Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép

Đối với bài toán tính sức bền tàu thì việc áp dụng phần mềm trong khi tính toán đã trở nên rất phổ biến. Do đó để có thể có cái nhìn đầy đủ hơn về việc áp dụng phần mềm trong việc tính toán kết cấu tàu hiện nay em đã chọn phần mềm 3D Beam để kiểm tra độ bền kết cấu cho tàu chở hàng khô 2000 tấn. Qua đề tài: “Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép”

LỜI NÓI ĐẦUTrên thế giới, hầu hết các nước có ngành công nghiệp tàu thủy phát triển đều

sử dụng các phần mềm ứng dụng vào các công việc liên quan như thiết kế cơ bản,thiết kế kết cấu và tính toán kiểm tra độ bền cho kết cấu…

Ở nước ta hiện nay, hầu hết các loại tàu đóng mới đều là tàu cỡ nhỏ và đóngtheo các phương pháp kinh nghiệm và tàu mẫu là chủ yếu Để đóng mới các con tàu

có trọng tải lớn thì đều phải mua bản vẽ thiết kế từ nước ngoài, việc ứng dụng cácphần mềm trong lĩnh vực thiết kế tàu đang trong giai đoạn đầu và chưa được phổbiến rộng rãi

Do đó, trong công trình tốt nghiệp của mình em đã thực hiện đề tài “Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép” Đề tài thực hiện theo năm chương với nội dung sau:

Chương 1: Đặt vấn đề.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Chương 3: Mô hình hóa kết cấu.

Chương 4: Phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép.

Chương 5: Kết luận và đề xuất.

Qua đề tài sẽ giúp chúng ta tiếp cận thêm được một phần mềm ứng dụngđược sử dụng trong việc phân tích, kiểm tra độ bền cho kết cấu thân tàu

Trong quá trình thực hiện đề tài em đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian

và sự hiểu biết còn hạn chế do đó khó tránh khỏi nhiều thiếu sót Vì vậy em rấtmong nhận được sự đóng góp ý kiến từ các thầy và các bạn để cho đề tài được hoànthiện hơn

Qua đây, em xin trân thành cảm ơn sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầyHuỳnh Lê Hồng Thái, các thầy cô trong khoa và các bạn đã giúp đỡ em hoàn thànhcông trình tốt nghiệp này

Nha Trang, ngày 25 tháng 11 năm 2007

Sinh viên thực hiện:

Vũ Văn Ngưu

CHƯƠNG 1.

ĐẶT VẤN ĐỀ.

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.

1.1.1 Giới thiệu chung về ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam.

Trong những năm gần đây ngành công nghiệp tàu thủy Việt Nam đã cónhững bước phát triển mạnh mẽ trên tất cả các lĩnh vực như: đóng mới, sửa chữa,vận tải thương mại và dịch vụ…Được sự đầu tư phát triển của Nhà nước, nhiều nhàmáy đóng tàu trọng tải lớn đã được mở rộng quy mô sản xuất cũng như xây dựngmới như: nhà máy đóng tàu Hạ Long, Dung Quất, Cam Ranh…

Dựa trên những thế mạnh về vị trí địa lý như có đường bờ biển dài, nhiềucảng nước sâu, là cửa ngõ giao thông đường biển của thế giới Do đó chúng ta đãđặt ra mục tiêu là đưa Việt Nam trở thành một trong những quốc gia có ngành côngnghiệp Đóng tàu phát triển hàng đầu trên thế giới Nhưng bên cạnh đó hầu như tất

cả các con tàu lớn được đóng tại Việt Nam đều phải mua thiết kế từ nước ngoài vàchịu sự giám sát của Đăng kiểm nước ngoài Vì vậy, vấn đề đặt ra cho chúng ta làlàm sao có thể thiết kế ra những con tàu có trọng tải lớn vừa đảm bảo được độ bền,

độ tin cậy khi hoạt động trên biển lại có giá thành vừa phải sẽ là một nhiệm vụ hếtsức quan trong đối với ngành Công nghiệp tàu thủy Việt Nam hiện nay Trong bàitoán đó thì vấn đề tính độ bền cho kết cấu thân tàu là một bài toán phức tạp nhấttrong quá trình thiết kế tàu, việc giải quyết tốt bài toán này sẽ góp phần thúc đẩynăng lực thiết kế của chúng ta lên một tầm cao mới Nó sẽ giúp chúng ta thiết kế rađược một con tàu tối ưu về việc đáp ứng đủ độ bền kết cấu, chi phí vật liệu thấpnhất và giá thành hợp lý nhất

1.1.2 Giới thiệu về đề tài.

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có hình dạng và kết cấu phức tạp,hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố khác nhaunhư: tải trọng trên tàu, sự va đập của sóng, gió….Do đó việc giải quyết bài toán cơhọc kết cấu thân tàu nhằm đảm bảo về mặt sức bền thân tàu có vai trò rất quan trọngtrong quá trình hoạt động thực tế của con tàu

Trước kia việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu thân tàu thường sử dụngcác phương pháp truyền thống như: phương pháp lực, phương pháp chuyển vị Cáccách giải quyết bài toán như trên đòi hỏi khá nhiều thời gian cho việc phân tích vàtính toán của người giải Ngày nay, việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu thân tàuchủ yếu bằng phương pháp hiện đại, đó là việc ứng dụng phần tử hữu hạn kết hợpvới sự trợ giúp của máy tính đang trở nên khá phổ biến và được ứng dụng rộng rãi.

Bên cạnh đó lại có khá nhiều phần mềm phân tích, tính toán độ bền kết cấucủa nước ngoài đang có mặt tại Việt Nam Mỗi phần mềm đều có những ưu điểm vànhược điểm riêng của chúng cũng như dựa trên những cơ sở lý thuyết khác nhaunên mỗi phần mềm sẽ có độ chính xác trong kết quả tính là khác nhau Do đó khảnăng ứng dụng của mỗi loại phần mềm vào từng bài toán cụ thể đòi hỏi người sửdụng sẽ phải cân nhắc thật kỹ khi lựa chọn

Đối với bài toán tính sức bền tàu thì việc áp dụng phần mềm trong khi tínhtoán đã trở nên rất phổ biến Do đó để có thể có cái nhìn đầy đủ hơn về việc áp dụngphần mềm trong việc tính toán kết cấu tàu hiện nay em đã chọn phần mềm 3D

Beam để kiểm tra độ bền kết cấu cho tàu chở hàng khô 2000 tấn Qua đề tài: “ Ứng dụng phần mềm 3D Beam phân tích độ bền kết cấu phần thân ống tàu vỏ thép”

sẽ giúp cho chúng ta tiếp cận thêm được một phần mềm phân tích, tính toán độ bềnkết cấu thân tàu mới Phần mềm này hiện đang được tổ chức Nauticus thuộc cơquan đăng kiểm Na Uy (DNV – DET NORSKE VERITAS) sử dụng để kiểm tra độbền kết cấu thân tàu trong thiết kế và đóng mới tàu thủy

Để chúng ta có thể hiểu rõ hơn về việc sử dụng các phần mềm và ứng dụngcủa chúng trong từng lĩnh vực em sẽ đề cập vấn đề này trong phần dưới đây

1.2 Tổng quan về các phần mềm phân tích kết cấu hiện nay.

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kỹ thuật thì việcứng dụng các thành tựu của ngành công nghệ thông tin vào các lĩnh vực của đờisống xã hội trở nên phổ biến Sự ra đời của các phần mềm máy tính đã giúp conngười thực hiện các công việc một cách dễ dàng hơn và nhanh chóng hơn

