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

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU SỨC BỀN GIỚI HẠN KẾT CẤU ĐÁY CỦA<br /> TÀU PHA SÔNG BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG PHỨC TẠP<br /> STUDY ON ULTIMATE STRENGTH OF THE BOTTOM<br /> STRUCTURE OF A RIVER-SEA SHIP UNDER COMBINED LOAD<br /> Vũ Văn Tản, Vũ Hoa Kỳ, Nguyễn Thị Khánh<br /> Email: vutannnn@gmail.com<br /> Trường Đại học Sao Đỏ<br /> Ngày nhận bài: 8/3/2018<br /> Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 27/3/2018<br /> Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018<br /> Tóm tắt<br /> Kết cấu thân tàu là hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống tấm liên kết với các<br /> hệ thống thanh gia cường. Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa<br /> rất quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn của kết cấu khi làm việc. Trong bài báo này, nhóm tác giả<br /> dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích sức bền giới hạn của khung dàn đáy của<br /> kết cấu tàu chạy tuyến pha sông biển dưới tác dụng của tải trọng phức tạp. Kết quả tính toán sức bền<br /> giới hạn của kết cấu đáy đã xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của kết cấu làm cơ<br /> sở để tính toán, thiết kế kết cấu tàu.<br /> Từ khóa: Kết cấu tàu; phần tử hữu hạn; tải trọng phức tạp; sức bền giới hạn.<br /> Abstract<br /> The ship hull structure is three-dimensional structure with consist of steel plates, stiffened panels system.<br /> In analysis and design of ship structure, the ultimate strength analysis is a very importand part of ship<br /> structural analyses to assess the safe condition of the structure. In present paper, the nonlinear finite<br /> element method to calculate ultimate strength of bottom structure of a river-sea ship under combine<br /> load. From the results of bottom structure model analyses, it is shown that the relationship between load<br /> and deformation of ship structural basis for calculation and design of river-sea ship structural<br /> Keywords: Ship structure; finite element; combined load; ultimate strength.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU thanh gia cường. Mô hình tính toán là kết cấu đáy<br /> ngoài của tàu dầu tải trọng 100000 tấn. Xây dựng<br /> Thân tàu có kết cấu phức tạp, kết cấu thân tàu<br /> mối quan hệ giữa giá trị tải trọng và biến dạng của<br /> được cấu thành bởi hệ thống tấm phủ lên hệ<br /> kết cấu.<br /> thống thanh gia cường [1]. Tính toán thiết kế kết<br /> cấu thân tàu, phân tích sức bền giới hạn là nhiệm Tác giả Shi Gui Jie [5] đã xây dựng một mô<br /> vụ không thể thiếu để đánh giá điều kiện làm việc hình dầm hộp để tính sức bền giới hạn của mô<br /> an toàn của kết cấu. hình dưới tác dụng của tải trọng phức tạp bằng<br /> Kết cấu tấm có thanh gia cường là hệ thống cơ phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến và dự<br /> bản trong kết cấu thân tàu như kết cấu đáy, kết đoán những vết nứt gãy tại các vị trí nguy hiểm.<br /> cấu mạn, kết cấu boong… Do đó, phân tích sức Năm 2018, Bin Yanga, Jia-meng Wu [7] cùng<br /> bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường nhóm tác giả đã nghiên cứu sức bền giới hạn<br /> có ý nghĩa quan trọng trong tính toán sức bền giới của kết cấu đáy dưới tác dụng của tải trọng dọc,<br /> hạn của thân tàu. ngang, áp lực nước và lực. Nhóm tác giả đã dùng<br /> Trong những năm gần đây, sức bền giới hạn của phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân<br /> hệ thống tấm có thanh gia cường của kết cấu tích tính phi tuyến của tải trọng tác dụng lên hệ<br /> thân tàu cũng được nhiều tác giả quan tâm. Beom thống kết cấu. Tính toán sức bền giới hạn của kết<br /> Seon Jang cùng nhóm tác giả [2] đã phân tích cấu và so sánh với kết quả thực nghiệm.