Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

--------------------

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

TRẦN MINH PHƯƠNG

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG BIỂN ĐẾN

ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU

TẤM NỔI VLFS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và

công nghiệp

Mã số ngành: 60580208

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017

ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

TRẦN MINH PHƯƠNG

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SÓNG BIỂN ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG LỰC HỌC CỦA KẾT CẤU TẤM NỔI VLFS

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

nghiệp

Mã số ngành: 60580208

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2017

iii

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ

TP.HCM ngày tháng năm 2017.

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Chức danh TT Họ và tên Hội đồng

Chủ tịch 1

Phản biện 1 2

Phản biện 2 3

Ủy viên 4

Ủy viên, Thư ký 5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa

chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN MINH PHƯƠNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1541870012

I. TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học

của kết cấu tấm nổi VLFS.

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương pháp

phần tử hữu hạn và phần tử biên.

2. Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác.

3. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tích

của luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác.

4. Tiến hành thực hiện các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau

đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/... /….

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …/…/….

Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2017

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. LƯƠNG VĂN HẢI

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ

thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên

cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là

trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận

được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn

tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.

Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất

nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận

nghiên cứu hiệu quả.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại

học Công Nghệ TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là

những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp

của tôi sau này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều

trong quá trình thực hiện luận văn này.

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản

thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ

dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp. HCM, ngày ….. Tháng….. năm 2017

Trần Minh Phương

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có

đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển. Để giải

quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy

nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).

Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi

lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể

thực hiện được. Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực đối với

môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng

giềng. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị

một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi

siêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures). Hiện nay các kết cấu tấm nổi rất

hiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như các

nước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đã

có nghiên cứu về vấn đề trên, nhưng chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát và phân tích

những kết cấu có kích thước nhỏ, cho nên luận văn đã được thực hiện với mục đích

là tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi có kích

thước lớn chịu ảnh hưởng của sóng biển và tải trọng. Tác giả đã sử dụng phương

pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho tấm và phương pháp phần tử biên (BEM) cho chất

lỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị của kết cấu tấm khi thay đổi các hướng

sóng, chiều dài bước sóng, độ sâu của biển, chiều rộng của tấm và bề dày của tấm.

Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu

tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và

bảo dưỡng hệ thống kết cấu tấm nổi sau này.

iv

ABSTRACT

With the increase in population and process are broadening urbanized, countries

have long shoreline or country reversions deployed projects. To address the demand

for housing for people as well as urban infrastructure development. However, this

solution is only suitable for not too deep waters (depths less than 20m). For deep

water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical

difficulties, even impossible. Besides, the reclamation project as negative for the

country's environment, groundwater ecosystems, and coastline with its neighbors.

To solve the above problems, the researchers and engineers have proposed an

alternative solution more efficient, which is to build a system of floating structures

ultra-wide (VLFS - Very Large Floating Structures). Modern plate structures have

been developed by countries around the world, such as Japan, South Korea, China,

USA, France, England, and Italy… In Vietnam, there is research on the above

problem, but it is only focused on investigating and analyzing small-size structures

that are not in line with reality, therefore the thesis was conducted with the aim of

concentrating on analyzing the dynamical behavior of floating structure of large

size, influenced by waves and load. The author used the method of Finite Element

Method (FEM) for the plate and method Boundary Element Method (BEM) for

fluids, in order to analyze the survey of structural displacements panels to change

the direction of the wavelength steps waves, sea depth, width and thickness of the

sheet of plate. The results of the study in the hopeful thesis may be one of the useful

references to facilitate the design, construction, and maintenance of the later plate

structure.

v

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của

Thầy PGS.TS. Lương Văn Hải.

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên

cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.

Tp. HCM, ngày..... tháng..... năm 2017

Trần Minh Phương

vi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ........................................................................... iii

ABSTRACT ............................................................................................................... iv

LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... v

MỤC LỤC .................................................................................................................. vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT................................................................................. xi

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .................................................................................... 1

1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................. 1

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết

cấu nổi ............................................................................................................ 4

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước .......................................................... 6

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước ........................................................... 6

1.5 Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 7

1.6 Cấu trúc luận văn ........................................................................................... 8

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 9

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng .............................................................................. 9

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số ...................................................................... 10

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn .................................................................. 11

2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính............................................................................. 13

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm ................................................... 14

2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng ......................... 17

2.7 Áp lực chất lỏng ........................................................................................... 19

2.8 Giải phương trình tương tác ......................................................................... 19

2.9 Lưu đồ tính toán ........................................................................................... 20

vii

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ ............................................................ 21

3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của

Endo và Yago (1999) [6] ............................................................................. 23

3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự

thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] ............................... 24

3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển ............................................................................................. 34

3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu ............... 36

3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm .............. 44

3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm ............ 47

3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu .............. 52

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 59

4.1 Kết luận ........................................................................................................ 59

4.2 Kiến nghị ...................................................................................................... 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 61

PHỤ LỤC .................................................................................................................. 63

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ....................................................................................... 75

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS ............................................ 1

Hình 1.2. Hệ thống kết cấu nổi ................................................................................ 3

Hình 1.3. Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka ......... 3

Hình 1.4. Minh họa tính trường uốn tấm VLFS ...................................................... 4

Hình 2.1. Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn ................... 9

Hình 2.2. Mô hình tấm dày [18] ............................................................................ 11

Hình 2.3. Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14] .................................................. 13

Hình 2.4. Lưu đồ tính toán ..................................................................................... 20

Hình 3.1. Mô hình tấm VLFS ................................................................................ 22

Hình 3.2. Mặt bằng sân bay (1999) [6] .................................................................. 23

Hình 3.3. So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6] ..................................... 24

Hình 3.4. So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16] ....................................... 26

Hình 3.5. Hướng sóng có góc .................................................................... 28

Hình 3.6. Hướng sóng có góc .................................................................. 29

Hình 3.7. Hướng sóng có góc .................................................................. 29

Hình 3.8. Hướng sóng có góc .................................................................. 30

Hình 3.9. Hướng sóng có góc .................................................................. 31

Hình 3.10. Hướng sóng có góc .................................................................. 31

Hình 3.11. Hướng sóng có góc .................................................................. 32

Hình 3.12. Hướng sóng có góc .................................................................. 33

Hình 3.13. Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới ..................................... 34

Hình 3.14. Sự thay đổi độ sâu của biển ................................................................... 35

Hình 3.15. Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâu .............. 37

Hình 3.16. Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu

................................................................................................ 38

ix

Hình 3.17. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

.............................................................................................. 39

Hình 3.18. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

.............................................................................................. 40

Hình 3.19. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

.............................................................................................. 41

Hình 3.20. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

............................................................................................ 42

Hình 3.21. Đồ thị các trường hợp chuyển vị ở độ sâu khác nhau ............................ 44

Hình 3.22. Bề dày của kết cấu tấm ............................................................ 45

Hình 3.23. Bề dày của kết cấu tấm .......................................................... 45

Hình 3.24. Bề dày của kết cấu tấm .............................................................. 46

Hình 3.25. Bề dày của kết cấu tấm .......................................................... 46

Hình 3.26. Bề dày của kết cấu tấm ............................................................ 47

Hình 3.27. Bề rộng của kết cấu tấm nổi .................................................... 49

Hình 3.28. Bề rộng của kết cấu tấm nổi .................................................... 49

Hình 3.29. Bề rộng của kết cấu tấm nổi .................................................... 50

Hình 3.30. Bề rộng của kết cấu tấm nổi .................................................. 50

Hình 3.31. Bề rộng của kết cấu tấm nổi .................................................. 51

Hình 3.32. Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi ....................... 52

Hình 3.33. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1 ................................................. 53

Hình 3.34. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 2 ................................................. 54

Hình 3.35. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 3 ................................................. 56

Hình 3.36. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 4 ................................................. 57

Hình 3.37. Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp .............................. 58

x

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Thông số tấm VLFS ............................................................................... 21

Bảng 3.2. Các trường hợp sóng tới ......................................................................... 33

Bảng 3.3. Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m .................................. 36

Bảng 3.4. Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu

của biển khác nhau ................................................................................. 43

Bảng 3.5. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi ........... 51

Bảng 3.6. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và ................ 54

Bảng 3.7. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và ............... 55

Bảng 3.8. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và ................ 56

Bảng 3.9. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp ................. 57

xi

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element)

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)

BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)

VLFS Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

Ma trận và véctơ

Véctơ chuyển vị tại một điểm bất kỳ của kết cấu tấm U

Véctơ độ cong κ

Véctơ chuyển vị nút của phần tử d

Ma trận biến dạng cắt

Ma trận khối lượng tổng thể

Ma trận độ cứng tổng thể

Ma trận cản tổng thể γ M K C

Véctơ thế vận tốc

Ma trận khối lượng phần tử

Ma trận cản phần tử

Ma trận độ cứng phần tử

Ma trận khối lượng hiệu dụng

Ký hiệu

Chiều dài tấm theo phương

Chiều rộng tấm theo phương

Module đàn hồi của vật liệu

Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

Hệ số poisson của vật liệu

Trọng lượng riêng của vật liệu tấm

xii

Chiều dày tấm

Bước sóng

Hệ số tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Góc xoay của tấm quay quanh trục

Góc xoay của tấm quay quanh trục

Hệ số hiệu chỉnh cắt

Chuyển vị của tấm theo phương , và

Đạo hàm riêng bậc một của hàm theo biến

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm theo biến

Đạo hàm riêng bậc hai của hàm theo biến và

H Độ sâu

1

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia có

đường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển. Để giải

quyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị. Tuy

nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).

Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi

lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể

thực hiện được.

Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của

quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng. Để giải

quyết vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay

thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (Hình 1.1)

(VLFS - Very Large Floating Structures).

Hình 1.1. Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS

(http://www.naoe.eng.osaka-u.ac.jp/kashi/research/airport-e.html)

2

Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp truyền thống như sau:

 Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu (vì xây dựng VLFS không chịu ảnh hưởng

đáng kể của đáy biển và độ sâu vùng nước).

 Thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường.

 Thời gian thi công nhanh (vì các module nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng và

sau đó được đi chuyển đến công trường để lắp ráp), dễ dàng mở rộng hoặc

tháo dỡ (vì chúng được tạo các mô module nhỏ).

 Không bị ảnh hưởng của động đất (vì ảnh hưởng của động đất dần bị triệt

tiêu bởi môi trường biển).

 Tận dụng được lực đẩy nổi của biển. Không chịu ảnh hưởng của hiện tượng

ấm lên toàn cầu (các nhà khoa học dự đoán mực nước biển sẽ dâng cao thêm

khoảng 1 m vào năm 2100).

VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm

(semi-submersible). Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá

thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa. VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm

(được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) để

giảm thiểu ảnh hưởng của sóng biển. Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng cho

mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác. Chúng được cố định bởi các cột

kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ

thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két). Trái lại,

kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linh

hoạt so với các kiểu cấu trúc ngoài khơi. Như vậy, việc phân tích VLFS chính là

phân tích hiện tượng thủy động học của kết cấu tấm nổi cùng với chuyển động của

tấm. Phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác động của

sóng biển và miền chất lỏng đã trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiên

cứu.