Trong lĩnh vực cơ học kết cấu thân tàu cũng xuất hiện nhiều phần mềm phântích, tính toán kết cấu và đa số các phần mềm này đều dựa trên thuật toán phươngpháp phần tử hữu hạn Nhờ việc sử dụng các phần mềm mà các nhà thiết kế có thểtạo ra được các sản phẩm có độ chính xác, chất lượng và độ tin cậy cao hơn Sauđây là một số phần mềm dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn đã vàđang có mặt tại Việt Nam:

+ SAP (Structural Analysis Program) có khả năng phân tích tĩnh và động cáckết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện các phần tử hữu hạn phong phú, ứng

xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên có thể dùng phân tích khá rộng các bàitoán kết cấu trong thực tế SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính toán vàbiểu hiện kết quả tính toán cuối cùng rất trực quan và rõ ràng tạo nhiều thuận lợicho người sử dụng

+ Hệ thống STRAND của Úc cũng là bộ chương trình phân tích kết cấutương tự như SAP Phiên bản cuối có mặt ở nước ta là STRAND6, cũng có khảnăng phân tích như SAP, đã được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra các thiết kếphức tạp STRAND6 là sự phát triển cao nhất của hệ thống STRAND, nó đã trởthành sản phẩm phần mềm thương mại trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế xâydựng

+ STAAD.PRO của Mĩ, là bộ chương trình phân tích và thiết kế kết cấu Vềkhả năng phân tích kết cấu STAAD.PRO đã dùng phương pháp phần tử hữu hạngiải quyết các bài toán tĩnh và động, phẳng và không gian với mức độ phức tạp đápứng được các yêu cầu trong thiết kế các công trình thực tế hiện nay Về khả năngthiết kế kết cấu STAAD.PRO là một chương trình khá hoàn thiện nhằm thực hiệnviệc thiết kế kết cấu với sự trợ giúp của máy tính điện tử Chương trình có hỗ trợphần đồ hoạ tốt nên nó có thể cho ra hình ảnh mô hình đẹp, dễ nhìn cho người sửdụng

+ ANSYS là chương trình phần mềm có thể giải quyểt được các bài toán vềứng suất dao động ngẫu nhiên, bài toán truyền nhiệt, bức xạ nhiệt, dòng chảy thuỷlực…ANSYS có khả năng liên kết với các phần mềm khác như Pro/Eng,

FLOTRAN…để phân tích và kiểm tra các thiết kế ANSYS đã được khai thác và sửdụng có hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, giảng dạy và trong sản xuất.

+ RDM (Resistances des Materiaux) của Pháp, đây là phần mềm phần tử hữuhạn dùng để tính các bài toán kết cấu dầm, khung giàn, các bài toán đàn hồi lựcphẳng, truyền nhiệt uốn tấm…

+ LUSAS là bộ chương trình phân tích kết cấu tĩnh học và động học, kết cấuphẳng và không gian trong xây dựng và chế tạo cơ khí vận tải, đây cũng là một bộchương trình có quy mô lớn có khả năng giải quyết rộng rãi các bài toán kết cấu, kể

cả kết cấu ôtô, máy bay…

+ 3D Beam là chương trình dùng phân tích tĩnh các kết cấu tàu và các kếtcấu xa bờ, đặc biệt hiệu quả với các kết cấu các sườn tàu điển hình hoặc kết cấukhung giàn tàu 3D Beam được phát triển bởi Det Norske Veritas (cơ quan Đăngkiểm Na Uy – DNV) và là một phần công việc của tổ chức Nauticus trong việckiểm tra kết cấu thân tàu Phần mềm có giao diện đẹp, dễ sử dụng, có thể cho phépngười sử dụng làm việc trong mô hình 2D với các hệ tọa độ khác nhau hoặc môhình 3D và có thể hiện được kết cấu trên mô hình Solid rất dễ nhìn

1.3 Giới hạn nội dung nghiên cứu.

Với cách đặt vấn đề như trên, chúng ta nhận thấy rằng việc phân tích độ bềnkết cấu thân tàu của một con tàu bất kỳ là một vấn đề rất quan trọng Tuy nhiên đểthực hiện được bài toán như trên không những đòi hỏi về mặt kiến thức chuyên môn

mà còn phải bỏ ra rất nhiều thời gian để mô hình hóa kết cấu tàu và tính toán kếtquả Trong đề tài của mình em sẽ đề cập tới việc phân tích độ bền kết cấu phần thânống của tàu chở hàng khô vỏ thép có trọng tải 2000 tấn thông qua việc sử dụng

phần mềm 3D Beam Kết cấu tàu 2000 tấn sử dụng được lấy từ đề tài “ Thiết kế kết cấu tàu chở hàng khô vỏ thép, trọng tải 2000 tấn” của tác giả Trương Văn

Phương lớp 43TT

Trong đề tài của mình tác giả đã tiến hành tính toán độ bền chung và độ bềncục bộ cho tàu thiết kế Mà bản chất của bài toán phân tích độ bền chung là xác địnhứng suất và biến dạng xuất hiện trong các kết cấu thân tàu dưới tác dụng của các

ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng và không tính đến các ngoại lực tác dụngngang như lực đẩy của chân vịt, lực cản của môi trường…vì ứng suất uốn do cáclực nằm ngang gây ra trong kết cấu thường không lớn lắm và có thể bỏ qua Thực tếcho thấy, do các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều theo chiều dàitàu nên kết cấu thân tàu sẽ bị uốn và sinh ra ứng suất và biến dạng Mà trong đoạnthân ống của một con tàu vỏ thép thì các lực tác dụng theo phương thẳng đứng xemnhư phân bố đều Mặt khác do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên trong đề tài củamình em chỉ đề cập tới việc phân tích độ bền cục bộ kết cấu phần thân ống của tàu.Các vấn đề được đề cập tới trong đề tài bao gồm:

- Phân tích độ bền cục bộ của khung giàn đáy, khung giàn mạn và khunggiàn boong trong phần thân ống bằng phần mềm 3D Beam

- Phân tích độ bền cục bộ một khung sườn tàu trong phần thân ống của tàubằng phần mềm 3D Beam và RDM6

- Phân tích độ bền cục bộ của sống chính tàu bằng phần mềm 3D Beam.Cuối cùng từ kết quả tính được ta đưa ra nhận xét chung về khả năng ứngdụng của phần mềm 3D Beam trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu.

Từ thực tế ta nhận thấy rằng, để đảm bảo cho một con tàu hoạt động an toàn

và tin cậy trong khai thác thì đòi hỏi các chi tiết kết cấu của nó phải đáp ứng đượccác điều kiện sau:

+ Kết cấu phải đủ bền để không bị nứt, vỡ hay phá hủy

+ Kết cấu phải đủ cứng để đảm bảo không bị biến dạng quá mức cho phép+ Kết cấu phải ổn định để luôn giữ được hình dạng ban đầu

Để giải quyết các vấn đề đặt ra ở trên chúng ta cần tiến hành phân tích độbền nhằm mục đích xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấuthân tàu đang tính, cơ sở để thực hiện kiểm tra và đánh giá độ an toàn của các kếtcấu thân tàu trong điều kiện thực tế Có thể nhận thấy nếu tăng kích thước các bộphận kết cấu lên hoặc sử dụng vật liệu tốt hơn thì khả năng đáp ứng những yêu cầuđặt ra ở trên là dễ dàng thực hiện được Tuy nhiên nếu tăng kích thước kết cấu lênthì không chỉ làm tăng giá thành con tàu mà còn làm cho khối lượng kết cấu lớn sẽ

có ảnh hưởng rất xấu đến chất lượng và tính năng hàng hải của con tàu Do đó phântích độ bền kết cấu thân tàu là một trong những vấn đề có vai trò và ý nghĩa quantrọng trong quá trình thiết kế và chế tạo tàu thủy Qua đó việc phân tích độ bền kếtcấu thân tàu còn nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản sau:

+ Bài toán thuận để kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu cụ thểnhằm đảm bảo kết cấu có đủ độ bền để tàu có thể hoạt động an toàn và tin cậy dướitác dụng của các ngoại lực

+ Bài toán ngược để tính toán, lựa chọn hình dạng và kích thước kết cấu thântàu một cách hợp lý nhất trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với chiphí vật liệu là thấp nhất

Tuy nhiên, do kết cấu thân tàu rất phức tạp và bao gồm nhiều loại hình kếtcấu khác nhau nên việc tìm mô hình thể hiện đầy đủ và chính xác đặc điểm làm việccủa kết cấu thực là rất khó, đồng thời do kết cấu thân tàu lại chịu tác dụng ngoại lực

phức tạp ở cả ba chiều trong không gian nên phân tích độ bền kết cấu thân tàu là bàitoán phức tạp và thường ít có được lời giải chính xác Tùy theo đặc điểm của việcxây dựng mô hình tính chúng ta có thể chia bài toán phân tích độ bền kết cấu thântàu thành hai nhóm chính như sau:

- Phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình tổng thể: theo mô hình nàythì toàn bộ kết cấu thân tàu được xem như hệ kết cấu không gian đặt trên nền đànhồi, gồm nhiều loại hình kết cấu như dầm, tấm, vỏ, khối… liên kết với nhau Khi

đó, các bộ phận kết cấu thân tàu như khung giàn đáy, boong, mạn, khung sườn vàcác chi tiết hình thành nên chúng như hệ dầm gia cường, tôn bao xem như làm việcđồng thời trong mô hình Các điều kiện biên xây dựng trên cơ sở xem toàn bộ kếtcấu thân tàu như một vật thể đàn hồi nằm cân bằng dưới tác dụng của trọng lượngnhững tải trọng có trên tàu và phản lực của nền là lực đẩy Mô hình này thể hiện kháchính xác điều kiện làm việc thực tế của các kết cấu thân tàu nhưng sẽ rất phức tạptrong quá trình tính toán

- Phân tích độ bền thân tàu theo mô hình ước định: theo mô hình tính ướcđịnh thì toàn bộ kết cấu thân tàu thường được mô phỏng dưới dạng một thanh thànhmỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng tương ứng với lực tác dụng lên thân tàu.Khi đó bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường được chia làm hai bài toánchính là: phân tích độ bền chung và phân tích độ bền cục bộ

2.1.1 Bài toán phân tích độ bền chung.

Phân tích độ bền chung là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạngxuất hiện trong các mặt cắt ngang kết cấu thân tàu, dưới tác dụng của hệ ngoại lựcđặt theo phương thẳng đứng và không tính đến các ngoại lực tác dụng ngang nhưlực đẩy của chân vịt, lực cản của môi trường…vì ứng suất uốn do các lực nằmngang gây ra trong kết cấu thường không lớn lắm và có thể bỏ qua Thực tế do cácngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc theo chiều dài tàu nên kếtcấu thân tàu nói chung thường sẽ bị uốn, bị xoắn hoặc có thể vừa bị uốn và xoắnđồng thời Tuy nhiên, do quá trình uốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền củacác kết cấu nên trong bài toán phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng

suất uốn chung xuất hiện trong kết cấu Khi đó, kết cấu thân tàu dưới dạng vỏ mỏngkín nước với kết cấu gia cường bên trong được xem như thanh thành mỏng với mặtcắt ngang kín hay hở có đặc điểm khác nhau, chịu tác dụng của các lực thẳng đứng,tương ứng với các ngoại lực tác dụng lên kết cấu thân tàu như áp lực thuỷ tĩnh củanước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và các thiết bị trên tàu Bài toán uốnchung thân tàu có thể đưa về bài toán uốn chung của thanh tương đương đặt trênnền đàn hồi chịu tác dụng của ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực và lực nổi Kếtquả tính của bài toán phân tích độ bền chung sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốnchung 1.

Trong bài toán tồn tại 2 trường hợp ứng với 2 mô hình cần tính ứng suất uốn

là trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh và nằm trên sóng như sau:

+ Trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh

a) Tàu nằm trên đỉnh sóng

+ Trường hợp tàu nằm trên sóng

Hình 2.1 Mô hình tàu trên nước tĩnh và trên sóng

TK

L

b) Tàu nằm trên đáy sóng

2.1.2 Bài toán phân tích độ bền cục bộ.

Phân tích độ bền cục bộ là bài toán xác đinh giá trị ứng suất và biến dạngxuất hiện trong những kết cấu thân tàu dưới ảnh của các ngoại lực tác dụng riênglên từng kết cấu đang xét Ví dụ, kết cấu khung giàn đáy ngoài việc chịu uốn chungdưới tác dụng của trọng lực và lực nổi còn chịu uốn cục bộ do tác dụng của áp lựcnước bên ngoài tàu và áp lực hàng hóa trong các khoang tàu Giải bài toán độ bềncục bộ thường dẫn đến việc giải bài toán cơ học kết cấu thân tàu cụ thể như: khunggiàn, tôn vỏ, khung sườn ngang… và kết quả sẽ cho giá trị ứng suất cục bộ i (i =2,3…)

Cuối cùng giá trị ứng suất tại một điểm bất kỳ trên kết cấu thân tàu sẽ đượcxác định trên cơ sở tổng hợp kết quả bài toán tính độ bền chung và bài toán tính độ

bền cục bộ theo công thức: 1

2

n i i



  Việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định hay mô hìnhtổng thể có các ưu nhược điểm riêng, đồng thời đòi hỏi những điều kiện để thựchiện tính toán cũng khác nhau Thực tế cho thấy, mô hình tổng thể cho kết quả tínhgần sát thực tế hơn so với mô hình ước định bởi vì nó đảm bảo được những tínhchất vật lý và cơ học của kết cấu thực tế ở mức độ khá cao, nhưng nó lại đòi hỏinhiều công sức trong việc thiết lập mô hình tính, chuẩn bị số liệu và phân tích kếtquả tính Hơn nữa phương pháp này chỉ có thể thực hiện được khi có chương trìnhphân tích độ bền kết cấu và máy tính lớn có tốc độ cao, điều kiện này không phảilúc nào cũng đáp ứng được Còn mô hình ước định, tuy đơn giản hơn và không đòihỏi các điều kiện phức tạp như đối với mô hình tổng thể nhưng với cách đặt vấn đềnhư thế thì mô hình vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm, nhất là khi phải thực hiệnphân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, các tàu chuyên dụng…Kết quả phântích độ bền các kết cấu thân tàu dựa theo mô hình ước định thường ít chính xác hơn

Có thể tóm tắt quá trình phân tích độ bền kết cấu thân tàu dựa theo mô hìnhước định và mô hình tổng thể theo sơ đồ sau:

KẾT CẤU TÀU THỦY

vỏ…

1 2

n i i

Trước kia do điều kiện phát triển khoa hoc kỹ thuật còn nhiều hạn chế nênngười ta thường giải bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ướcđịnh Nhưng trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển các phương pháp phântích độ bền kết cấu, nhất là phương pháp phần tử hữu hạn, cùng sự có mặt của cácchương trình phân tích kết cấu đã cho phép tính độ bền kết cấu thân tàu theo môhình tổng thể.

