Phân tích sức bền giới hạn của kết cấu đáy đơn tàu dầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến

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

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của nghiên cứu này là phân tích, tính toán sức bền của kết cấu mô hình để đánh giá sức bền giới hạn của kết cấu tàu dầu đáy đơn dưới tác dụng của mômen uốn. Kết quả tính toán, phân tích được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm nghiệm độ tin cậy của kết quả tính toán. Kết quả tính toán, phân tích mô hình có thể làm cơ sở cho việc phân tích, tính toán sức bền giới hạn của kết cấu tàu thực trong tính toán, thiết kế kết cấu tàu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Phân tích sức bền giới hạn của kết cấu đáy đơn tàu dầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phân tích sức bền giới hạn của kết cấu đáy đơn tàu dầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến Singer bottom ultimate strength of tank ship using nonlinear finite element method Vũ Văn Tản, Mạc Thị Nguyên Email: vutannnn@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài: 10/9/2019 Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 24/11/2019 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2019 Tóm tắt Trong nghiên cứu này, tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến (NFEM) để phân tích, tính toán sức bền giới hạn của mô hình kết cấu tàu dầu đáy đơn dưới tác dụng của mômen uốn. Phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus được ứng dụng để xây dựng mô hình và phân tích trạng thái sức bền giới hạn của kết cấu. Mục đích của nghiên cứu này là phân tích, tính toán sức bền của kết cấu mô hình để đánh giá sức bền giới hạn của kết cấu tàu dầu đáy đơn dưới tác dụng của mômen uốn. Kết quả tính toán, phân tích được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm nghiệm độ tin cậy của kết quả tính toán. Kết quả tính toán, phân tích mô hình có thể làm cơ sở cho việc phân tích, tính toán sức bền giới hạn của kết cấu tàu thực trong tính toán, thiết kế kết cấu tàu. Từ khóa: NFEM; sức bền giới hạn; kết cấu đáy đơn; mômên uốn; thực nghiệm. Abstract In this study, a refined method for ultimate strength analysis of single bottom structure model of an oil tanker under sagging bending moment based on non-linear finite element method is proposed. Commercial finite element analysis codes Abaqus are used to established the model and analyze the ultimate strength assessment of model. The primary aim of this study is to investigate the ultimate strength of single bottom structure model for tank ship under sagging bending moment. Finally, the accuracy and applicability of the method in present study are presented and discussed by comparing with the results from experimental results. The method is considered to be useful for ultimate limit state assessment of singer bottom hull for tank ship, which will promote the introduction of ultimate strength criterion to the design rules for seagoing ship in a sense Keywords: NFEM; ultimate strength; single bottom structure; bending moment; experiments. 1. GIỚI THIỆU phân tích làm cơ sở để tính toán, thiết kế kết cấu tàu thực. Tàu thủy là một công trình nổi đặc biệt. Kết cấu thân tàu là hệ thống kết cấu rất phức tạp gồm hệ Năm 1983, tác giả Seiichiro Nishihara cùng nhóm thống tấm liên kết với thanh gia cường. Khi tính nghiên cứu [1] đã xây dựng mô hình kết cấu hệ toán, phân tích kết cấu thân tàu bằng phương thống dầm hộp gồm bốn mô hình tính tương ứng pháp phần tử hữu hạn có tính đến tính phi tuyến với hệ thống kết cấu: mô hình tàu dầu đáy đơn, hình học, vật liệu phi tuyến thì khối lượng tính tàu dầu đáy đôi, tàu chở hàng rời, tàu container. toán sẽ rất lớn và rất phức tạp. Để nâng cao hiệu Nhóm tác giả tiến hành phân tích thực nghiệm và quả nghiên cứu, đơn giản hóa kết cấu để giảm xác định được sức bền giới hạn của kết cấu của bớt khối lượng và thời gian phân tích, tính toán các mô hình trên. việc xây dựng một mô hình tính hợp lý, kết quả Năm 2019, Sing Hua và nhóm tác giả [2] nghiên cứu, tính toán sức bền giới hạn của kết cấu tấm, Người phản biện: 1. PGS.TS. Lê Tuấn Anh tấm có thanh gia cường - hệ thống tạo nên kết cấu 2. PGS.TS. Lê Văn Học thân tàu. Nhóm tác giả đã phân tích, tính toán độ 44 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC bền của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng dọc, dài đảm bảo có độ bền cao hơn phần kết cấu phân tải trọng ngang và áp lực nước. tích, chiều dày tôn vỏ phần nối dài là 4 mm, chiều dày các thanh gia cường là 3 mm [4]. Năm 2007, Hagbart S. Alsos cùng nhóm tác giả [3] dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích Trong phân tích phần tử hữu hạn, loại phần tử tấm trạng thái ứng suất tới hạn của kết cấu đáy tàu dầu S4R trong phần mềm FEA được sử dụng đối với trong trường hợp tàu mắc cạn. phần tử tấm và phần tử thanh gia cường của mô hình, chia lưới mô hình tính được thể hiện trên Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dùng phương (hình 2). pháp phần tử hữu hạn phi tuyến NFEM (Non- linear Finite Element Method) để phân tích mô hình tương ứng với kết cấu tàu dầu đáy đơn. Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Abaqus được dùng để phân tích sức bền giới hạn của kết cấu dưới tác tác dụng của tải trọng, từ đó làm cơ sở phân tích sức bền giới hạn của kết cấu tàu. 2. TÍNH TOÁN SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT CẤU ĐÁY ĐƠN TÀU DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠ PHI TUYẾN Hình 2. Phân tích, chia lưới mô hình 2.1. Mô hình tính 2.2. Tải trọng tác dụng và điều kiện biên Các kích thước cơ bản của mô hình tính được thể Để đặt tải trọng và điều kiện biên cho mô hình, ban hiện trên hình 1. đầu các chủ động điểm được thiết lập, chuyển vị dài và chuyển vị góc của các chủ động điểm được liên hệ mật thiết với chuyển vị của các nút trên hai mặt bên của mô hình tính (hình 3). Khi phân tích mô hình chịu uốn thuần túy, điều kiện biên được thiết lập như sau: Chủ động điểm bên trái hạn chế các chuyển động tịnh tiến theo chiều X, Y và Z và chuyển quay quanh trục Y và Z. Chủ động điểm bên phải hạn chế chuyển động tịnh tiến theo trục X và Y và chuyển vị quay quanh trục Y và Z [5]. Hình 1. Mô hình tính Kích thước cơ bản và đặc tính của vật liệu được thể hiện trên bảng 1. Bảng 1. Kích thước và đặc tính của vật liệu Chiều dày σy E Tấm (mm) (MPa) (GPa) Tấm boong tp= 2,5 246 210 Hình 3. Thiết lập các chủ động điểm Tấm đáy tp= 2,5 246 210 và điều kiện biên Tấm mạn tp= 2,5 246 210 Thanh gia cường 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 30×20×2,5 246 210 boong và đáy Thanh gia Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả phân tích 50×3 246 210 trạng thái chịu uốn của mô hình tàu dầu đáy đơn cường mạn Mô hình phân tích, tính toán có chiều dài L = 500 trong hai trường hợp: mm. Để đảm bảo tải trọng, điều kiện biên không - Trường hợp 1: Mô hình phân tích là mô hình lý ảnh hưởng trực tiếp lên phần kết cấu tính toán, tưởng, không có biến dạng dư và độ lệch ban đầu. mô hình tính được nối dài 2 nhịp về hai phía đoạn - Trường hợp 2: Mô hình có tính đến các điều kiện phân tích (hình 2). Ngoài ra, kết cấu của phần nối về độ lệch ban đầu của kết cấu. Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 45
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Kết quả phân tích chuyển vị, ứng suất và biến Từ kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử dạng của kết cấu được mô phỏng trên hình 4. hữu hạn phi tuyến, nhóm tác giả đã so sánh kết Thông qua kết quả phân tích có thể xác định được quả phân tích với kết quả thực nghiệm mô hình trạng thái biến dạng của kết cấu, trường ứng suất của tác giả Nishihara [1] (hình 6). Kết quả cho phân bố trên kết cấu khi kết cấu chịu tải trọng là thấy, phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến tính mô men uốn. sức bền giới hạn của mô hình kết cấu tàu đáy đơn cho kết quả phân tích rất đáng tin cậy. M (Ton x M) Experiment Calculation 30 20 Hình 4. Biến dạng và trường ứng suất của kết cấu khi chịu uốn 10 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa mômen uốn ngoại lực và góc xoay được biểu diễn trên hình 5. Kết quả phân tích, tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến thu được kết quả về 0 10 20 30 mối liên hệ giữa mômen uốn ngoại lực và góc d (mm) xoay được thể hiện trên hình 5. Hình 6. Kết quả thực nghiệm mô hình của tác giả 3.0 Lý tưởng Nishihara M (×108 N∙mm) Có điều kiện ban đầu Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử 2.5 hữu hạn phi tuyến đối với mô hình lý tưởng và mô hình có xét đến điều kiện ban đầu và kết quả thực 2.0 nghiệm được thể hiện trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả phân tích mômen uốn giới hạn 1.5 Kết quả tính Kết quả