Nghiên cứu tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể

Được sự phân công nghiên cứu về độ bền kết cấu tàu thủy với đề tài: “Nghiên cứu tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” do PGS.TS Trần Gia Thái hướng dẫn thực h

NGUYỄN QUỐC BẢO

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO MÔ HÌNH TỔNG THỂ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH ĐĨNG TÀU THỦY

GVHD: PGS.TS TRẦN GIA THÁI

Nha Trang, 07/2013

KHOA KỸ THUẬT GIAO THƠNG



MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 0

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 8

1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 8

1.2.1 Mục tiêu 8

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 9

1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 9

1.3 THỰC TRẠNG HIỆN NAY 9

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP 14

2.1.1 Các ngoại lực tác dụng lên tàu 14

2.1.2 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nước 14

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 15

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN 17

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU 18 2.4.1 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép 18

2.4.2 Kiểm tra độ bền theo giá trị mô-men giới hạn 19

2.4.3 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng 19

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 20

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU TÍNH TOÁN 20

3.1.1 Các thông số chính 20

3.1.2 Các đặc điểm kết cấu tàu tính toán 20

3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH 21

3.2.1 Mô hình hóa 21

3.2.2 Phân bố tải trọng 28

3.2.3 Điều kiện biên 31

3.2.4 Đặt sóng 32

3.2.5 Phân tích 33

3.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 34

3.4 NHẬN XÉT 46

3.5 KIỂM TRA BỀN 47

3.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 49

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 50

4.3 KẾT LUẬN 50

4.4 ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 50

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Mô hình tấm gia cường 11

Hình 1.2: Tàu Ro Ro được mô hình hóa – Phần mềm sử dụng MAESTRO.11 Hình 1.3: Mô hình tàu chở hóa chất 4000T – Phần mềm sử dụng Solid work 12

Hình 2.1: Các tải trọng tác dụng lên thân tàu 14

Hình 2.2: Tàu cân bằng trên nước tĩnh 15

Hình 2.3: Tàu cân bằng trên sóng 15

Hình 2.4: Sơ đồ khối của chương trình PTHH 16

Hình 3.1: Thông tin công việc 22

Hình 3.2: Đơn vị tính toán 22

Hình 3.3: Vật liệu mô hình hóa 23

Hình 3.4: Các kích thước chính mặt cắt ngang giữa tàu 23

Hình 3.5 Mặt cắt ngang tàu thực và tàu mô hình hóa trong MAESTRO 24

Hình 3.6: Mặt cắt ngang giữa tàu 24

Hình 3.7: Sườn 75-115 giữa tàu 25

Hình 3.8 : Phần mũi tàu 25

Hình 3.9: Phần đuôi và thượng tầng 25

Hình 3.10: Toàn tàu 26

Hình 3.11: Kết cấu bên trong 26

Hình 3.12: Biểu đồ màu thể hiện độ dày tấm 27

Hình 3.13: Tổng quan về mô hình 27

Hình 3.14: Khoang hàng số 4, mạn phải 28

Hình 3.15: Phân bố tải trọng Trường hợp 100% tải 28

Hình 3.16: Phân bố két dằn và nước sạch Trường hợp 100% Ballast 31

Hình 3.17: Điều kiện biên 31

Hình 3.18: Bảng đặt sóng 32

Hình 3.19: Chạy cân bằng 33

Hình 3.20:Chạy phân tích 33

Hình 3.21: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH1 34

Hình 3.22: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH1 34

Hình 3.23: Độ biến dạng chung của tàu – TH1 35

Hình 3.24: Ứng suất Von mises – TH1 35

Hình 3.25: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH2 36

Hình 3.26: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH2 36

Hình 3.27: Độ biến dạng chung của tàu – TH2 37

Hình 3.28: Ứng suất Von mises – TH2 37

Hình 3.29: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH3 38

Hình 3.30: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH3 38

Hình 3.31: Độ biến dạng chung của tàu – TH3 39

Hình 3.32: Ứng suất Von mises – TH3 39

Hình 3.33: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH4 40

Hình 3.34: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH4 40

Hình 3.35: Độ biến dạng chung của tàu – TH4 41

Hình 3.36: Ứng suất Von mises – TH4 41

Hình 3.37: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH5 42

Hình 3.38: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH5 42

Hình 3.39: Độ biến dạng chung của tàu – TH5 43

Hình 3.40: Ứng suất Von mises – TH5 43

Hình 3.41: Sóng, tọa độ tâm nổi, trọng tâm tàu – TH6 44

Hình 3.42: Áp suất nước biển tác dụng lên bề mặt vỏ tàu – TH6 44

Hình 3.43: Độ biến dạng chung của tàu – TH6 45

Hình 3.44: Ứng suất Vonmisses TH6 45

Hình 3.45: Mô-men uốn tàu TH2 49

DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Bảng so sánh các kích thước tàu 27 Bảng 3.2: Bảng phân bố tải trọng - TH 100% tải 29 Bảng 3.3: Bảng phân bố khối lượng nước - TH 100% Ballast 30 Bảng 3.4: Bảng quy định điều kiện biên (theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 21: 2010/ BGTVT) 31 Bảng 3.5: Bảng tổng hợp kết quả 46 Bảng 3.6: Giá trị hệ số k 48