Phần mềm 3D Beam là chương trình được xây dựng trên lý thuyết dầm củanhà khoa học Timoshenko, nên trong phần dưới đây em sẽ trình bày rõ hơn về vấn

đề này

2.2 Lý thuyết dầm Timoshenko.

Lý thuyết dầm Timoshenko (hoặc lý thuyết dầm dày) tính toán cho cả haitác động của quán tính quay và biến dạng cắt, dầm Timoshenko kể đến biến dạngngang do ảnh hưởng của lực cắt Điều này có nghĩa là một tiết diện vuông góc vớitrục dầm trước biến dạng sẽ không còn vuông góc với trục dầm nữa sau biến dạng.Còn đối với dầm Bernoulli (lý thuyết dầm mỏng) thì mặt phẳng vuông góc với trụctrung tâm trước biến dạng vẫn vuông góc với trục trung tâm sau biến dạng Sự khácbiệt được thể hiện trong 2 hình minh hoạ cho dầm Timoshenko và dầm Euler-Bernoulli sau:

Dầm Euler – Bernoulli

V

X

v x

Trong khi phương pháp Galerkin được dùng để đạo hàm phương trình ma trận phần

tử hữu hạn cho phương trình dầm Bernoulli, thì phương pháp năng lượng đượcdùng cho công thức của dầm Timoshenko

Đặt u và v là dịch chuyển dọc trục và ngang của dầm Vì bị biến dạng ngang

do lực cắt, nên góc xoay của dầm không còn là d

dx

 nữa Thay vào đó, góc xoay

với trục x được đặt dọc theo trục trung tâm của dầm và dầm không đặt tải dọc trục

để đảm bảo trục trung tâm không có biến dạng dọc trục Một dầm chịu tải cả ngang

và dọc trục được tính toán trong phần cấu trúc khung Từ phương trình (2.1) vàphương trình (2.2), biến dạng cắt và dọc trục là:

d y dx



Hình 2.2 Mô hình dầm của Timoshenko và Bernoulli

dv dx

Dựa theo phương pháp năng lượng, ma trận độ cứng phần tử có thể đạt được

từ biểu thức năng lượng biến dạng cho một phần tử Năng lượng biến dạng cho mộtphần tử có chiều dài l là:

Trước tiên, thay (2.3) và (2.4) vào (2.5) và lấy tích phân riêng với y được:

với I và A là mômen quán tính và diện tích của tiết diện dầm

Để đạo hàm ma trận độ cứng phần tử cho dầm Timoshenko, biến  và  cầnđược nội suy trong mỗi phần tử Như thấy trong phương trình (2.6),  và  là cácbiến độc lập Nghĩa là có thể nội suy chúng một cách độc lập sử dụng các hàm dạngriêng

Điều này thoả mãn sự tương thích bên trong các phần tử, có nghĩa là sự liêntục của cả chuyển vị ngang  và góc xoay  giữa hai phần tử kề nhau Kết quả làcho các hàm dạng trơn bậc C0 có thể sử dụng cho phần tử dầm hiện tại Cấu tạo hàmdạng trơn bậc C0 dễ hơn nhiều so với hàm dạng bậc C1 cho việc phân tích bài toánhai chiều và ba chiều (lý thuyết tấm cổ điển)

Sử dụng hàm dạng tuyến tính cho hai biến  và :

EI K

H 4(x)H

Hình 2.3 Phần tử dầm Hermitian

Ta có lời giải của dầm mỏng, dầm dày khác nhau với bề rộng đơn vị như sau:

Hình dạng Biến dạng cực đại

Dầm mỏng Dầm dày

Dầm mỏng Dầm dày

Dầm mỏng Dầm dày

Dầm mỏng Dầm dày

Dầm mỏng Dầm dày

Dầm mỏng Dầm dày

P

L/2

L

qL

2.3 Ứng dụng lý thuyết dầm Timoshenko trong phần mềm 3D Beam để giải quyết bài toán.

2.3.1 Ứng dụng lý thuyết dầm Timoshenko trong phần mềm 3D Beam.

Phần mềm 3D Beam là chương trình được xây dựng trên cơ sở phương pháp

ma trận chuyển vị và kết cấu khung giàn tàu được lý tưởng hóa bằng các nút, dầm

và các công cụ hỗ trợ Dầm đàn hồi được phân tích theo lý thuyết dầm của nhàkhoa học X.P.Timoshenko, với góc giữa dầm thẳng và mặt cắt ngang bình thườngcủa dầm thì tương ứng với lực cắt Điểm khác biệt của dầm Timoshenko được ứngdụng trong phần mềm này là mặt phẳng cắt ngang dầm sẽ giữ nguyên trạng thái sovới trước và sau khi biến dạng, đồng thời cho phép phần mềm vận dụng được cácdầm ngắn, dài, mỏng rất tốt như các dầm của lý thuyết Bernoulli-Euler

Trong phần mềm, việc tính toán cho từng dầm được cụ thể hóa như sau:tương ứng với mỗi là một dạng ma trận độ cứng, nó chỉ ra mối quan hệ giữa các lực

S và chuyển vị  tại các điểm cuối của dầm theo biểu thức sau

Độ cứng thành phần trong mỗi dầm sẽ được thêm vào ma trận độ cứng cuối cùng K,trong trường hợp đã cho trước tải trọng R, thành phần này sẽ cân bằng với lực củadầm S Mối quan hệ giữa lực R và chuyển vị r cho toàn bộ hệ thống được viết nhưsau:

I xt A

S

Trong đó:

Iy là mômen quán tính đối với trục tọa độ cục bộ y

tp là chiều dày biên dạng

Sy là mômen thứ nhất đối với trục tọa độ cục bộ y

Ứng suất cắt cực đại xuất hiện trong trục trung hòa của biên dạng được định nghĩa:

z y z Qz

Trong phần mềm 3D Beam phiên bản 7.0 ta nhận thấy rằng việc thay thế kếtcấu thực bằng các mô hình dầm có trong thư viện của phần mềm sẽ bị hạn chế bởitrong phần mềm chỉ có các biên dạng mặt cắt của kết cấu như: biên dạng chữ I, biêndạng chữ I đối xứng, biên dạng hộp và biên dạng tròn Vì vậy để việc mô hình hóakết cấu phản ánh sát với điều kiện liên kết của kết cấu thực thì ta sẽ cần phải đưa racác biện pháp thay thế kết cấu tương đương, sự thay thế kết cấu tương đương này sẽgiúp cho việc thực hiện bài toán được thuận lợi hơn

Bên cạnh đó việc định dạng các biên dạng mặt cắt trong phần mềm có thểthực hiện dễ dàng bằng cách nhập các kích thước cơ bản của nó Do đó, để thay thếảnh hưởng của lớp tôn vỏ tham gia đảm bảo độ bền cho kết cấu thì trong quá trình

mô hình hóa ta có thể tăng kích thước biên dạng mặt cắt của kết cấu lên Việc xácđịnh chiều rộng của mép kèm cho các kết cấu sẽ được lựa chọn cách tính theo Quyphạm hoặc công thức mà nhà khoa học X.P.Timoshenko đã đề xuất

2.3.2 Xác định quy cách mép kèm theo Quy phạm và lý thuyết của XP Timoshenko.

Trong bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu và mô hình hoá kết cấuthường phải tính đến phần mép kèm khi tách kết cấu hệ dầm ra khỏi tấm tôn vỏ.Mép kèm ở đây được hiểu là dải tôn kèm chịu lực cùng tham gia làm việc với kếtcấu đang tính, vì vậy việc tính toán nó có ý nghĩa quan trọng trong bài toán phântích độ bền kết cấu