3

Hình 1.2. Hệ thống kết cấu nổi

(https://www.researchgate.net/figure/226306180_fig2_Fig-4-Components-of-a-

pontoon-type-VLFS)

Hình 1.3. Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka

(http://www.mssa.org.my/site/index.php?option=com_content&view=article&id

=172&Itemid=228 & http://db.flexibilni-architektura.cz/o/35)

Ngày nay, các quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng đều mong muốn mở

rộng khai thác các tiềm năng khổng lồ của đại dương. Do đó, việc nghiên cứu hệ

thống kết cấu nổi là việc làm hết sức cấp thiết và quan trọng cần giải quyết.

4

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết

cấu nổi

Kích thước điển hình cho kết cấu nổi siêu rộng (VLFS) thường khoảng dài, và

rộng và chỉ có vài mét theo chiều sâu. Cho nên VLFS có kích thước theo

phương ngang lớn hơn chiều dày rất nhiều, dẫn đến VLFS rất dễ uốn so với kết cấu

ngoài khơi khác. Điều này được minh họa trong Hình 1.4. Dẫn đến sự biến dạng

đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tâm cứng. Vì vậy, tương tác giữa

chất lỏng và kết cấu hay còn gọi là hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử

động lực học.

Hình 1.4. Minh họa tính trường uốn tấm VLFS

Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử

hydroelastic của nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển. Từ bước phân tích

đơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng

chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với

mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương.

Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép. Chúng

được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do. Chuyển động theo

phương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo

phương đứng. Đồng thời, khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt

5

nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong

một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua .

Trong quá trình phân tích, nước biển xung quanh được mô hình chất lỏng lý

tưởng không xoáy, không nén và không nhớt và rộng vô hạn. Áp lực động lực học

của nước tác dụng lên mặt ngoài của kết cấu bao gồm áp lực tĩnh do sự thay đổi độ

sâu của phần chìm trong nước và áp lực động lực học của sóng. Áp lực tĩnh tỷ lệ với

độ võng thẳng đứng được mô hình là lò xo đẩy nổi. Áp lực động lực học gây ra do

sóng trở thành lực quán tính bằng “khối lượng nước kèm theo và lực cản tổng quát

do quá trình tạo sóng”. Bài toán động lực học chất lỏng được xem xét là bài toán

sóng biển với điều kiện vùng chất lỏng có độ sâu hữu hạn và phương ngang vô hạn.

Chất lỏng được giả thuyết là “chất lỏng lý tưởng”. Sau đó, các phương trình ràng

buộc được chuyển thành các phương trình Laplace và điều kiện biển. Phương pháp

để giải quyết bài toán tương tác giữa kết cấu và sóng biển được chia thành hai

trường hợp. Trường hợp đơn giản, kết cấu có kích thước nhỏ không gây ra sóng

phản hồi vì vậy kết quả hàm thế sóng biển cho mặt tự do sẽ được sử dụng để tính

toán áp lực động tác dụng vào kết cấu. Phương pháp này được ứng dụng phổ biến

tính toán các giàn khoan nổi, tàu thủy...

Trường hợp phức tạp hơn, những kết cấu có kích thước lớn sẽ tỏ ra ngang bướng

trước tác động của sóng biển, sóng phản hồi từ kết cấu trở thành đại lượng đáng kể.

Bài toán này được gọi là bài toán tương tác kép (coupled problem). Để giải quyết

bài toán tương tác kép, người ta sử dụng phương pháp “miền tần số” và “miền thời

gian”. Đa số các phân tích đều sử dụng phương pháp miền tần số vì tính toán đơn

giản hơn. Phương pháp này cũng chia thành hai phương pháp: trực tiếp và tọa độ

suy rộng trong phương pháp trực tiếp, phương trình dao động của hệ được giải trực

tiếp bằng các phương pháp số. Tuy nhiên, các ma trận phương trình có kích cỡ lớn

và những ma trận hằng số hết sức phức tạp. Điều này là do chiều dài sóng biển nhỏ

hơn nhiều so với chiều dài kết cấu. Dẫn đến, kết cấu phải được chia nhỏ với một

lượng lớn phần tử hữu hạn kéo theo thời gian tính toán sẽ rất lớn. Mặt khác, phân

tích theo phương pháp tọa độ suy rộng bằng cách phân tách riêng lẻ việc phân tích

động lực học chất lỏng và kết cấu giúp giảm kích thước của ma trận của phương

6

trình cần giải. Trong cách giải này, các nhà nghiên cứu đã chấp nhận sử dụng những

hàm khác nhau được đưa ra từ việc phân tích dao động riêng của kết cấu.

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm nổi ta có thể kể đến Maeda (1995) [2] ảnh

hưởng của thủy triều đến kết cấu nổi kiểu phao ngoài khơi. Kashiwagi (1998) [3],

Lin (1998) [4] sử dụng hàm B-spline tính toán ứng xử hydroelastic của sóng.

Utsunomiya (1998) [5] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tấm

nổi gần giống với VLFS. Endo và Yago (1999) [6] phân tích thời gian ảnh hưởng

đến kết cấu tấm nổi có kích thước lớn khi chịu tải trọng tập trung di động. Eatock và

Okushu (2000) [7] đã sử dụng hàm Green để phân tích động lực học của dầm nổi và

tấm nổi có biên tựa tự do. Wang, Xiang, Utsunomiya và Watanabe (2001) [8] đã

nghiên cứu phản ứng và đánh giá các kết quả ứng suất trong các tấm dao động với

biên tựa tự do. Watanabe và Utsunomiya (2004) [9] sử dụng phương pháp phần tử

hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác

dụng của tải xung. Jin và Xing (2007) [10] đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồi

của dầm nổi chịu tác động hạ cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt”. Liuchao và

Hua (2007) [11] phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xử

Hydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động. Gupta, Khanna (2009) [12] phân tích

dao động tự do của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi chiều dày

của tấm. Liu-chao Qiu (2009) [13] mô hình hóa và mô phỏng các phản ứng của dầm

nổi trong điều kiện vùng nước sâu dưới tác dụng của tải di động. Wang và Tay

(2010) [14], (2011) [15] phân tích phản ứng Hydroelastic kết cấu dạng phao có kích

thước lớn. Gao Ruiping (2012) [16] trình bài ứng xử Hydroelastic của tấm có kích

thước lớn.

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các công trình nghiên cứu trong nước rất ít hầu như tất cả kết quả số đã

đạt được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Điển hình như

Nhi (2014) [18] phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di

động sử dụng phần tử 2-D chuyển động. Mới nhất đây thì có Vũ (2016) [19] phân

7

tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng thời sóng biển và

tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động, đã sử dụng

phương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của kết cấu

nổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng.

Tất cả các nghiên cứu trên đều được sử dụng rời rạc hóa các phần tử tấm, để sử

dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm để tập trung nghiên cứu ứng xử tấm trên

nền đàn hồi, hay mô hình dầm nổi thì không đúng với thực tế. Do đó Luận văn này

đã tập trung nghiên cứu thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử

dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phần tử biên (BEM) trong vấn đề”

Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi

VLFS” góp phần đưa ra kết quả chính xác nhất so với thực tế, và rút ra nhận xét về

ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu ảnh hưởng các hướng sóng, bước sóng

của sóng biển dưới sự thay đổi của độ sâu của biển, chiều rộng, chiều dày của tấm

nổi.

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử biên

và phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu nổi VLFS (Very

Large Floating Structures) chịu ảnh hưởng của sóng biển. Các vấn đề nghiên cứu cụ

thể trong Luận văn này bao gồm:

 Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương

pháp phần tử hữu hạn và phần tử biên.

 Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác.

 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân

tích của Luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác.

 Thực hiện một số các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau,

đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận.

8

1.6 Cấu trúc luận văn

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan chung về kết cấu tấm nổi VLFS và tình hình

nghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu của đề tài.

Chương 2: Trình bài các cơ sở lý thuyết về tấm Mindlin và chất lỏng, và

phương pháp phần tử biên cho chất lỏng và mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu

tấm.

Chương 3: Trình bài các kết quả phân tích và khảo sát được tính toán bằng ngôn

ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình động của bài toán.

Chương 4: Đưa ra một số kết luận quan trọng đã đạt được trong luận văn và kiến

nghị phát triển đề tài trong tương lai.

Phụ lục và một số đoạn mã lập trình Matlab để tính toán trong chương 3.

9

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng

Mô hình VLFS có dạng hình chữ nhật với các cạnh là và . Kết cấu nổi có dạng

như chiếc hộp với chiều cao không đổi là h, và d phần chìm trong nước biển, được

thể hiện như trong Hình 2.1. Đáy biển được giả thuyết phẳng nằm tại độ sâu là H.

Kết cấu chịu tác dụng của sóng tới với chu kỳ sóng là T và chiều cao của sóng là

2A, và sóng tới tác dụng tới kết cấu nổi với một góc là 𝜃 đối với trục x.

x,u

Hình 2.1. Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn

Trong quá trình phân tích hydroelastic, kết cấu được mô phỏng như một tấm

đồng nhất và cứng. Hệ số đàn hồi E và hệ số poisson tỷ lệ với độ cứng của tấm nổi,

và được điều chỉnh để phù hợp với tần số tự nhiên và tần số dao động của kết cấu

thật. Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do. Vật liệu của

tấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke. Đối với việc phân

tích hydroelastic, hầu hết các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa bằng cách sử dụng lý

thuyết tấm mỏng cổ điển, nhưng gần đây việc sử dụng các lý thuyết tấm dày

10

Mindlin nhận được sự phổ biến nhất do khả năng cung cấp các kết quả và dự đoán

chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và quán tính quay.

Không giống như các lý thuyết tấm mỏng cổ điển, các phương trình chuyển động

được mô tả chỉ thông qua chuyển vị đứng là biến, sự chuyển động của tấm

dày Mindlin được biểu diễn thông qua góc quay quanh trục x là và trục y

là . Trong khi phân tích, các tấm được giả định là không chuyển động

trong mặt phẳng Oxy và chỉ chuyển vị theo phương thẳng đứng (tức là hướng z).

Nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và không nhớt, không nén,

không xoáy và dòng chảy có thế. Dựa trên những giả thuyết trên, chất lỏng chuyển

động có thể được đại diện bởi một thế vận tốc là . Chuyển động của chất lỏng

được giả thuyết là nhỏ, để xây dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng, dựa

trên lý thuyết sóng tuyến tính.

Sự tương tác của nước biển và kết cấu được thể hiện qua điều kiện vận tốc của

tấm trùng với vận tốc của mặt nước tiếp xúc với tấm, tức là không có khoảng hở

giữa tấm và mặt nước.

