Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu thân tàu

NGÔ XUÂN HẢI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ KHAI THÁC
PHẦN MỀM TÍNH TỐN BẰNG PHƯƠNG
PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TRONG TÍNH
TỐN KẾT CẤU THÂN TÀU

NGƠ XN HẢI
2006 - 2008
Hà Nội
2008

HÀ NỘI 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ KHAI THÁC PHẦN
MỀM TÍNH TỐN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN TRONG TÍNH TỐN KẾT CẤU THÂN TÀU
NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY
MÃ SỐ:
NGƠ XN HẢI

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. LÊ QUANG

HÀ NỘI 2008


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-1-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
────────────────
BẢN CAM ĐOAN

Kính gửi:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Tơi tên là

: Ngô Xuân Hải

Sinh ngày

: 25/07/1981

Học viên lớp

: Cao học Cơ khí động lực

Chun ngành

: Kỹ thuật tầu thủy

Khóa

: 2006 - 2008

Số CMND

: 012292713

Hiện công tác tại : Công ty Cổ phần Kỹ thuật đóng tàu Vinashin
Tơi xin cam đoan và chịu trách nhiệm trước pháp luật về những nội dung cam
đoạn sau đây:
1. Là người nghiên cứu và thực đề tài ‘Nghiên cứu ứng dụng và khai thác
phần mềm tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong tính tốn
thiết kế thân tầu’, tơi tồn quyền sở hữu trí tuệ đề tài này theo quy định
của pháp luật. Tơi xin cam kết khơng có bất kỳ tranh chấp hay khiếu nại
nào;

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu

Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-2-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

2. Những thơng tin về nhân thân trong bản cam đoan này là đúng sự thật;
3. Văn bản cam đoan này được lập hoàn toàn tự nguyện, không bị lừa dối, ép
buộc.
Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2008
Người lập

Ngô Xuân Hải

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-3-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

LỜI CẢM ƠN

Tơi xin chân thành cảm ơn:
PGS. TS. Lê Quang
Người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong q
trình hồn thành luận án tốt nghiệp.
Đồng thời, tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong bộ mơn Kỹ
thuật tàu thủy và thủy khí – Viện cơ khí động lực – Trường Đại Học Bách Khoa
Hà Nội; Ban Giám đốc cùng bạn bè, đồng nghiệp tại Cơng ty Cổ phần Kỹ thuật
đóng tàu Vinashin đã nhiệt tình hướng dẫn, góp ý giúp tơi hồn thành xuất sắc
luận án.
Cũng nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy cơ
giáo trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong q trình học tập
tại trường.
Cuối cùng tơi xin cảm ơn sự động viên, khích lệ của các thành viên trong
gia đình.
Hà Nội ngày 30 tháng 09 năm 2008
Học viên

Ngơ Xuân Hải

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-4-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẦN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………………………………

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-5-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

MỤC LỤC
BẢN CAM ĐOAN………………………………………………………….....01
LỜI CẢM ƠN …………………………………………………………………03
MỤC LỤC……..………….…………………………………………………....05
MỞ ĐẦU…….………………………………………….……………………....06
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN…………………………………………………..12
1.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH………………………………..12
1.2. Cơ sở lý thuyết của phần mềm Veristar Hull………………………..21
CHƯƠNG II. ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PTHH TRONG TÍNH TỐN
KẾT CẤU THÂN TẦU…..……………………………………………………34
2.1. Giới thiệu chung về sêri tầu 58 000 DWT…………………………..34
2.2. Tính tốn sơ bộ ( bằng phần mềm Mars)……………………………39
2.3. Tính tốn sức bền chung…………………………………………….44
2.3.1. Xây dựng mơ hình tính tốn………………………………..44
2.3.2. Đánh giá kết quả tính tốn …………………………………58
2.4. Tính tốn sức bền cục bộ…………………………………………..107
2.4.1. Xây dựng mơ hình tính tốn……………………………….107
2.4.2. Đánh giá kết quả tính tốn………………………………...112
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN..…………………………….....114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………..………...117
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………..…………….....119
PHỤ LỤC…………………………………………………………………......119

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu

Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-6-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

