Phân tích và thiết kế kết cấu một mẫu tàu câu vỏ gỗ khu vực đà nẵng, chương 14 ppsx

Chương 14: 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 m

Chương 14:

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)





















 



































 





)

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:

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

Tđ của tàu theo các công thức:

(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)

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 (m2)

5 = 4,98 (m2)

6 = 5,34 (m2)

11 = 5,54 (m2)

12 = 5,18 (m2)

13 = 4,16 (m2)

18 = 1,86 (m2)

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

sườn (m 2 ) (2) x (3)

74.42

(4) =

19.52

D1 = .L.(3) = 68,65 (tấn)

XC1 = M oy

L



(4) (3)

L

 

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

 Xác định lực nổi, lực cắt và mo ment uốn tàu trên nước tĩnh.

Nội lực xuất hiện trong các khoảng sườn, lực cắt và moment uốn được xác định trong bảng tính sau với các giá trị tính theo các công thức sau









































L

n n

L

L

n n

dx x N x

M

q q

q q

L dx x q x

N

L dx

x x

b

0

) ( ) 1 ( )

1 ( ) 0 ( 0

0

1 1

0

) ( )

(

2

2 2

) ( )

(

2

2 2

) ( )

(3

-14) Hiệu chỉnh:

20

20

) ( 20 ) (

) ( 20 ) (

M i i M

N i i N













Trong đó: (N)20, (M)20: giá trị lực cắt và moment uốn trên nước tĩnh tính tại vị trí sườn 20

N(i), M(i): độ hiệu chỉnh lực cắt và mômen ở sườn thứ i

Bảng tính lực nổi, lực cắt và momen uốn của tàu trên nước

tĩnh ( bảng 3.7)

Bảng 3.7 Bảng tính lực cắt, momen uốn tàu nằm trên nước tĩnh.

trọng, lực cắt và moment uốn tàu trên nước tĩnh như sau:

Biểu đồ phân bố trọng lượng theo khoảng sườn lý thuyết

-2.74-2.86-2.83-2.78-2.82

-3.49-3.22

-2.71-2.46

-3.50 -3.77 -4.43

-3.81 -4.42-4.46

-3.85-3.77

-2.97 -2.25 -1.34

-5.00

-4.50

-4.00

-3.50

-3.00

-2.50

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Biểu đồ phân bố lực nổi trên nước tĩnh theo khoảng sườn

0.00 0.16

1.35 3.04 4.14

4.76 4.94 5.00 5.04 5.08 5.12 4.94 4.77 4.66

4.39 3.99 3.30 2.29 1.27 0.42 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Biểu đồ phân bố trọng tải trên nước tĩnh theo khoảng sườn

2.74 2.70

1.48

-0.26 -1.32-1.27

-1.72 -2.29 -2.57 -1.59-1.35

-0.51 -0.96 -0.24

0.07 -0.13 0.46 0.68 0.98 0.93

-3.00

-2.00

-1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Biểu đồ lực cắt tàu trên nước tĩnh

1.44

4.10

6.19

6.95 6.45 5.49

4.36

2.76

0.78

-0.88

-2.00 -2.63 -3.08 -3.42-3.28-3.10

-2.74 -2.02 -1.07 0.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Biểu đồ Moment trên nước tĩnh

11.63 23.62 38.04 52.30 64.69 74.57

81.30 84.0482.71

78.19 71.51 63.33

53.94

43.93

33.83

23.84

14.52 6.46 0.00 0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Hình 3.10 Biểu đồ phân bố trọng lượng, lực nổi, tải trọng, lực

cắt và moment uốn tàu trên nước tĩnh.

2 Trường hợp tàu nổi trên sóng.

Khi tàu nổi trên sóng, mặt nước quanh tàu không còn cùng một mặt phẳng mà là mặt cong hình dáng Do đó phân bố lực nổi theo chiều dọc tàu cũng thay đổi đồng thời gây tải trọng phụ biến đổi tĩnh dẫn đến sự xuất hiện lực cắt và momen uốn trên sóng

Xét về phương diện độ bền dọc ta nhận thấy hai vị trí nguy hiểm nhất khi tàu nổi trên sóng là khi mặt cắt của tàu nằm trên đỉnh sóng, hoặc tàu nằm trên đáy sóng

Nếu tàu nằm trên đỉnh sóng lực nổi trên đoạn giữa tàu tăng lên và sau đó giảm dần về hai đầu nên thân tàu sẽ bị bẻ cong lên

Ngược lại, nếu tàu nằm trên đáy sóng lực nổi ở giữa nhỏ và tăng dần về hai đầu nên thân tàu sẽ bị uốn cong theo hướng ngược lại (uốn cong xuống) thể hiện như hình vẽ

Trường hợp tàu nằm trên sóng ta có các giả thiết sau:

+ Thân tàu có chiều dài L đặt trên mặt sóng nghĩa là tàu đang chạy cùng hướng với sóng hai chiều và có vận tốc bằng vận tốc sóng Khi đó vận tốc tương đối giữa vỏ tàu và sóng bằng 0 nên một cách gần đúng có thể bỏ qua lực cản nước và lực quán tính trong khi tính

+ Thực tế cho thấy, khi đặt tàu nằm trên sóng có chiều dài 

 = L TK

a) Tàu nằm trên đỉnh sóng

 = L TK

b) Tàu nằm trên đáy sóng

Hình 3.11 Các vị trí nguy hiểm nhất của tàu trên sóng

bằng đúng với chiều dài tàu L thì moment uốn và lực cắt sinh ra sẽ lớn hơn so với khi đặt trên sóng có chiều dài nhỏ hơn Do đó thường chỉ phân tích độ bền chung đối với các sóng có chiều dài bằng chiều dài tàu, còn đối với tàu quá lớn không thể áp đặt sóng

có chiều dài không có trong thực tế thì sẽ chọn sóng có chiều dài thường hay gặp để tính

+ Để đơn giản trong tính toán thường xem sóng biển là sóng điều hoà hình sin hay cos chỉ có dạng hai chiều thể hiện như hình vẽ

Hình 3.12 Biên dạng sóng điều hòa hình sin

Phương trình sóng điều hoà hình sin được viết như sau:

x

h



 



: là tần số góc của sóng:









  2  2 C

C : tốc độ truyền sóng bằng tốc độ tàu (m/s)

: Chiều dài bước sóng;  = LTK = 18 (m)

: tung độ profin sóng tại điểm có hoành độ x

h: chiều cao sóng được xác định theo công thức:



x

: bước sóng









































m khi

m h

m m

khi m

h

m khi

m h

120 )

( 20

120 60

) ( 2 30

60 )

( 1 20













Vì tàu có chiều dài  < 60 m nên ta chọn: 1( )

20

 h = 1,9 (m)

và 2 0,349

 

2



2

h

r  = 0,95(m) là khoảng cách từ điểm A đến tâm đường tròn lăn

Bảng tính vẽ profin sóng:

Bảng 3.8 Giá trị tung độ tương đối của sóng Troxoide theo chiều dài tàu

Sườn lý thuyết

Trên đỉnh

Trên đáy

Sườn lý thuyết

Trên đỉnh

Trên đáy

(Theo Sổ tay kỹ thuật đóng tàu thủy, tập 2, Nhà Xuất bản Khoa học và

Kỹ thuật, trang 20)

Cách xác định profin sóng như hình vẽ sau:

Hình 3.13 Đồ thị sóng tính toán dạng Troxoide



R

r

 Ltk

A