<br /> sức bền giới hạn của kết cấu tàu theo quy phạm. Đối tượng nghiên cứu trong bài báo này là hệ<br /> Các quy phạm được nhóm tác giả áp dụng là quy<br /> thống khung dàn đáy của kết cấu tàu hàng khô<br /> phạm DNV, IACS.<br /> chạy tuyến pha sông biển. Chiều dài lớn nhất của<br /> Park và nhóm tác giả [3, 4] đã nghiên cứu, đánh tàu 130 m. Dựa trên các kết quả tính toán sức bền<br /> giá về sức bền giới hạn của kết cấu tấm, tấm có giới hạn của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng<br /> <br /> <br /> 46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> bên và áp lực nước, tác giả xây dựng các đồ thị 2.2. Điều kiện ban đầu<br /> liên hệ giữa tải trọng và sức bền giới hạn của kết<br /> Trong nghiên cứu này, những điều kiện về độ lệch<br /> cấu làm cơ sở để tính toán thiết kế kết cấu tàu<br /> ban đầu của tấm được xem xét. Độ lệch ban đầu<br /> đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.<br /> của mô hình được giả thiết theo công thức kinh<br /> 2. PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT nghiệm của tác giả Park [3].<br /> CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ<br /> b (1)<br /> HỮU HẠN PHI TUYẾN W0p = = 00,005b<br /> .005b <br /> .<br /> 200<br /> 2.1. Kích thước và tính chất vật liệu của mô<br /> hình tính<br /> trong đó: W0P: độ lệch ban đầu của tấm; b: khoảng<br /> Bài báo nghiên cứu kết cấu khung dàn đáy của cách giữa các nẹp gia cường (b = 650 mm).<br /> con tàu chạy tuyến pha sông biển có chiều dài<br /> lớn nhất là 130 m. Kết cấu mặt cắt ngang thân tàu<br /> được thể hiện trên hình 1. Khoảng cách các nẹp<br /> dọc của kết cấu đáy là 650 mm. Khoảng cách hai<br /> sống dọc là 2600 mm, khoảng cách sườn khỏe là<br /> 2800 mm, kích thước và tính chất vật liệu được<br /> thể hiện trên bảng 1.<br /> Hình 2. Độ lệch ban đầu của kết cấu tấm<br /> có thanh gia cường<br /> a<br /> W0C = W0S = 0.001 <br /> = 0,001a a. (2)<br /> 1000<br /> trong đó: W0C: độ lệch ban đầu của các nẹp gia<br /> cường theo hướng thẳng đứng; W0S: độ lệch ban<br /> đầu của nẹp gia cường theo phương ngang; a:<br /> chiều dài nẹp gia cường (a = 2800 mm). Độ lệch<br /> ban đầu của tấm và thanh gia cường được thể<br /> hiện trên hình 2.<br /> Hình 1. Mặt cắt ngang giữa tàu 2.3. Mô hình phần tử hữu hạn<br /> Bảng 1. Kích thước và tính chất vật liệu của Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn để<br /> mô hình phân tích. Nhóm tác giả dùng phần mềm FEM<br /> Abaqus để phân tích, tính toán. Trong bài báo này,<br /> Ký<br /> STT Tên gọi Kích thước phần tử tấm S4R trong phần mềm FEA Abaqus<br /> hiệu được sử dụng đối với phần tử tấm và phần tử<br /> 1 Chiều dài tấm a 2800 mm thanh gia cường [1, 3, 4] (hình 2).<br /> 2 Chiều rộng tấm b 2600 mm Kích thước phần tử hữu hạn của mô hình là<br /> 3 Chiều dày tấm c 11 mm 70 mm x 65 mm, trong đó giữa hai nẹp dọc là 10<br /> Chiều cao bản bụng đơn vị phần tử, bản thành của thanh gia cường<br /> 4 hw 250 mm<br /> thanh gia cường được chia làm 6 đơn vị phần tử, bản mặt 4 đơn vị<br /> 5 Chiều dày bản bụng tw 10 mm phần tử. Hệ trục toạ độ OXYZ được thể hiện trên<br /> hình 3.<br /> Chiều rộng bản cánh<br /> 6 bf 80 mm<br /> thanh gia cường<br /> Khoảng cách các<br /> 7 S 650 mm<br /> nẹp dọc<br /> 8 Chiều dày bản cánh tf 12 mm<br /> Khoảng cách các<br /> 9 S 650<br /> thanh gia cường<br /> 10 Modul đàn hồi E 2,06e5 N/mm2<br /> 11 Hế số Poisson µ 0,3<br /> Ứng suất giới hạn<br /> 12 sy1 355 MPa<br /> của vật liệu tấm<br /> Ứng suất giới hạn<br /> 13 của vật liệu thanh gia sy2 235 MPa<br /> cường Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 47<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> 2.3. Điều kiện biên Đối với trường hợp xét đến áp lực nước, nhóm tác<br /> Để thiết lập điều kiện ràng buộc cho các điểm của giả cũng đi phân tích đối với tất cả các trường hợp<br /> mô hình, trên phần mềm Abaqus ban đầu ta thiết tỷ lệ tải trọng trên.