Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày chi tiết kết cấu vỏ đến sức bền chung của tàu vỏ thép

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tổng quan về vấn đề nguyên cứu Thân tàu là một cấu trúc phức tạp trong đó gồm nhiều thành phần kết cấu như đáy, mạn, vách ngăn, sàn, đà ngang và các dầm dọc.. K

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

NHA TRANG - NĂM 2012

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC BẢNG iv

Lời mở đầu 1

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1.1 Tổng quan về vấn đề nguyên cứu 2

1.2 Phạm vi nguyên cứu đề tài 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Tính độ bền tới hạn bằng phương pháp phần tử hữu hạn 5

2.1.2 Mô hình tính 5

2.2 Giới thiệu về tàu tính toán 8

2.2.1 Các thông số chính 8

2.2.2 Bố trí chung 9

2.3 Trình tự bài toán phân tích độ bền tới hạn 11

2.3.1 Mô hình hóa 11

2.3.2 Phân tích bằng Abaqus CAE 17

2.3.3 Xử lý kết quả phân tích: 19

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGUYÊN CỨU 22

3.1 Kết quả mô hình hóa 22

3.2 Kết quả phân tích 23

3.4 Kết quả thay đổi chiều dày tấm đến độ bền tới hạn 24

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 38

4.1 Đối với phần tole đáy trong 38

4.2 Đối với phần tole đáy ngoài 39

4.4 Đối với phần tole két mạn 40

4.5 Đối với phần tole két hông 41

Tài liệu tham khảo 44

PHỤ LỤC 45

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hinh 1.1: Tàu bị phá hủy ở vị trí giữ tàu 2

Hình 1.2: khu vực tàu bị phá hủy 3

Hình 1.3: Đồ thị tương quan giữa Moment uốn và góc xoay 3

Hình 2.1: Mô hình tính của Chen 5

Hình 2.2: Mô hình tính của Kutt 5

Hinh 2.3: Mô hình tính của Pei 6

Hình 2.4: Mô hình tính của Qi 6

Hình 2.5: Mô hình tính của Harada 7

Hình 2.6: Mô hình tính 7

Hình 2.7: Kết quả tính 8

Trong đề tài này, chỉ tính toán cho trường hợp tàu nằm dưới đáy sóng 8

Hình 2.8: Tàu hàng khô 56000 DWT được đóng tại Hyundai-Vinashin 9

Hình 2.9: Mô hình hóa kết cấu sườn giữa tàu 10

Hình 2.10: Mô hình tính toán trong MSC Patran 12

Hình 2.11: Cơ sở tính toán chuyển vị ban đầu: 13

Hình 2.12: Mô hình tính sau khi nhập vật liệu và chuyển vị ban đầu trong MSC Patran 14

Hình 2.13: Mô hình tính nhập vào Abaqus CAE từ tập tin INP 15

Hình 2.14: Mô hình sau khi đặt ngàm hai đầu 15

Hình 2.15: Điều kiện hai gối 16

Hình 2.16: Đặt lực và Moment 16

Hình 2.17: Mô hình tính toán hoàn chỉnh trong Abaqus CAE 17

Hình 2.18: Chọn chế độ tính toán FEM phi tuyến 17

Hình 2.19: Chọn số bước tính toán 18

Hình 2.20: Thiết lập xuất giá trị ứng suất và biến dạng 18

Hình 2.21: Thiết lập xuất giá trị moment và góc xoay 19

Hình 2.22: Mẫu sau khi phân tích xong 19

Hình 2.23: Khu vực chuyển vị 20

Hình 2.24: Chọn giá trị RM và UR 20

Hình 2.25: Đồ thị sau khi phân tích 21

Hình 3.1 Kết quả mô hình hóa trong MSC Patran 22

Hình 3.2: Mẫu hoàn chỉnh trong Abaqus trước khi phân tích 23

Hình 3.3: Ứng suất Von-Mises 23

Hình 3.4: Đồ thị sau khi phân tích và giá trị tới hạn 23

Hình 3.5: Đồ thị mẫu 1 25

Hình 3.6: Đồ thị mẫu 2 25

Hình 3.7: Đồ thị mẫu 3 26

Hình 3.8: Đồ thị mẫu 4 26

Hình 3.9: Đồ thị mẫu 5 27

Hình 3.10: Đồ thị mẫu 6 27

Hình 3.11: Đồ thị mẫu 7 29

Hình 3.12: Đồ thị mẫu 8 29

Hình 3.13: Đồ thị mẫu 9 31

Hình 3.14: Đồ thị mẫu 10 31

Hình 3.15: Đồ thị mẫu 11 33

Hình 3.16: Đồ thị mẫu 12 33

Hình 3.17: Đồ thị mẫu 13 35

Hình 3.18: Đồ thị mẫu 14 35

Hình 3.19: Đồ thị mẫu 15 37

Hình 3.20: Đồ thị mẫu 16 37

Hình 4.1: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày tấm 38

Hình 4.2: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày tấm ngoài 39

Hình 4.3: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày mạn 40

Hình 4.4: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày két mạn 41

Hình 4.5: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày két hông 42

Hình 4.6: Đồ thị giá trị tới hạn thay đổi chiều dày tole két đỉnh mạn 42

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1: Điều kiện biên 7

Bảng 2.2: Thông số cơ bản của sườn giữa tàu 11

Bảng 2.3: Thông số ứng suất chảy của thép AH32 12

Bảng 2.4: Thông số biến dạng ban đầu tấm tole boong 14

Bảng 3.1: Thay đổi chiều dày của tole đáy trong 24

Bảng 3.2: Thay đổi chiều dày của tole mạn 28

Bảng 3.3: Thay đổi chiều dày của tole đáy ngoài 30

Bảng 3.4: Thay đổi chiều dày của tole két mạn 32

Bảng 3.5: Thay đổi chiều dày của tole két hông 34

Bảng 3.6: Thay đổi chiều dày của tole két đỉnh mạn 36

Bảng 4.1 Kết quả thay đổi độ dày tấm đáy trong [từ bảng 3.1] 38

Bảng 4.2: Kết quả thay đổi độ dày tấm đáy ngoài [từ bảng 3.3] 39

Bảng 4.3: Kết quả thay đổi độ dày tấm mạn [từ bảng 3.2] 39

Bảng 4.4: Kết quả thay đổi độ dày tole két mạn [từ bảng 3.4] 40

Bảng 4.5: Kết quả thay đổi độ dày tole két hông [từ bảng 3.5] 41

Bảng 4.6 Kết quả thay đổi độ dày tole két đỉnh mạn [từ bảng 3.6] 42

Lời mở đầu

Đóng tàu là một ngành công nghiệp phát triển rất mạnh trên thế giới hiện

nay Đặc biệt ở nước ta trong những năm gần đây phát triển mạnh nhất trong các

ngành công nghiệp nặng, với sự ra đời và phát triển của nhiều nhà máy đóng tàu lớn

tầm cỡ quốc tế Có được điều đó là do nó có được những thuận lợi đặc biệt là nước

ta có bờ biển dài và có nhiều cảng nước sâu thuận tiện cho giao thông vận tải đường

biển trong nước và quốc tế

Tàu được đóng với kinh phí không nhỏ do đó độ bền thân tàu là một trong

những vấn đề được quan tâm để tàu hoạt động lâu dài và an toàn Với sự phân công

và lựa chọn trong học kỳ cuối của khóa hoc 2008-2012 em được thực hiện đề tài tốt

nghiệp " nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày chi tiết kết cấu vỏ đến sức bền chung

của vỏ tàu thép" Được sự hướng dẫn của Thầy Huỳnh Văn Vũ nội dung thực hiện

của đề tài gồm những nội dung sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả nguyên cứu

Chương 4: Kết luận

Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu với sự hướng dẫn rất tận tình của Thầy

Huỳnh Văn Vũ em đã hoàn thành được đề tài đúng thời gian Em xin chân thành

cảm ơn Thầy và các quý Thầy trong bộ môn Kỹ Thuật Giao Thông đã giúp đễ và

tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Nha Trang ngày 02 tháng 06 năm 2012 Sinh viên thực hiện

Lê Vinh

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tổng quan về vấn đề nguyên cứu

Thân tàu là một cấu trúc phức tạp trong đó gồm nhiều thành phần kết cấu như đáy, mạn, vách ngăn, sàn, đà ngang và các dầm dọc

Trong điều kiện làm việc bình thường, thân tàu chịu tải trọng nhỏ hơn tải trọng giới hạn của tàu thiết kế Khi đó kết cấu thân tàu hoạt động chịu tải bình thường Trong điều kiện làm việc không như ý muốn như sóng gió, tải trọng, lên hàng, xuống hàng, lớn hơn tải trọng thiết kế thì kết cấu thân tàu bị phá hủy

Hình 1.1 cho thấy một trường hợp tàu tàu container 4149 TEU MSC Napoli gặp nạn do gió to và sóng lớn và được đăng tải vào ngày 18 tháng 1 năm 2007 trên một kênh của Anh Quốc

Hinh 1.1: Tàu bị phá hủy ở vị trí giữ tàu Khi tải trọng tăng quá tải trọng thiết kế thì cấu trúc của tàu mất ổn định ở phần bị nén và dẻo ở phần bị kéo Khi tải tiếp tục tăng lên thì tàu tiếp tục bị nén và khi tàu chịu dựng đến mức độ tới hạn thì phần kết cấu dọc của tàu bị phá hủy

Trong điều kiện biển động, tùy vào điều kiện tải trong tác dụng lên thân tàu

mà thân tàu có độ bền tới hạn khác nhau Như vậy trong điều kiện đó được chia thành hai trường hợp: Tàu ở đỉnh sóng nghĩa là phần mất ổn định xảy ra ở dáy tàu

và tàu ở đáy sóng nghĩa là phần mất ổn định xảy ra ở boong tàu Sau đây là hình minh họa trường hợp tàu nằm ở đáy sóng

Hình 1.2: khu vực tàu bị phá hủy Trong đó:

M: là mô men uốn theo chiều dọc

.

k l

  là góc xay

k: bán kính tâm xoay

l: khoảng cách giữa hai sườn đang xét

Khi đó, moment uốn được biểu diễn như hình:

Hình 1.3: Đồ thị tương quan giữa Moment uốn và góc xoay

Qua đồ thị xác định được giá trị moment tới hạn của tàu đang xét và tất cả các giá trị thể hiện sự tương quan bằng một đường cong Qua đó dự đoán được khi nào tàu đang xét sẽ bị phá hủy

1.2 Phạm vi nguyên cứu đề tài

Đã có nhiều công trình nguyên cứu được công bố về việc xác định độ bền tới hạn của tàu vỏ thép bằng phương pháp này Trong đó phần áp dụng phần mềm phần

tử hữu hạn Abaqus CAE được áp dụng khá nhiều Trong để tài này mô hình tính toán độ bền tới hạn của tàu thép được sử dụng Bằng công cụ Abaqus để phân tích

và xử lý kết quả tính toán

Đồng thời, bằng cách thay đổi chiều dày của các tấm thép ở vị trí trên boong, mạn, dáy tàu để bước đầu xác định được mối quan hệ giữa thông số chiều dày tấm

và độ bền tới hạn của tàu

Kết quả đề tài được trình bày trong chương 2, 3, 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tính độ bền tới hạn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.2 Mô hình tính

Có nhiều phương pháp xác định độ bền tới hạn của một con tàu FEM là một trong những phương pháp mạnh để làm được điều đó Nhiều tác giả đã công bố phương pháp nguyên cứu xác định độ bền tới hạn của tàu bằng phương pháp FEM Sau đây là một vài ví dụ:

Chen và cộng sự năm 1983 là những người đầu tiên công bố áp dụng phương pháp FEM phi tuyến để phân tích sự phá hủy Thông qua mô hình thể hiện các phần

tử trực giao với nhau mang tính chất đàn hồi và lực tác dụng lên các phần tử tự do của mô hình Các phần tử được thể hiện trên 1+1/2 khoang tàu

Hình 2.1: Mô hình tính của Chen

Kutt và cộng sự năm 1985 đã đánh giá sức bền dọc của bốn loại tàu khác nhau và sử dụng phương pháp phi tuyến USAS của cục đăng kiểm Mĩ ABS Qua kết quả tính toán của các mẫu đã phân tích khi thay đổi một vài thông số như biến dạng dẻo, độ dày và chiều dài của mẫu thử Mô hình tính của Kutt như sau:

Hình 2.2: Mô hình tính của Kutt

Pei và Fujikubo năm 2005 đã lựa chọn phương pháp phân tích mới đó là ISUM phân tích sự sụp đổ của của dầm tàu theo theo chiều uốn dọc thân tàu

Hinh 2.3: Mô hình tính của Pei

Qi và Cui (2005a, 2005b, 2006) đã đề xuất phương pháp nguyên cứu tiên tiến AM và tìm ra được giá trị cuối cùng khi tàu nguyên vẹn hay phá hủy trong tường thời điểm tàu chịu uốn theo chiều dọc Cả ba phương pháp AM, FEM, ISUM được lựa chọn tính trên các mô hình và so sánh cho ra những kết quả khác nhau:

Hình 2.4: Mô hình tính của Qi Harada và Shigemi năm 2007 có được giá trị tới hạn của sức bền thân tàu khi xét ở hai trường hợp là tàu nằm trên đỉnh sóng và tàu nằm trên đáy sóng Phần tính toán là mặt cắt ngang giữa tàu điển hình và lựa chọn phương pháp tính là phân tích phi tuyến FEM Mô hình tính toán được dựng trên MSC/Marc

Hình 2.5: Mô hình tính của Harada

Qua các kết quả trên chọn mô hình tính cho đề tài phân tích như sau: chọn

mô hình tính gồm ba sườn ở vị trí giữa tàu, với phần phân tích ở sườn giữ, hai sườn liền kề được kéo dài như điều kiện biên của bài toán Với điều kiện biên như sau:

Bảng 2.1: Điều kiện biên

Chuyển vị U1=0; U2=0; U3=0 U1≠0; U2=0; U3=0;

Góc xoay UR1=0; UR2≠0; UR3=0 UR1=0; UR2≠-0; UR3=0

Hình 2.6: Mô hình tính Hình trên phần nối dài là hai sườn có thuộc tính vật liệu cứng hơn phần tính Phần tính thể hiện giá trị biến dạng ban đầu phần trên boong của mẫu đang xét và phần giới hạn của hai phần này chính là đà ngang của tàu

Phần gối đỡ bên tay trái là phần gối cứng còn bên phải là là phần gối tựa nên bên gối này có thêm chuyển vị góc xoay

Sau khi phân tích xong thì sẽ cho kết quả là đồ thị trên đó xác định được giá trị tới hạn của moment uốn mà tại đó tàu bắt đầu phá hủy

Hình 2.7: Kết quả tính Trong đề tài này, chỉ tính toán cho trường hợp tàu nằm dưới đáy sóng

2.2 Giới thiệu về tàu tính toán

2.2.1 Các thông số chính

Chiều dài lớn nhất: L(OA) : 187, 8 m

Chiều dài hai trụ : L(PP) : 180 m

2.2.2 Bố trí chung

Hình 2.8: Tàu hàng khô 56000 DWT được đóng tại Hyundai-Vinashin

- Tàu có 5 khoang hàng, được bố trí theo khoảng sườn như sau:

- Mặt cắt ngang đặt trưng của tàu tính toán: dựa vào số liệu và kết cấu của

bản vẽ xây dựng được mặt cắt ngang như sau:

Hình 2.9: Mô hình hóa kết cấu sườn giữa tàu

Chia khoảng cách giữa hai sườn khỏe là năm phần tử Do đó độ dài của các phần

tử khi ta chia là 492 (mm) Do đó khoảng có 3 khoảng sườn khỏe nên ta được 15 phần tử theo chiều dài của mẫu Mặc khác khoảng cách giữa hai dầm trên boong la

772 (mm) ta chia ra bốn phần tử

Do đó mô hình kết cấu thực dùng để tính toán trong MSC Patran là:

Hình 2.10: Mô hình tính toán trong MSC Patran

Vật liệu: đóng tàu la thép AH32 có:

Hệ số poison:  =0.3

Ứng suất chảy y=315 (MPa)

Modun đàn hồi Young E=207000 (N/mm2

)

Bảng 2.3: Thông số ứng suất chảy của thép AH32

Biến dạng ban đầu:

Tính biến dạng ban đầu của tấm boong Trên thực tế khi hàn các chi tiết lại với nhau thì tất cả các tấm đều biến dạng Nhƣng ở đây xét biến dạng ban đầu của của tấm trên boong để phân tích Theo [2] tính nhƣ sau:

Hình 2.11: Cơ sở tính toán chuyển vị ban đầu:

207000

3155

,17

3,772

=1,72

y i

Sau khi tính toán đƣợc bảng chuyển vị sau:

Bảng 2.4: Thông số biến dạng ban đầu tấm tole boong

Từ mô hình hoàn chỉnh ở MSC Patran nhƣ hình 2.8 xuất tập tin có định dạng INP để nhập vào Abaqus CAE và tiến hành đặt thêm điều kiện biên Sau khi nhập mẫu vào Abaqus có dạng nhƣ sau:

Hình 2.13: Mô hình tính nhập vào Abaqus CAE từ tập tin INP

Đặt ngàm hai đầu:

Hình 2.14: Mô hình sau khi đặt ngàm hai đầu Đặt điều kiện cho hai gối:

Hình 2.15: Điều kiện hai gối Đặt moment lên hai gối:

Hình 2.16: Đặt lực và Moment Sau khi đặt xong điều kiện đƣợc mô hình tính nhƣ sau:

Hình 2.17: Mô hình tính toán hoàn chỉnh trong Abaqus CAE

2.3.2 Phân tích bằng Abaqus CAE

Trước khi phân tích thiết lập các giá trị tính toán như sau:

Trong mục Step chọn chế độ phân tích phi tuyến là Static, Rits

Hình 2.18: Chọn chế độ tính toán FEM phi tuyến

Tiếp theo ở mục Step ta thiết lập số bước chạy là 100

Hình 2.19: Chọn số bước tính toán Thiết lập các giá trị đầu ra của bài toán gồm các giá trị sau:

Hình 2.21: Thiết lập xuất giá trị moment và góc xoay

2.3.3 Xử lý kết quả phân tích:

Kết quả mô hình tính dạng Von-Mises

Hình 2.22: Mẫu sau khi phân tích xong

Tấm chuyển vị trên boong theo hình Sin

Hình 2.23: Khu vực chuyển vị Chọn mối quan hệ giữa moment và góc xoay:

Hình 2.24: Chọn giá trị RM và UR

Đồ thị sau khi phân tích và giá trị tới hạn moment uốn là: Mu= 5.80E+12 N.mm

Hình 2.25: Đồ thị sau khi phân tích

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGUYÊN CỨU

3.1 Kết quả mô hình hóa

Qua xây dựng và phân tích các mẫu được kết quả tính toán Tàu được chia thành các trường hợp khác nhau để phân tích Tổng cộng các mẫu gồm có 16 mẫu tương ứng 16 trường hợp với chiều dày khác nhau ở vị trí tấm khác nhau

Xét trường hợp thứ nhất là các kích thước để giống bản vẽ Chọn trường hợp này làm chuẩn để so sánh với các trường hợp tiếp theo Kết quả mô hình hóa của trường hợp này như sau:

Mô hình hóa mauchuan1:

Hình 3.1 Kết quả mô hình hóa trong MSC Patran

Hình 3.2: Mẫu hoàn chỉnh trong Abaqus trước khi phân tích

3.4 Kết quả thay đổi chiều dày tấm đến độ bền tới hạn

Để biết được sự ảnh hưởng của chiều dày đến độ bền kết cấu cần phải thay đổi lần lượt chiều dày của từng tấm và từng vị trí khác nhau Như thế ta thu được lần lượt các giá trị tới hạn của phần đang xét khác nhau và đưa ra nhận xét của sự thay đổi ảnh hưởng đến bộ bền chung của tàu

Với ký kiệu tấm của khổ tole như hình 2.9 thay đổi chiều dày tấm như bảng sau:

Bảng 3.1: Thay đổi chiều dày của tole đáy trong

stt tấm mẫu 1 mẫu 2 mẫu 3 mẫu 4 mẫu 5 mẫu 6

Tương ứng với mõi trường hợp thay đổi độ dày tole ta nhận được kết quả khác nhau về độ bền tới hạn Và tương ứng với mõi lần thay đổi thì ta có đồ thị khác nhau

Hình 3.5: Đồ thị mẫu 1

Hình 3.6: Đồ thị mẫu 2

Hình 3.7: Đồ thị mẫu 3

Hình 3.8: Đồ thị mẫu 4

Hình 3.9: Đồ thị mẫu 5

Hình 3.10: Đồ thị mẫu 6