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số

Xem xét trạng thái chuyển động ổn định điều hòa với tần số vòng của tấm, vì vậy

biến chuyển vị và góc xoay của tấm có thể tách rời thành các biến thời gian và

không gian như sau:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

11

trong đó là các đại lượng của tấm dày Mindlin, lần

lượt là chuyển vị, góc xoay quanh trục y và trục x là thế vận tốc không thứ

nguyên của nước. Re là hàm lấy giá trị thực của số phức.

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Tấm dày Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với là góc xoay của tấm quay quanh trục

y,

là góc xoay của tấm quay quanh trục x: u,v,w là chuyển vị của tấm theo phương x,y,z. Theo mô hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vuông góc với mặt

trung bình vẫn thẳng trong quá trình biến dạng nhưng không còn vuông góc với mặt

trung gian nữa và các góc vuông này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạng

trượt trung bình gây ra bởi lực cắt. Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồm

hai phần, phần thứ nhất do độ võng của tấm khi các pháp tuyến vẫn còn vuông góc

với mặt trung bình, phần thứ hai là do biến dạng trượt trung bình gây ra

Hình 2.2. Mô hình tấm dày [18]

Phương trình động lực học sóng biển trên mặt thoáng tại :

12

(2.6)

với là chuyển vị theo phương đứng của kết cấu.

Phương trình chuyển động có xét áp lực sóng biển của tấm dày Mindlin được đưa ra

như sau:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

với là độ cứng trụ, E là hệ số module đàn hồi, là hệ số

module cắt (hay momen đàn hồi trượt), là hệ số poisson, 𝛾 trọng lượng riêng

vật liệu của tấm và là hệ số điều chỉnh cắt, .

Các cạnh của tấm tự do cho nên momen uốn, xoắn và lực cắt ngang phải bị triệt

tiêu ở cạnh, từ đó dẫn đến các phương trình điều kiện biên tại các cạnh của tấm như

bên dưới:

 Mômen uốn:

(2.10)

 Mômen xoắn:

(2.11)

13

 Lực cắt:

(2.12)

trong đó s và n biểu thị hướng tiếp tuyến và thông thường đối với mặt cắt ngang của

tấm.

2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính

Mô hình kết cấu và chất lỏng (Hình 2.3) với là sóng tới, là biên mặt thoáng

chất lỏng, là biên mặt đáy kết cấu tấm nổi, là biên độ sâu của đáy biển,

là độ sâu đáy biển, là biên chiều dài của mặt thoáng chất lỏng ở vô cực.

Hình 2.3. Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14]

Hàm thế sóng điều hòa tuyến tính cho vùng chất lỏng có độ sâu không đổi

và đạo hàm theo phương pháp tuyến q của mặt thoáng và đáy biển được viết dưới

dạng, với ký hiệu “I” đại diện cho vùng sóng tới (sóng biển), được lấy từ mặt

nước trung bình (yên tĩnh).

14

(2.13)

(2.14)

với được gọi là hàm thế vận tốc của sóng nhiễu xạ. Từ giả thuyết

chất lỏng lý tưởng, hàm thế phải thỏa mãn phương trình Laplace.

(2.15)

với

Đồng thời, hàm vận tốc cũng phải đáp ứng các phương trình điều kiện biên tại các

mặt biên của vùng chất lỏng như bên dưới:

 Mặt đáy của kết cấu tấm nổi

 Mặt thoáng của chất lỏng

 Đáy biển

Điều kiện bức xạ tại vùng xa:

với X=(x,y) và là bề mặt chất lỏng giả định ở vô cực.và k là số các sóng thỏa

phương trình: .

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm

Độ võng, góc xoay và các biến phân của nó được biểu diễn bởi đa thức xấp xỉ với

hệ số là giá trị tại các nút như bên dưới.

(2.16)

15

(2.17)

(2.18)

(2.19)

trong đó : là độ võng của tấm; : góc xoay theo trục y; : góc xoay theo trục

x. Và N được chọn là hàm dạng cho phần tử tấm. Từ đó, vector nghiệm d và biến

phân của nó tại mỗi nút có dạng như bên dưới.

(2.20)

(2.21)

Đồng thời vector biến dạng của tấm cũng được biểu diễn qua các đạo hàm của hàm

dạng.

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

Áp dụng nguyên lý biến phân Galerkin, ta có các ma trận của một phần tử tấm

được biểu dưới dạng tích phân của hàm dạng và các đạo hàm.

 Ma trận cứng uốn :

(2.27)

16

(2.28)

(2.29)

với .

 Ma trận cứng xoay

(2.30)

 Ma trận khối lượng

(2.31)

(2.32)

(2.33)

(2.34)

trong phương pháp miền tần số, chuyển vị của tấm được biểu diễn thông qua tổ hợp

các dạng dao động tự nhiên của tấm và các hệ số chưa biết.

Gọi X ma trận hình dạng của tấm ứng với n mode dao động, là các hệ số

chưa biết của các mode dao động, chuyển vị và góc xoay của tấm được biểu diễn

dưới dạng:

17

(2.35)

Ma trận cứng suy rộng và ma trận khối lượng suy rộng viết dưới dạng tổ hợp

các mode dao động.

(2.36)

2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng

Để mô phỏng vùng chất lỏng bằng phương pháp phần tử biên (BEM-Boundary

Element Method), trong phần này hàm free-surface Green được sử dụng. Hàm

Green này áp dụng rất hiệu quả cho ảnh hưởng của mặt tần số và điều kiện nhiễu xạ

[14].

Nhằm mục đích định nghĩa, hàm free-surface Green là hàm thỏa mãn phương

trình Laplace chủ đạo và các phương trình điều kiện biên trên các mặt biên của

vùng chất lỏng như bên dưới.

(2.37)

(2.38)

(2.39)

(2.40)

Theo Clinton [14], hàm free-surface Green được biểu diễn dưới dạng chuỗi hàm

Bessel như sau:

18

(2.41)

(2.42)

với là hàm Bessel hiệu chỉnh loại 2 bậc zero, là nghiệm của phương trình

(2.42).

Phương trình tích phân dạng yếu cho chuyển động chất lỏng được thành lập dựa

trên lý thuyết tích phân biên Green loại 2:

(2.43)

Miền tích phân được rời rạc bằng panel 4 nút (phụ lục). Phương trình dạng yếu

(2.43) được viết lại dưới dạng ma trận BEM như sau:

(2.44)

Các thành phần trong ma trận H và G được định nghĩa như sau:

(2.45)

(2.46)

trong đó, i, j=1… tổng số panel mặt đáy kết cấu, đáy biển.

Ma trận trong đó, được ghép nối vào ma trận tổng thể

theo quy trình ghép nối ma trận của phương pháp FEM (phương pháp phần tử hữu

hạn), dùng để nội suy giá trị đạo hàm chuyển vị của tấm tại panel thông qua chuyển

vị tại nút.

19

2.7 Áp lực chất lỏng

Biến phân tải trọng động lực học sóng biển tác động lên đáy của kết cấu được biểu

diễn dưới thông qua biến phân của chuyển vị và đạo hàm hàm thế lưu tốc theo thời

gian:

(2.47)

trong đó được ghép với Kg là ma trận cứng đẩy nổi và

nối vào ma trận tổng thể theo quy trình ghép nối ma trận của phương pháp FEM

(phương pháp phần tử hữu hạn), là ma trận chuyển đổi tải trọng phân bố đều trên

mỗi panel thành các lực tập trung tại nút.

2.8 Giải phương trình tương tác

Phương trình (2.44) có thể được viết lại dưới dạng như sau:

(2.48)

Phương trình kết cấu:

(2.49)

với K là ma trận cứng tổng hợp bao gồm ma trận cứng uốn, cắt và đẩy nổi, M là ma

trận khối lượng. Để giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng ta thay

giá trị biên độ (2.49) vào (2.48), ta tính toán giá trị hàm thế trên mỗi panel của đáy

kết cấu. Sau đó, biên của các mode dao động được tính như sau:

(2.50)

(2.51)

20

2.9 Lưu đồ tính toán

Hình 2.4. Lưu đồ tính toán

21

CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ

Trong chương này trình bày các kết quả phân tích khảo sát được thực hiện nhằm

tiến đến mục tiêu chính như sau:

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi của hướng sóng.

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển.

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ bề dày của

tấm.

 Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi tỷ lệ bước sóng và

chiều dài kết cấu

Ngoại trừ được ghi rõ cụ thể trong từng bài toán khảo sát, các thông số tính toán

được sử dụng trong toàn bộ các phân tích nêu trong Luận văn này được trình bày

trong Bảng 3.1 sau đây.

Bảng 3.1. Thông số tấm VLFS

Thông số hình học, vật liệu Giá trị,Đơn vị

Chiều dài của VLFS 300 m

Chiều rộng của VLFS 60 m

Chiều dày của VLFS 2 m

Phần nước chiếm chổ VLFS 0.5 m

Modul đàn hồi Young 11.9 GPa

Độ cứng uốn tương đương 4.78x108 kN/m2

Hệ số Poisson 0.13

Khối lượng riêng tương đương 256.25 kg/m3

Độ sâu của biển 58.5 m

Hướng sóng tới

22

Hình 3.1. Mô hình tấm VLFS

Xét tấm nổi có kích thước lớn (VLFS) trên, có các kích thước như chiều dài L=

300m, chiều rộng B= 60m, chiều dày h=2m, với 4 biên tựa tự do. Như trong Hình

3.1, với các thông số hình học và vật liệu của tấm được thể hiện trong Bảng 3.1

trên. Để khảo sát và phân tích cho các bài toán, phần tử tấm được rời rạc thành 500

phần tử có kích thước là (6x6)m, theo phương x và y tương ứng như Hình 3.1 trên,

sử dụng phần tử tham chiếu 9 nút (phụ lục) cho việc mô hình hóa các tấm nổi để

khảo sát.

Các bài toán được thực hiện trong Luận văn này bao gồm:

 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của Endo

và Yago (1999) [6]

 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với

sự thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16]

 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển.

 Phân tích khảo sát ứng xử của tấm chịu ảnh hưởng của sóng biển.

 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu.

 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm.

 Bài toán 5: khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm.

 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu.

23

3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của

Endo và Yago (1999) [6]

Mô hình thí nghiệm VLFS MF-300 tại biển của viện nghiên cứu kỹ thuật Mega-

Float, năm 1995-1998. MF-300 là pon-toon có dạng tấm chữ nhật với kích thước

như sau: Chiều dài của tấm , chiều rộng , chiều dày , và

4 biên tựa tự do, có Modul đàn hồi Young , khối lượng riêng tương

đương , hệ số Poisson , và sóng tới với bước sóng là

30m, chu kỳ sóng 4.4s, chiều cao sóng là 1m, ứng với biên độ 1m. Theo Hisayoshi

Endo, “điều kiện sóng này đại diện cho điều kiển biển mà mô hình MF-300 sẽ gặp

vài lần trong một năm. Trong quá trình tính toán, bước thời gian được thiết lập là

”. Mô hình MF-300 được sử dụng cho mô hình sân bay nhỏ được thể hiện

trong Hình 3.2.