MỞ ĐẦU

Việt Nam có vùng lãnh thổ cong hình chữ S, chạy dọc phía Đơng bán đảo
Đơng Dương, thuộc khu vực Đơng Nam Á. Phía Đơng, Nam và Tây Nam giáp
biển Thái Bình Dương; tiếp giáp với Trung Quốc ở phía Bắc, với Lào và Cămpu-chia ở phía Tây Phần đất liền của Việt Nam trải dài từ 23o23' đến 08o02' vĩ độ
Bắc và chiều ngang từ 102o08' đến 109o28' kinh độ Đông. Chiều dài tính theo
đường thẳng trong đất liền từ Bắc xuống Nam khoảng 1.650 km. Chiều ngang từ
Đông sang Tây nơi rộng nhất trên đất liền là 600 km, nơi hẹp nhất 50 km.
Nước ta có ba mặt Đơng, Nam và Tây-Nam trơng ra biển với bờ biển dài
3.260 km, từ Móng Cái ở phía Bắc đến Hà Tiên ở phía Tây Nam. Phần Biển
Đông thuộc chủ quyền Việt Nam mở rộng về phía Đơng và Đơng Nam, có thềm
lục địa, các đảo và quần đảo lớn nhỏ bao bọc. Chỉ riêng Vịnh Bắc Bộ đã tập
trung một quần thể gần 3.000 hòn đảo trong khu vực Vịnh Hạ Long, Bái Tử
Long, các đảo Cát Hải, Cát Bà, đảo Bạch Long Vĩ... Xa hơn là quần đảo Hồng
Sa và Trường Sa. Phía Tây - Nam và Nam có các nhóm đảo Cơn Sơn, Phú Quốc
và Thổ Chu.
Biển Đông được coi là “biển vàng” trong thời đại hiện nay. Khối lượng
hàng hoá xuất nhập khẩu của thế giới qua vùng biển Đông là rất lớn. Số lượng
các nhà kinh doanh và khách du lịch đi qua đây cũng sẽ tăng vọt. Du lịch và vận
tải hành khách qua Biển Đông - bằng tàu thuỷ và bằng máy bay - sẽ bùng bổ.

Điều đó tạo cho Biển Đơng những lợi ích khổng lồ.
Việt Nam nằm ở rìa biển Đơng, án ngữ trên các tuyến hàng hải và hàng
không huyết mạch thông thương giữa Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương, giữa

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-7-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

châu Âu, Trung Cận Đơng với Trung Quốc, Nhật Bản và các nước trong khu
vực, Biển Đơng đóng vai trị là chiếc "cầu nối" cực kỳ quan trọng, là điều kiện
rất thuận lợi để giao lưu kinh tế giữa nước ta với các nước trên thế giới, đặc biệt
là với các nước trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương, khu vực phát triển
kinh tế năng động và có một số trung tâm kinh tế của thế giới. Đây là điều kiện
địa lợi đặc biệt để phát triển, trong đó, vận tải biển đóng vai trò quan trọng thúc
đẩy sự phát triển của nền kinh tế.
Nhận thức được tầm quan trọng của biển, Ban chấp hành Trung ương
Đảng khoá X đã ra nghị quyết về “Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020”.
Có thể nói, đây là một văn bản quan trọng thể hiện sự quyết tâm của Đảng và
Nhà nước ta trong việc tận dụng và khai thác tối đa tiềm năng biển. Dưới đây là
một số nội dung quan trọng của chiến lược:
- Mục tiêu tổng quát: Đến năm 2020, phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc
gia mạnh về biển, làm giàu từ biển, bảo đảm vững chắc chủ quyền quốc gia trên
biển, đảo, góp phần quan trọng trong sự nghiệp CNH-HĐH, làm cho đất nước

giàu, mạnh.
- Mục tiêu cụ thể: trong đó nhấn mạnh phải phát triển các ngành dịch vụ
biển, xây dựng một số khu kinh tế mạnh ven biển, mở rộng hợp tác quốc tế trong
các lĩnh vực về biển.
- Định hướng phát triển kinh tế xã hội đã chỉ rõ phải xây dựng kết cấu hạ
tầng biển gắn với phát triển mạnh các ngành dịch vụ; xây dựng tuyến đường ven
biển, trong đó, có một số đoạn cao tốc và các tuyến vận tải cao tốc trên biển;
Hình thành một số lĩnh vực kinh tế mạnh gắn với xây dựng các trung tâm kinh tế
để ra biển, làm động lực thúc đẩy sự phát triển của đất nước.

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-8-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Đến năm 2020, thứ tự phát triển kinh tế biển đứng đầu là Khai thác, chế
biến dầu, khí thứ hai là Kinh tế hàng hải. Nhưng sau năm 2020, thứ tự hai ngành
này có sự thay đổi.
Trước mắt phải tập trung đầu tư phát triển du lịch biển, xây dựng cảng
biển, phát triển công nghiệp đóng tàu, xây dựng đội tàu mạnh, phát triển những
ngành dịch vụ mũi nhọn như vận tải biển, các khu kinh tế ven biển.
- Định hướng xây dựng kết cấu hạ tầng cũng chỉ rõ phải Phát triển mạnh
hệ thống cảng biển quốc gia, xây dựng đồng bộ một số cảng đạt tiêu chuẩn khu
vực và quốc tế, đặc biệt chú trọng các cảng nước sâu ở cả ba miền Bắc Trung