2.3.2.1 Xác định kích thước mép kèm theo Quy phạm.

Các Quy phạm thường quy định quy cách kích thước mép kèm như sau:+ Chiều dày mép kèm bằng với chiều dày của tấm tôn mép kèm tương ứng+ Chiều dài mép kèm không được nhỏ hơn

l là chiều dài nhịp của kết cấu đang xét

2.3.2.2 Xác định kích thước mép kèm bằng tính toán lý thuyết của XP.Timoshenko.

Bài toán phân tích vai trò tham gia vào biến dạng do uốn dầm của các tấm vỏ

từ đó thay ảnh hưởng của tôn vỏ bằng tấm mép tương đương, tạo thành phần tử dầm

tương đương để đưa vào phân tích độ bền hệ dầm trực giao đã được nhà khoa họcX.P.Timoshenko giải quyết Nội dung bài toán là xác định chiều rộng C của tấmmép kèm tương đương nói trên, cụ thể của bài toán như sau:

Xét kết cấu dầm liền nhịp có tấm mép của tiết diện dầm xem như khá rộng,tải trọng tác dụng vuông góc tấm mép đối xứng qua đường giữa nhịp và giống nhau

ở các nhịp dầm như hình sau:

Hình 2.4 Quy cách tính mép kèm đối với kết cấu dầm đang xét

Trong đó:

e là khoảng cách từ tâm E đến mặt phẳng trung gian của tấm mép

h là chiều dày của tấm mép

A là diện tích tiết diện ngang tấm thành

J là mômen quán tính của tiết diện A đối với trục trung hoà đi qua tâm E.Giá trị mômen uốn M(x) tác dụng lên kết cấu dầm được giả thiết là chuỗi lượnggiác đơn xác định theo công thức:



Trong đó:

M0 là giá trị mômen uốn tại mặt cắt ngang nhịp dầm đầu tiên

x là hoành độ mặt cắt ngang dầm đang xét

2b là chiều dài nhịp dầm

Để tính kích thước tấm mép tương đương thường sử dụng điều kiện biên cânbằng năng lượng giữa hệ thực với hệ tương đương giả thiết, trong đó hệ thực là hệgồm tấm thành và tấm mép có quy luật biến thiên ứng suất pháp x theo chiều rộngtấm mép không đều như mô tả ở hình 4a Còn hệ tương đương là hệ có tấm méptương đương với chiều rộng C và chiều dày bằng chiều dày của tấm mép thực h,đồng thời trên đó có ứng suất max phân bố đều như mô tả trên hình 4b sao cho tâmmép tương đương giữ vai trò tấm mép thực trong quá trình làm việc chung của tấm.Tấm mép thay thể nói trên được gọi là mép kèm và chiều rộng C gọi là chiều rộngmép kèm.

Trên cơ sở lý luận trên ta có thể xác định được chiều rộng mép kèm C theocông thức:

(3 2 )

b C

sự làm việc của tôn vỏ vào làm việc của các kết cấu Trong thực tế, khoảng cáchgiữa các kết cấu có trong kết cấu thân tàu thường là không lớn, tức là chiều rộngtấm mép trên kết cấu đang tính có thể không phải khá rộng như giả thiết, tuy nhiênkết quả tính chiều rộng mép kèm C theo quy định đối với giá trị các đặc trưng hìnhhọc của các mặt cắt ngang những kết cấu nẹp (kể cả mép kèm) cho trong các Quyphạm hiện hành cũng không khác nhiều so với kết quả tính chiều rộng mép kèm Cxác định theo công thức (2.19) Theo quy phạm đóng và phân cấp tàu vỏ thép củaĐăng kiểm BV (Pháp) ban hành năm 1980, những kết cấu thân tàu gắn với tấm tôn

vỏ được chia thành các kết cấu chính và kết cấu phụ và chiều rộng mép kèm đối vớihai loại kết cấu được tính khác nhau (lấy theo trị số nhỏ) như sau:

1 Đối với kết cấu thứ yếu

Chiều rộng mép kèm C tính đối với các kết cấu thân tàu phụ như nẹp vách,

đà dọc… trong hệ thống kết cấu dọc của khung giàn đáy, boong, mạn tàu có thể xácđịnh theo công thức:

2 Đối với các kết cấu chính

Chiều rộng mép kèm C tính đối với những kết cấu thân tàu chủ yếu như các

xà dọc boong, đà dọc đáy, dọc mạn, xà ngang khoẻ boong, đà ngang đáy khoẻ, sườnkhoẻ, nẹp vách khoẻ… có thể xác định theo công thức:

- Nếu hai đầu kết cấu liên kết ngàm

a là khoảng cách của các kết cấu cùng loại

l là chiều dài nhịp của kết cấu

Thực tế nhận thấy, trong trường hợp l 5

a thì quy định Đăng kiểm Pháp chokết quả tính theo các công thức (2.23), (2.25) và (2.27) khá gần với kết quả tính

theo công thức (2.18) và (2.19) Trong kết cấu tàu, do khoảng cách giữa các kết cấu(tức là chiều rộng của tấm tôn mép) là hữu hạn nên việc tính sự làm việc của kết cấutôn vỏ trong phân tích độ bền khung giàn đáy, boong và mạn theo mô hình hệ dầmtrực giao thông qua chiều rộng mép kèm thay thế, cần phải được tính theo các côngthức (2.18), (2.19) và tham khảo trong các quy phạm

Việc tính toán mép kèm cho các kết cấu khi xây dựng mô hình tính cho cáckhung giàn tàu và khung sườn tàu sẽ được trình bày trong phần dưới đây

CHƯƠNG 3.

MÔ HÌNH HOÁ KẾT CẤU

3.1 Giới thiệu chung về các đặc điểm cơ bản của tàu 2000 tấn.

- Các thông số cơ bản của tàu lựa chọn

+ Chiều dài lớn nhất: Lmax = 70 m

+ Chiều dài thiết kế: LTK = 65.25 m

+ Vật liệu thép đóng tàu có: C= 2400 KG/cm2

- Về phần kết cấu: Tàu hàng khô 2000 tấn được thiết kế theo hệ thống ngang,khoảng cách giữa các khoảng sườn thực là 550 mm Tàu được chia thành 128khoảng sườn dọc theo chiều dài tàu, đoạn thân ống của tàu nằm từ sườn lý thuyết 6đến 14, tương ứng với sườn thực từ sườn 35 đến 82 Kết cấu tàu 2000 tấn gồm cácphần như kết cấu đáy, kết cấu boong, kết cấu mạn và một số kết cấu liên quan khác

3.1.1 Kết cấu đáy.

Tàu có kết cấu đáy đôi kéo dài từ vách buồng máy đến vách mũi (tương ứng

từ sườn 8 đến sườn 107) Kết cấu đáy gồm có kết cấu khung giàn đáy liên kết vớitôn đáy trong và tôn đáy ngoài, đây là khu vực chịu lực nặng nề nhất trong kết cấuthân tàu nói chung Nó không chỉ chịu toàn bộ tải trọng hàng hoá trên tàu mà cònchịu toàn bộ khối lượng toàn tàu và áp lực nước ngoài tàu tác động vào

Kết cấu khung giàn đáy trong đoạn thân ống gồm một sống chính đặt tại vịtrí trung tâm dọc theo chiều dài tàu, về phía hai bên mạn bố trí mỗi bên có hai sốngphụ, chúng nằm cách nhau và cách sống chính một khoảng là 1600 mm Các đàngang đáy đặc và đà ngang đáy hở được bố trí xen kẽ nhau, cứ cách hai hoặc bakhoảng sườn thực đều có bố trí các đà ngang đáy khoẻ Trong đoạn thân ống các đàngang đáy co kích thước như sau:

- Đà ngang đáy đặc: 750 x 10

- Đà ngang đáy khoẻ: 750 x10

- Đà ngang thường (đà ngang hở) gồm:

+ Đà ngang đáy trên: L100 x 100 x 10

+ Đà ngang đáy dưới: L100 x 100 x 10

- Tôn đáy trong: = 10 mm

- Tôn đáy ngoài: = 10 mm

- Tấm tôn K: = 12 mm

- Sống chính: 750 x 12

3.1.2 Kết cấu mạn.

Trong kết cấu tàu thì đoạn thân ống là nơi bố trí các khoang hàng, do đó kếtcấu khung giàn mạn tại khu vực này vừa chịu áp lực của hàng hoá bên trong tàuđồng thời vừa chịu áp lực nước bên ngoài tàu Kết cấu mạn bao gồm hệ thống cácsườn mạn và tôn mạn, sườn khoẻ được bố trí tại các vị trí ứng với các đà ngang đáykhoẻ, sườn thường được bố trí tại các vị trí của các đà ngang thường.