Hình 3.2. Mặt bằng sân bay (1999) [6]

 Thẩm tra chương trình mô phỏng:

Ta xét ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi cho kết quả của chương trình

code matlab, có chuyển vị theo phương đứng trong cùng một điều kiện với bước

sóng là 0.4, 0.6, 1.0. Ứng với bước sóng =0.4, 0.6, 1.0 thì ta dường như

nhận thấy rằng biên độ dao động của code chương trình rất gần trùng với kết quả

thí nghiệm MF-300 của Endo và Yago (1999) [6], điều này chứng tỏa rằng code

24

chương trình xác thực cho kết quả rất đáng tin cậy được thể hiện trong Hình 3.3

sau đây.

Hình 3.3. So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6]

3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự

thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16]

Xét bài bài toán kết cấu tấm nổi của Gao Ruiping có các thông số hình học và vật

liệu như sau: Chiều dài của tấm , chiều rộng của tấm , chiều dày

, và 4 biên tựa tự do, có Modul đàn hồi Young , khối lượng

riêng tương đương , hệ số Poisson , độ sâu của biển

, và các hướng sóng tới .

Luận văn cũng đã tiến hành phân tích khảo sát ứng xử của tấm với các hướng

sóng tới như Gao Ruiping (2012) [16] và sử dụng Bảng 3.1. Làm thông số đầu vào

để tiến hành khảo sát và kết quả được so sánh trong Hình 3.4.

25

Gao Ruiping (2012) [16] Luận văn

a)

b)

c)

26

Gao Ruiping (2012) [16] Luận văn

d)

e)

f)

Hình 3.4. So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16]

27

Ta có thể thấy kết quả của Gao Ruiping (2012) [16] với hình phía bên trái,

hướng sóng theo hướng mũi tên từ trái sang phải, còn Luận văn thì với hình phía

bên phải của Hình 3.4. Trong đó, khi sóng biển tác dụng vào kết cấu tấm nổi với

một góc sóng tới được thể hiện trong Hình 3.4a. Kết quả biên độ dao động

của hai rất giống nhau. Tại vị trí 50m ban đầu theo chiều dài , và sau đó ta thấy

biên độ giảm dần dọc theo chiều dài của tấm, và Hình 3.4b. Khi sóng biển tác dụng

vào kết cấu tấm nổi với hướng sóng tới có góc là , thì cả hai kết quả ứng xử

của tấm rất tương đồng với nhau, như bất ổn ở phần đầu của kết cấu và tiếp theo thì

xoắn nhẹ quanh theo phương x. Khi sóng tới có hướng sóng với một góc là

như Hình 3.4c, thì hai kết quả trên có biên độ dao động rất bất ổn và có chiều hướng

xoắn 2 bên và có một phần của kết cấu bị vênh lên như trong hình trên. Khi sóng tới

có hướng sóng với một góc là Hình 3.4d, chỉ cách nhau có mà biên

độ dao động của hai kết quả ở lần này rất gần như là trùng với nhau như xoắn rất rõ

ràng theo chiều của phương x, không còn vênh lên như đợt nữa. Hình 3.4e.

Khi sóng tới có hướng sóng với một góc là thì biên độ dao động của cả hai

kết quả rất bất ổn định lớn về toàn diện và xoắn cực mạnh theo phương x có nguy

cơ bị lật úp. Hình 3.4f. Khi sóng tới có hướng sóng với một góc là thì biên

độ dao động của cả hai kết quả rất giống nhau, và đã đạt tới ngưỡng cực đại của

biên độ làm cho kết cấu tấm nổi không còn khả năng chống đỡ với đợt sóng

này, và đã làm cho ứng xử của kết cấu tấm này bị lật úp. Để biết rõ hơn từng trường

hợp khảo sát với các hướng sóng khác nhau Luận văn đã sử dụng thông số đầu vào

ở Bảng 3.1 và sẽ trình bày sau đây:

 Tác động sóng biển có hướng sóng tới với góc

Ở lần phân tích khảo sát này ta sẽ xét ảnh hưởng của sóng biển đến ứng sử động

lực học của kết cấu tấm nổi VLFS. Hình 3.5 đến Hình 3.7 là kết quả của hướng

sóng tác dụng vào kết cấu tấm nổi với góc sóng tới lần lượt là . Với

a) đồ thị diễn đạt chuyển vị theo phương đứng, b) mô hình 3D của tấm theo biên

độ, c) hình dạng chuyển động 3D của tấm. Hình 3.5 kết quả trên ta nhận thấy rằng

28

khi tấm chịu tác động của hướng sóng tới có góc . Hình 3.5b hướng sóng đi từ

bên phải qua bên trái ta thấy biên độ dao động của tấm tại đầu tấm rất lớn vào

khoảng 50m đầu và sao đó ta thấy biên độ chuyển vị theo phương đứng cũng giảm

dần dọc theo chiều dài L của tấm và hình dạng chuyển động của tấm lúc này giống

như Hình 3.5c, có biên độ cực đại là 0.174 đây chính là một đại lượng không thứ

nguyên của chuyển vị. Khi tấm chịu tác động của hướng sóng tới có góc

Hình 3.6 biên dộ dao dộng của tấm cũng khá gần giống với trường hợp

nhưng kết cấu tấm có xu hướng hơi bị xoắn và biên độ dao động cực đại của kết cấu

tấm lần này là 0.1591 và đã giảm đi 8.56% so với góc . Ta thấy khi sóng tác

dụng vào kết cấu tấm nổi VLFS với một góc là , lần này ta thấy ứng xử động

lực học của tấm có biên độ dao động thay đổi không đáng kể như là khoảng 85m thì

ta thấy 2 bên mép của tấm VLFS có chiều hướng hơi xoắn quay theo phương x

Hình 3.7b. Và hình dạng chuyển động của tấm có hơi bị vênh lên dọc theo phương y

khi sóng tới tác dụng vào và biên độ dao động cực đại ở lần khảo sát này là 0.1374

đã giảm đi 13.64% so với lần khảo sát có hướng sóng .

(b) (a)

(c)

Hình 3.5. Hướng sóng có góc

29

(b) (a)

(c)

Hình 3.6. Hướng sóng có góc

(a) (b)

(c)

Hình 3.7. Hướng sóng có góc

 Tác động sóng biển có hướng sóng tới với góc

Hình 3.8 đến Hình 3.10 là kết quả của hướng sóng tác dụng vào kết cấu tấm nổi

với góc sóng tới lần lượt là . Ta thấy khi sóng tác dụng vào kết cấu

tấm nổi VLFS với một góc là Hình 3.8, thì biên độ dao động của tấm lần

30

này rõ hơn lần trước khi mà sóng tác dụng vào kết cấu tấm từ phía bên phải Hình

3.8b khoảng 135m đầu ta thấy dao động của tấm bất ổn như Hình 3.8a, nhưng về

sau thì dần dần giảm đi và xoắn nhẹ quanh theo phương x khoảng 115m lúc đầu và

sau thì 100m như hình 3.8b. Và hình dạng chuyển động của tấm lần này bị vênh hơn

lần trước và bất ổn hơn. Khi sóng tác dụng vào tấm VLFS với 1 góc là Hình

3.9, thì ta nhìn Hình 3.9a rõ ràng biên độ dao động rất lớn có giá trị 0.1732 đã tăng

20.67% so với hướng sóng có góc , điển hình khi ta nhìn vào mô hình 3D

biên độ dao động Hình 39.b thì tấm có chiều hướng xoắn 2 bên và phía bên phải từ

đầu vào khoảng 175m bị vênh lên rất rõ ràng. Và dạng chuyển động của tấm lần này

có chuyền hướng xoắn theo phương x (bị vặn). Đợt sóng lần này so với đợt sóng

trên là thêm tức là góc sóng tới Hình 3.10, thì ta thấy hình dạng lần

này của tấm VLFS đã rõ rằng là xoắn theo chiều của phương x. với biên độ dao

động lớn không còn vênh như đợt sóng mà lần này ta thấy đã xoắn rõ ràng.

Giá trị biên độ dao động cực đại là 0.2776 tăng đột biến lên đến 37.61% so với đợt

sóng .

(a) (b)

(c)

Hình 3.8. Hướng sóng có góc

31

(b) (a)

(c)

Hình 3.9. Hướng sóng có góc

(b) (a)

(c)

Hình 3.10. Hướng sóng có góc

 Tác động sóng biển có hướng sóng tới với góc

Ở lần phân tích khảo sát này Hình 3.11, và Hình 3.12, là kết quả của hướng sóng tác

dụng vào kết cấu tấm nổi với góc sóng tới lần lượt là . Kết quả từ khảo

sát từ đợt sóng Hình 3.11, này ta thấy biên độ dao động của tấm rất lớn và

32

xoắn cực mạnh theo phương y Hình 3.11b. Ta dễ nhận thấy rằng hình dạng chuyển

động của tấm Hình 3.11c, có chiều hướng dao động xoắn vặn theo phương y có

nguy cơ tấm mất ổn định và bị lật úp. Biên độ dao động cực đại lúc này là 0.3153 đã

tăng lên 11.96% so với góc sóng , có thể nói đây chính là rất gần với ngưỡng

cực đại ứng xử về biên độ dao động mà kết cấu tấm nổi VLFS có thể chịu đựng

được. Khi sóng tác dụng vào kết cấu tấm VLFS với một góc tới Hình 3.12,

thì tấm dao động cực đại Hình 3.12a. Và mô hình biên độ dao động của tấm Hình

3.12b đã đạt tới ngưỡng cực đại khiến cho hình dạng của tấm VLFS đã bị lật như

Hình 3.12c. Điều này chứng tỏa rằng khi sóng đánh trực tiếp vào tấm một góc

, thì sẽ rất nguy hiểm khiến cho tấm lật úp.

(b) (a)

(c)

Hình 3.11. Hướng sóng có góc

(a) (b)

33

(c)

Hình 3.12. Hướng sóng có góc

 Khảo sát biên độ cực đại không thứ nguyên của các dạng sóng tới

Khi ta khảo sát các trường hợp sóng tới có góc từ đến ta có kết quả

ứng xử động lực học của kết cấu tấm VLFS có các giá trị biên độ cực đại trong

Bảng 3.2 sau đây:

Bảng 3.2. Các trường hợp sóng tới

Góc

sóng

0.1 0.1 0.1 0.02 0.08 0.16 0

0.174 0.1591 0.1374 0.1732 0.2776 0.3153 0.2729

Từ kết quả phân tích trên, có thể nhận thấy rằng khi Hình 3.13 là sơ đồ sau thể hiện

cho biên độ dao động không thứ nguyên, tương ứng với 7 trường hợp sóng tới tác

dụng vào tấm có góc sóng tới từ đến . Kết quả cho ta thấy ban đầu khi

sóng tới tác dụng vào tấm VLFS một góc thì chuyển vị theo phương thẳng

đứng đạt giá trị 0.174, khi sóng tới có giá trị là thì chuyển vị phương đứng

đã giảm còn 0.1591, tức là đã giảm đi 8.56% so với trường hợp ban đầu. Ta có thể

dễ nhận biết rằng các thông số Bảng 3.2 và sơ đồ Hình 3.13 khi sóng tới có góc

sóng thì chuyển vị theo phương đứng có xu hướng giảm. Nhưng khi góc

sóng trong khoảng thì có sự bất ổn rất rõ khi giá trị có xu hướng

giảm rồi tăng rồi lại giảm và cũng kéo theo giá trị chuyển vị theo phương đứng

34

cũng đi theo, đáng nói ở đây nhất chính là khi góc sóng tới bằng giá

trị và biên độ cũng đạt giá trị cực đại nhất khi ấy tấm VLFS đã bị sóng

0.35

0.3153

0.3

0.2776

0.2729

)

/

w A w

0.25

(

g n ứ đ

0.2

0.174

0.1732

0.1591

g n ơ ư h p

w/Aw

0.1374

0.15

o e h

t ị v

0.1

n ể y u h C

0.05

0

0.1

0.1

0.1

0.08

0.16

0

0.02

x/L

đánh lật úp dẫn đến rất nguy hiểm khi ở trường hợp này.