LỜI NÓI ĐẦU

Đóng tàu là ngành công nghiệp nặng, quan trọng, đã và đang phát triển mạnh ở các quốc gia

Việt Nam – một nước đang phát triển với điều kiện tự nhiên thuận lợi cũng phát triển mạnh nền công nghiệp đóng tàu Với đường bờ biển dài, nhiều vũng vịnh, nguồn lao động dồi dào, được đầu tư đúng hướng là những lợi thế rõ thấy nhất tại Việt Nam

Tuy nhiên, trong 3 năm gần đây với sự khủng hoảng của 2 tập đoàn lớn trong ngành đóng tàu là VINASHIN và VINALINES đã kéo theo nhiều hậu quả hết sức nghiêm trọng Ngành công nghiệp đóng tàu bị đình trệ kéo dài, các công

ty đóng tàu vỡ nợ khiến công nhân mất việc, kỹ sư mới ra trường không có việc làm Đó là điều đáng báo động với nền công nghiệp đóng tàu của nước ta hiện nay

Với tôi, là một sinh viên sắp tốt nghiệp đại học hình ảnh “những con tàu hàng ngàn tấn chinh phục đại dương” thực sự là một niềm đam mê Với sức khỏe

và khát khao tuổi trẻ tôi nguyện sẽ cố gắng học tập, làm việc, hi vọng góp một phần công sức của mình để phát triển nền công nghiệp đóng tàu nước nhà, luôn tin vào môt tương lai tươi sáng: công nghiệp đóng tàu của Việt Nam thoát khỏi khủng hoảng, phát triển đứng đầu khu vực cũng như trên thế giới

Tàu thủy là một công trình lớn và được đóng với chi phí không hề nhỏ, vì vậy để giảm chi phí đóng tàu đồng thời giảm tối đa trọng lượng bản thân, chở được tối đa hàng hóa mà vẫn đủ điều kiện hoạt động lâu dài, an toàn cho tàu và thủy thủ đoàn là một trong những vấn đề lớn được đầu tư nghiên cứu hiện nay

Được sự phân công nghiên cứu về độ bền kết cấu tàu thủy với đề tài:

“Nghiên cứu tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” do PGS.TS Trần Gia Thái hướng dẫn thực hiện đã cho ra những kết quả cuối

cùng Đề tài gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Kết quả nghiên cứu

Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến

Sau một thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, các thầy cô trong bộ môn Kỹ thuật tàu thủy – Trường Đại học Nha Trang cùng các bạn sinh viên, tôi đã hoàn thành đề tài đúng thời hạn và đưa ra được những kết quả sơ bộ

Do năng lực, kiến thức và thời gian thực hiện có hạn nên đề tài không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót Rất mong nhận được góp ý, chỉ bảo của thầy

cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cám ơn!

Nha Trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quốc Bảo

CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tàu thủy là một hệ thống cấu trúc phức tạp gồm các khung dàn được gia cường gắn kết với nhau hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và vô cùng phức tạp Chịu tác động bởi nhiều yếu tố bên ngoài như tải trọng, va đập, sóng, gió…

Vì vậy bài toán tính toán, kiểm tra bền gặp rất nhiều khó khăn, phức tạp và hầu như chưa có lời giải chính xác Tuy nhiên, bài toán lại đóng một vai trò rất quan trọng đối với ngành tàu thuyền

Bài toán tính toán, kiểm tra bền giúp kiểm tra kết cấu thân tàu có đủ điều kiện hoạt động lâu dài, an toàn cho tàu và thủy thủ đoàn hay không Đồng thời giúp giảm chi phí đóng, giảm tối đa trọng lượng bản thân, chở được tối đa hàng hóa, mang lại hiệu quả tối đa cho người sử dụng

Hiện nay có thể tính toán, kiểm tra bền theo quy phạm hoặc theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm và máy tính điện tử Việc tính toán, kiểm tra bền theo quy phạm là yêu cầu bắt buộc với tất cả các tàu muốn đi vào hoạt động Đồng thời các quy phạm cũng quy định lại việc kiểm tra bền theo phương pháp phần tử hữu hạn là cần thiết

