Phân tích và thiết kế kết cấu một mẫu tàu câu vỏ gỗ, chương 15 ppt

Về mặt kết cấu thân tàu, sức bền chung của tàu được đảm bảo bởi các kết cấu dọc bao gồm: khung xương, sống chính, sống phụ, đà dọc đáy, xà dọc boong, xà dọc hông dọc, thanh đỡ đầu xà nga

Chương 15:

BÀI TOÁN SỨC BỀN CHUNG THÂN

TÀU

Bài toán sức bền chung thân tàu là bài toán sức bền của toàn

bộ kết cấu thân tàu nhằm mục đích xác định ứng lực và biến dạng chung của thân tàu xuất hiện trong mặt phẳng dọc thân tàu Tải trọng tính toán là trường hợp tàu chịu tải trọng ở trạng thái nguy hiểm nhất

Mô hình tính toán theo mô hình do A.Simaski đề xuất, kết cấu thân tàu được xem như thanh thành mỏng tương đương đặt trên nền đàn hồi Về mặt kết cấu thân tàu, sức bền chung của tàu được đảm bảo bởi các kết cấu dọc bao gồm: khung xương, sống chính, sống phụ, đà dọc đáy, xà dọc boong, xà dọc hông dọc, thanh đỡ đầu xà ngang boong…

khung ngang không trực tiếp tham gia đảm bảo sức bền dọc thân tàu nhưng chúng nâng cao độ ổn định của khung xương dọc dưới tác dụng của ứng suất nén, do đó chúng gián tiếp nâng cao độ bền dọc của tàu

Trong tính toán kiểm tra sức bền chung tàu không tính đến các tải trọng nằm ngang như lực đẩy và lực cản môi trường vì ứng suất chung trong các kết cấu do các lực trên gây ra không lớn và có thể

bỏ qua, do đó trong tính toán chỉ xem thân tàu chịu tác dụng bởi những thành phần ngoại lực thẳng đứng

3.4.1 Tính sức bền chung thân tàu.

Trình tự tính toán của bài toán sức bền:

+ Xác định đường cong phân bố tải trọng tác dụng lên tàu + Xác định lực cắt và mômen uốn chung của thân tàu

+ Xác định ứng suất chung trong kết cấu thân tàu

+ Kiểm tra độ bền dọc chung của kết cấu thân tàu

3.4.1.1 Xác định đường cong phân bố tải trọng tác dụng lên thân tàu (theo khoảng sườn lý thuyết).

- Các ngoại lực tác dụng lên thân tàu bao gồm:

+ Trọng lượng tàu: bao gồm trọng lượng vỏ tàu và các tải trọng trên tàu

+ Lực nổi: áp lực của nước tác dụng lên thân tàu gồm lực tĩnh

và lực động

Khi nổi cân bằng trên nước tĩnh các thành phần ngoại lực trên

sẽ cân bằng với nhau Tuy nhiên dọc chiều dài tàu các ngoại lực trên phân bố theo các quy luật khác nhau, do đó trước tiên cần phải xác định quy luật phân bố của trọng lượng các tải trọng và lực nổi

*Xác định trọng lượng riêng của vật liệu gỗ:

Trong công nghệ đóng tàu đánh cá thường sử dụng các loại gỗ nhóm II, III và có thể sử dụng gỗ nhóm IV, V cho một số kết cấu không quan trọng

Theo TCVN 1072.71 trọng lượng riêng của gỗ được cho trong bảng sau:

Bảng 3.3 Trọng lượng riêng của gỗ

Nhóm gỗ Khối lượng riêng  ( Kg/dm3 )

II

III

IV

V

VI

0,86 trở lên 0,73  0,85 0,62  0,72 0,55  0,61 0,50  0,54 0,49 trở xuống Căn cứ vào TCVN 1072.71 thì đối với các kết cấu thân tàu được làm từ vật liệu gỗ nhóm II lấy  = 0,85 ( tấn/m3 ), gỗ nhóm III lấy  = 0,72 ( tấn/m3)