Hình 3.13. Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới

3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển

Trong bài toán này, ta sẽ khảo sát độ sâu ở các giá trị khác nhau ứng với điều kiện

ban đầu khi sóng tới có góc bằng với cùng bước sóng , chiều dài tấm

L=300m và bề rộng B=60m và cùng ứng với tất cả giá trị thông số ở Bảng 3.1 trên.

Các giá trị độ sâu H như sau: H=20m, h=58.5m, H=100m, H=200m, H=500m,

H=1000m. Ta có Hình 3.14, sẽ thể hiên tất cả giá trị biên độ dao động ứng với các

giá trị độ sâu biển bên trên. Hình 3.14 ta nhận thấy rằng ứng xử của kết cấu tấm nổi

VLFS khi ở các độ sâu trong môi trường nước biển khác nhau thì sẽ không ảnh

hưởng đến kết cấu tấm nổi (2012) [16].

35

H = 20m H = 58.5m

H = 100m H = 200m

H = 500m H = 1000m

Hình 3.14. Sự thay đổi độ sâu của biển

36

3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Trong bài toán này, tấm được sử dụng để phân tích có các kích thước chiều dài L =

300m, chiều rộng B=60m, chiều dày h = 2m với biên tựa tự do bốn cạnh. Thông số

vật liệu của tấm với module đàn hồi E = 11.9Gpa, hệ số Poison ν = 0.13, khối lượng

riêng tương đương của tấm ρ = 256.25 (kg/m3).

Ta có là hệ số tỷ lệ của bước sóng và chiều dài của kết cấu, , ta sẽ

khảo sát các bước sóng thay đổi lần lượt là 60m, 90m, 120m, 150m (có thể các

bước sóng xấp xỉ gần bằng hoặc lớn hơn). Ta sẽ có hệ số ứng với các giá trị 0.2;

0.3; 0.4; 0.5. Độ sâu lần lượt là 20m, 58.5m, 100m, 200m, 1000m. Với điều kiện

ban đầu là hướng sóng tới tác dụng vào tấm có góc .

Xét trường hợp với độ sâu , ta có Bảng 3.3 và Hình 3.15, là kết quả

của các trường hợp bước sóng khác nhau tác dụng vào kết cấu tấm như sau:

Bảng 3.3. Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m

0.2 0.3 0.4 0.5

0.1708 0.2016 0.2913 0.3703

Từ Hình 3.15, ta thấy với độ sâu H=20m và các điều kiện ban đầu là chiều dày tấm

VLFS 300m và bề rộng là 60m và hướng sóng tới có góc . Ta có bước sóng

ảnh hưởng rất lớn lên kết cấu tấm VLFS thông qua hệ số tỷ lệ trên mà ta đã khảo

sát. Ở Hình 3.15 cột phía bên trái là đồ thị biểu diễn biên độ dao động của kết cấu,

cột phía bên phải là đồ thị 3D biểu diễn biên độ của kết cấu. Ở thời điểm =0.2, ta

nhận thấy rằng đồ thị biên độ chuyển vị theo phương đứng tương đối rõ ràng và

chiều hướng tăng lúc đầu và giảm gần về sau. Khi =0.3 thì tấm chuyển vị theo

phương đứng đã tăng lên khoảng 18.03% so với chuyển vị ban đầu. Nhưng khi

=0.4, =0.5 thì lúc này biên độ dao động của kết cấu tấm đã tăng lên khoảng

44.49% so với =0.3. tăng lên 27.12% so với =0.4. Khi ấy Hình 3.16 sẽ cho ta

thấy rõ diễn biến chuyển vị theo phương đứng của kết cấu tấm nổi tăng dần theo hệ

37

số tỷ lệ . Các giá trị chuyển vị này chính là biên độ dao động cực đại tại các mốc

từ 0.2 đến 0.5 tương ứng với các bước sóng từ 60m đến 150m.

= 0.2

=0.3

=0.4

=0.5

Hình 3.15. Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâu

0.4

0.3703

)

0.35

/

w A w

0.2913

(

0.3

g n ứ đ

0.25

0.2016

0.2

0.1708

g n ơ ư h p

w/Aw

0.15

o e h

t ị v

0.1

0.05

n ể y u h c

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

Hệ số tỷ lệ

38

Hình 3.16. Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu

Để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến biên độ dao động của kết cấu tấm, Luận văn

tiến hành tiếp tục khảo sát các độ sâu còn lại đã nêu ở trên là 58.5m, 100m, 200m,

1000m. Từ Hình 3.17 đến 3.20 sau sẽ cho ta thấy rất rõ ứng xử của kết cấu tấm nổi,

ta có thể thấy rằng ở mỗi độ sâu khác nhau thì không làm ảnh hưởng đến biên độ

dao động của kết cấu tấm nổi cho lắm. Chỉ mỗi bước sóng khi có những bước sóng

khác nhau thì mới làm cho biên độ chuyển vị theo phương thẳng đứng của kết

cấu tấm nổi thay đổi và mất ổn định.

39

= 0.2

=0.3

=0.4

=0.5

Hình 3.17. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

40

= 0.2

=0.3

=0.4

=0.5

Hình 3.18. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

41

= 0.2

=0.3

=0.4

=0.5

Hình 3.19. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

42

= 0.2

=0.3

=0.4

=0.5

Hình 3.20. Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

43

Từ các khảo sát trên ta có Bảng 3.4 là kết quả số liệu biên độ dao động cực đại

của kết cấu tấm nổi khi chịu ảnh hưởng của các trường hợp sóng biển có bước sóng

khác nhau ở độ sâu khác nhau:

Bảng 3.4. Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu của

biển khác nhau

0.3 0.2 0.4

0.5 0.1708 0.2016 0.2913 0.3703 20m 0.174 0.2274 0.2963 0.3591 58.5m 0.3 0.3664 0.177 0.2296 100m 0.1815 0.2329 0.3018 0.3677 200m 1000m 0.1646 0.2158 0.3047 0.3679

Từ Hình 3.21 sau ta nhận thấy rằng, ở mỗi độ sâu khác nhau thì biên độ dao động

của tấm gần như không hề thay đổi. Điển hình như ở hệ số tỷ lệ = 0.2 , ta thấy

rằng ở độ sâu 20m và độ sâu 58.5m thì biên độ dao động cực đại của tấm VLFS ở

hai trường hợp thay đổi rất bé chỉ 0.0032 tức là đã tăng lên chỉ 1.87% so với ở lần

khảo sát độ sâu 20m. Với độ sâu 58.5m và 100m thì thay đổi 0.003 tức là tăng thêm

rất bé chỉ 1.72% so với độ sâu 58.5m. Như vậy điều này chứng tỏa rằng ở mỗi độ

sâu khác nhau thì ảnh hướng đến với kết cấu tấm nổi VLFS rất bé có thể xem như là

không ảnh hưởng gì đúng với ở lần khảo sát về độ sâu của biển ở Bài toán 2 trên.

Nhưng bước sóng khác nhau có thể làm thay đổi biên độ của tấm rất rõ, điều đó cho

ta thấy tấm sẽ mất ổn định khi gặp những trường hợp có bước sóng khác nhau. Như

ở độ sâu , thì bước sóng có hệ số tỷ lệ như trên Bảng 3.4. Tăng lên

23.48% khi so với ban đầu, tăng 23.25% khi so với ,

và tăng 17.49% khi so với . Khi ở độ sâu thì hệ số

cũng tăng lên 22.91% % khi so với , tăng 23.47% khi so với

, và tăng lên 18.12% khi so với . Ở độ sâu thì hệ

số cũng tăng lên 22.1% khi so với , tăng 22.83% khi so

với , và tăng lên 17.92% khi so với . Độ sâu thì

hệ số cũng tăng lên 23.73% khi so với , tăng 29.18% khi

44

so với , và tăng lên 17.18% khi so với . Ta nhận thấy rằng các

0.4

/

0.35

w A w g n ứ đ

0.3

g n ơ ư h p

0.25

o e h

t ị v

0.2

n ể y u h C

0.15

0.2

0.3

0.4

0.5

20m

0.1708

0.2016

0.2913

0.3703

58.5m

0.174

0.2274

0.2963

0.3591

100m

0.177

0.2296

0.3

0.3664

200m

0.1815

0.2329

0.3018

0.3677

1000m

0.1646

0.2158

0.3047

0.3679

Hệ số tỷ lệ

20m

58.5m

100m

200m

1000m

đường đồ thị có xu hướng tăng đều tuyến tính giống nhau.

Hình 3.21. Đồ thị các trường hợp chuyển vị ở độ sâu khác nhau

3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm

Trong bài toán này, tấm được sử dụng để phân tích có các kích thước chiều dài L =

300m, chiều rộng B=60m, với biên tựa tự do bốn cạnh. Thông số vật liệu của tấm

với module đàn hồi E = 11.9Gpa, hệ số Poison ν = 0.13, khối lượng riêng tương

đương của tấm ρ = 256.25 (kg/m3), bề dày của tấm thay đổi. Với điều kiện ban đầu

là hướng sóng tới tác dụng vào tấm có góc . Ta có là bề dày tấm. Từ Hình

3.22 đến Hình 3.26 là kết quả thay đổi bề dày của kết cấu tấm nổi với lần lượt là

. Với a) đồ thị diễn đạt chuyển vị theo phương đứng, b)

mô hình 3D của tấm theo biên độ, c) hình dạng chuyển động 3D của tấm.

Từ Hình 3.22 đến 3.26 ta dường như thấy rằng khi bề dày của tấm càng lớn thì

tấm có độ uốn ngày càng giảm. Như Hình 3.22c và Hình 3.26c khi tấm có cùng điều

45

kiện như nhau nhưng bề dày thay đổi thì khả năng uốn của Hình 3.26c có phần cứng

hơn so với khả năng uốn của Hình 3.22c. Bề dày càng lớn thì tấm ít bị chuyển vị có

khuynh hướng lên xuống, điều này có thể được giải thích khi lớn thì tấm trở nên

cứng hơn, chuyển vị của tấm có khuynh hướng chuyển về chuyển vị như một khối

cứng.