Nam, tạo những cửa mở lớn vươn ra biển thơng với quốc tế; Sớm hồn chỉnh,
khai thác có hiệu quả hệ thống sân bay ven biển, xây dựng tuyến đường ven biển
và đường cao tốc Bắc Nam trên biển
- Định hướng chiến lược các vùng biển:
+ Vùng biển và ven biển phía Bắc (Quảng Ninh-Ninh Bình): Xây dựng
khu vực Hải Phòng - Quảng Ninh thành trung tâm kinh tế mạnh, nịng cốt là
cảng biển, cơng nghiệp và du lịch biển làm đầu tàu lơi kéo cả vùng phát triển.
Hình thành và phát triển các khu kinh tế tổng hợp, cụm công nghiệp ven biển.
Phát triển các khu kinh tế thương mại gắn với vành đai kinh tế ven biển Vịnh
Bắc Bộ trên cơ sở xây dựng tuyến đường ven biển, cảng biển, các khu kinh tế,
các thành phố, thị xã thị trấn ở dải ven biển.
+ Vùng biển và ven biển Bắc Trung Bộ, duyên hải Trung Bộ (Thanh Hóa
– Bình Thuận): Xây dựng Đà Nẵng thành trung tâm phát triển các lĩnh vực liên
quan đến biển của vùng, là một trong ba trung tâm kinh tế biển lớn của nước ta.
Xây dựng hành lang kinh tế trên cơ sở tuyến cao tốc Bắc – Nam, các cảng nước

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-9-

Ngô Xuân Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

sâu, sân bay quốc tế, phát triển các đô thị ven biển. Xây dựng các khu kinh tế
tổng hợp; chú trọng phát triển kinh tế hàng hải, du lịch.
+ Vùng biển và ven biển Đông Nam Bộ (Bà Rịa – Vũng Tàu – Thành phố

Hồ Chí Minh): Phát triển thành phố Vũng Tàu thành trung tâm hướng ra biển
của vùng. Hình thành các tuyến hành lang kinh tế, các khu cơng nghiệp, trong đó
quan trọng nhất là tuyến hành lang kinh tế dọc quốc lộ 51.
+ Vùng biển và ven biển Tây Nam Bộ (Tiền Giang – Cà Mau – Kiên
Giang): Xây dựng Phú Quốc thành trung tâm kinh tế lớn của vùng hướng mạnh
ra biển. Đến năm 2020, cơ bản xây dựng Phú Quốc thành trung tâm du lịch sinh
thái chất lượng cao và trung tâm giao thương quốc tế. Hình thành và phát triển
tuyến hành lang kinh tế ven biển phía Tây (Rạch Giá – Hà Tiên) và tuyến hành
lang kinh tế ven biển phía Đơng (Bạc Liêu - Ghềnh Hào – Cà Mau – Năm Căn)
gắn với xây dựng khu công nghiệp khí - điện - đạm Cà Mau.
Góp phần thực hiện tốt các định hướng đề ra, một trong những nhiệm vụ
và giải pháp của chiến lược là Xây dựng một số tập đồn kinh tế mạnh làm lực
lượng nịng cốt trong phát triển kinh tế biển với sự tham gia của mọi thành phần
kinh tế. Các lĩnh vực cần được đặc biệt chú ý là điều tra, khai thác và chế biến
dầu, khí, khống sản; hàng hải; cơng nghiệp đóng tàu; vận tải biển; khai thác và
chế biến hải sản.
Rõ ràng là, chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020 thể hiện nhận thức
mới về biển của Đảng và Nhà nước ra, đồng thời đề ra đường hướng phát triển
cho ngành kinh tế biển nói chung, trong đó có vận tải biển. Mở đầu nghị quyết
có câu “ Thế kỷ XXI được thế giới xem là thế kỷ của đại dương. Các quốc gia có
biển đề rất quan tâm đến biển và coi trọng việc xây dựng Chiến lược biển”. Qua

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 10 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

đó, chúng ta có thể thấy tính cấp thiết của việc phát triển kinh tế biển. Việc phát
triển kinh tế biển không phải là chiến lược được thực hiện trong tương lai mà
phải được thực hiện ngay từ bây giờ, ngay lúc này. Việc xây dựng tuyến vận tải
cao tốc Bắc Nam là việc làm cụ thể, cần thiết và đúng đắn thể hiện rõ chiến lược
biển Việt Nam.
Từ khi ra đời, vận tải biển luôn khẳng định được hiệu quả và vai trị của
mình trong các loại hình vận tải. Với 3.260 km đường biển, vận tải biển Việt
Nam đã và đang từng bước phát triển để hoà nhịp với sự phát triển của Việt
Nam. Hiện tại, nước ta có hơn 100 cầu cảng, trong đó có 24 cảng biển chính.
Đội tàu biển quốc gia Việt Nam tính đến 31/12/2006 đã có 1.107 tàu đăng
ký hoạt động, tăng 2,1% so với năm 2005. Tổng dung tích đăng ký 2.294.016
GT, tổng trọng tải 3.447.474 DWT, tăng 10,66%; trong đó tàu hàng khơ là 720
chiếc với tổng trọng tải 1.940.504 DWT, tàu container là 22 chiếc với tổng trọng
tải 208.668 DWT, tàu hàng lỏng là 80 chiếc với tổng trọng tải 718.474 DWT.
Cùng với sự gia tăng về số lượng tàu và tấn trọng tải, thị phần hàng hóa
đội tàu quốc gia giành được trong những năm gần đây không ngừng tăng. Nếu
như năm 2000 tổng sản lượng vận tải của đội tàu biển quốc gia mới chỉ đạt 18,7
triệu tấn, thì năm 2005 đã đạt 42,6 triệu tấn, trong đó sản lượng vận tải nước
ngoài là 26,5 triệu tấn, tăng 127,8% so với năm 2000. Thị phần vận tải hàng hóa
xuất nhập khẩu của đội tàu biển VN đã tăng từ 13,5% năm 2000 lên 21% vào
năm 2005.
Năm 2006 đã có 62.291 lượt tàu thuyền ra, vào các cảng biển Việt Nam
với tổng dung tích 266,103 triệu GT, tăng 12,74% so với năm 2005; trong đó có