<br /> lập một nút chính trên 4 cạnh của mô hình. Nút<br /> Kết quả tính toán một số trường hợp được thể<br /> chính sau đó được thiết lập quan hệ ràng buộc với<br /> các nút khác của cạnh [6]. Chuyển vị của tất cả hiện trên hình 5.<br /> các nút trên mỗi cạnh được xác định bằng chuyển<br /> vị của nút chính. Cụ thể điều kiện biên đối với mô<br /> hình nghiên cứu được thiết lập như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Phạm vi mô hình nghiên cứu<br /> - Cạnh AC hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương<br /> X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Y và Z.<br /> - Cạnh BD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương<br /> Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z.<br /> - Cạnh AB hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương<br /> X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục X và Z.<br /> - Cạnh CD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương<br /> Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z.<br /> - Tại sườn ngang EF, MN hạn chế chuyển động<br /> theo phương Z, các điểm trên thanh gia cường<br /> hạn chế chuyển động theo phương Y.<br /> - Để đảm bảo cho kết cấu thêm độ cứng, độ ổn<br /> định ta thiết lập điểm G tại trọng tâm của tấm,<br /> và tấm được hạn chế chuyển động tịnh tiến theo<br /> phương Z.<br /> 2.4. Tải trọng<br /> Tải trọng tác dụng lên thân tàu thường là những<br /> tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa,<br /> tải trọng sóng, gió, áp lực nước… Do vậy, trong<br /> bài báo này tải trọng được nhóm tác giả đưa vào<br /> phân tích là tải trọng dọc, tải trọng ngang và áp lực<br /> nước tác dụng lên kết cấu. Áp lực nước được tính<br /> trong hai trường hợp là P = 0 và P = 0,124 MPa.<br /> 2.5. Phân tích kết quả tính toán<br /> Để tính toán sức bền giới hạn của tấm có thanh Hình 5. Cột đồ thị bên trái: Đồ thị liên hệ giữa<br /> gia cường dưới tác dụng của tải trọng kết hợp. ứng suất - biến dạng theo phương X đối với các<br /> Tỷ lệ tải trọng tác dụng theo các hướng được xét<br /> trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau; Cột đồ thị<br /> trong các trường hợp sau: Fx:Fy = 10:0; 9:1; 8:2;<br /> 7:3: 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10. bên phải: Đồ thị liên hệ giữa ứng suất - biến<br /> Fx, Fy lần lượt là hai thành phần lực tác dụng theo dạng theo phương Y đối với các trường hợp tỷ lệ<br /> hai hướng X và Y. tải trọng khác nhau<br /> <br /> <br /> 48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018<br />  LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC<br /> <br /> Trên hình 5 là đồ thị kết quả thể hiện mối quan hệ trọng khác nhau. Các kết quả tính toán cho các<br /> giữa ứng suất và biến dạng trong các điều kiện tải trường hợp được thể hiện cụ thể trong bảng 2.<br /> Bảng 2. Kết quả tính toán ứng suất giới hạn cho các trường hợp tải trọng<br /> <br /> <br /> σx (MPa) σy (MPa)<br /> Fx:Fy<br /> P=0 P = 0,124 MPa So sánh P=0 P = 0,124 MPa So sánh<br /> <br /> 10:0 227,70 204,42 -10,23% 0,00 0,00 0%<br /> <br /> 9:1 225,15 199,94 -11,20% 25,02 22,22 -11,20%<br /> <br /> 8:2 213,32 192,90 -9,57% 53,33 48,23 -9,57%<br /> <br /> 7:3 202,38 175,00 -13,53% 86,74 75,00 -13,53%<br /> <br /> 6:4 185,81 141,10 -24,06% 123,87 94,07 -24,06%<br /> <br /> 5:5 165,22 95,53 -42,18% 165,22 95,53 -42,18%<br /> <br /> 4:6 109,70 66,92 -39,00% 164,55 100,38 -39,00%<br /> <br /> 3:7 54,80 42,16 -23,07% 127,86 98,37 -23,07%<br /> <br /> 2:8 32,37 24,43 -24,54% 129,48 97,71 -24,54%<br /> <br /> 1:9 12,36 11,06 -10,49% 111,25 99,58 -10,49%<br /> <br /> 0:10 0,00 0,00 0% 111,39 98,82 -11,28%<br /> <br /> <br /> Từ bảng 2 xây dựng được đồ thị thể hiện mối liên giới hạn theo trục Y theo các tỷ lệ tải trọng khác<br /> hệ giữa ứng suất giới hạn theo trục X và ứng suất nhau như trên hình 6.