(b) (a)

(c)

Hình 3.22. Bề dày của kết cấu tấm

(a) (b)

(c)

Hình 3.23. Bề dày của kết cấu tấm

46

(a) (b)

(c)

Hình 3.24. Bề dày của kết cấu tấm

(b) (a)

(c)

Hình 3.25. Bề dày của kết cấu tấm

47

(a) (b)

(c)

Hình 3.26. Bề dày của kết cấu tấm

3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm

Trong bài toán này, tấm được sử dụng để phân tích có các kích thước chiều dài L =

300m, bề dày của tấm =2m, với biên tựa tự do bốn cạnh. Thông số vật liệu của

tấm với module đàn hồi E = 11.9(Gpa), hệ số Poison ν = 0.13, khối lượng riêng

tương đương của tấm ρ = 256.25 (kg/m3), bề rộng thay đổi có giá trị từ 30m, 60m,

90m, 120m, 150m. Ta có tỷ lệ giữa bề rộng và chiều dài kết cấu là cho các giá trị

từ 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Với điều kiện ban đầu là hướng sóng tới tác dụng vào

tấm có góc . Từ Hình 3.27 đến Hình 3.31 là kết quả thay đổi bề rộng của kết

cấu tấm nổi với lần lượt là 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Với a) đồ thị diễn đạt chuyển

vị theo phương đứng, b) hình dạng chuyển động 3D của tấm.

Hình 3.27 với bề rộng của tấm nổi trên bằng 1/10 chiều dài kết cấu ta nhận thấy

rằng khi sóng tới có góc tác dụng vào tấm thì biên độ dao động của tấm tại vị

trí khoảng 175m tính từ đầu vào thì biên độ đạt giá trị cực đại bằng một đại lượng

48

không thứ nguyên bằng 0.07504. Lúc đó hình dạng chuyển động của tấm như Hình

3.27c.

Khi tấm có bề rộng B=60m Hình 3.28, thì biên độ dao động của kết cấu tấm nổi

đạt giá trị cực đại bằng 0.174 và ở lần thứ hai là 0.1429 đã giảm đi 17.87% được thể

hiện trên Hình 3.28a, và Hình 3.28b là hình mô phỏng chuyển động của tấm ở vị trí

180m tính từ trái sang phải là vị trí biên độ 0.174 đạt giá trị cực đại tại thời điểm đó.

Ở trường hợp tấm có bề rộng B=90m Hình 3.29, tức là tỷ số giữa là 0.3 thì ở

trường hợp này tấm VLFS tương đối rộng. Thì biên độ dao động của kết cấu tấm

VLFS lần này thay đổi rất rõ rệt, và đạt giá trị biên độ dao động cực đại bằng

0.2187, và lần thứ 2 thì biên độ bằng 0.1956, đã giảm đi 10.56% được thể hiện ở

Hình 3.29a. Dạng mô phỏng hình dạng của tấm lúc này như Hình 3.29b cũng vẫn ở

trị trí khoảng 175m chiều dài tính từ đầu vào thì giá trị chuyển vị theo phương đứng

là 0.2187.

Khi bề rộng của tấm có giá trị B=120m Hình 3.30, và tỷ số là 0.4 thì kết cấu

tấm nổi tương đối rộng. Lúc này biên độ dao động của tấm có 3 lần dao động rất

mạnh có lúc giá trị cực đại bằng 0.2988, lần 2 là 0.2895 và lần 3 là 0.2672,và có xu

hướng giảm từ lần thứ nhất đến lần thứ 2 là 3.11%, lần thứ 2 và thứ 3 là 7.7% được

thể hiện trên Hình 3.30a. Lúc này hình dạng mô phỏng 3D của tấm như Hình 3.30b,

có xu hướng không ổn định và bị uốn rất rõ ràng cũng tại vị trí khoảng 175m thì dao

động tấm đạt giá trị cực đại là 0.2988 theo phương đứng như trên Hình 3.30b.

Với bề rộng B=150m bằng 1/2 chiều dài của tấm thì lúc này tấm rất rộng. Do bề

rộng rất rộng nên chịu ảnh hưởng rất lớn của sóng biển điển hình như Hình 3.31a,

biên độ dao động có 3 lần dao động rất mạnh có khi cực đại đạt tới giá trị 0.3538 rất

cao ở lần thứ 2, lần thứ 1 là 0.3513, lần thứ 3 là 0.3323. Có nghĩa khi biên độ dao

động của tấm ở lần 1 đã tăng lên 0.71%, và lần thứ 2 và thứ 3 đã giảm đi 6.47%,

dẫn đến hình dạng chuyển động của tấm Hình 3.31b uốn rất lớn cũng ở vị trí

khoảng 175m thì biên độ đạt giá trị cực đại.

49

(a)

(b)

Hình 3.27. Bề rộng của kết cấu tấm nổi

(a)

(b)

Hình 3.28. Bề rộng của kết cấu tấm nổi

50

(a)

(b)

Hình 3.29. Bề rộng của kết cấu tấm nổi

(a)

(b)

Hình 3.30. Bề rộng của kết cấu tấm nổi

51

(a)

(b)

Hình 3.31. Bề rộng của kết cấu tấm nổi

Từ các kết quả khảo sát về sự thay đổi bề rộng của kết cấu tấm nổi trên, ta có Bảng

3.5. Tổng hợp các giá trị biên độ dao động cực đại của kết cấu tấm với B là bề rộng

có kích thước khác nhau:

Bảng 3.5. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi

B/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

w/Aw 0.07504 0.174 0.2187 0.2988 0.3538

Nhìn vào Hình 3.32, đồ thị ta nhận thấy rằng với cùng một điều kiện ban đầu là

góc sóng tới bằng 0, ta chỉ thay đổi bề rộng của tấm VLFS, thì ứng xử của tấm thay

đổi rất rõ. Điển hình như biên độ dao động có xu hướng tăng dần cụ thể như với

B=30m thì biên độ cực đại 0.07504, B= 60m thì biên độ là 0.174 tăng 131.87% so

với lúc B=30m,và B=60m so với B=90m đã tăng lên 25.69% so với B=60m. và

B=90m so với B=120m tăng lên 36.63%. Khi B=150m so với B=120m tăng lên

52

18.4%. Như vậy với bề rộng của tấm VLFS tăng thì biên độ dao động theo phương

0.4

0.3538

0.35

0.2988

/

0.3

w A w g n ứ đ

0.25

0.2187

0.2

0.174

g n ơ ư h p

w/Aw

o e h

0.15

t ị v

0.1

0.07504

n ể y u h c

0.05

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

Hệ số tỷ lệ B/L

đứng cũng tăng theo, và độ cứng giảm thì tấm sẽ dễ bị uốn hơn.

Hình 3.32. Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi

3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi

bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu

Trong bài toán khảo sát lần này, tấm được sử dụng để phân tích có các kích thước

chiều dài L = 300m, bề dày của tấm =2m, với biên tựa tự do bốn cạnh. Thông số

vật liệu của tấm với module đàn hồi E = 11.9(Gpa), hệ số Poison ν = 0.13, khối

lượng riêng tương đương của tấm ρ = 256.25 (kg/m3), với B/L là thay đổi và hệ số tỷ

lệ thay đổi. Với là hệ số tỷ lệ của bước sóng và chiều dài L của kết cấu. Ta

có với giá trị = 0.2, 0.3, 0.4, 0.5(Bài toán 3), và hệ số tỷ lệ giữa bề rộng và

chiều dài kết cấu là có giá trị 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5(Bài toán 5). Hai thông số

trên ta sẽ thay đổi lần lượt theo thứ tự với cùng điều kiện ban đầu là hướng sóng tới

tác dụng vào tấm có góc .

53

 Trường hợp 1

Với = 0.2, và có giá trị 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Ta có Bảng 3.5 Tổng hợp các

biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi (Bài toán 5)

Bảng 3.5. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi

B/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

w/Aw 0.07504 0.174 0.2187 0.2988 0.3538

Hình 3.33 thể hiện cho biên độ dao động của tấm với bước sóng =60m ứng với hệ

số = 0.2 và bề rộng của kết cấu tấm nổi VLFS thay đổi từ 30m đến 150m, dẫn đến

ứng sử động lực học của kết cấu tấm nổi thay đổi rất rõ ràng có xu hướng tăng dần.

Đặt biệt là tăng rất nhanh khi ở mốc hệ số tỷ lệ từ 0.1 đến 0.2 ứng với bề rộng của

tấm từ 30m đến 60m tăng rất nhanh, và ở mốc 0.2 đến 0.3 tăng lên 25.69% so với

móc hệ số tỷ lệ 0.2. Đặt biệt ở hệ số 0.4 và 0.5 ứng với bề rộng của tấm là 120m đến

150m thì chuyển vị của tấm đạt giá trị rất lớn. Vậy với ứng với bề rộng

0.4

0.3538

0.35

0.2988

/

0.3

w A w g n ứ đ

0.25

0.2187

0.2

0.174

g n ơ ư h p

w/Aw

o e h

0.15

t ị v

0.1

0.07504

n ể y u h c

0.05

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Hệ số tỷ lệ B/L

tăng dần thì biên độ dao động của tấm tăng theo gần như tuyến tính.

Hình 3.33. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1

54

 Trường hợp 2

Với = 0.3, và có giá trị 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Ở trường hợp này với bước

sóng có hệ số tỷ lệ = 0.3 tương ứng với = 90m và bề rộng thay đổi từ 30m đến

150m. Ta sẽ khảo sát lần lượt để tìm các kết quả giá trị biên độ dao động cực đại, ta

có Bảng 3.6 sau đây:

Bảng 3.6. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và

B/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

w/Aw 0.05925 0.2274 0.2864 0.3244 0.3583

Hình 3.34 trên cho kết quả phân tích ta thấy chuyển vị của tấm tăng đột biến khi

vào khoản 0.1 đến 0.2 ứng với bề rộng là 30m đến 60m cho kết quả đã tăng lên

283.8%, và tăng biến đổi giảm dần 25.9%, 13.27% và 10.45% ứng với các bề rộng

0.4

0.3583

0.35

)

0.3244

/

0.3

w A w

0.2864

(

0.25

g n ứ đ

0.2274

0.2

g n ơ ư h p

w/Aw

o e h

0.15

t ị v

0.1

n ể y u h c

0.05925

0.05

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Hệ số tỷ lệ B/L

còn lại.

Hình 3.34. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 2

55

 Trường hơp 3

Với = 0.4, và có giá trị 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Ở trường hợp này với bước

sóng có hệ số tỷ lệ = 0.4 tương ứng với = 120m và bề rộng thay đổi từ 30m đến

150m. Trong thực tế loại sóng này rất hiếm gặp chỉ sãy ra khi vài năm mới có một

lần ta sẽ xét lần lượt với bề rộng thay đổi từ 30m đến 150m sau đây. Ta sẽ khảo sát

lần lượt để tìm các kết quả giá trị biên độ dao động cực đại, ta có Bảng 3.7 sau:

Bảng 3.7. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và

B/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

w/Aw 0.03856 0.2882 0.3583 0.3983 0.4278

Hình 3.35 giá trị biên độ cực đại tại các trường hợp có bề rộng khác nhau, thì

với bước sóng = 120m rất ít khi xuất hiện thì giá trị biên độ của kết cấu tấm nổi

VLFS cũng biến đổi như sau.