Khung giàn mạn bao gồm các sườn thường, sườn khoẻ và các sống dọc mạnliên kết với nhau bằng mối liên kết hàn tạo thành hệ thống khung sườn vững chắc

Ở đây mỗi bên mạn đều bố trí hai sống dọc mạn, nó có vai trò là các điểm tựa chokết cấu khung sườn Kích thước các kết cấu cơ bản của khung sườn mạn như sau:

- Xà ngang boong khỏe: T100 x 10/400 x 8

- Xà ngang boong thường: L90 x 90 x 9

3.1.4 Một số kết cấu khác.

Trong đoạn thân ống có bố trí một vách ngăn ngang tại sườn 63, các nẹpngang vách có kích thước T120 x 10/300 x 8, nẹp đứng vách T120 x 10/300 x 8 và

L90 x 90 x 9, tôn vách có chiều dày = 8 mm Nẹp đứng của đà ngang đáy khỏe và

đà dọc đáy là thép L75x75x6

3.2 Giả thiết cơ bản của bài toán.

Để tiến hành việc phân tích độ bền cục bộ kết cấu các khung giàn thuộc phầnthân ống ta đặt ra các giả thiết cơ bản như sau:

- Thứ nhất là tải trọng tác dụng lên khung giàn được xem như tải trọng tĩnh

và phân bố đều Còn đối với khung phẳng thì chỉ bao gồm các lực và mômen nằmtrong mặt phẳng của khung sườn tàu và vật liệu nằm trong miền đàn hồi

- Thứ hai là tải trọng tác dụng lên khung giàn xem như truyền hết lên cácdầm hướng chính và dầm chéo Biến dạng của khung sườn tàu được tính toán khôngkèm theo sự xoắn của các thanh tức là tải trọng nằm trong cùng mặt phẳng với tâmuốn của lực tác dụng Góc liên kết giữa các dầm ngang và dầm đứng trong khungphẳng là đủ cứng

- Thứ ba là bỏ qua biến dạng trượt của thành các dầm hình thành khung giàn

và xem như cạnh đỡ của các khung giàn là tuyệt đối cứng Khi có lực tác dụng lênkhung giàn thì sẽ dẫn đến sự tham gia chịu lực của toàn bộ các dầm trong khunggiàn nói trên

Trong khu vực thân ống của tàu chở hàng khô trọng tải 2000 tấn ta nhận thấykết cấu của các khung sườn có thể coi như đối xứng qua vách ngang kín tại vị trísườn 63 và tính chất đối xứng của kết cấu trên cùng một mặt phẳng cắt ngang thântàu Vì vậy để thuận lợi cho việc tính toán độ bền cục bộ của phần thân ống thì thay

vì tính toán cho cả đoạn thân ống ta chỉ tính toán cho phần kết cấu từ vách ngang 63

về phía mũi tàu tới sườn 82 và chỉ tính toán đối với một bên của kết cấu đối xứngtheo chiều rộng tàu B Việc tính toán độ bền cục bộ cho phần kết cấu tàu lựa chọn

sẽ trở thành bài toán tính độ bền cục bộ cho các khung giàn thành phần như khunggiàn đáy, khung giàn mạn và khung giàn boong

Kết cấu thân tàu được xem như là tập hợp các khung giàn liên kết với nhau,

do đó phân tích kết cấu khung giàn có vai trò quan trọng trong phân tích độ bền cục

bộ thân tàu Quá trình phân tích độ bền cục bộ các khung giàn tàu nói chung thườngđược thực hiện theo trình tự cụ thể như sau:

+ Xây dựng mô hình tính và xác định điều kiện liên kết

+ Xác định tải trọng tác dụng lên khung giàn

+ Lựa chọn phương pháp giải để xác định ứng suất và biến dạng xuất hiệntrong khung giàn

+ Kiểm tra và đánh giá độ bền theo tiêu chuẩn thích hợp

Các vấn đề nói trên không chỉ có mối quan hệ chặt chẽ mà còn ảnh hưởnglẫn nhau Trong phần tiếp theo tôi sẽ chọn một khung sườn tàu để phân tính độ bềncục bộ cho khung sườn đó, việc tính độ bền cục bộ cho khung sườn sẽ được thựchiện bằng hai phần mềm là 3D Beam và RDM6

3.3 Đặc điểm của kết cấu.

Ta nhận thấy rằng, thân tàu là một tổ hợp kết cấu phức tạp, nó bao gồm hệthống khung xương bên trong liên kết hàn chắc chắn với lớp tôn vỏ bao bên ngoài.Khung xương bên trong bao gồm nhiều hệ thống khung giàn khác nhau như: khunggiàn đáy, khung giàn mạn, khung giàn boong Nếu xét trong cùng một mặt phẳngthì gọi chung cho các thành phần của khung giàn trên là khung sườn tàu Trong đềtài em sẽ tính toán độ bền cho các khung giàn riêng biệt và khung sườn nên ta cầnphải quan tâm tới đặc điểm kết cấu của các khung giàn phẳng và khung phẳng

3.3.1 Đối với khung giàn.

Khung giàn phẳng là kết cấu hình thành từ hai hệ dầm liên kết với nhau tạicác điểm nút và các kết cấu đáy, boong, mạn và vách ngăn của tàu sẽ được mô hìnhhóa về dạng kết cấu khung giàn Trong kết cấu tàu thì khung giàn tàu thủy thực chất

là kết cấu tấm hoặc kết cấu hộp bằng tấm với các dầm gia cường cho tấm được bốtrí vuông góc với nhau theo chiều dọc và chiều ngang của tàu chịu tác dụng của lựctập trung hay lực phân bố theo hướng thẳng góc với mặt phẳng chứa hệ dầm

Tùy theo đặc điểm của hệ thống kết cấu thân tàu mà kết cấu khung giàn tàuthủy cũng được phân biệt thành hệ thống dọc hay hệ thống ngang tương tự như cáchphân biệt các hệ thống kết cấu thân tàu Khi đó, hướng bố trí số lượng nhiều dầm

hơn được gọi là hướng chính và các dầm bố trí theo hướng này gọi là dầm hướngchính, còn các dầm vuông góc với dầm hướng chính nói trên gọi là dầm chéo Cácdầm gia cường của khung giàn có thể là dầm đơn nhịp, tức là dầm bị cắt rời tại cácnút liên kết hay dầm liên tục là các dầm được kéo dài liên tục qua các điểm nút liênkết với các dầm hướng khác

Như vậy tương ứng với các đặc điểm nói trên, kết cấu khung giàn có thể làkhung giàn tĩnh nếu các nút liên kết của khung giàn được hình thành bởi sự giaonhau của dầm đơn nhịp và dầm liên tục, hay khung giàn siêu tĩnh nếu tất cả hay một

số nút được hình thành bởi các dầm liên tục giao nhau Khi kết cấu khung giàn siêutĩnh bị uốn, lực tương tác giữa các dầm tại nút liên kết giữa hai hệ dầm gồm bathành phần lực Rx, Ry, Rz và ba thành phần mômen Mx, My, Mz như mô tả trong hìnhsau:

Hình 3.1 Đặc điểm liên kết và mô hình lực tác dụng tại mối nối của hai

hệ dầm của khung giàn.