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu

Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 11 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

33.839 lượt tàu nội, tăng 12,88%. Đặc biệt là hoạt động hàng hải tăng mạnh ở
các vùng kinh tế trọng điểm.
Sản lượng hàng hố thơng qua các cảng biển Việt Nam năm 2006 đạt
154,498 triệu tấn, tăng 11,02% so với năm 2005. Trong đó hàng container đạt
3,42 triệu TEUs, tăng 17,51%, hàng khơ đạt 67,761 triệu tấn, tăng 11,84%. Đáng
chú ý hàng quá cảnh đạt 14,736 triệu tấn, tăng 15,73%; Sản lượng hàng hoá vận
tải của đội tàu biển Việt Nam đạt được trong năm 2006 là 49,48 triệu tấn, tăng
19% so với năm 2005. Trong đó sản lượng vận tải biển nước ngoài đạt 36,3 triệu
tấn, sản lượng vận tải biển trong nước đạt 13,18 triệu tấn, vận tải container đạt
1,14 triệu TEU.
Theo Cục Hàng hải VN, sản lượng vận tải biển năm 2007 ước đạt 59,376
triệu tấn hàng hoá, tăng 20% so với năm 2006. Trong đó, container đạt 1,347
triệu TEU, tăng 21%, vận tải nước ngoài đạt 44,286 triệu tấn và vận tải trong
nước đạt 15,090 triệu tấn.
Với một bức tranh tổng thể về nền kinh tế Việt Nam có thể khẳng định
rằng Việt Nam sẽ trở thành một nước công nghiệp mạnh. Để đạt được kết quả
cao chúng ta cần tận dụng và khai thác những thế mạnh của mình đó là việc khai
thác tiềm năng biển. Nói đến tiềm năng của biển phải kể đến vận tải đường biển
mà từ trước tới giờ chúng ta chưa thực sự đầu tư nên nguồn thu từ loại hình này
chưa đáng kể. Chính vì vây mà trong thời gian tới chúng ta cần có sự đầu tư lớn
hơn, quy mơ hơn để ta có thể thu lợi lớn từ biển như vận tải biển, du lịch biển
v.v…

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 12 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN
1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP PTHH
Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu là một bài tốn
khó.Các phương pháp phân tích kết cấu cổ điển thường xem kết cấu là một môi
trường liên tục. Lời giải của bài toán thường đươc thể hiện dưới dạng các
phương trình vi phân phức tạp, khó đưa ra được lời giải chính xác cũng như lời
giải gần đúng ở mức độ cháp nhận được. Cách giải bài toán sẽ càng khó khăn
nếu kết cấu có hình dạng bất kỳ, chịu lực phức tạp và được chế tạo bằng nhiều
loại vật liệu khơng đồng nhất.
Trong tính tốn kết cấu, ý đồ thay thế môi trường liên tục bằng một tập
hợp các phần tử gián đoạn với số lơ]ngj hữu hạn đã xuất hiện từ lâu. Ngay từ thế
kỷ 18, Euler đã kiến nghị thay thế màng mỏng bằng một hệ dây mềm trực giao.
Năm 1774, Bernoulli đã thay thế tấm chữ nhật băng một hệ dầm trực giao để
nghiên cứu dao động.Đầu thế kỷ XX, Timoshenko đã thực hiện tính đập chắn
bằng mơ hình tính có dạng vịm – cơngxon. Năm 1941, Hrennikoff đã xem một
vật thể đàn hồi như một hệ thanh khớp khơng gian. Năm 1956, Rzanhitxưn mơ
hình hóa môi trường liên tục bằng một hệ thanh phẳng hoặc khơng gian và đã

tìm được những điều kiện tương đương giữa vật thể và mơ hình thay thế nhưng
chỉ áp dụng cho trường hợp hệ số Poisson n = ¼. Năm 1970, Absi đã đưa ra một
cách giải quyết tổng quát để xác lập một hệ tương đương thay thế một hệ thực
bằng cách xét thế năng biến dạng giữa hệ thực và hệ thay thế.