Để tính toán sức bền thân tàu ta chọn trường hợp tải trọng tính toán là 100% dự trữ Bởi vì nếu như trong trường hợp tàu có tải trọng lớn nhất mà tàu vẫn làm việc an toàn thì tàu sẽ chịu được mọi tác động của ngoại lực trong quá trình làm việc

Bảng phân bố trọng lượng vỏ tàu không và trọng lượng các tải trọng phân bố trên các khoảng sườn được thể hiện ở các bảng Bảng 3.4 và bảng 3.5 trang sau:

Bảng 3.4 Bảng phân bố trọng lượng tàu không

Bảng 3.5 Bảng phân bố trọng lượng tàu

Từ kết quả bảng tính ta tính trọng tâm tàu theo công thức:





























) 23 ( ) 22 (

) 5 ( ) 4 (

) 23 ( 5 , 9 ) 22 ( 5 , 8

) 5 ( ) 5 , 8 ( ) 4 ( ) 5 , 9 (

L P

x P X

i

i i G

9064,5 0,9 0,127( )

64481

G

Trong đó: P = pi : tổng tải trọng tàu (tấn)

Xi: hệ số cánh tay đòn

L: chiều dài khoảng sườn lý thuyết (m) L = 0,9 (m)

3.4.1.2 Xác định đường cong lực nổi theo chiều dài tàu.

Khi tàu hoạt động trong môi trường nước, tất cả những thành phần ngoại lực tác dụng theo chiều dài tàu là phân bố đều và theo một quy luật tuyến tính Mặt khác áp lực nước tác dụng lên bề mặt

vỏ tàu sẽ thay đổi theo diện tích tiếp xúc và sự thay đổi này được theo định luật Acsimet:

D = .V (tấn)

Trong đó V: thể tích chiếm nước của tàu (m3), được xác định từ đồ thị thuỷ tĩnh của tàu (hình vẽ trang sau)

: Khối lượng riêng của nước (tấn/m3),với nước biển ta có 

=1,025 (tấn/m3)

D: thành phần thẳng đứng của áp lực nước tác dụng lên vỏ tàu (tấn)

Nếu chỉ xét trong phạm vi từng khoảng sườn lý thuyết thì quy luật phân bố của lực nổi b(x) sẽ được xác định theo công thức:

b(x) = .(x).L =  V(x)

b(x) =   





















 



































 





)

1 0 0

0 0

n n

n n

i i

L

L dx





Vì trong phạm vi mỗi khoảng sườn, thể tích phần thân tàu chìm dưới nước được tính gần đúng bằng tích chiều dài khoảng sườn L với diện tích mặt cắt ngang giữa khoảng sườn k nên ta có thể xây dựng công thức tính b(x) gần đúng như trên k được xác định từ đồ thị BonGien có giá trị phụ thuộc vào chiều chìm tàu, xác định theo mớn nước mũi và đuôi

Tỉ lệ bản vẽ M  =0,02m 2 /mm

Hình 3.7 : Đồ thị BonGien

Việc xây dựng quy luật phân bố lực nổi trong phạm vi từng khoảng sườn (theo chiều dài tàu) thực chất là đi tìm đường nước thực tế, tức là xác định vị trí cân bằng dọc của tàu trên nước Để tàu nổi cân bằng thì P = D(điều kiện cân bằng lực) và XG = Xc (điều kiện cân bằng moment) Từ kết quả của bảng phân bố trọng lượng các tải trọng và dựa vào đường cong thuỷ tĩnh (hình 3.2) của tàu xác định mớn nước trung bình Ttb, hoành độ trọng tâm XG, hoành độ tâm nổi XC và một số thông số cơ bản khác của mặt đường nước thực tế của tàu

Nếu XG và XC không nằm trên cùng một đường thẳng đứng thì tàu sẽ bị nghiêng dọc và khi đó phải tìm được đường nước thực

tế của tàu để có thể xác định chính xác sự phân bố lượng chiếm nước dọc theo chiều dài tàu Quá trình xác định đường nước thực

tế của tàu như vậy gọi là quá trình cân bằng dọc tàu

Điều kiện đảm bảo tàu cân bằng dọc là:

