Tuy nhiên nếu khung giàn chịu tải trọng tác dụng theo hướng vuông góc mặtphẳng hệ dầm thì do các tấm liên kết với các dầm của khung giàn cản trở sự dịchchuyển của các dầm này trong mặt phẳng khung giàn nên có thể không tính đếnthành phần Rx, Ry, Mz vì giá trị của nó rất nhỏ Mặt khác, do độ cứng của dầm khi bịxoắn nhỏ hơn nhiều lần khi uốn (khoảng 400 đến 500 lần) nên các thành phầnmômen gây xoắn cho các dầm là Mx và My thường cũng không được tính đến Do

đó, bài toán tính khung giàn thường dẫn đến việc xác định thành phần phản lựcthẳng đứng Rz tại nút liên kết để tính các yếu tố uốn cho từng dầm, trong đó cácdầm hướng chính sẽ chịu tác dụng của ngoại lực và thành phần phản lực tại các nút,còn dầm chéo chỉ chịu tác dụng của phản lực Rz

Ngoài ra, ta cần phải lưu ý đến độ cứng của mỗi hệ dầm vì nó có vai trò quantrọng trong việc mô hình hóa khung giàn Nếu độ cứng của hệ dầm này thấp hơnnhiều so với độ cứng của hệ dầm kia thì việc tính khung giàn theo hệ thống dầmtrực giao không có ý nghĩa gì nữa vì thực tế hệ dầm yếu dựa hoàn toàn vào hệ dầmcứng hơn Khi đó, mô hình kết cấu khung giàn chuyển về mô hình tính cho các dầmyếu nằm riêng rẽ và tựa lên các gối cứng là các dầm có độ cứng lớn hơn, với cáchtính giống như đối với khung giàn tĩnh định Để đưa được kết cấu khung giàn về hệthống dầm trực giao thì theo đề nghị của các nhà khoa học người Nga kết cấu khunggiàn tàu phải thỏa mãn bất đẳng thức sau:

3 3

L a

Khung giàn mạn thì hệ dầm trực giao hình thành từ mối liên kết giữa sườnthường và sườn khỏe với hệ thống các dầm dọc mạn, chúng liên kết với lớp tôn vỏbên ngoài tạo thành một hệ thống kết cấu vững chắc

Khung giàn boong thì hệ dầm trực giao hình thành từ mối liên kết giữa xàngang boong khỏe và xà ngang boong thường với các sống dọc boong, chúng liênkết chặt chẽ với lớp tôn boong hình thành nên một hệ thống kết cấu vững chắc

3.3.2 Đối với khung phẳng.

Khung phẳng là kết cấu hình thành từ các thanh dầm nằm trong cùng mộtmặt phẳng được liên kết cứng với nhau tại các nút, đồng thời chịu tải trọng tác dụngnằm trong mặt phẳng khung Liên kết cứng ở đây được hiểu là góc giữa các dầmcủa khung không đổi dưới tác dụng của ngoại lực và quá trình uốn một trong cácdầm trong khung sẽ gây ra sự uốn của tất cả các dầm còn lại của khung Tùy theođặc điểm của các dầm hình thành khung, kết cấu khung phẳng có thể được chiathành các dạng như sau:

+ Khung phẳng: gồm các dầm thẳng hay gần như thẳng để có thể xem là cácdầm thẳng

+ Khung cong: hình thành từ các dầm cong

Tương ứng với các loại khung trên, khung phẳng còn được chia thành cácnhóm sau:

+ Khung đơn giản: tại mỗi nút chỉ có sự gặp nhau của nhiều nhất là hai dầm+ Khung phức tạp: tại mỗi nút của khung có sự gặp nhau từ ba dầm trở lênTheo cách phân loại truyền thống, tất cả các khung phẳng còn được chiathành hai loại chính như sau:

+ Khung có nút cố định

+ Khung có nút di chuyển

Các dạng khung phẳng nói trên thường được sử dụng để mô hình hóa khungsườn ngang tàu, trong đó phổ biến nhất là loại khung thẳng đơn giản và khung thẳngphức tạp với các nút cố định Đối với kết cấu khung sườn ngang, nhờ sự liên kếtcủa khung sườn với lớp tôn vỏ và tôn boong nên độ cứng của khung rất lớn, do đócác nút khung không bị di chuyển dưới tác dụng của tải trọng Khi giải bài toán vềkhung phẳng siêu tĩnh , cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Chiều dài và mặt cắt tất cả các thanh của khung không thay đổi dưới tácdụng của ngoại lực

+ Chiều dài tất cả các thanh của khung đều lớn hơn nhiều so với chiều caocủa nó nên khi tính có thể bỏ qua chuyển vị do trượt so với chuyển vị do uốn

+ Độ cứng của tất cả các thanh của khung đều lớn, đảm bảo lực dọc trụckhông ảnh hưởng đến các yếu tố dầm

+ Các thanh khung khi chịu kéo được xem là hình trụ Trường hợp mặt cắtngang thay đổi liên tục thì thường tính theo mặt cắt ngang trung bình

+ Độ cong các thanh của khung không lớn có thể bỏ qua

Khung sườn tàu vỏ thép thông thường được hình thành từ các kết cấu chínhnhư đà ngang đáy, sườn mạn và xà ngang boong Đà ngang đáy thường được kéodài tới tận phần hông của tàu và được hàn kín với tôn đáy trong lẫn tôn đáy ngoài.Sườn mạn kéo dài từ đáy lên tới xà ngang boong, liên kết của sườn mạn với đàngang đáy cũng như với xà ngang boong là liên kết hàn và có mã gia cường tại vị tríhàn nối đó Xà ngang boong có xà ngang boong kín ứng với khu vực boong kín và

xà ngang boong hở ứng với khu vực miệng hầm hàng Các đà ngang khỏe, sườnkhỏe và xà ngang boong khỏe hay các đà ngang thường, sườn thường và xà ngangboong thường được bố trí tùy vào từng khu vực trên tàu

Thực tế trong kết cấu của tàu tính toán thì các kết cấu khỏe được bố trí xen

kẽ với các kết cấu thường, cứ cách hai hoặc ba khoảng sườn có bố trí kết cấuthường thì được bố trí một kết cấu khỏe Tùy vào vị trí làm việc của kết cấu khung

sườn mà tại nơi bố trí các kết cấu khỏe mà ta bố trí sườn khỏe hay sườn côngxôn đểđảm bảo độ bền cho kết cấu

Dưới đây là hình vẽ một số mặt cắt ngang cơ bản trong đoạn thân ống củatàu tính toán và cũng chính là các mặt cắt ngang thể hiện các kết cấu cơ bản trongkhu vực thân ống lựa chọn để phân tích độ bền kết cấu thân tàu:

Sườn 73

Hình 3.2 Mặt cắt ngang các khung sườn cơ bản.