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 13 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Phương pháp PTHH được bắt nguồn từ những ý niệm đó từ những năm
đầu thập kỷ 60, các tác giả đầu tiên đã viết và công bố tài liệu về phương pháp
này như H. C. Martin, M. J. Turner, … Đặc biệt O. C. Zienkiewic, năm 1970 đã
dùng thuật ngữ phâng tử hữu hạn để đặt tên phương pháp. Trong bài báo với tên
“Phương pháp PTHH từ trực giác đến tổng quát” đăng trong tạp chí cơ học ứng
dụng thế giới, Zienkiewic đã trình bày một cách cơ đọng, súc tích, ý nghĩa nội
dung và khả năng to lớn của phương pháp PTHH. Cũng trong bài báo này, ơng
đã giới thiệu, tóm tắt 106 cơng trình có giá trị của nhiều tác giả đã cơng bố trong
giai đoạn 1956 – 1970 có liên quan trực tiếp đến phương pháp phần tử hữu hạn.
Sự ra đời và phát triển của phương pháp PTHH đã đáp ứng được những
đòi hỏi của sự phát triển kỹ thuật hiện đại, phải thiết kế những kết cấu phức tạp
trong các lĩnh vực hang không, hang hải, khai thác dầu khí, du hành vũ trụ và các
cơng trình xây dựng khác …
Sự phát triển mạnh mẽ và sử dụng rộng rãi máy tính điện tử đã thúc đẩy

nhanh sự hoàn thiện và phong phú của phương pháp PTHH.
Ở Việt Nam, chúng ta đã tiếp thu và nghiên cứu phương pháp PTHH từ
giữa những năm 70, nhưng do khả năng ứng dụng máy tính điện tử cịn bị hạn
chế, việc áp dụng trong thực tế cịn rất ít. Phải đến những năm 80, việc nghiên
cứu, áp dụng phương pháp này mới phổ biến và dần trở thành một phương pháp
tính hữu hiệu trong thiết kế kết cấu ở các lĩnh vực xây dựng và cơ khí. Những
năm gần đây, các chuyên gia thiết kế đã dùng phương pháp PTHH để tính tốn
thiết kế hoặc kiểm tra các kết cấu phức tạp dùng trong cơng trình xây dựng khai
thác dầu khí, đường dây tải điện …

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính toán kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 14 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Chúng ta đã học hỏi và tiếp thu các thành quả nghiên cứu và ứng dụng của
phương pháp PTHH mà các nhà khoa học, tốn học trên thế giới đã đạt được
thơng qua rất nhiều cơng trình lí luận kinh điển cũng như các cơng trình tính tốn
có tầm cỡ lớn, giải quyết được đúng đắn nhiều bài tốn phức tạp trong tính tốn
kết cấu.
Các nhà cơ học Việt Nam cũng đã cơng bố một số cơng trình nghiên cứu
ứng dụng phương pháp PTHH trong tính tốn kết cấu. Nhiều chương trình tính
tốn được sử dụng và khởi thảo trong thiết kế thực tế.
Hiện nay, kỹ thuật máy tính điện tử đã phát triển rộng rãi ở nước ta tạo

điều kiện cho sự nghiên cứu, phát triển và áp dụng phương pháp PTHH, nhanh
chóng trở thành một phương pháp quen thuộc, phổ biến trong các lĩnh vực tính
tốn phân tích kết cấu nhất là các kết cấu phức tạp. Tóm lại, phương pháp PTHH
thực sự là một phương pháp tính số mạnh đã và sẽ phát triển tiếp tục áp dụng
rộng rãi hơn ở nước ta.
Phương pháp PTHH dựa trên cơ sở rời rạc hóa, nghĩa là dùng một mơ hình
rời rạc để lý tưởng hóa kết cấu thực.
Mơ hình được chọn thường phải thỏa mãn hai yêu cầu dưới đây:
• Xấp xỉ càng chính xác càng tốt các tính chất hình học và vật liệu của kết
cấu thực
• Tránh được càng nhiều càng tốt những phức tạp về mặt toán học trong khi
dùng mơ hình tính
Trong phương pháp PTHH, người ta thực hiện rời rạc hóa bằng cách chia kết
cấu liên tục thành một số hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con có kích thước
càng nhỏ càng tốt nhưng phải hữu hạn. Các miền hoặc kết cấu con được gọi là
các phần tử hữu hạn, chúng có thể có dạng hình học và kích thước khác nhau,

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 15 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

tính chất vật liệu được giả thiết không thay đổi trong mỗi phần tử nhưng có thể
thay đổi từ phần tử này sang phần tử khác.

