Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

49
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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 công trình nổi. Để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo bài viết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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: nguyenmacthi@gmail.com 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 công trình nổi. Các tấm được coi là ngàm cứng và chịu tải trọng nén. Các lỗ khoét được khảo sát là hình tròn 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 công 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 thông 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 không hoàn hảo và sụt giảm lớn đối với tải trọng lên cấu trúc. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện Hình 1. Hình ảnh lỗ khoét trên kết cấu đối với tấm có các lỗ khoét nhằm tối ưu hóa khả Trong những thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên năng chống vênh của tấm. Nhiều phương pháp cứu liên quan đến độ bền của các tấm bị khoét lỗ nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu lý thuyết, được thực hiện bởi các nhà khoa học [3, 4]. Tuy nghiên cứu mô phỏng số, nghiên cứu thực nghiệm nhiên, để đánh giá một cách chính xác ảnh hưởng [3] đã được đề xuất. của lỗ khoét tới cơ cấu thì vẫn còn nhiều thách thức vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng. Không Người phản biện: 1. PGS.TS. Trần Vệ Quốc chỉ các kết cấu ngoài khơi mà còn cả các cấu trúc 2. TS. Vũ Hoa Kỳ trên đất liền. Trái ngược với các tấm hoàn 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 khoét lỗ luôn nhỏ hơn tấm trong khi nó có thể nghiêng về cạnh của tấm sức bền giới hạn của tấm hoàn hảo [5]. Do đó, cần trong một số trường hợp khác nhau cũng thường phải trực tiếp xem xét sức bền giới hạn của tấm bị xuyên xuất hiện [2, 3]. khoét lỗ tùy thuộc vào mục đích thiết kế khác nhau Do đó, ảnh hưởng của việc khoét lỗ hình dạng của kết cấu. Tuy nhiên, do các đặc tính hoạt động khác và vị trí cắt lệch tâm sẽ được nghiên cứu của các phần tử tấm được sử dụng cho tàu và cấu trong tương lai nhằm đem lại lợi ích về kinh tế trúc ngoài khơi khá khác biệt so với các cấu trúc trước tiên đối với việc giảm trọng lượng kết cấu, trên đất liền, nên các nghiên cứu đối với các loại sau đó là giảm chi phí vận hành khi đưa sản phẩm kết cấu này chắc chắn là cần thiết và cấp bách đối vào khai thác thực tế. Như được hiển thị trong hình với các nhà nghiên cứu hiện nay [2, 6]. 2, kích thước tấm là a × b × t (a là chiều dài tấm, Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, đối với tấm b là chiều rộng tấm và t là chiều dày tấm) được có lỗ khoét chỉ căn cứ vào tỉ số đường kính lỗ khảo sát. Môđun Young là E = 200000 Mpa, ứng khoét (đối với lỗ hình tròn) so với chiều rộng tấm suất vật liệu là σ = 690 N/mm2 và tỷ lệ Poisson là thì không đủ cơ sở đánh giá chính xác được sức ν = 0,3. Đường kính của lỗ khoét là D. Giả thiết rằng vật liệu tấm luôn nằm trong miền đàn hồi. 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. Mục đích của nghiên cứu này là: - Thứ nhất: Đề xuất phương pháp tính toán sức bền giới hạn, không mang tính chất khảo sát toàn 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 Hình 2. Mô hình tính toán đưa ra phương pháp tính toán, nghiên cứu ứng Các tấm bị suy yếu bởi các vết cắt hình tròn suất và biến dạng của các tấm bị khoét các lỗ nằm dưới tải trọng. Trong những trường hợp này, tại trung tâm của tấm, được sử dụng cho tàu và các ứng suất, biến dạng tại khu vực gần lỗ các công trình ngoài khơi. Các phân tích phần tử khoét có thể được ước tính bằng hai cách tiếp hữu hạn FEA được thực hiện nhằm đưa ra đánh cận khác nhau. giá chi tiết ảnh hưởng của kích thước lỗ tới độ bền Cách thứ nhất, các công thức phần tử hữu kết cấu. hạn cung cấp các giải pháp chính xác cho một loạt các tùy chọn có sẵn liên quan đến vấn đề mô hình 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN hóa. Các công thức đã được tích hợp sẵn trong Đối với tàu và các cấu trúc ngoài khơi, việc khoét phần mềm này đã được áp dụng rộng rãi cho lỗ thường được thực hiện trong các tấm của vấn đề nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu. Tuy bể chứa nước dằn, khoang két, lỗ giảm trọng nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn yêu cầu lượng. Thông thường đối với tấm sau khi bị khoét chính xác vấn đề chia lưới, đặc biệt là xung quanh sẽ có kết cấu gia cường xung quanh nhằm bù đắp mép lỗ khoét, nếu việc chia lưới ở khu vực này lại phần kết cấu đã bị bỏ đi. Tuy nhiên, hiện nay để không được quan tâm thích đáng sẽ dẫn đến thiếu tính toán chính xác kích thước kết cấu gia cường chính xác đối với kết quả thu được. Song nếu lưới là bao nhiêu thì các nhà thiết kế tàu thường dựa được chia quá nhỏ sẽ làm tăng đáng kể thời gian vào công thức được trình bày trong quy phạm, do tính toán mà kết quả không thay đổi nhiều. đó làm tăng trọng lượng thiết kế công trình. Trong