3.4 Xây dựng mô hình tính kết cấu.

Như đã biết, việc xây dựng mô hình tính kết cấu khung giàn là bài toánkhông đơn giản và thường được đưa về mô hình tính tấm vỏ và hệ thống dầm giacường dưới dạng hệ dầm trực giao bằng cách đặt điều kiện biên vào các vị trí liênkết để thể hiện quan hệ giữa các kết cấu với nhau Trong đề tài của mình em sẽ lựachọn phương pháp xây dựng mô hình tính kết cấu các khung giàn theo hệ thốngdầm gia cường dưới dạng hệ dầm trực giao Việc mô hình hóa kết cấu có vai trò đặcbiệt quan trọng, nó ảnh hưởng lớn tới việc tính toán Nên để tiến hành việc mô hìnhhóa kết cấu ta phải dựa vào đặc điểm hình học, điều kiện làm việc, tính chất vậtliệu, đặc điểm liên kết trong kết cấu thực

Các nguyên tắc mô hình hóa kết cấu như sau:

- Mô hình hóa các kích thước hình học và giảm bớt chiều không gian kết cấu,

để đơn giản trong khi tính nên cố gắng giảm bớt chiều không gian để đưa bài toán

về bài toán hai chiều hoặc thậm chí một chiều

- Tách kết cấu phức tạp ra thành những kết cấu đơn giản hơn trên cơ sở là kếtcấu có độ cứng lớn hơn phải đảm bảo là chỗ dựa cho các kết cấu có độ cứng thấphơn Đồng thời mô hình tính sau khi tách đáp ứng được các yêu cầu sau:

+ Phản ánh được một cách chính xác và đầy đủ đặc điểm và nguyên tắc làmviệc của các kết cấu trước khi tách

+ Đảm bảo hệ các kết cấu trước và sau khi tách phải cân bằng về lực, mômen

và chuyển vị

- Cần vận dụng tối đa tính chất đối xứng của kết cấu và tải trọng

3.4.1 Đối với các khung giàn tàu.

Tất cả các khung giàn như khung giàn đáy, khung giàn mạn và khung giànboong đều được mô hình hóa trên phần mềm 3D Beam phiên bản 7.0 Việc xâydựng mô hình tính trên phần mềm 3D Beam bị hạn chế bởi các biên dạng có trongphần mềm và phần mềm chỉ áp dụng cho các khung giàn phẳng Nên để thuận lợicho quá trình xây dựng mô hình ta đưa ra các đề xuất về thay đổi biên dạng của kếtcấu như sau:

- Đối với sườn côngxôn (tại vị trí sườn 77) thì ta thay thế xà ngang boongcủa nó bởi xà ngang boong có biên dạng và kích thước như xà ngang boong khỏe vì

ta có thể xem như độ cứng của hai loại kết cấu này là như nhau

- Đối với sườn thường, xà ngang boong thường, và xà dọc boong tại vị tríthành miệng hầm hàng đều có biên dạng chữ L thì ta sẽ thay thể nó bởi biên dạngchữ T có cùng mô đun chống uốn, đồng thời biên dạng chữ T thay thế sẽ giữnguyên chiều cao bản thành và chiều dày tôn của kết cấu chữ L, việc xác định biêndạng chữ T nói trên sẽ được trình bày trong phần dưới Còn đối với đà ngang đáythường thì do kết cấu của nó gồm có đà ngang đáy trên và đà ngang đáy dưới nên ta

sẽ thay thế kết cấu đà ngang đáy trên và đà ngang đáy dưới bằng một kết cấu cóbiên dạng là thép tấm có mô đun chống uốn bằng tổng mô đun chống uốn của đà

ngang đáy trên và đà ngang đáy dưới Đồng thời biên dạng thép thép tấm thay thếphải có cùng chiều dày tôn với kết cấu được thay thế nói trên.

- Đối với việc xác định quy cách mép kèm cho các kết cấu thì chiều dài tấmmép kèm thì sẽ được lấy theo chiều dài của kết cấu, còn chiều rộng của mép kèm sẽ

được tính toán theo công thức (2.18), (2.19) trong phần 2.3.2.2 Việc xác định chiều

dày của tôn mép kèm thì ta lấy theo chiều dày tôn trung bình của khu vực tính.Chiều dày tôn mép kèm của các kết cấu trong khung giàn đáy, mạn và boong thìchiều dày sẽ được lấy theo giá trị trung bình là = 10 mm

Trong khung giàn đáy, để thay thế lớp tôn đáy trong và tôn đáy ngoài đưakhung giàn về hệ dầm trực giao ta sẽ xác định bề rộng mép kèm cho các kết cấu.Việc xác định chiều rộng mép kèm phụ thuộc vào chiều dài của kết cấu, đối vớikhung giàn đáy đôi thì khi thay thế các lớp tôn đáy ta sẽ thiết lập được hệ dầm trựcgiao gồm các kết cấu dầm chữ I đối xứng

Trong khung giàn mạn và khung giàn boong thì việc thay thế ảnh hưởng củalớp tôn mạn và tôn boong đến độ bền kết cấu của khung giàn ta cũng kích thướcmép kèm tương ứng cho các kết cấu Các tấm mép kèm được coi như liên kết chặtchẽ vào các kết cấu thuộc khung giàn

- Việc xác định chiều rộng tấm mép kèm cho các kết cấu sẽ được tính theocông thức sau: C = 0.181 x 2l Chiều dài nhịp dầm 2l ở đây sẽ được lấy bằngkhoảng cách giữa các kết cấu khỏe, cụ thể như sau:

+ Đối với các sống dọc đáy, xà dọc mạn và xà dọc boong thì do các kết cấukhỏe được bố trí xen kẽ nhau và cứ khoảng hai hoặc ba kết cấu thường sẽ có mộtkết cấu khỏe Do đó, nếu giữa hai sườn khỏe có bố trí hai sườn thường thì C  0.3(m), nếu giữa hai sườn khỏe có bố trí ba sườn thường thì C  0.4 (m)

+ Đối với đà ngang đáy và xà ngang boong thì dựa vào khoảng cách giữa cácsống dọc đáy và xà dọc boong ta tính được chiều rộng mép kèm cho các kết cấu nàynhư sau: tính từ sống chính (hoặc xà dọc giữa boong) ra hai mạn thì chiều rộng mépkèm C của các kết cấu có giá trị lần lượt như sau C1 = C2  0.29 (m)

+ Đối với sườn tàu thì dựa vào

khoảng cách của xà dọc mạn trên với đáy

và khoảng cách giữa xà dọc mạn trên với

xà dọc mạn dưới ta tính được chiều rộng

mép kèm C như sau: C1 = C2  0.275

(m)

- Việc thay thế kết cấu chữ L bằng

kết cấu chữ T tương ứng có cùng mô đun

chống uốn như sau:

Trong hình 7 thì 1 là bản cánh của kết cấu, 2 là bản thành của kết cấu

+ Đối với kết cấu chữ L400x100x10 ta có bảng tính mô đun chống uốn tạimặt cắt ngang của kết cấu như sau:

Bảng 3.1 Bảng tính mômen quán tính mặt cắt ngang kết cấu L400x100x10.

Kích thước

(cm)

Diện tích

Ai (cm2)

Zi (cm)

A.Zi (cm3)

Momen quán tínhA.Zi2 I0

I0 là mômen quán tính, I0 tính theo công thức I0 = bh3/12

(b,h lần lượt là chiều rộng và chiều cao của chi tiết)

Ai là diện tích tiết diện của chi tiết thứ i

Zi là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện thứ i tới trục tọa độ (mép dưới củakết cấu)

Khoảng cách đến trục trung hòa: 1155.5

49

AZ e

A

 = 23.6 (cm) (3.2)Mômen quán tính tại mặt cắt ngang:

Hình 3.3 Biên dạng mặt cắt ngang kết cấu

Bảng 3.2 Bảng tính mômen quán tính mặt cắt ngang kết cấu L125x125x10.

Tính toán như trên ta được: e = 9 (cm), I = 364 (cm4), w = 121.3 (cm3)

+ Đối với kết cấu chữ L90x90x9 ta có bảng tính mô đun chống uốn tại mặtcắt ngang kết cấu như sau:

Bảng 3.3 Bảng tính mômen quán tính mặt cắt ngang kết cấu L90x90x9.