)%

05 , 0 01 , 0 (

)%

5 , 0 1 , 0 (

L

X X

D

D D

C G

i

Trong đó:

D,XG: trọng lượng chiếm nước và hoành độ tâm tàu đang xét

Di, XC: trọng lượng chiếm nước và hoành độ tâm nổi đang tính

Quá trình xác định đường nước thực tế và xác định lực cắt,

moment uốn của tàu chia ra hai trường hợp như sau:

1 Trường hợp tàu nổi trên nước tĩnh.

Từ kết quả tính trọng lượng tàu trong bảng trên, sử dụng đồ

thị đường cong thuỷ tĩnh của tàu ta xác định được các thông số cơ bản như sau:

+ Hoành độ trọng tâm mặt đường nước: XF = - 0,193 (m)

+ Hoành độ tâm nổi : XC = -0,09 (m)

+ Bán kính tâm ổn định dọc : R = 21,6 (m)

+ Mớn nước trung bình : Ttb = 1,574 (m)

+ Hoành độ trọng tâm : XG = 0,127 (m)

Từ các thông số trên ta xác định mớn nước Tm và mớn nước

Tđ của tàu theo các công thức:

Tm = T + Tm = T + tg  T + (L/2 – Xf).

(3 - 13a)

Tđ = T + Tđ = T - tg  T – (L/2 + Xf). (3 - 13b)

Trường hợp XG  XC ta có Md = P(XG – XC) và Md = Mhp



Đường nước lý thuyết

L/2

X c

Hình 3.8: Đường nước thực tế của tàu trên nước tĩnh

 P.Ho. = P.(XG – XC)   =

o

C G

H

X

X  (Ho = R)

Suy ra: Tm = T + Tm = T + (L/2 – Xf).(XG – XC)/R

= 1,574 + (18/2 + 0,193).(0,127+0,09)/21,6 =1,67 (m)

Tđ = T + Tđ = T – (L/2 + Xf).(XG – XC)/R

= 1,574 – (18/2 – 0,193).(0,127 + 0,09)/21,6 = 1,4 85 (m) Vậy: 1,67( )

1, 485( )

m

d





 



Đặt giá trị Tm và Tđ vào đồ thị BonGien

Hình 3.9 Đường nước thực tế của tàu thiết kế trên nước tĩnh

Từ đồ thị trên xác định được diện tích của mặt cắt ngang i trên mặt nước tĩnh như sau:

0 = 0 (m2)

1 = 0 (m2)

2 = 0,34 (m2)

3 = 2,58 (m2)

7 = 5,38 (m2)

8 = 5,46 (m2)

9 = 5,4 6 (m2)

10 = 5,56 (m2)

14 = 4,94 (m2)

15 = 4,58 (m2)

16 = 4,06 (m2)

17 = 3,1 (m2)

4 = 4,0 (m )

5 = 4,98 (m2)

6 = 5,34 (m2)

11 = 5,54 (m )

12 = 5,18 (m2)

13 = 4,16 (m2)

18 = 1,86 (m )

19 = 0,9 (m2)

20 = 0 (m2) Lượng chiếm nước của tàu được xác định theo công thức:

D = .V (tấn)

0

n i

i L





 D =68,675 (tấn)

Ta có bảng tính cân bằng dọc tàu theo bảng sau:

Bảng 3.6 Bảng tính cân bằng dọc tàu trên nước tĩnh

LẦN 1 STT sườn lý thuyết Hệ số tay đòn Diện tích

sườn (m 2 ) (2) x (3)

74.42

(4) =

19.52

D1 = .L.(3) = 68,65 (tấn)

XC1 = M oy

L



(4) (3)

L

 

 = 0,236(m)

Kiểm tra điều kiện:

64,48 68,65

0,44% (0,1 0,5)%

64,48 0,129 0,236

0,05% (0,01 0,05)%

18

i

D D

D

L









Thoả mãn điều kiện cân bằng dọc tàu trong lần tính thứ nhất Vậy tàu thiết kế đảm bảo cân bằng dọc trên nước tĩnh