Kích thước hình học và số lượng các phần tử khơng những phụ thuộc vào
hình dáng hình học và tính chất chịu lực của kết cấu mà cịn phụ thuộc vào yêu
cầu mức độ chính xác của bài tốn đặt ra.
Đối với hệ thanh thì PTHH là các thanh, đối với kết cấu tấm thì PTHH là các
tấm tam giác, chữ nhật, … , còn đối với vật thể đàn hồi thì PTHH là các hình
chóp, hình trụ, hình hộp, …
Nếu kết cấu có dạng cong, người ta có thể sử dụng loại PTHH có các cạnh
hay mặt cong.
Sau khi rời rạc hóa các kết cấu liên tục, các PTHH lại được giả thiết nối với
nhau tại một số điểm quy định (thường là các đỉnh của mỗi phần tử) gọi là các
nút, cịn tồn bộ tập hợp các phần tử được rời rạc gọi là lưới PTHH.
Lưới PTHH càng mau, nghĩa là số lượng phần tử càng lớn hay kích thước của
phần tử càng nhỏ thì mức độ chính xác của kết quả tính tốn càng tăng.
Số lượng phần tử hay nói khác đi là số lượng nút có liên quan đến số lượng
ẩn số của bài tốn. Thơng thường, với một bài tốn khơng phức tạp lắm, khi
phân tích bằng phương pháp PTHH, cũng phải giải hệ phương tình chứa hàng
trăm ẩn. Với những kết cấu phức tạp, địi hỏi mức độ chính xác cao, số ẩn số có
hi lên tới hàng nghìn. Điều đó cho thấy phương pháp PTHH địi hỏi phải có máy
tính điện tử để thực hiện. Ưu điểm nổi bật của thuật tốn trong phương pháp
PTHH là đơn giản, tính hệ thống cao rất phù hợp với máy tính điện tử. Cịn đối
với máy tính điện tử, việc giải một hệ phương trình với ẩn số lớn khơng cịn là
một điều đáng lo ngại như trước đây nữa.

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 16 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Một vấn đề được đặt ra khi rời rạc hóa kết cấu là tính chất hội tụ của phương
pháp PTHH. Cho đến nay chưa có các cơng tình lý thuyết hồn chỉnh chứng
minh cho tính chất hội tụ của phương pháp. Nhưng người ta có một số chứng
minh hoặc nhận xét kinh nghiệm để đưa ra một số điều kiện hội tụ cho một số
bài tốn cụ thể. Chẳng hạn về hình dáng của PTHH, loại PTHH phù hợp với loại
bài toán nhất định. Còn về mặt tổng quát, người ta đưa ra một nhận xét chung là
khi tăng số phần tử đến giới hạn lớn vơ cùng, nghĩa là giảm kích thước các phần
tử trở thành các điểm, trong bài tốn có điều kiện biên đơn giản, kết quả tính
theo phương pháp PTHH sẽ đạt đến kết quả của công thức giải tích của lý thuyết
đàn hồi.
Sau khi rời rạc hóa, vấn đề đặt ra là phải giả thiết nối các PTHH riêng rẽ với
nhau như thế nào để có được một mơ hình tính càng sát với kết cấu thực càng
tốt.
Người ta giả thiết các phần tử kề nhau chỉ được nối với nhau tại một số điểm
nhất định nằm trên đường biên chung (cạnh của PTHH). Các điểm này được gọi
là các nút.
Như vậy, với cùng một dạng hình học như nhau, tùy theo số lượng và cách
đặt nút trên mỗi cạnh, người ta có thể phân biệt loại PTHH theo hạng bậc:
• PTHH bậc một cịn gọi là PTHH tuyến tính có nút đặt ở các đỉnh của phần
tử.c
• PTHH bậc hai, ngồi các nút ở đỉnh cịn có thêm một nút trên mỗi cạnh.
• PTHH bậc ba ngồi các nút ở đỉnh cịn có thêm hai nút trên mỗi cạnh…
Cách sắp đặt và số lượng các nút trên mỗi cạnh của PTHH, có liên hệ chặt
chẽ với hàm chuyển vị chọn cho một bất kỳ của PTHH: bậc của đa thức biểu

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu

Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 17 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

