
and direct load, Thin-Walled Structures, Vol. 4,
No. 3, pp. 239-246.

[7] Prajapat Kanta, Ray-Chaudhuri Samit, and
Kumar Ashwini (2015), Effect of in-plane
boundary conditions on elastic buckling behavior
of solid and perforated plates, Thin-Walled
Structures, Vol. 90, No. pp. 171-181.

THƠNG TIN VỀ TÁC GIẢ
Mạc Thị Ngun
- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo,
nghiên cứu):
+ Năm 2007: Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật quân sự, ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí
+ Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học
Bách khoa Hà Nội
- Tóm tắt cơng việc hiện tại: Giảng viên, khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ
- Lĩnh vực quan tâm: Tính tốn thiết kế máy và robot
- Điện thoại: 0389481166
- Email:

Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 51