toán bằng So sánh thực phương với giá 1.0 Mô hình nghiệm pháp phần trị thực (×105 N∙m) tử hữu hạn nghiệm 0.5 (×105 N∙m) Lý tưởng 2.608 10,46% 0.0 Có điều kiện 2.360 2.453 3,93% 0 2 4 6 8 10 ban đầu q (×10-3 rad) Từ kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử Hình 5. Đồ thị mối liên hệ giữa mômen uốn và hữu hạn phi tuyến (hình 5) và kết quả thực nghiệm góc xoay (hình 6) và bảng so sánh kết quả giữa mô hình lý tưởng, mô hình có xét đến điều kiện ban đầu Qua kết quả phân tích ta thấy, trước khi đạt trạng và kết quả thực nghiệm có thể thấy rằng phương thái giới hạn, đường cong thể hiện mối liên hệ pháp phần tử hữu hạn phi tuyến phân tích, tính giữa mômen uốn và góc xoay tương đối giống toán kết cấu trong nghiên cứu này cho kết quả tính nhau. Mô hình kết cấu lý tưởng đạt trạng thái giới toán rất đáng tin cậy. Đặc biệt trong trường hợp hạn lớn hơn lớn hơn so với mô hình xét đến điều xét đến điều kiện ban đầu thì kết quả phân tích lý kiện biến dạng ban đầu, điều này rất phù hợp với thuyết và kết quả thực nghiệm mô hình gần giống thực tế. nhau, chỉ sai lệch 3,93 %. Sự sai lệch giữa kết quả 46 Tạp chí Nghiên cứu khoa học,Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm có thế hạn phi tuyến và phương pháp thực nghiệm có sự do các nguyên nhân: sai lệch là do điều kiện ban đầu về độ lệch được sử dụng công thức thực nghiệm, quá trình phân tích - Trong phân tích lý thuyết không tính đến ứng chưa xét đến biến dạng dư khi hàn kết cấu và vật suất hàn dư. liệu trong thực tế không hoàn toàn lý tưởng. - Dùng công thức thực nghiệm để xét về độ lệch ban đầu có sự sai lệch so với thực tế. - Phương pháp tính toán, phân tích có thể làm cơ sở để phân tích, tính toán sức bền giới hạn của kết Tuy nhiên, với kết quả phân tích trên có thể thấy cấu tàu thực trong tính toán thiết kế kết cấu tàu. rằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến trong nghiên cứu này cho kết quả đáng tin cậy. Từ mô hình phân tích có thể làm cơ sở để tính toán, mô phỏng kết cấu tàu dầu đáy đơn trong thực tế. TÀI LIỆU THAM KHẢO 4. KẾT LUẬN [1] Nishihara S, (1983), Ultimate longitudinal strength of Mid-Ship cross section, The Society - Phân tích sức bền giới hạn của kết cấu đáy đơn of naval architects of Japan, 154, pp. 200-214. tàu dầu bằng phương pháp phần từ hữu hạn phi [2] Xing Hua Shi, Jing Zhang, C. Guedes Soares tuyến trong nghiên cứu này đã phân tích được ứng (2019), Numerical assessment of experiments suất, biến dạng, mối liên hệ giữa chuyển vị, ứng on the residual ultimate strength of stiffened suất và tải trọng tác dụng là mômen uốn. Kết quả plates with a crack, Ocean Engineering, Vol 171, pp 443-457. phân tích sức bền giới hạn của kết cấu rất đáng tin cậy khi so sánh kết quả phân tích với kết quả thực [3] Hagbart S. Alsos (2007), On the resistance of tanker bottom structures during stranding, nghiệm. Khi xét đến điều kiện ban đầu, kết quả Marine Structures 20, pp. 218-237. phân tích lý thuyết và kết quả thực nghiệm rất gần [4] Vu Van Tan, Wu Wei Guo, (2014), Non-linear finite nhau, độ sai khác là rất nhỏ, chỉ sai khác 3,93%. element method ultimate strength analysis of - Kết quả phân tích bằng phương pháp phần tử hữu open box gider, International Journal Advanced Materials Research, Vol 919, pp. 177-182. THÔNG TIN TÁC GIẢ Vũ Văn Tản - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2005: Tốt nghiệp Trường Đại học Thủy sản Nha Trang, chuyên ngành Cơ khí tàu thuyền + Năm 2010: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Kỹ thuật cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội + Năm 2015: Tốt nghiệp chương trình đào tạo Tiến sĩ, chuyên ngành Tàu thủy và công trình hải dương, Trường Đại học Công nghệ Vũ Hán - Tóm tắt công việc hiện tại: Trưởng Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: tính toán, thiết kế kết cấu; phân tích sức bền giới hạn kết cấu - Điện thoại: 0911422658 - Email: vutannnn@gmail.com Mạc Thị Nguyên - Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2007: Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật quân sự ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí + Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tính toán thiết kế máy và robot - Điện thoại: 0389481166 - Email: nguyenmacthi@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu khoa học, Trường Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 4 (67).2019 47