diễn hàm chuyển vị và bậc của PTHH phải phù hợp nhau để đảm bảo điều kiện
tương thích của chuyển vị giữa hai PTHH có cạnh chung.
So cới phương pháp phân tích kết cấu cổ điển, phương pháp phần tử hữu hạn
có rất nhiều ưu điểm nổi bật. Có thể khái quát những ưu điểm chủ yếu của
phương pháp phần tử hữu hạn thay cho những lời giải thích tại sao phương pháp
này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong cơ học.
+ Khả năng tự động hoá
Tất cả các bài toán cơ học nói chung, việc xác định các ma trận đều được
thực hiệ bằng các phép tính sơ cấp của lý thuyết ma trận.Quá trình xác định ma
trận được thực hiện bằng một tốn tử chu trình.
Rõ ràng là việc xác định các đại lượng cần thiết bằng các phép tính sơ cấp của
lý thuyết ma trận và các toán tử chu trình thể hiện khả năng tự đọng hố cao của
phương pháp phần tử hữu hạn.
+ Độ tin cậy
Ưu điểm thứ hai của phương pháp phần tử hữu hạn là cho kết quả tính đảm
bảo độ tin cậy.
Trong phương pháp phần tử hữu hạn, thay thế kết cấu thực là một hệ liên tục
bằng một hệ rời rạc bao gồm một số các phần tử riêng biệt liên kết với nhau ở
một số hữu hạn các điểm nút được dựa trên cơ sở thừa nhận năng lượng bên
trong của mô hình thay thế bằng năng lượng bên trong của kết cấu thực.

Nếu trên biên các phần tử, điều kiện liên tục về lực và chuyển vị được thoả
mãn thì mơ hình thay thế làm việc hồn tồn giống với kết cấu thực. Lúc đó,
thành phần thứ tư của phương trình sẽ bị triệt tiêu. Trái lại, nếu xác định lực
tương tác giữa các phần tử lân cận phải dựa vào các giả thiết gần đúng, hoặc điều
kiện liên tục về lực và chuyển vị trên biên các phần tử không thoả mãn, thì một

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 18 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

số thành phần chuyển vị hoặc ứng suất nằm trên biên đó sẽ có giới hạn và thành
phần thứ tư trong phương trình sẽ khơng triệt tiêu. Lúc đó mơ hình thay thế sẽ
làm việc không giống hệ thực.
Trong thực tế để đơn giản tính, chỉ cần thoả mãn điều kiện liên tục về chuyển
vị, về lực ở một số các điểm nút.
+ Khả năng áp dụng
Có thể xem phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp vạn năng. Đó
là ưu điểm thứ ba. Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải được các
bài tốn hết sức phức tạp, thậm chí trước đây các phương pháp khác khơng thể
giải được.
Trong lĩnh vực cơ học môi trường liên tục, người ta áp dụng phương pháp
phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng phối hợp các phần tử khác nhau và theo
nguyên lý cộng tác dụng, dễ dàng phân tích được các bài tốn kết cấu hỗn hợp,

kết cấu có sườn bất kỳ, kết cấu có hình dáng phức tạp. Với bài tốn kết cấu có lỗ
kht một số tác giả sử dụng khái niệm phần tử ảo đẻ phân tích và đã cho ra kết
quả đáng tin cậy.
Lý thuyết hệ thống với cơng cụ là máy tính điện tử, khi áp dụng vào bài toán
thiết kế tầu thủy đã dem lại những hiệu quả kinh tế lớn. Nó cho phép rút ngắn
thời gian thiết kế, thời gian chế tạo, đưa nhanh sản phẩm vào khai thác. Nếu như
trước đây vấn đề sử dụng vật liệu, vấn đề quy trình và tiến độ thi công, chế tạo,
vấn đề tối ưu đội tầu và lựa chọn các kích thước, hình dáng hợp lý,….là những
vấn đề mà phương pháp cổ điển không thể đáp ứng triệt để thì hiện nay ở nhiều
nước tiên tiến những vấn đề nầy đã được giải quyết dễ dàng bằng các bộ chương
trình thiết kế hệ thống và các dàn máy tính chuyên dụng. Ở một số nước khơng
có điều kiện đầu tư cao cho ngành đóng tầu, thì vai trị của lý thuyết hệ thống và

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 19 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

máy tính điện tử lại ngày càng to lớn hơn, vì trong một chừng mực nào đó nó có
thể thay thế cho bể thử mơ hình và các trang thiết bị thí nghiệm khác.
Bài tốn phân tích đọ bền kết cấu tầu thủy là một bái tốn khó. Kết cấu tầu
thủy là một kết cấu liên hợp, bao gồm nhiều loại cấu kiện khác nhau: thanh, tấm,
vỏ và khối,.. Các kết cấu này chịu tác động của sóng gió và trạng thái làm việc
theo cả ba chiều trong khơng gian. Vì vậy việc xây dựng mơ hình tính tốn thể