Trong cách tiếp cận thứ hai, một loạt các công nghiên cứu này đã đưa ra so sánh chính xác ảnh thức thực nghiệm đã được tổng hợp, đây là giải hưởng của kết cấu bị khoét lỗ so với kết cấu hoàn pháp tính toán nhanh hơn, phù hợp để bắt đầu các chỉnh bằng phân tích FEA. vấn đề thiết kế sơ bộ mà không cần yêu cầu độ Giới hạn nghiên cứu này, chỉ có lỗ khoét hình tròn chính xác cao. Các công thức như vậy là phương được tác giả xem xét, tuy nhiên đối với kết cấu tàu pháp nhanh chóng để tiến hành phân tích ứng và kiến trúc ngoài khơi, các loại lỗ khoét hình elip suất xung quanh các phần bị cắt. Phương pháp hoặc hình chữ nhật cũng được sử dụng khá phổ này dựa trên các hàm xấp xỉ được sử dụng để hội biến. Ngoài ra, phần bị cắt nằm ở trung tâm của 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 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN hữu hạn đã được thực hiện nhằm tính toán FEA Hình 5 cho thấy mối quan hệ biến dạng và ứng suất của tấm được thể hiện trong hình 3. 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 toán. 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 toán phần tử hữu hạn Abaqus. Tấm được chia thành các điểm nút và có mối quan hệ ràng buộc Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và giới hạn với nhau. Các mối quan hệ này thông qua biến khi thay đổi kích thước lỗ khoét dạng và chuyển vị nút tương ứng. Trong nghiên Trong đó: cứu này, tấm được cố định ngàm cứng một đầu, Da - biến dạng theo phương X; đầu còn lại có khả năng chuyển động tịnh tiến theo trục X như hình 4. 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 (a) Tấm ban đầu Tải trọng tác dụng lên kết cấu ngoài khơi thường là tải trọng phức tạp. Song nhằm đơn giản hóa bài toán, trong nghiên cứu này chúng tôi tách riêng biệt các thành phần tải trọng. Tải trọng tính toán ở bài viết này là tải trọng theo chiều dọc tấm (tải trọng song song với trục X). (b) Tấm khoét lỗ D/b = 0,3 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 mô hình, tác dụng tương hỗ giữa các chi tiết, tải trọng, điều kiện biên… trực tiếp trên mô 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 (c) Tấm khoét lỗ D/b = 0,5 nghĩa lại. 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 toàn bộ các trường hợp kích thước lỗ khoét xuất hiện trên kết cấu. 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 (d) Tấm khoét lỗ D/b=0,7 như công trình ngoài khơi. 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO xung quanh mép lỗ. Điều đó cho thấy rằng khi kết cấu bị khoét lỗ cần có sự gia cường thỏa đáng [1] Bích Vũ Ngọc (2007), Kết cấu tàu thủy - Tập 1, 2, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. xung quanh mép lỗ nhằm đảm bảo sức bền giới Hồ Chí Minh. hạn. Đồng thời làm giảm ứng suất tập trung tại [2] Nghị Trần Công (2006). Thiết kế tàu thủy - Tập 1, khu vực này. 2. Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 5. KẾT LUẬN [3] RenhuaWanga, Shenoib R. Ajit, and AdamSobeyc Nghiên cứu này trình bày ảnh hưởng của lỗ khoét (2018), Ultimate strength assessment of plated steel structures with random pitting corrosion đối với tấm phẳng. Phương pháp phân tích phần damage, Journal of Constructional Steel tử hữu hạn phi tuyến đã được phát triển để đánh Research, Vol. 143, No. pp. 331-342. giá ảnh hưởng của lỗ khoét đối với kết cấu tàu [4] AhmadRahbar-Ranji, NabiNiamir, and thủy và kiến trúc ngoài khơi dưới tải trọng nén. ArvinZarookian (2015), Ultimate strength Có thể dùng các phần mềm phân tích phần tử of stiffened plates with pitting corrosion, International Journal of Naval Architecture and hữu hạn để làm thực nghiệm số nghiên cứu ảnh Ocean Engineering, Vol. 7, No. 3, pp. 509-525. hưởng của hình dạng lỗ khoét đến ứng suất giới [5] Abaqus 6.13 Documentation - Polish Academy of hạn của tấm kết cấu. Lỗ khoét ảnh hưởng rõ rệt Sciences. Abaqus/CAE User's Guide. đến sự phân bố ứng suất trong tấm dẫn đến ảnh [6] J. Brown Christopher and L. Yettram Alan hưởng đến khả năng chịu tải. Mức độ giảm này (1986), The elastic stability of square perforated phụ thuộc vào kích thước lỗ khoét. Một loạt các plates under combinations of bending, shear FEA đã được thực hiện, từ kết quả tính toán và mô and direct load, Thin-Walled Structures, Vol. 4, phỏng cho thấy rằng việc cắt bỏ làm giảm đáng kể No. 3, pp. 239-246. sức bền giới hạn của tấm. [7] Prajapat Kanta, Ray-Chaudhuri Samit, and Kumar Ashwini (2015), Effect of in-plane Với phương pháp được đề xuất giúp cho các nhà boundary conditions on elastic buckling behavior nghiên cứu theo hướng này có thể tính toán và of solid and perforated plates, Thin-Walled Structures, Vol. 90, No. pp. 171-181. THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Mạc Thị Nguyên - 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 công việc hiện tại: Giảng viên, khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tính toán thiết kế máy và robot - Điện thoại: 0389481166 - Email: nguyenmacthi@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 51