Khi bề rộng từ 30m đến 60m ứng với hệ số tỷ lệ B/L là 0.1 và 0.2 thì biên độ lúc

này tăng rất nhanh tăng 647.41%, và từ 60m đến 90m, và 90m đến 120m và 150m

thì vẫn tăng lần lượt là 24.32%,11.16%, và 7.41%. Kết luận bước sóng có hệ số tỷ

lệ = 0.4 tương ứng với = 120m, khi bề rộng tăng thì biên độ sẽ có xu hướng

tăng theo.

0.45

0.4278

0.4

0.3983

)

0.3583

0.35

/

w A w

(

0.3

0.2882

g n ứ đ

0.25

g n ơ ư h p

0.2

w/Aw

o e h

0.15

t ị v

0.1

n ể y u h C

0.05

0.03856

0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Hệ số tỷ lệ B/L

56

Hình 3.35. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 3

 Trường hợp 4

Với = 0.5, và có giá trị 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, và 0.5. Ở trường hợp này với bước

sóng = 150m loại sóng này cực kỳ hiếm nó ít rất khi xuất hiện có thể vài chục

năm hoặc hơn 100 năm mới xuất hiện một lần và bề rộng thay đổi từ 30m đến

150m. Ta sẽ khảo sát lần lượt để tìm các kết quả giá trị biên độ dao động cực đại, ta

có Bảng 3.8 sau:

Bảng 3.8. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với và

B/L 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

w/Aw 0.2845 0.3591 0.4335 0.4859 0.5213

Hình 3.36 thể hiện khi sóng tác dụng vào kết cấu tấm nổi VLFS thì tất cả các

trường hợp về bề rộng của tấm có biên độ dao động cực đại và có giá trị rất lớn và

tăng dần lần lượt là 26.22%, 20.72%, 12.1% và 7.28%, ở các móc B/L từ 0.1 đến

0.2, 0.2 đến 0.3, 0.3 đến 0.4, và 0.4 đến 0.5.

0.6

0.5213

0.4859

0.5

)

0.4335

/

w A w

(

0.4

0.3591

g n ứ đ

0.2845

0.3

g n ơ ư h p

w/Aw

o e h

0.2

t ị v

n ể y u h C

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

Hệ số tỷ lệ B/L

57

Hình 3.36. Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 4

Từ kết quả phân tích khảo sát 4 trường hợp trên ta có Bảng 3.9 là tổng hợp tất cả

các bước sóng và bề rộng thay đổi thì các giá trị biên độ cực đại được thể hiện như

bảng sau đây:

Bảng 3.9. Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp

0.3 0.4 0.5

0.1 0.075

0.2 B/L 0.174 0.2187 0.2988 0.3538 A, =0.2 B, =0.3 0.0593 0.2274 0.2864 0.3244 0.3583 C, =0.4 0.0386 0.2882 0.3583 0.3983 0.4278 D, =0.5 0.2845 0.3591 0.4335 0.4859 0.5213

Kết quả phân tích ở đồ thị tổng hợp Hình 3.37 các loại bước sóng này ta thấy rằng

chuyển vị của tấm ở cả bốn trường hợp đều có xu hướng tăng dần khi bề rộng tăng

lên. Nhưng đều đáng nói ở đây là khi sóng có bước sóng có hệ số = 0.2 và 0.3 thì

thì các loại sóng này thường rất hay gặp, và tác động vào tấm có kích thước chiều

dài không đổi L=300m, nhưng bề rộng thay đổi thì ứng xử động lực học của tấm

58

cũng thay đổi điển hình là biên độ dao động của tấm cũng tăng. Nhưng khi với =

0.4 và 0.5 thì lúc này các loại sóng này rất hiếm ít khi gặp. Nhưng khi ta phân tích

thì biên độ dao động của chúng cũng tăng rất cao và biến dạng mất ổn định rất cao,

có thể rất nguy hiểm đến ứng xử kết cấu của tấm nổi khi gặp bởi loại sóng có bước

0.6

0.5

)

w A / w

0.4

A

0.3

B

C

0.2

D

( g n ứ đ g n ơ ư h p o e h t ị v n ể y u h c

0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0

Hệ số tỷ lệ B/L

sóng này.

Hình 3.37. Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp

59

CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn đã sử dụng phương pháp phần tử biên BEM, và phương pháp phần tử hữu

hạn FEM. Để tiến hành phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS

đặc trên môi trường nước biển, chịu ảnh hưởng của sóng biển tác dụng vào

Luận văn đã phân tích các ảnh hưởng hướng sóng làm ảnh hưởng đến ứng xử

của kết cấu nổi VLFS. Ảnh hưởng của các thông số quan trọng như độ cứng, bề

rộng tấm, bề dày tấm, chiều sâu của biển và bước sóng của biển. Các kết quả trình

bày có kiểm chứng và so sánh với các tài liệu tham khảo khác.

Qua các kết quả phân tích và khảo sát và đã được trình bài trong chương 3, tác

giả đã rút ra một số kết luận quan trọng và kiến nghị hướng phát triển của đề tài

trong tương lai.

4.1 Kết luận

1. Mô hình đề ra đã phản ánh chính xác của kết cấu tấm Mindlin trong môi

trường biển. Mô hình này đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác và xu hướng hợp

lý trong việc xác định ứng xử động lực học của tấm Mindlin dưới tác dụng

của sóng biển.

2. Thông qua việc sử dụng phương pháp phần tử biên để giải cho chuyển động

của chất lỏng và phương pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm nổi VLFS là

hoàn toàn tin cậy.

3. Ảnh hưởng của các thông số đến ứng xử động lực học của tấm VLFS chịu

ảnh hưởng của sóng biển như: chiều dày, bề rộng, chiều cao, độ sâu của biển,

bước sóng và hướng sóng khác nhau như sau:

 Khi sóng tác dụng vào kết cấu nổi, thì với những hướng sóng khác nhau

thì sẽ ảnh hưởng đến kết cấu tấm khác nhau. Nhưng đặc biệt nhất và

nguy hiểm nhất khi hướng sóng tác dụng vào dưới 1 góc .

60

 Đối với tấm có cùng điều kiện như Bảng 3.1 thì độ sâu của biển không

ảnh hưởng nhiều đối với kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng của sóng

tới.

 Ảnh hưởng của bước sóng với chiều dài của kết cấu, khi sóng biển có

bước sóng nhỏ thì biên độ dao động của tấm nhỏ, ngược lại khi bước

sóng tăng thì biên độ tăng. Dẫn đến bước sóng ảnh hưởng rất lớn với

ứng xử động lực học của tấm.

4.2 Kiến nghị

Mặc dù Luận văn đã đạt được một số kết quả nhất định như đã được trình bài ở trên,

nhưng vẫn còn nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu ra cần được nghiên cứu thêm

trong tương lai những vấn đề đó như sau:

 Mô hình mà ta đã xây dựng trên là từ tấm đồng chất chuyển sang tấm nhiều

lớp, nhiều vật liệu khác nhau hay một tổ hợp của nhiều lớp lại với nhau.

 Có thể liên kết nhiều tấm trên bằng hệ thống kết cấu đặc biệt lại với nhau.

 Ngoài ra, mở rộng thêm có thể cho nhiều trường hợp tải lên tấm như tải trọng

tập trung di động, tải xung, tải xung biến đổi điều hòa, cụ thể như máy bay

cất cánh và hạ cánh,xe chạy, hàng hóa, bệ phóng một hay nhiều tên lửa...

Cũng là những hướng nghiên cứu cần được khai thác và sử dụng ứng dụng

đã đạt được.

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J. NEWMAN, “Distributions of sources and normal dipoles over a

quadrilateral panel,” 1985.

[2] Maeda, H., Masuda, K., Miyajima, s. and Ikoma, “Hydroelastic responses of

pontoon-type very large floating offshore structures,” J Soc Naval Arch

Japan, 203- 212, 1995.

[3] Kashiwagi, M. (1998), “A B-spline Galerkin scheme for calculating the

hydroelastic response of a very large floating structure waves,” J Mar Sci

Tech, 37-49.1998.

[4] Lin, X, Takaki, M, “On B-spline element methods for predicting hydroelastic

responses of a very large floating structure in waves,” In: Kashiwagi, M.,

Koterayama, w. and Ohkusu, M. editors, Proc 2nd Hydroelasticity Marine,

219-228.1998.

[5] Utsunomiya, T. Watanabe, E. and Eatock Taylor, R. “Wave response

analysis of a box-like VLFS close to a break water,” 17th Int Conf Offshore

Mech Artie Engrg, OMAE98, 1-8, 1998.

[6] H. Endo and K. Yago, “Time history response of a large floating structure

subjected to dynamic load,” J Soc Nav Arch. Jpn, vol. 186, pp. 369–376,

1999.

[7] Eatock, T.R. and Okushu M, “Green functions for hydroelastic analysis of

vibrating free-free beams and plates,” Applied Ocean Research, 295-314.

2000.

[8] Wang, C.M., Xiang, Y., Utsunomiya, T. and Watanabe, E, “Evaluation of

modal stress resultants in freely vibrating plates,” International Journal of

Solids and Structures, 6525-6558, 2001.

[9] E. Watanabe, T. Utsunomiya, and C. M. Wang, “Hydroelastic analysis of

pontoon-type VLFS: a literature survey,” Eng. Struct., vol. 26, no. 2, pp.

245–256, 2004.

62

[10] J. Z. Jin and J. T. Xing, “Transient dynamic analysis of a floating beam–

water interaction system excited by the impact of a landing beam,” J. Sound

Vib., vol. 303, no. 1, pp. 371–390, 2007.

[11] Q. Liuchao and L. Hua, “Three-dimensional time-domain analysis of very

large floating structures subjected to unsteady external loading,” J. offshore

Mech. Arct. Eng., vol. 129, no. 1, pp. 21–28, 2007.

[12] A. K. Gupta, A. Khanna, and D. V Gupta, “Free vibration of clamped visco-

elastic rectangular plate having bi-direction exponentially thickness

variations,” J. Theor. Appl. Mech., vol. 47, no. 2, pp. 457–471, 2009.

[13] L. Qiu, “Modeling and simulation of transient responses of a flexible beam

floating in finite depth water under moving loads,” Appl. Math. Model., vol.

33, no. 3, pp. 1620–1632, 2009.

[14] C. M. Wang and Z.Y.Tay, “Hydroelastic analysis and response of pontoon-

type very large floating structure,” In Fluid Structure Interaction II, Springer

Berlin Heidelberg, 2010.

[15] C. M. Wang and Z. Y. Tay, “Hydroelastic analysis and response of pontoon-

type very large floating structures,” in Fluid structure interaction II,

Springer, 2011, pp. 103–130.