hiện được đầy đủ các tính chất vật lý kể trên là vơ cùng khó khăn.
Theo các phươgn pháp cổ điển, bài tốn phân tích độ bền kết cấu tầu thuy bao
gơm hai nội dung: phân tích độ bền chung và phân tích đọ bền cục bộ. Trong bài
tốn phân tích đọ bền chung, kết cấu thân tầu được coi là một thanh mỏng tương
đương đặt trên nền đàn hồi. Bài tốn phân tích độ bền cục bộ dẫn đến việc phân
tích các khung dàn đáy, khung dàn boong, khung dàn mạn, khung ngang,.. Mơ
hình tính tốn các khung này là các hệ dầm trực giao, các hệ khung phẳng,…
Điều kiện biên có trong mơ hình tính tốn thường là hai loại liên kết động học
phổ biến: ngàm hoặc khớp. Phương pháp tính được áp dụng cò hiệu quả là
phương pháp chuyển vị và dựa trên cơ sở ước định về sự làm việc của các bộ
phận kết cấu có trong hệ xét, để tách ra làm nhiều bài toán nhỏ cho phép tinh
bằng tay được.
Đánh giá trạng thái ứng suất và biến dạng được tiến hành trên cơ sở tổ hợp
kết quả của bài toán độ bền chung và dọ bền cục bộ.
Hệ thống tính tốn cổ điển với cách dặt vấn đề như trên rõ ràng còn nhiều hạn
chế. Mức độ hạn chế càng tăng nếu áp dụng cách đặt vấn đè như vậy vào việc
phân tích độ bền kết cấu các tầu đặc biệt, tầu chuyên dụng hoặc các loại tầu có
kích thước nằm ngồi phạm vi của các quy phạm hiện hành.

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 20 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Theo xu hướng hiện nay, bài tốn phân tích đọ bền kết cấu tầu thủy thường
được thực hienj trên máy tính điện tử và phương pháp phần tử hữu hạn ngày
càng được sử dụng có hiệu quả. Hiện nay có rất nhiều chương trình tự động hóa
phân tích kết cấu được sử dụng trong tính tốn độ bền tầu thủy như: MISA (Nhật
Bản), NASTRAN ( Mỹ), ASKA ( Đức), …..
Trong giai đoạn hiện nay, xu hướng phát triển của bài tốn phân tích độ bền
kết cấu tầu thủy là sự hoàn thiện phương pháp tính, liên hệ chặt chẽ với việc áp
dụng máy tính điện tử. Việc hồn thiên các phương pháp phân tích độ bền kết
cấu tầu thủy về phương diện tốn học khơng hồn tồn đồng nhất với việc phát
triển các phương pháp tính dùng trong cơ học mơi trường liên tục.Việc hoàn
thiện này, ngoài nội dung nghiên cứu hoàn thiện cách giải về mặt tốn học cịn
có nội dung mang tính chát thực tiễn hơn: nghiên cứu hồn thiện mơ hình tính
tốn. Đó là việc xây dựng bài tốn dựa vào những khái niệm vật lý và các yêu
cầu kỹ thuật, sao cho bài toán vừa phản ánh sát với thực tế vừa đơn giản khi tính
tốn.
Do vậy áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn vào phân tích độ bền kết cấu
tầu thủy đòi hỏi phải đặc biệt quan tâm đến chất lượng mơ phỏng của mơ hình,
nhằm bảo tồn được nhiều nhất các tính chất vật lý và cơ học của tầu thủy.

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính toán kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 21 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN MỀM VERISTAR HULL
Phần mềm Veristar Hull là phần mềm tính tốn bằng phương pháp phần tử
hữu hạn do hãng Beaure Veristar phát triển. Phần mềm này là sự kết hợp phần
mềm xây dựng mơ hình Femap và phần mềm phân tích tính tốn Nastran.
Trong phương pháp tính tốn này, kích thước của element được xác định
bằng nhịp của các nẹp dọc và khoảng cách sườn. Trong quá trình chia lưới mơ
hình element chữ nhật được dung chủ yếu, chúng ta có gắng hạn chế tối đa các
element tam giác. (hình 1.1)

Hình 1.1

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính toán kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 22 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Mơ hình tính tốn bao gồm mơ hình 3 khoang hàng.
Vách ngang tại các giới hạn mơ hình (hình 1.2).

CH4

CH3

CH2

Hình 1.2
Để mơ hình hoá trạng thái hoạt động của tàu trong thực tế, hai đầu tự do của
mơ hình được quy về hai gối tại hai điểm với các bậc tự do như sau:
+ Với tầu chở hàng (hình 1.3)
- Bậc tự do tại Aft : Dx : Free
Dy, Dz : Fix
Rot X : Free
Rot Y = My
Rot Z = Mz
-Bậc tự do tại Fore: Dx, Dy, Dz : Fix
Rot X : Fix
Rot Y = My
Rot Z = Mz

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 23 -

Ngơ Xn Hải
Lớp Cơ khí Động Lực 06-08

Hình 1.3
+ Với tầu chở dầu và hàng lỏng (hình 1.4)
- Bậc tự do tại Aft : Dx : Fix
Dy, Dz : Fixed with ground spring

Rot X : Free
Rot Y = My
Rot Z = Mz
-Bậc tự do tại Fore:

Dx : Free
Dy, Dz : fixed with ground spring
Rot X : Free
Rot Y = My
Rot Z = Mz

Nghiên cứu ứng dụng và khai thác phần mềm tính tốn bằng PP PTHH trong tính tốn kết cấu thân tàu