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> <br /> Hình 6. Đường cong mối quan hệ ứng suất giới hạn trong các điều kiện tải trọng khác nhau.<br /> a) Sức bền giới hạn dọc; b) Sức bền giới hạn ngang<br /> <br /> Trong trường hợp có xét đến áp lực nước, rõ cấu (6a; 6b). Áp lực nước làm giảm giá trị<br /> ràng ảnh hưởng của áp lực nước đến biến sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh<br /> dạng cũng như sức bền giới hạn của kết gia cường.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 49<br />  NGHIÊN CỨU KHOA HỌC<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Phân bố ứng suất trong kết cấu (Fx:Fy = 6:4)<br /> <br /> Khi tỷ lệ tải trọng Fx:Fy = 5:5 thì sự ảnh hưởng góp phần đưa ra những lựa chọn tối ưu đối với<br /> của áp lực nước đến giá trị sức bền giới hạn của việc lựa chọn quy cách và kích thước kết cấu khi<br /> kết cấu lớn nhất so với trường hợp không có áp thiết kế kết cấu tàu.<br /> lực nước (42,18%). Trong trường hợp tỷ lệ tải<br /> trọng Fx:Fy < 6:4, giá trị ứng suất giới hạn σy thay<br /> đổi nhỏ hơn so với các trường hợp còn lại (hình TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 6b). Biến dạng và sự phân bố ứng suất trong kết [1]. IACS (2012). Common Structural Rules for Bulk<br /> cấu tấm có thanh gia cường trong trường hợp Carriers. [S].<br /> Fx:Fy = 6:4 được thể hiện trên hình 7. [2]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for<br /> 3. KẾT LUẬN ultimate limit state assessment of ships and<br /> ship-shaped offshore structures: Part II<br /> Trong bài báo này, tác giả đã tính toán, phân tích stiffened panels [J]. Ocean Engineering, 35(2):<br /> sức bền giới hạn của mô hình tấm có thanh gia 271-280.<br /> cường của kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô [3]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for<br /> chạy tuyến pha sông biển. Thông qua các kết quả ultimate limit state assessment of ships and<br /> nghiên cứu có thể đưa ra các kết luận sau: ship-shaped offshore structures: Part III<br /> hull girders [J]. Ocean Engineering, 35(2):<br /> - Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn<br /> 281-286.<br /> phi tuyến để tính toán sức bền giới hạn cho mô<br /> hình kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô. Nghiên [4]. Shi, G.j and Wang D, Y (2012). Residual ultimate<br /> strength of open box girders with cracked damage.<br /> cứu xét điều kiện biến dạng ban đầu theo công<br /> Ocean Engineering, 43, pp.90-101.<br /> thức thực nghiệm, nghiên cứu nhiều trường hợp<br /> tải trọng khác nhau, áp lực nước… như trường [5]. Shi, G. J and Wang D, Y (2012). Residual ultimate<br /> strength of cracked box girders under torsional<br /> hợp kết cấu làm việc trong môi trường thực tế.<br /> loading. Ocean Engineering, 43, pp.102-112.<br /> Xây dựng được mối quan hệ giữa tải trọng tác<br /> dụng, áp lực nước với giá trị ứng suất giới hạn của [6]. Liu Bin, Wu Weiguo (2013). Standardized nonlinear<br /> finite element analysys of the ultimate strength<br /> kết cấu.<br /> of bulk carriers. Journal of Wuhan University of<br /> - Kết quả nghiên cứu sức bền giới hạn của kết cấu Technology Transportation Science.<br /> tấm có thanh gia cường có ý nghĩa quan trọng để [7]. Bin Yang, Jia-meng Wu, C. Guedes Soares (2018).<br /> đánh giá sức bền thân tàu, làm cơ sở cho việc thiết Dynamic ultimate strength of outer bottom stiffened<br /> kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn plates under in-plane compression and lateral<br /> định trong quá trình làm việc. Kết quả nghiên cứu pressure. Ocean Engineering, 157 , pp. 44-53.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018<br />