[16] G. Ruiping, “Thesis: Hydroelasticity of VLFS,” National University Of

Singapore, 2012.

[17] . P. H. Giang, “Phần tử biên,” Hà Nội Khoa Học Và Kỹ Thuật, 2002

[18] V. H. Nhi, “Phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di

động sử dụng phần tử 2-D chuyển động”, Đại học Bách Khoa TPHCM,

2014.

[19] N. X. Vũ, “Phân tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng

đồng thời sóng biển và tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử

chuyển động,” p. Diễn đàn khoa học công nghệ.

63

PHỤ LỤC

1 Phần tử tham chiếu 9 nút

Hệ toạ độ địa phương phần tử tham chiếu 9 nút Q9 , là rời rạc hóa miền bài toán

thành phần tử tứ giác chín nút Q9 sao cho

Hình 1. Phần tử tứ giác trong hệ tọa độ địa phương

ta có các cạnh 1-2 có , cạnh 3-4 có , cạnh 1-4 có , cạnh 2-3

có

Hình 2. Phần tử tứ giác trong hệ tọa độ tự nhiên

64

Dạng hình học của phần tử được cho bởi tổ hợp tuyến tính:

(1)

với là tọa độ của nút thứ i ( i=1-9) trong hệ tọa độ tổng thể , ba đại

lượng chuyển vị độc lập của phần tử được nội suy theo các chuyển vị nút tương ứng

như sau:

(2)

trong đó là giá trị của các hàm tại nút I hay cũng là các bậc tự

do tại nút i.

Các hàm dạng để nội suy của phần tử được xác định bởi:

(3)

Véc tơ chuyển vị nút phần tử gồm 27 thành phần được xác định như sau:

(4)

Ma trận Jacobi của phép biến đổi tọa độ được định nghĩa như sau:

(5)

65

Quan hệ giữa các đạo hàm của các hàm dạng trong tọa độ tự nhiên và trong

tọa độ tổng thể Oxy được cho bởi:

(6)

(7)

trong đó:

(8)

(9)

Định thức của ma trận Jacobi được dùng trong công thức tích phân chuyển đổi như

sau:

(10)

2 Phương pháp tích phân biên

 Bài toán 2-D

Phương trình Laplace.

(11)

Dạng tích phân lý thuyết Green chuyển đổi tích phân miền sang tích phân biên.

(12)

66

Hình 3. Miền khảo sát a) mặt biên tròn , b) mặt biên nữa đường tròn

[3]

(13)

(14)

vì thỏa phương trình Laplace.

(15)

vì là đường tròn.

(16)

Lấy giới hạn r đến 0;

67

vì là đường tròn.

(17)

Đoạn trên biên trùng với biên S và tiến về 0 khi bán kính tiến về 0, xét phần đường

tròn:

(18)

Lấy giới hạn r đến 0;

 Bài toán 3-D

Phương trình Laplace

(19)

Phương trình tích phân đường biên

(20)

68

Hình 4. Miền khảo sát a) mặt biên tròn , b) mặt biên nữa đường tròn

[3]

(21)

(22)

vì thỏa phương trình Laplace

(23)

vì là mặt cầu

69

(24)

Lấy giới hạn r đến 0;

vì là bán cầu

(25)

Đoạn trên biên trùng với biên S, xét phần bán cầu

(26)

Lấy giới hạn r đến 0;

(27)

70

3 Phần tử hằng

 Phần tử Line

Xét bài toán 2 phương với miền lan tỏa có biên trơn tru và lấy xấp xỉ hàm thế u(x)

đơn giản nhất là hằng trong từng phần tử biên [4]. Chọn nút j là điểm giữa của “

phần tử hằng” (constant element) trong phần tử đó, và là hằng. Ta có các

giá trị tích phân biên như sau:

(28)

(29)

(30)

Xét phần tử hằng chứa điểm góc j với và lần lượt là giá trị của hàm thế

u(x) và q(x) theo pháp tuyến n. Vì trục tọa độ ở phần tử hằng vuông góc với

pháp tuyến n nên khi chứa điểm kỳ dị i , phần tử này có như sau:

(31)

(32)

Đối với phần tử không chứa điểm kỳ dị, ta dùng phương pháp tích phân số

Guass để tính toán các giá trị tích phân.

 Phần tử 2 – D ( tấm 4 node)

Tương tự phần tử Line:

Xét phần tử hằng chứa điểm góc j với và lần lượt là giá trị của hàm thế

u(x) và q(x) theo pháp tuyến n. Vì trục tọa độ ở phần tử hằng vuông góc với

pháp tuyến n nên khi chứa điểm kỳ dị i , phần tử này có như sau:

71

Hình 5. Tấm 4 nút

(33)

(34)

Với x, y là tọa độ điểm góc, Rn là khoản cách từ điểm gốc đến đỉnh thứ n, Sn là độ

dài cạnh tạo bởi đỉnh n và n+1 lần theo thứ tự như trên hình 5.5. Đối với phần tử

không chứa điểm kỳ dị, ta dùng phương pháp tích phân số Guass để tính toán các

giá trị tích phân.

72

4 Giải phương trình số sóng ( dispersion equation)

Thuật toán giải phương trình dựa trên thuật toán của Mclver, bên

dưới là tóm tắt của thuật toán dưới dạng code Maple.

%% Hydroelastic analysis of continuous rectangular (Q9 Mindlin plate) % (The constant panel method using free surface Green's function) % Rectangular VLFS, mesh generated by SAP2000 or MATLAB's function % ^ y % ----------------------- --- % | | | % Wave | | | % ---> | |--> x B % | | | % | | | % ----------------------- --- % Isoparametric element % ************************************************************************* % Ph.D research % Hydroelastic analysis of continuous rectangular VLFS plate % by Xuan Vu Nguyen % Department of Civil Engineering % Ho Chi Minh City University of Technology % Vietnam National University Ho Chi Minh City, Vietnam % 08 October 2016 % REFERENCES % Gao Ruiping, Civil Engineering Department, National University of Singapore

5 Đoạn mã lập trình Matlab chính

% Dr. Pham Hong Giang % ************************************************************************* echo off %% ---------------------------------------------------------------------- ---- % Read file input clc display('Input'); %INPUTC : Input data global K h lamda Ls D bs global omega k0 m %------------------------ Data of structure------------------------------ -- % Material E=11.9e6; % KPa nuy=0.13; m=0.25625; % ratio of mass density of water % Dimension and geometric properties Ls=300; % m hs=2; % m 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 bs=60; % m B/Ls: 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 ds=0.5; %m D=E*hs^3/(12*(1-nuy^2)); % Tm3/s2 % nmode=50; % ------------------------- Data of water wave--------------------------- -- T=6.15; % 6.15 7.75 8.7 9.667 10.6347 11.25 12.35 14 omega=2*pi/T; g=10; % m/s^2 K=omega^2/g; h=58.5; % 20 58.5 100 200 500 1000 syms x xi=abs(double(vpasolve(x*tanh(x*h)==K,x))); k0=xi; % Note: Warning lamda=2*pi/k0; % 0.2 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0 lam=lamda/Ls; r=1; % T/m2 % Incident wave Aw=1; % 5 10 20 mm Phi0=1i*g*Aw/omega; theta=0*pi/180; % degree 0 15 30 45 60 68 75 90 %% ------------------------- Mesh---------------------------------------- --- nx=50;ny=10; [vectorX,vectorY,vectorZ,Xpanel,Ypanel,Zpanel,kconecpanel,X,Y,Z,XM,YM,ZM, N]=Meshpanel(nx,ny,Ls,bs); hold off hold on for i=1:size(kconecpanel,1) plot(vectorX(kconecpanel(i,:)),vectorY(kconecpanel(i,:))); end hold off [vcor,kconec]=updatemeshplate9(kconecpanel,X,Y); Centerline=[0:Ls/nx:Ls]; ix=[]; for i=1:size(Centerline,2)

73

ix=[ix find(Xpanel==Centerline(i))]; end Node_Centerline= find(Ypanel(ix)==bs/2); %% Read boundary conditions in FIU/Q(i) Vector and KODEU/Q vector KODEU=zeros(N,1); KODEQ=zeros(N,1); FIU=zeros(N,1); FIQ=zeros(N,1); [KODE,FI]=Dirchilet(KODEU,KODEQ,FIU,FIQ); %% Matrix of Structure VLFS display('Matrix of Structure VLFS'); Datathickplate [Ks,Kw,Ms,ndlt]=Thickplate(nomtype,vcor,kconec,ktypel,vprelg,kprop); [PHI,EIGV] = eigs(Ms,Ks,nmode); EIGV=(inv(EIGV)); for i=1:size(PHI,2) PHI(:,i)=sqrt(1/((PHI(:,i)'*Ms)*PHI(:,i)))*PHI(:,i); end PHIw=PHI(1:3:end,:); Ms=PHI.'*Ms*PHI; Ksw=PHI.'*(Ks)*PHI+PHI.'*Kw*PHI; %% Matrix L display('Matrix L,Incident wave'); [L1,L2]=MatrixL(vcor(:,1),vcor(:,2),kconec,N); %% Compute H and G matrices and form system (AV=F) display('Compute H and G matrices'); [~,G1,G2]= GHMATPC(X,Y,Z,kconecpanel); G=-1/(2*pi)*G1+G2; %% Incident wave Phiic=Phi0*exp(-1i*k0*(cos(theta)*XM+sin(theta)*YM)); %% Solve system of equations display('Solve system and print result'); Poi=(K*G-1/2*eye(N)-r*omega^2*(G*(L1'*PHIw)*((Ksw- omega^2*Ms)\(PHIw'*L2))))\(0.5*Phiic); Wn=-1i*r*omega*((Ksw-omega^2*Ms)\(PHIw'*L2*Poi)); W_wave=PHIw*Wn; Dispnode_wave=PHI*Wn; display('finish') %% Stress Resultants %[Mxx,Myy,Mxy,Qx,Qy]=Stressthickplate(nomtype,vcor,kconec,ktypel,vprelg,k prop,Dispnode); %% Plot Centerline ( do thi bien do A ) t_monitor=5; scale=1; figure hold on plot(Centerline/Ls- 0.5,abs(scale*W_wave(Node_Centerline)*exp(1i*omega*t_monitor))) %% hinh ket cau 3d voi abs gia tri thuc bien do con real la dang chuyen dong tam t_monitor=10; scale=1; plotsurface4node([vcor real(W_wave*exp(1i*omega*t_monitor))],kconec,4) daspect([1,1,0.01]);

74

75

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Họ và tên: TRẦN MINH PHƯƠNG

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây Ninh

Địa chỉ liên lạc: 48 Tô Ngọc Vân, Phường Linh Tây, Quận Thủ Đức, Tp.HCM

ĐTDĐ: 0947 678 819

Email: phuongtran.ksxd@gmail.com

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

2008 – 2013: Kỹ sư Xây dựng, Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM.

2015 – 2017: Học viên cao học chuyên ngành Xây dựng công trình dân dụng và

công nghiệp, Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH