Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va

Nhưng sự cập nhật và thay đổi của các tiêu chuẩn, các quy định cho việc thực hiện thiết kế kết cấu tàu lại phụ thuộc quá nhiều vào thống kê, đây là một vấn đề khó khăn đòi hỏi phải áp dụ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HUỲNH HỮU THÁI LÂM

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN

CỦA KẾT CẤU MẠN ĐÔI TÀU VỎ THÉP SAU

KHI XẢY RA TAI NẠN ĐÂM VA

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KHÁNH HÒA, 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

HUỲNH HỮU THÁI LÂM

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN

CỦA KẾT CẤU MẠN ĐÔI TÀU VỎ THÉP SAU

KHI XẢY RA TAI NẠN ĐÂM VA

LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành đào tạo: Kỹ thuật Cơ khí Động lực

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Huỳnh Hữu Thái Lâm

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3

1.2 Tình hình nghiên cứu 7

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 7

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và nội dung cụ thể 18

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 18

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 19

1.3.3 Mục tiêu 19

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu 19

1.3.5 Nội dung cụ thể 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21

2.1 Lý thuyết va chạm 21

2.1.1 Định nghĩa 21

2.1.2 Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va chạm 22

2.1.2.1 Định lý biến thiên động lượng 22

2.1.2.2 Định lý biến thiên mômen động lượng 23

2.1.2.3 Định lý động năng 23

2.2 Đường cong ứng suất – biến dạng 24

2.3 Tổng quan về vật liệu thép sử dụng trong đóng tàu 25

2.4 Tổng quan các quy định và tiêu chuẩn hiện hành về tai nạn đâm va tàu 27

2.4.1 Các tiêu chuẩn của Vương quốc Anh 27

2.4.2 Đăng kiểm DNV 28

2.4.3 Tiêu chuẩn NORSOK 30

2.5 Các phương pháp giải bài toán đâm va giữa hai tàu 32

2.5.1 Ngoại động lực tàu 32

2.5.2 Nội động lực 35

2.5.2.1 Phương pháp thống kê 35

2.5.2.2 Phương pháp đơn giản hóa 36

2.5.2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 37

2.5.2.4 Phương pháp thực nghiệm 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49

3.1 Kết quả mô phỏng đối với trường hợp va đập của trọng vật lên tấm kết cấu có nẹp gia cường 49

3.2 Mô phỏng tai nạn đâm va giữa mũi tàu và mạn đôi tàu vỏ thép 56

3.2.1 Kịch bản xảy ra tai nạn đâm va 56

3.2.2 Các bước mô hình hóa 59

3.2.3 Kết quả mô phỏng bài toán va chạm giữa mũi tàu vỏ thép với kết cấu mạn đôi của tàu 20.000 DWT bị tai nạn đâm va 68

3.3.2.1 Kết quả mô phỏng trường hợp TH1V11 68

3.3.2.2 Kết quả mô phỏng trường hợp TH2V11 và TH3V11 77

3.3.2.3 Kết quả mô phỏng trường hợp TH1V5, TH2V5 và TH3V5 86

3.3.2.4 Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trường hợp TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 92

3.3.2.5 Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trường hợp TH1’V5 101

3.3 So sánh các kết quả mô phỏng 106

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 109

4.1 Kết luận 109

4.2 Đề xuất 111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

PHỤ LỤC 116

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết

tắt

2 FEM Finite Elemnet Method Phương pháp phần tử hữu hạn

3 CAD Computer Aided Design

4 CAE Computer Aided Engineering

5 CAM Computer Aided Manufacturing

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 2.1 Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường 26

Bảng 2.2 Yêu cấu đối với thép đóng tàu 26

Bảng 2.3 Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 27

Bảng 2.4 Đơn vị SI 43

Bảng 3.1 Các thông số vật liệu cơ bản của tấm kết cấu thép 50

Bảng 3.2 Các giá trị đầu vào của bài toán mô phỏng 51

Bảng 3.3 Ký hiệu các trường hợp tai nạn đâm va 58

Bảng 3.4 Kích thước cụ thể của mô hình mạn tàu 60

Bảng 3.5 Kích thước cụ thể của mô hình hình học mũi quả lê 61

Bảng 3.6 Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 64

Bảng 3.7 Điều kiện biên của mô hình 67

Bảng 3.8 Các thông số ban đầu của bài toán 68

Bảng 3.9 So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V11, TH2V11 và TH3V11 85

Bảng 3.10 So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 90

Bảng 3.11 So sánh năng lượng tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 92

Bảng 3.12 Vị trí phá hủy kết cấu theo độ lõm đâm va và nội năng sau khi kết thúc đâm va tại TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 101

Bảng 3.13 Thông số vật liệu của thép tấm AISI 1045 102

Bảng 3.14 So sánh 2 trường hợp TH1’V5 và TH1V5 106

Bảng 3.15 Tổng hợp các kết quả mô phỏng cho trường hợp có V = 5 hl/h 107

Bảng 3.16 So sánh các kết quả 108

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Sự phát triển của thương mại quốc tế trên đường biển tính theo năm 4

Hình 1.2 Tàu LPG Carrier M/T Gas Roman đâm vào khoang hàng số 4 của tàu M/V Springbok, 2003 5

Hình 1.3 Mật độ các tàu vận chuyển trên biển và các khu vực bị tổn thất 5

Hình 1.4 (a) Tổng tổn thất của các loại tàu năm 2000-2010; (b) Nguyên nhân tổn thất năm 2000-2010 6

Hình 1.5 Hai tàu đâm va nhau ở bên mạn (collision) 7

Hình 1.6 Thực nghiệm của Amdahl và Kavlie 9

Hình 1.7 Mô hình phần tử hữu hạn của Amdahl và Kavlie 9

Hình 1.8 Kết quả phân tích trên máy tính của Amdahl và Kavlie 10

Hình 1.9 Mô hình phần tử trên Abaqus của Kwísniewski 10

Hình 1.10 Kết quả mô phỏng trên Abaqus của Kwísniewski 11

Hình 1.11 Mô hình phần tử được chia lưới đạt (a) và kết quả sau khi tác động (b) 12

Hình 1.12 So sánh kết quả giữa thử nghiệm và phần mềm 12

Hình 1.13 (a) Mô hình mạn tàu chở hàng và (b) mũi quả lê tàu chở dầu 13

Hình 1.14 (a) Mớn nước thay đổi của hai tàu, (b) 04 trường hợp giả sử cho kịch bản đâm va và (c) kết quả 14

Hình 1.15.(a) Mô hình một phần kết cấu vỏ sà lan và (b) kết quả sau khi mô phỏng 15

Hình 1.16 Các mẫu trong thực nghiệm 16

Hình 1.17 Máy thử va đập 17

Hình 1.18 Trọng vật 17

Hình 1.19 So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu 17

Hình 2.1 Đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất – biến dạng 24

Hình 2.2 Mối quan hệ giữa độ bền và năng lượng tiêu hao 29

Hình 2.3 Sự phân bố năng lượng sau khi đâm va 32

Hình 2.4 Các chuyển động của tàu thủy 33

Hình 2.5 Hệ tọa độ dùng để phân tích của Zhang 35

Hình 2.6 Đơn giản hóa kết cấu mũi tàu chở dầu 2.000 tấn, Kierkegaard, 1993 37

Hình 2.7 Mô phỏng tai nạn đâm va tàu bằng FEM của Kitamura 38

Hình 2.8 Rời rạc hóa miền khảo sát 40

Hình 2.9 Mô hình hóa: (a) Mô hình hình học và (b) Mô hình phần tử 44

Hình 2.10 Công tác chuẩn bị thực nghiệm đâm va tàu ở Đức (1988) 47

Hình 2.11 Thực nghiệm đâm va tàu theo điều kiện thực ở Phần Lan (1998) 48

Hình 3.1 Mô hình hình học mẫu bị va đập 49

Hình 3.2 Mô hình hình học mẫu va đập 49

Hình 3.3 Mô hình phần tử của mô hình 50

Hình 3.4 Điều kiện biên mô phỏng 50

Hình 3.5 Kết quả mô phỏng giữa trọng vật và tấm có nẹp gia cường đều có thể biến dạng 51

Hình 3.6 Kết quả biến dạng sau mô phỏng của tấm có nẹp gia cường 52

Hình 3.7 Hình ảnh mô phỏng mẫu vật va đập, (a) Trạng thái ban đầu; (b) trạng thái sau khi va đập 52

Hình 3.8 Vị trí để đo chuyển vị của tấm có nẹp gia cường (a) và trọng vật (b) 53

Hình 3.9 Biểu đồ chuyển vị của tấm gia cường 54

Hình 3.10 Biểu đồ chuyển vị của trọng vật 54

Hình 3.11 Biểu đồ năng lượng của cả quá trình va đập 55

Hình 3.12 Biểu đồ vận tốc của tấm gia cường và trọng vật 56

Hình 3.13 Kịch bản tai nạn đâm va 57

Hình 3.14 Trường hợp 1: Hai đối tượng có cùng mớn nước T  = 0 57

Hình 3.15 Trường hợp 2: Hai đối tượng có sự chênh lệch mớn nước T  =1.800mm 58

Hình 3.16 Trường hợp 3: Hai đối tượng có sự chênh lệch mớn nước  T =3.900mm 58

Hình 3.17 Một số kết cấu chính mạn đôi vỏ thép tại Sườn 144 59

Hình 3.18 Mô hình hình học mạn tàu 20.000 DWT (a) Tổng thể và (b) kết cấu bên trong 60

Hình 3.19 Mô hình hình học mũi quả lê là vật rắn tuyệt đối 61

Hình 3.20 Mô hình hình học mũi quả lê có thể biến dạng 61

Hình 3.21 Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va là vật tuyệt đối cứng 62

Hình 3.22 Mô hình phần tử mũi quả lê của tàu đâm va có thể biến dạng 62

Hình 3.23 Mô hình phần tử mạn tàu 20.000 DWT 63

Hình 3.24 Đường cong lực và độ dãn dài của mẫu thép cấp A 12 mm 64

Hình 3.25 Chiều dày vỏ ngoài của mạn đôi tàu bị đâm va 65

Hình 3.26 Đặt thuộc tính và gán chiều dày chi tiết cho mạn đôi tàu bị đâm va 66

Hình 3.27 Dầm đơn chịu tải trọng tập trung giữa dầm 67

Hình 3.28 Toàn cảnh mô hình trước khi xảy ra va chạm trong TH1V11 68

Hình 3.29 Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V11 69

Hình 3.30 Toàn cảnh bên ngoài mô hình sau khi kết thúc va chạm ở TH1V11 69

Hình 3.31 Toàn cảnh bên trong mô hình sau khi kết thúc va chạm ở TH1V11 70

Hình 3.32 Mặt cắt ngang tại sườn 144 (a); kết cấu bên trong (b) với điểm A1 và B1 có độ lõm bằng 0 ở TH1V11 71

Hình 3.33 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 (a); kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 911 mm và B1 = 283 mm trong TH1V11 72

Hình 3.34 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 (a) và kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 1877 mm và B1 = 1011 mm trong TH1V11 73

Hình 3.35 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 (a) và kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 2487 mm và B1 = 1990 mm trong TH1V11 74

Hình 3.36 Độ lõm đâm va tại điểm A1 và điểm B1 của TH1V11 75

Hình 3.37 Đường cong độ lõm do va chạm và vận tốc va chạm của mô hình 75

Hình 3.38 Đường cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm do va chạm của mô hình trong TH1V11 76

Hình 3.39 Hình dạng mô hình trước khi xảy ra va chạm ở (a) TH2V11 và (b) TH3V11 77

Hình 3.40 Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH2V11(a) và TH3V11(b) 78

Hình 3.41 Độ lõm ban đầu của kết cấu tại mặt cắt ngang sườn 144 và kết cấu bên trong với điểm A2 và điểm A3 bằng 0 mm tương ứng trong TH2V11 (a) và TH3V11 (b) 79

Hình 3.42 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang sườn 144 và kết cấu bên trong với điểm A2 = 1185 mm với TH2V11 (a) và A3 = 1911 mm với TH3V11 (b) 80

Hình 3.43 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 và kết

cấu bên trong tại điểm A2 = 2011mm của TH2V11 (a) và A3 = 2436mm của

TH3V11 (b) 81

Hình 3.44 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 và kết cấu bên trong tại điểm A2 = 2412 mm của TH2V11 (a) và A3 = 2887 mm của TH3V11 (b) 82

Hình 3.45 Đường cong vận tốc va chạm tại điểm A2 của TH2V11 83

Hình 3.46 Đường cong vận tốc đâm va tại điểm A3 của TH3V11 83

Hình 3.47 Đường cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm đâm va của mô hình tại điểm A2 của TH2V11 84

Hình 3.48 Đường cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm đâm va của mô hình tại điểm A3 của TH3V11 85

Hình 3.49 Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V5(a), TH2V5(b) và TH3V5 (c) 87

Hình 3.50 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 và kết cấu bên trong với điểm tại TH1V5 (a), TH2V5 (b) và TH3V5 (c) 88

Hình 3.51 Đường cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5 89

Hình 3.52 Đường cong vận tốc va chạm tại A2 của TH2V5 89

Hình 3.53 Đường cong vận tốc va chạm tại A3 của TH3V5 90

Hình 3.54 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH1V5 91

Hình 3.55 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A2 của TH2V5 91

Hình 3.56 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A3 của TH3V5 92

Hình 3.57 Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1V5F(a), TH2V5F(b) và TH3V5F (c) 93

Hình 3.58 Biến dạng tôn vỏ ngoài: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F; (c) TH2V5F và (d) TH3V5F 94

Hình 3.59 Biến dạng kết cấu bên trong: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F; (c) TH2V5F và (d) TH3V5F 95

Hình 3.60 Ứng suất vỏ ngoài mũi quả lê: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F; (c) TH2V5F và (d) TH3V5F 96

Hình 3.61 Ứng suất kết cấu bên trong mũi quả lê: (a) Trạng thái ban đầu; (b) TH1V5F; (c) TH2V5F và (d) TH3V5F 97

Hình 3.62 Độ lõm đâm va tại các điểm A1, A2, A3 tương ứng M1, M2, M3 97

Hình 3.63 Quan hệ giữa độ lõm đâm va tại các điểm A1, A2, A3 và M1, M2, M3 tại ba trường hợp TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 98

Hình 3.64 Đường cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5F 98

Hình 3.65 Đường cong vận tốc va chạm tại A2 của TH2V5F 99

Hình 3.66 Đường cong vận tốc va chạm tại A3 của TH3V5F 99

Hình 3.67 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH2V5F 100

Hình 3.68 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A2 của TH2V5F 100

Hình 3.69 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A3 của TH3V5F 101

Hình 3.70 Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1’V5(a) và TH1V5(b) 103

Hình 3.71 Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sườn 144 và kết cấu bên trong với điểm tại TH1’V5 (a) và TH1V5 (b) 103

Hình 3.72 Đường cong vận tốc va chạm tại A1’ của TH1’V5 104

Hình 3.73 Đường cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5 105

Hình 3.74 Đường cong động năng và nội năng tại A1’ của TH1’V5 105

Hình 3.75 Đường cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH1V5 106

Hình 3.76 Biểu đồ tổng hợp độ lõm đâm va tại các trường hợp (đơn vị mm) 107

Hình 3.77 Biểu đồ tổng hợp nội năng đối với các trường hợp (đơn vị MJ) 108

Hình 4.1 Sự lan truyền ứng suất trong trường hợp TH2V5 110

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế mạnh để ngành hàng hải Việt Nam phát triển, cùng với nhu cầu phát triển chung của ngành kinh tế vận tải biển ngày càng tăng, kéo theo đội tàu biển tăng cả về số lượng cũng như về tổng dung tích Theo Tổng Công ty Hàng hải Việt Nam (Vinalines), tính đến tháng 3 năm 2014, đội tàu biển của Vinalines gồm 116 chiếc với tổng tải trọng lên đến 2,5 triệu DWT và có xu hướng phát triển mạnh trong thời gian tới [13] Nhưng

đâm va tàu chiếm tới trên 80% các vụ tai nạn hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt Nam [9] Tai nạn đâm va thường đem đến những hậu quả rất thảm khốc, ngoài việc gây thiệt hại về con người và tài sản, tai nạn đâm va có thể dẫn đến hủy hoại môi trường, ảnh hưởng đến cuộc sống của con người

Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của các vụ tai nạn đâm va tàu, đòi hỏi sự phát triển các quy định và các yêu cầu về phân cấp và thiết kế kết cấu tàu Nhưng sự cập nhật và thay đổi của các tiêu chuẩn, các quy định cho việc thực hiện thiết kế kết cấu tàu lại phụ thuộc quá nhiều vào thống kê, đây là một vấn đề khó khăn đòi hỏi phải áp dụng nhiều nghiên cứu thực nghiệm để dự báo các tai nạn, các rủi ro trong quá trình vận hành tàu Trong nghiên cứu của đề tài này sẽ đề cập đến một khía cạnh của vấn đề

đó, với việc phân tích mô phỏng quá trình đâm va mạn tàu (ship collision) với kết cấu

tàu đã được mô hình hóa, sẽ dự báo được các hiện tượng xảy ra đối với kết cấu tàu trong và sau quá trình này

Nhằm mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời ứng dụng máy tính vào nghiên cứu mô phỏng độ bền kết cấu tàu do va đập, vấn đề này đối với nghiên cứu thực nghiệm rất khó thực hiện vì phụ thuộc vào quá nhiều điều kiện

Do đó, tôi đã mạnh dạn đề xuất với Khoa Kỹ thuật Giao thông, trường Đại học Nha

Trang thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu mạn

đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va”

Luận văn được bố cục thành 4 Chương:

Chương 1 Tổng quan nghiên cứu

Chương 2 Cơ sơ lý thuyết

Chương 3 Kết quả nghiên cứu

Chương 4 Kết luận và Đề xuất

Mặc dù đã rất cố gắng tìm hiểu và nghiên cứu, nhưng đây là lần đầu độc lập thực hiện một công trình mang tính tổng hợp và nghiên cứu khoa học, với kiến thức bản thân còn hạn chế, tài liệu tham khảo chưa đầy đủ và chủ yếu dịch từ các tài liệu nước ngoài nên khó tránh khỏi những sai sót

Rất mong được quý Thầy và đồng nghiệp góp ý chân thành để luận văn được hoàn thiện hơn

Nhân dịp này, cho phép tôi được bày tỏ lời cảm ơn chân thành đối với TS.Huỳnh Văn Vũ đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu, cùng quý Thầy trong khoa Kỹ thuật Giao thông, trong bộ môn Kỹ thuật Tàu thủy, cùng Lãnh đạo Cơ quan, bạn bè và gia đình đã động viên và hỗ trợ tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Khánh Hòa, ngày 07 tháng 01 năm 2015

Học viên

Huỳnh Hữu Thái Lâm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Lịch sử đã và đang khẳng định vận tải biển là ngành có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự phát triển và giữ vị trí quan trọng hàng đầu trong nền kinh tế toàn cầu Theo

thống kê năm 2012 của IMO (International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải

quốc tế), ngành kinh tế vận tải biển đang chiếm hơn 90% lưu chuyển thương mại hàng

hóa toàn cầu [14], ngành vận tải biển là một cấu thành quan trọng bậc nhất của hệ thống hạ tầng kinh tế, hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của mỗi quốc gia Lịch sử phát triển các quốc gia hàng đầu thế giới như Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Hoa

Kỳ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, … đều có sự đóng góp to lớn của ngành vận tải biển

Các đại dương rộng lớn trên thế giới hiện đang đón nhận ngày càng nhiều loại tàu biển với rất nhiều kích cỡ khác nhau và hoạt động tấp nập suốt ngày đêm Các trung tâm hàng hải có mật độ vận chuyển dày đặc nhất thế giới có mặt tại khắp tất cả đại dương và vùng biển lớn Từ các trung tâm này, đội tàu thế giới vận chuyển hàng hóa đến tất cả các nước và vùng lãnh thổ trên thế giới Cùng với các loại hình vận tải khác như hàng không, đường sắt, đường bộ, đường ống, thì ngành vận tải biển đã đảm nhận vai trò luân chuyển các loại hàng hóa vừa có khối lượng và dung tích lớn, vừa có khoảng cách xa như: dầu thô và các sản phẩm hóa dầu, quặng sắt, than đá, ngũ cốc, quặng kim loại, gỗ, xi măng, thép sản phẩm, phân bón, nông sản, đường,… do các tàu dầu và tàu hàng khô đủ các kích cỡ đảm nhận

Trong tương lai, ngành hàng hải thế giới tiếp tục phát triển các loại tàu khách, tàu du lịch cỡ lớn đưa khách đến các vùng biển đẹp, cũng như các tàu phá băng để khai thác những vùng biển nhiều tài nguyên ở hai cực Trái đất

Thống kê của UNCTAD (United Nations Conference On Trade And

Development – Hội nghị Thương mại và Phát triển Liên hiệp quốc) đánh giá về ngành

hàng hải năm 2010, theo đó, tổng lượng hàng hóa chuyên chở đối với các loại tàu là

8.408 triệu tấn, trong đó chuyên chở dầu (Oil tanker) chiếm 32,7%, hàng tổng hợp

(Main bulk carrier) chiếm 27,7% và các loại hàng khô khác (Other dry cargo) chiếm

39,6% [16].

Hình 1.1 Sự phát triển của thương mại quốc tế trên đường biển tính theo năm [16]

Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thế giới trên tất cả các lĩnh vực, trong đó, lĩnh vực hàng hải cũng có những bước tiến vượt bậc Mặc dù, các thiết bị điện tử và máy móc hiện đại liên tục được nâng cấp và sử dụng trong việc điều khiển, mở rộng tầm nhìn khi lái tàu, phát hiện các mục tiêu, mối nguy hiểm ở khoảng cách xa,… nhưng tai nạn hàng hải vẫn xảy ra do đâm va hoặc các sự cố liên quan gây hậu quả chết người, mất tích, bị thương, thiệt hại đối với hàng hóa, hành lý, tài sản trên tàu, cầu cảng và các công trình, thiết bị khác, làm cho tàu bị hư hỏng, chìm đắm, phá hủy, cháy nổ, mắc cạn hoặc gây ô nhiễm môi trường làm đảo lộn cuộc sống đối với người dân sống ven biển

Hình 1.2 Tàu LPG Carrier M/T Gas Roman đâm vào khoang hàng số 4 của tàu M/V

Springbok, 2003 [38]

Theo số liệu thống kê của cơ quan Đăng kiểm Anh LR (Lloyd’s Register) từ

năm 2000 đến năm 2010, tổng thiệt hại về hàng hóa của các tàu chở hàng chiếm trên 50%, đại diện cho 20% số lƣợng tàu trên thế giới Nguyên nhân thiệt hại, theo số liệu thống kê của Cơ quan an toàn hàng hải Châu Âu [16], giai đoạn từ năm 2007-2010 chỉ

có 6% các vụ tai nạn ở Châu Âu liên quan đến tai nạn chìm tàu, tai nạn đâm va và mắc cạn là tai nạn phổ biến hơn tới 71% các vụ tai nạn trong vùng biển châu Âu Trên thế giới, giai đoạn từ năm 2000-2010, nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến các thiệt hại chủ yếu là tai nạn chìm tàu chiếm tới 49%; đâm va chiếm 12%; còn các nguyên nhân

do thân tàu, máy móc chỉ chiếm khoảng 2%

Hình 1.3 Mật độ các tàu vận chuyển trên biển và các khu vực bị tổn thất [16]

(a) (b)

Hình 1.4 (a) Tổng tổn thất của các loại tàu năm 2000-2010; (b) Nguyên nhân tổn thất

năm 2000-2010 [16]

Nước ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế

đây của Cục Hàng hải Việt Nam, tai nạn đâm va chiếm tới trên 80% các vụ tai nạn hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt Nam [9] Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của các tai nạn đâm va tàu, đòi hỏi sự phát triển các quy định và các yêu cầu về phân cấp

và thiết kế kết cấu tàu, đây là một vấn đề khó khăn, đòi hỏi áp dụng nhiều nghiên cứu kết hợp với khả năng dự báo các rủi ro sẽ xảy ra bằng các phương pháp khác nhau, trong đó nghiên cứu mô phỏng là hướng lựa chọn chủ yếu hiện nay

Nhằm mục đích củng cố và mở rộng kiến thức chuyên môn, đồng thời ứng dụng máy tính vào nghiên cứu mô phỏng độ bền kết cấu tàu do va đập, tác giả đã

mạnh dạn thực hiện đề tài nghiên cứu: “Nghiên cứu đánh giá độ bền của kết cấu

mạn đôi tàu vỏ thép sau khi xảy ra tai nạn đâm va” Ngoài việc đánh giá độ bền

của kết cấu mạn đôi tàu sau tai nạn đâm va qua mô phỏng trên mô hình lựa chọn, kết quả nghiên cứu còn cho biết được khả năng chịu đựng và hình dạng của kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép sau tai nạn đâm va, từ đó có thể đưa ra các biện pháp cải tiến về kết cấu cũng như vật liệu phù hợp hơn

Hình 1.5 Hai tàu đâm va nhau ở bên mạn (collision)

1.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Năm 2011, Miguel Angel Gonzales Calle, Marcilio Alves [29] đã tổng hợp các nghiên cứu về tai nạn đâm va giữa hai tàu bằng phương pháp phân tích FEM, như sau:

- Nghiên cứu đầu tiên đối với một mô phỏng tai nạn đâm va tàu, sử dụng phương pháp FEM được thực hiện vào năm 1992 bởi Lenselink và Thung, bằng cách

mô phỏng một tai nạn đâm va dựa trên một thử nghiệm va đập theo đúng thực tế của tai nạn, có phương vuông góc nhau, một mô hình biến dạng ba chiều thô sơ được tạo

ra gần khu vực va chạm và mô hình còn lại được xem như vật tuyệt đối cứng Các lực cản của nước được trang bị bởi 26 bộ giảm sốc, với một lực ngang được xem như tương đương với vận tốc, gắn lên tàu bị đâm va, đây là một mô hình phá hủy vật liệu, kết quả mô phỏng tương đương với thực nghiệm khi các vết nứt bắt đầu xuất hiện Năm 1995, Carlebur đã phát triển một mô hình và cũng dựa trên các thực nghiệm tương tự

- Cũng vào năm 1995, Porter và Ammerman đã mô phỏng một vụ tai nạn đâm

va tàu và đánh giá dựa trên bốn chế độ vận tốc đâm va khác nhau từ 5 đến 15m/s, nhưng kết quả mô phỏng không xé rách được thân tàu Một năm sau năm 1996, Ammerman và Daidola đã phát triển một mô hình FEM tương tự với tai nạn đâm va

tàu để so sánh với phương pháp của TSAMC (Tanker Structural Analysis for Minor

Tàu đâm va

(Striking ship)

Tàu bị đâm va

(Struck ship)

Collisions) và phương pháp Minorsky

Mặc dù, đã có những nỗ lực, nhưng các mô hình phần tử hữu hạn hấp thụ nhiều năng lượng hơn so với các mô hình khác, hai khó khăn chủ yếu trong mô hình đầu tiên

đó là thiếu đi một mô hình phá hủy tương xứng (các kết cấu bị biến dạng lớn không bị

xé rách) và đánh giá thấp các lực thủy động trong một vụ va chạm Vào năm 1959, Minorsky đã đề nghị tăng thêm 40% khối lượng do lực cản thủy động, nhưng có một

số nhà nghiên cứu lại đề nghị khác, chẳng hạn như năm 1966, Motora đã đưa ra khối lượng bổ sung tăng hơn 150%

- Năm 1999, Servis và Samuelides đã mô phỏng tai nạn đâm va với mạn tàu của tàu Ro-Ro bằng một mũi quả lê được xem như cứng tuyệt đối sử dụng phương pháp FEM Để đánh giá mô phỏng này, hai mô hình thực nghiệm được tạo ra để so sánh Đầu tiên là một mũi tàu tạo bởi hai cạnh đâm va vào một bên của sàn gia cường, và thứ hai, một mũi tàu quả lê đâm va vào một tấm gia cường, các giá trị đã được xem xét

và đánh giá là đúng so với thực nghiệm Ngoài ra, Servis và Samuelides đã phát triển thành một phương pháp phân tích số - thực nghiệm với sự va chạm giữa mũi quả lê với hai trường hợp, một trường hợp tàu đứng yên và một trường hợp tàu thả trôi tự do để

mô phỏng thủy động

- Vào năm 2000, Brown và các công sự đã trình bày một bản tóm tắt các trình

tự nhằm công nhận dự báo rủi ro là có căn cứ khoa học, dự báo trạng thái của kết cấu trong một vụ tai nạn đâm va tàu, nhằm ngăn chặn sự cố tràn dầu và giảm thiểu sự thiệt hại của kết cấu

- Cũng vào năm 2000, Kitamura O đã phát triển các phân tích FE để đánh giá

sự cải thiện về khả năng hấp thụ năng lượng khi giới thiệu một hệ thống đệm chống va cho mũi quả lê Thiết kế thay đổi về hình thức và gia cường thêm cho mũi quả lê đã được xem xét và đánh giá, độ bền tới hạn và năng lượng hấp thụ của mũi tàu và mạn tàu được đưa ra đánh giá dựa trên kết quả mô phỏng Sau đó vào năm 2002, Kitamura

đã mô phỏng một vụ tai nạn đâm va sử dụng mô hình FE bao gồm 720.000 phần tử Các phương pháp mô phỏng đã chỉ ra một số yếu tố không chắc chắn liên quan đến phương pháp phân tích đơn giản

Ngoài ra, còn một số nghiên cứu gần giống với đề tài, cụ thể:

1) Năm 2002, nghiên cứu mô phỏng thiệt hại trong tai nạn đâm va tàu của K.Wísniewski [24]

Để kiểm chứng cho vấn đề mô phỏng, K.Wísniewski đã sử dụng thực nghiệm của Amdahl và Kavlie về va đập của một vật cứng hình côn với một mô hình cụm kết cấu thân tàu mạn kép, Amdahl và Kavlie cũng đã phân tích và so sánh kết quả thực nghiệm trên máy tính và có kết quả (xem Hình 1.7, 1.8, và 1.9)

Hình 1.6 Thực nghiệm của Amdahl và Kavlie [24]

Hình 1.7 Mô hình phần tử hữu hạn của Amdahl và Kavlie [24]

Hình 1.8 Kết quả phân tích trên máy tính của Amdahl và Kavlie [24]

Dựa vào kết quả đó, K.Wísniewski đã mô phỏng tai nạn đâm va của một mũi tàu Container 40.000 DWT đâm vào một bên mạn của tàu dầu 105.400 DWT một góc

900 với vận tốc 7 knots (3,6 m/s), mũi tàu đƣợc mô hình hóa nhƣ một vật tuyệt đối cứng Mục đích nghiên cứu của K.Wísniewski là sử dụng phần mềm ABAQUS/Explicit để xem xét, đánh giá mức độ phá hủy kết cấu dựa các thông số: mô hình vật liệu, hệ số ma sát với sự tiếp xúc giữa các tàu và vận tốc ban đầu của tàu đâm

va Và kết quả đạt đƣợc nhƣ sau:

Hình 1.9 Mô hình phần tử trên Abaqus của Kwísniewski [24]

Hình 1.10 Kết quả mô phỏng trên Abaqus của Kwísniewski [24]

2) Năm 2003, trong nghiên cứu của Wu [37], đã đề xuất phương pháp phần tử hữu hạn là một công cụ mạnh mẽ để đánh giá tai nạn đâm va tàu Wu dự báo, việc ứng dụng mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn sẽ được nghiên cứu nhiều trong thời gian đến, Wu cho rằng với sự phát triển rất nhanh của công nghệ máy tính và khả năng ứng dụng của các phần mềm mô phỏng phân tích các bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là lựa chọn khả thi

3) Năm 2006, O Ozgue [31], cho rằng mô phỏng tai nạn đâm va giữa hai tàu vẫn còn đối mặt với một số khó khăn trong việc cung cấp các kết quả chưa đáng tin cậy Độ chính xác của các kết quả mô hình số phụ thuộc nhiều vào việc khai báo đúng hiện tượng xảy ra và phải kiểm soát cẩn thận một số thông số quan trọng như tiêu chuẩn phá hủy, phi tuyến tính, loại phần tử, hệ số ma sát, và sự chia mịn lưới phần tử

Do đó, Ozgue đã thực hiện các một nghiên cứu nhằm đánh giá các thông số va chạm trên và cung cấp các hướng dẫn để thực hiện các bài toán mô phỏng khi sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn, sau đây là kết quả của nghiên cứu này:

Ozgue đã sử dụng một mô hình thử của ISSC (International Ship and Offshore

Structures Congress) làm chuẩn, nó bao gồm đầy đủ các chi tiết và thông số để ứng

dụng cho công cụ phần tử hữu hạn Mô hình thử của ISSC được Hiệp hội cải tiến kết

cấu của Công nghiệp đóng tàu Nhật Bản (Association of Structural Improvement of

Shipbuilding Industry of Japan) thực hiện việc thử nghiệm, một trong các thử nghiệm

là một mô hình kết cấu thép mạn đôi bị đâm va bởi một mô hình mũi quả lê Trong thử nghiệm đó, mô hình mũi quả lê được mô hình là hình trụ côn, được rơi tự do từ độ cao 4,8m với vận tốc va đập là 9,7m/s Và kết quả như trong Hình 1.11 và Hình 1.12

(a)

(b)

Hình 1.11 Mô hình phần tử được chia lưới đạt (a) và kết quả sau khi tác động (b)[31]

Hình 1.12 So sánh kết quả giữa thử nghiệm và phần mềm [31]

Ozgue đã có nhận xét: Giữa thực nghiệm và ứng dụng phần mềm FEM tương đương nhau [31] Từ đó Ozgue đã thực hiện một nghiên cứu mô phỏng cho một mạn

tàu chở hàng loại Capsizes bị đâm va bởi một mũi quả lê thuộc loại tàu chở dầu

Aframax được xem như tuyệt đối cứng Và Ozgue đã đưa ra 4 trường hợp giả sử cho

kịch bản tai nạn đâm va, và kết quả như Hình 1.13 và Hình 1.14:

(a) (b)

Hình 1.13 (a) Mô hình mạn tàu chở hàng và (b) mũi quả lê tàu chở dầu [31]

(a)

Trường hợp 1

mềm đáng tin cậy và các khai báo các thông số phù hợp thì có thể giải quyết các vấn

đề kỹ thuật phức tạp

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các nghiên cứu về tai nạn đâm va trong nước chưa có nhiều, chủ yếu

là các nghiên cứu đánh giá các tai nạn ôtô, như: N.K Huân [4] đã nghiên cứu xác định biến dạng của khung xương ô tô chở khách Transico K46 bị lật và rơi xuống sàn thấp bằng phần mềm Solidwork và ANSYS nhằm kiểm tra độ bền của khung xương ô tô khách; N.Q Anh [1] đã nghiên cứu cơ sở khoa học và thực nghiệm để xác định độ bền, độ cứng vững của khung vỏ ô tô nhằm đảm bảo an toàn cho người và xe khi xe chịu tác động của va chạm trực diện, đề xuất các kiến nghị cho nhà sản xuất để hoàn thiện kết cấu khung vỏ

N.Q Thái [8] đã thực hiện một mô hình thí nghiệm ảo một phần của vỏ sà lan chịu tác động của vật va chạm trên máy tính (xem Hình 1.15)

Hình 1.15.(a) Mô hình một phần kết cấu vỏ sà lan và (b) kết quả sau khi mô phỏng [8]

Dựa vào các kết quả tính toán, có thể xác định được sức chịu đựng và hình dạng khi phá hủy của kết cấu khi bị đâm va, từ đấy, đưa ra các biện pháp cải tiến về mô hình

và vật liệu của kết cấu để được phù hợp hơn [8]

Tuy nhiên, mô phỏng chưa được xác nhận lại tính tương đương với thực tế, có thể thực hiện kiểm tra cơ tính thép tấm, hoặc làm một thực nghiệm va đập một tấm thép thật đơn giản, và đo lại các thông số, sau đó mô phỏng lại để xác nhận tính tin cậy của phần mềm Kết quả trên còn mang tính mô phỏng thuần túy nên chưa được tin cậy

Năm 2014, Đ.T.Q Tánh [6] đã thực hiện một thực nghiệm và mô phỏng trên phần mềm Abaqus/Explicit nhằm đánh giá độ bền va đập của trọng vật lên tấm có nẹp gia cường kết cấu thân tàu

Việc thực nghiệm được tiến hành trên máy thử va đập, ở Khoa Kỹ thuật Giao thông, trường Đại học Nha Trang với ba loại mẫu thử là các tấm được gia cường bởi

các nẹp gia cường là các thanh Flatbar (FB) được ký hiệu là SP-FB (Stiffened Plate

Flatbar), thép chữ L được ký hiệu là SP-LB (Stiffened Plate L-Bar) và thép chữ T

được ký hiệu là SP-TB (Stiffened Plate T-Bar) có hình dáng mặt cắt ngang (xem Hình

1.17) Các mẫu thí nghiệm chịu tác dụng của trọng vật rơi tự do từ độ cao định sẵn Sau khi quá trình va đập kết thúc, các giá trị biến dạng của tấm kết cấu (chuyển vị, hình dạng) sẽ được thu thập một cách chính xác bằng hình ảnh và dụng cụ đo

MẪU SP-TB

Tấm kết cấu: 560x560x3 Nẹp gia cường: T120x60x3 Khoảng cách nẹp: 140mm

Hình 1.16 Các mẫu trong thực nghiệm [6]

Hình 1.17 Máy thử va đập [6] Hình 1.18 Trọng vật [6]

Thực hiện các bước, có kết quả thực nghiệm và mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS/Explicit, như sau:

Hình 1.19 So sánh hình ảnh giữa thực nghiệm và mô phỏng mẫu [6]

Từ các kết quả từ thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính nói lên rằng kết quả sai lệch vẫn tồn tại khi so sánh giữa hai mẫu tương ứng, mặc dù đã có nhiều cố gắng

trong quá trình chế tạo mẫu vật, do vật liệu được sử dụng để chế tạo mẫu vật là thép và dùng phương pháp hàn để gắn các chi tiết lại với nhau thành mẫu vật Ngoài ra, với chiều dày 3 mm, các mẫu vật sẽ bị cong vênh sau khi hàn, gây khá nhiều khó khăn trong quá trình gắn mẫu vật vào máy thử va đập, đo đạc số liệu cũng như so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng Tuy nhiên có thể khẳng định là kết quả mô phỏng là đúng đắn bởi vì độ chính xác của cơ tính vật liệu đạt được thông qua việc thử kéo thực

tế, các điều kiện biên, điều kiện ban đầu được thiết lập là đúng Các kết quả của mô hình phân tích kết cấu thép, có thể được xem xét, phân tích trên thực tế, áp dụng vào việc tính toán và hoàn thiện các kết cấu chịu va đập, có thể thực hiện trên quy mô của một kết cấu lớn hơn, khi đảm bảo được các thông số đầu vào là điều kiện biên và điều kiện ban đầu [6]

Nghiên cứu của Đ.T.Q Tánh chỉ giới hạn thực nghiệm va đập và mô phỏng lại giữa một vật được xem là tuyệt đối rắn (trọng vật) với mẫu vật thử nghiệm là vật có thể biến dạng sau va đập, chưa mở rộng mô phỏng cho sự va đập giữa hai vật đều có thể biến dạng Vấn đề này sẽ được nghiên cứu trong đề tài này và kết quả trình bày ở mục 3.1

1.3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và nội dung cụ thể

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng là tàu hàng tổng hợp 20.000 DWT, được phân cấp bởi Đăng kiểm

Việt Nam (VietNam Register Class) là đối tượng nghiên cứu, giả định bị một tàu khác

đâm vào một bên mạn Thông số chính của tàu như sau:

Hình 1.20 Mô hình kết cấu 3D phần mạn tàu Hình 1.21 Mô hình 3D

mũi quả lê

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Bài toán tai nạn đâm va giữa hai tàu là một bài toán rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố, mặc khác, thời gian nghiên cứu còn hạn chế Do đó, trong luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu mô phỏng tai nạn đâm va được giả định giữa hai tàu bị đâm

va đại diện là một tổng đoạn mạn đôi tàu hàng tải trọng 20.000 DWT, được mô hình hóa bằng phần tử tấm mỏng, đứng yên, bị mũi tàu dạng quả lê (lựa chọn biên dạng của tàu 20.000 DWT), được mô hình hóa như vật tuyệt đối cứng, có vận tốc ban đầu là V0, đâm va một góc 900

Theo kịch bản tai nạn đâm va được trình bày cụ thể tại mục 3.2.1

1.3.3 Mục tiêu

- Thực hiện mô phỏng tai nạn đâm va giữa mũi tàu có dạng quả lê được mô hình như vật tuyệt đối cứng với kết cấu mạn đôi tàu vỏ thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn

- Đánh giá sơ bộ độ bền của mạn đôi tàu vỏ thép sau tai nạn đâm va, từ đó so sánh kết quả động năng tiêu hao của phương pháp phần tử hữu hạn với hai phương pháp khác

1.3.4 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết các mục tiêu cụ thể trên, trong luận văn này sẽ sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với nghiên cứu mô phỏng bằng công cụ phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm thương mại Abaqus/Explicit

1.3.5 Nội dung cụ thể

Như vậy, để giải quyết được phạm vi và mục tiêu nghiên cứu đặt ra cho luận văn này, cần nghiên cứu giải quyết lần lượt những nội dung cụ thể sau:

Nội dung 1: Tổng quan nghiên cứu

- Tổng quan về tai nạn đâm va tàu

- Tổng kết được những kết quả của các công trình nghiên cứu trước đây

Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết

- Tìm hiểu về lý thuyết đâm va và các phương pháp tính toán hiện nay

- Thực hiện mô hình hóa các kết cấu mạn tàu và các bước phân tích bài toán va chạm

Nội dung 3: Kết quả nghiên cứu

Kết quả mô phỏng va chạm giữa mũi tàu va vào mạn đôi tàu hàng vỏ thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm

Nội dụng 4: Kết luận và đề xuất

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết va chạm

2.1.1 Định nghĩa

Va chạm là một quá trình động lực học đặc biệt trong đó vận tốc của vật biến đổi rõ rệt về cả độ lớn và phương chiều trong một thời gian va chạm vô cùng bé, thường bằng 10-2, 10-3 giây hoặc 10-4 giây [3]

- Vận tốc và gia tốc [3]: theo định nghĩa thì vận tốc của vật thay đổi đột ngột

và do đó lượng biến đổi vận tốc Δv của vật trong thời gian va chạm là giới nội Mặt khác theo giả thuyết thời gian đâm va là vô cùng bé nên gia tốc trung bình va chạm wtb

= Δv/  là đại lượng rất lớn Trong đó  là thời gian va chạm

Nếu gọi l là đoạn đường dịch chuyển trong thời gian va chạm của vật thì:

Vì t là đại lượng vô cùng bé nên l cũng là đại lượng vô cùng bé Để đơn giản

người ta đưa ra giả thuyết trong quá trình va chạm cơ hệ không di chuyển vị trí

- Lực và xung lực khi đâm va [3]

Khi va chạm ngoài các lực như trọng lực, lực cản,… vật còn chịu tác dụng của phản lực nơi tiếp xúc (lực tác dụng tương hỗ) Chính lực này là nguyên nhân tạo nên gia tốc chuyển động của vật trong quá trình va chạm, không tồn tại trước và sau va chạm

Vì gia tốc trong va chạm là rất lớn nên lực va chạm N cũng rất lớn Thông

thường lực va chạm lớn hơn rất nhiều so với lực thường F Mặt khác lực va chạm lại biến đổi rất rõ trong thời gian va chạm  vô cùng nhỏ nên thường đánh giá qua xung lực

Áp dụng định lý biến thiên động lượng cho hệ trong thời gian va chạm, có thể viết:

Trong đó, xung lực của lực thường 

Giai đoạn biến dạng trong thời gian t1 từ lúc bắt đầu va chạm cho đến khi vật

thôi biến dạng Giai đoạn hồi phục kéo dài trong thời gian t2 từ khi kết thúc giai đoạn biến dạng đến khi lấy lại hình dạng ban đầu đến mức độ nhất định tùy thuộc vào tính chất đàn hồi của vật Căn cứ vào mức độ hồi phục của vật, có thể chia thành 3 loại:

+ Va chạm mềm là va chạm mà sau giai đoạn biến dạng vật không có khả năng hồi phục tức là không có giai đoạn hồi phục

+ Va chạm hoàn toàn đàn hồi là va chạm mà sau khi kết thúc va chạm vật lấy lại nguyên hình dạng ban đầu

+ Còn va chạm không hoàn toàn đàn hồi là va chạm mà sau khi kết thúc va chạm vật lấy lại một phần hình dạng ban đầu

2.1.2 Các định lý tổng quát của động lực học áp dụng vào va chạm

Căn cứ vào các giả thuyết và phương trình cơ bản có thể thiết lập các định lý tổng quát trong quá trình va chạm như sau [3]:

2.1.2.1 Định lý biến thiên động lượng

Xét va chạm của một hệ gồm các chất điểm m1, m2,…, mn có khối tâm c và vận

tốc vc Gọi khối lượng của hệ là

k S

Nếu bỏ qua xung lượng của lực thường thì định lý biến thiên động lượng cho hệ được viết:

i k

n k c

V

1 )

1 ( )

2

Trong đó Vc(2) và Vc(1) là vận tốc khối tâm của hệ sau và trước khi va chạm

2.1.2.2 Định lý biến thiên mômen động lượng

Tách một chất điểm thứ k trong hệ là mk để xét Có thể viết biểu thức biến thiên mômen động lượng của chất điểm như sau:

k e

k k

k k

ku m v m s m s m

Thiết lập cho cả hệ:

k e

k k

k k

ku m m v m s m s m

 0 là mômen có xung lực va chạm ngoài đối với tâm O, sẽ được:

 e k n

k c

1 0)

1 ( ) 2

Nếu gọi lượng biến thiên động năng là ΔEđ thì rõ ràng:

ΔEđ = Eđ1 – Eđ2 > 0 (2.9)

Trong đó Eđ1 và Eđ2 là động năng của hệ ngay trước và sau va chạm Lượng mất

mát động năng ΔE phụ thuộc vào nhiều yếu tố: trạng thái chuyển động, tính chất cơ lý

của vật

Với bài toán tàu đâm va có khối lượng là MB di chuyển với tốc độ ban đầu là V0đâm va vào một bên mạn của tàu bị đâm va có khối lượng là MA, sau đâm va cả hai tàu dính nhau và cùng di chuyển với tốc độ là V Công thức (2.4) được viết lại như sau:

(MA + MB).V = MB.V0 (2.10)

Từ công thức (2.9), ta có:

ΔEđ 02 ( ) 2

2

1 2

1

V M M V

2

1

V M M

M M

B A

B A



Công thức (2.12) có thể được dùng để đánh giá động năng mất đi sau khi va chạm

2.2 Đường cong ứng suất – biến dạng

Vật liệu dưới tác dụng của ngoại lực sẽ thay đổi hình dạng và kích thước mà không mất đi sự liên kết bền chặt, khả năng cho phép thực hiện một quá trình biến dạng dẻo được coi là một đặc tính quan trọng của kim loại Để làm sáng tỏ quá trình biến dạng của kim loại, sử dụng thí nghiệm kéo đơn giản Dưới tác dụng của lực kéo, mẫu kéo liên tục bị kéo dài cho đến khi bị kéo đứt, trong thí nghiệm kéo với các thiết

bị phù hợp, có thể đo được lực kéo và độ dãn dài tương ứng, từ đó xác định ứng suất

và biến dạng theo các mối quan hệ sau [33]:

0 l

l l l





Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất và độ dãn dài tương đối  gọi

là đường cong ứng suất – biến dạng

Hình 2.1 Đường cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất – biến dạng [33]

Xét trạng thái của kim loại khi biến dạng có thể chia đường cong ứng suất – biến dạng thành các vùng sau [33]:

- Vùng biến dạng đàn hồi:

Khi lực kéo còn nhỏ mẫu chỉ biến dạng đàn hồi, đặc trưng của giai đoạn này là khi thôi tải trọng, mẫu lại phục hồi trở lại chiều dài ban đầu, trong vùng này tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất  và biến dạng  tuân theo định luật Hooke:



Môđun đàn hồi E đặc trưng cho thuộc tính đàn hồi của vật liệu dưới tác dụng

của ứng suất pháp, vùng biến dạng đàn hồi được giới hạn bởi giới hạn đàn hồi YS

+ Khu vực biến cứng (Strain hardening region)

Trong khu vực này nếu thôi tải trọng thì mẫu không phục hồi được chiều dài ban đầu mà vẫn bị dãn dài ra một đoạn, kể từ khi đặt tải cho đến khi tải trọng đạt giá trị lớn nhất, mẫu bị kéo dài ra nhưng tiết diện của mẫu hầu như giảm đồng đều trên suốt chiều dài mẫu, ứng suất ứng với tải trọng lớn nhất trong khu vực này biểu hiện tại

điểm tới hạn (Ultimate Strength)

+ Khu vực co thắt cục bộ (Necking region)

Qua giai đoạn dãn đồng đều hay qua điểm tới hạn, mẫu sẽ bị co thắt cục bộ dẫn

đến mất ổn định và phá hủy (Fracture)

2.3 Tổng quan về vật liệu thép sử dụng trong đóng tàu

Thép đóng tàu thường là thép cacbon, chứa từ 0,15% đến 0,23% cacbon cùng lượng mangan cao Hai thành phần gồm lưu huỳnh và phốtpho trong thép đóng tàu phải thấp nhất, dưới 0,035% Từ năm 1959, các cơ quan Đăng kiểm đã đồng ý tiêu chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng trong ngành này, trên cơ sở đảm bảo chất lượng Theo tiêu chuẩn đã được chấp nhận, có năm cấp

thép, từ kỹ thuật bằng tiếng Anh là grade, chất lượng khác nhau, đó là cấp A, B, C, D

và E Thép cấp B được dùng tại những vùng nhạy cảm, những nơi yêu cầu tấm có chiều dày lớn Theo cách ghi trong Quy phạm do Đăng kiểm Việt Nam đưa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “Phân loại thép” Mục 3.1.2, Phần 7A, Tập 5 [5] Những yêu cầu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường:

Bảng 2.1 Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thường [5]

(N/mm2)

Giới hạn bền (N/mm2)

Độ giãn dài (%)

xuất tại USA (United State American), như: Hệ thống phân loại quan trọng nhất của

Mỹ là AISI (American Iron and Steel Istitute), theo hệ thống này, cấp thép được thể

hiện bằng bốn chữ số, trong đó hai số đầu chỉ loại thép, hai số cuối chỉ phần vạn lượng hợp chất chính yếu Ví dụ: AISI 1040 chỉ thép cacbon, chứa 0,4% cacbon

Trong nghiên cứu này, sẽ sử dụng loại vật liệu được thử nghiệm bởi các phòng thử nghiệm được cơ quan đăng kiểm, hiệp hội vật liệu, cơ khí quốc tế ủy quyền thực hiện thử nghiệm các vật liệu

Thép đóng tàu NK (Nippon Kaiji Kyokai) cấp A, được Viện Nghiên cứu Chế

tạo Tàu thủy, trường Đại học Nha Trang thử nghiệm [12] Thông số vật liệu như sau:

Bảng 2.3 Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A [12]

2.4 Tổng quan các quy định và tiêu chuẩn hiện hành về tai nạn đâm va tàu

Vốn dĩ kết cấu tàu được thiết kế đã dư bền, có một số chuyên gia thiết kế tàu cho rằng trong trường hợp xảy ra tai nạn, chẳng hạn như tai nạn đâm va giữa hai tàu thì vấn đề dư bền đó còn tồn tại không, độ bền của các kết cấu tàu có đủ khả năng chống đỡ lại sự phá hủy không Các quy định hàng hải, các bộ luật, các tiêu chuẩn và quy định phân cấp của các cơ quan Đăng kiểm, cũng giống như thế đều ưu tiên dư bền, hơn là đi xác định cụ thể độ bền dự phòng hay độ ổn định dự phòng, miễn sao khi xảy

ra phá hủy, tàu sẽ không chìm Sau đây, sẽ giới thiệu về một số quy định và tiêu chuẩn

có đề cập đến tai nạn đâm va tàu đang được sử dụng thông dụng:

2.4.1 Các tiêu chuẩn của Vương quốc Anh

Trước đây, khi xuất bản phiên bản số 4, trong Bản hướng dẫn của Bộ Năng lượng vương quốc Anh đã đề cập nhiều đến các kết cấu công trình biển, yêu cầu thiết

kế kết cấu có thể chống lại sự đâm va của các tàu thuyền neo đậu với năng lượng đâm

va được lấy bằng 0,5 MJ, áp dụng cho các thiết kế của đệm chống va Tuy nhiên, khi đệm chống va không được trang bị, thì các kết cấu yêu cầu phải được thiết kế để có thể chịu được mức năng lượng 0,5 MJ [21]

Để có căn cứ so sánh, xét thêm các yêu cầu cơ quan Đăng kiểm DNV - Nauy

(Det Norske Veritas), đã đưa ra khoảng năng lượng từ 11-14 MJ được tính toán dựa

vào một kịch bản đâm va điển hình, khi mà một tàu rơi vào sự cố mất điện không điều khiển được bánh lái, với ảnh hưởng của sóng làm cho tàu đâm vào giàn khoan Tuy nhiên, các điều khoản của Đăng kiểm DNV chỉ đưa ra các giả thuyết phải gia cường

thêm kết cấu tại các khu vực nguy hiểm của tàu và sự cân bằng năng lượng hấp thụ đối với sự phá hủy kết cấu tàu Điều này được hiểu rằng trong một số trường hợp kết cấu

có khả năng chịu được sự đâm va chỉ với 1 MJ

Mặc dù có sự khác nhau giữa tiêu chuẩn Anh và Nauy, nhưng vẫn có sự chênh lệch, giá trị năng lượng 0,5 MJ là khá thấp nên nếu tai nạn đâm va xảy ra thì kết cấu tàu khó có khả năng chống lại Do đó, Đăng kiểm Anh LR đã phối hợp với Bộ Năng lượng Anh thực hiện một sự đánh giá dựa trên 10 báo cáo về thiệt hại kết cấu tàu do tai nạn đâm va gây ra, các kết quả được đưa ra trong Bản hướng dẫn của Bộ Năng lượng vương quốc Anh tái bản lần thứ 4, trong đó, đề nghị năng lượng hấp thu của kết cấu tối thiểu phải đạt 4 MJ, trừ khi có nghiên cứu khác về tai nạn đâm va và có kết quả cụ thể

để chứng minh giá trị năng lượng thấp hơn Nếu các tàu nằm trong giới hạn khối lượng

từ 3.500 tấn đến 5.000 tấn, thì năng lượng hấp thu phải được giới hạn theo công thức sau [21]:

thêm do lực cản thủy động (hydrodynamic added mass) và tốc độ của con tàu (speed of

ship) tại thời điểm đâm va Tùy thuộc vào cách thức, một phần của động năng có thể

vẫn còn tồn tại sau khi đâm va, phần còn lại được hấp thụ thành năng lượng để gây biến dạng kết cấu Nói chung, có mối liên quan đến biến dạng và các thiệt hại kết cấu khác của cả hai đối tượng đâm va và bị đâm va Năng lượng biến dạng được tính toán

từ các mối quan hệ giữa lực và biến dạng giữa hai đối tượng, trong đó, các biến dạng của đối tượng bị đâm va được đánh giá theo các yêu cầu về biến dạng dẻo và ổn định

Để dễ dàng xem xét việc tiêu hao năng lượng biến dạng trong các công trình, Đăng kiểm DNV đã chia thành 3 cấp độ khác nhau:

- Cục bộ (local cross-section);

- Phân đoạn (sub-structure);

- Toàn bộ hệ thống (Total system)