Các quy phạm quy định, tính toán và kiểm tra độ bền theo các công thức kinh nghiệm nên kết cấu thường dư bền vì vậy phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tối ưu nhất hiện nay để tính toán, kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

1.2 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.2.1 Mục tiêu

Mục tiêu đề tài nhằm nghiên cứu, tính toán độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể bằng phần mềm MAESTRO 9.0.8 Trên cơ sở đó có thể đánh giá được khả năng tính toán của phần mềm và xa hơn nữa là giúp bạn

đọc có thể sử dụng phần mềm MAESTRO để tính toán độ bền kết cấu thân tàu

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập dữ liệu về các đề tài liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương pháp tính toán, kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

- Nghiên cứu phần mềm MAESTRO, thực hiện các bước tính trên phần mềm, tiến hành giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Việc tính toán độ bền kết cấu thân tàu là rất rộng, có thể chia ra rất nhiều loại tàu như tàu chạy sông, chạy biển, tàu phá băng, tàu du lịch, tàu ngầm… Phụ thuộc vào công dụng, đặc điểm làm việc của từng loại mà đặc trưng về kết cấu, vật liệu đóng của mỗi loại cũng khác nhau Đề tài này xin phép được bó hẹp trong phạm vi tàu có kết cấu vỏ thép Phần mềm sử dụng là MAESTRO phiên bản 9.0.8

Các trường hợp tải trọng tính toán được ghi rất cụ thể trong các quy phạm, tuy nhiên nhằm mục đích đơn giản, đề tài chỉ xét đến 2 trường hợp tải trọng nguy hiểm nhất là: trường hợp 100% tải và 100% dằn trên nước tĩnh và trên sóng

- Mô hình đơn giản

- Giảm thiểu được độ phức tạp của quá trình trính toán

- Có khả năng tính toán được bằng tay trong các điều kiện hạn chế về máy tính và các chương trình phân tích cỡ lớn

 Nhược điểm:

- Có nhiều hạn chế nhất là khi phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, tàu chuyên dụng hay tàu có kích thước nằm ngoài phạm vi quy định của quy phạm hiện hành

- Kết quả phân tích thường ít chính xác

- Điều kiện biên khắc nghiệt, riêng biệt cho từng phần của mô hình tính

 Theo mô hình tổng thể: Mô hình hóa toàn bộ các kết cấu của tàu Toàn bộ kết cấu thân tàu được xem như hệ kết cấu không gian đặt trên nền đàn hồi hoặc sóng, bao gồm nhiều loại kết cấu như dầm, tấm, vỏ…liên kết với nhau Khi đó, các bộ phận kết cấu thân tàu như khung dàn đáy, boong, mạn, sườn và những chi tiết hình thành chúng như hệ thống dầm gia cường, các tấm tôn bao cùng làm việc trong mô hình Theo xu hướng hiện nay, độ bền chung kết cấu thân tàu thường được phân tích theo mô hình tổng thể bằng phương pháp tính hiện đại và hiệu quả nhất là phương pháp phần tử hữu hạn

- Mô hình tính sát với thực tế

- Điều kiện biên đơn giản, dễ áp dụng

- Lực tác dụng và các yếu tố tác động bên ngoài được mô hình đúng theo với thực tế

- Kết quả tính toán có độ chính xác cao bởi phương pháp bảo toàn được những tính chất vật lý, cơ học cũng như đặc điểm liên kết của kết cấu trong mô hình so với thực tế

- Đòi hỏi mô hình hóa toàn tàu, tốn nhiều công sức

- Số liệu phải được chuẩn bị kỹ lưỡng

- Yêu cầu máy tính mạnh, cấu hình cao, phần mềm phân tích lớn

Đã có nhiều đề tài trong nước cũng như quốc tế được công bố về độ bền kết cấu tàu vỏ thép, dùng phương pháp phần tử hữu hạn mô hình hóa và tính toán

độ bền cho kết quả khả quan Điển hình như đề tài: “Ultimate Strength of Plates

and Stiffened Panels” (Độ bền tới hạn của tấm và tấm gia cường) – Đề tài

nghiên cứu của giáo sư: Jeom Kee Paik trường Đại học quốc gia Pusan, Hàn Quốc tại Đại học Southampton, vương quốc Anh

Hình 1.1: Mô hình tấm gia cường

Bên cạnh đó, với sự phát triển của máy tính điện tử và các phần mềm lớn, việc mô hình hóa và tính toán độ bền kết cấu thân tàu không dừng lại ở mô hình ước định mà thay vào đó là mô hình tổng thể với cái nhìn tổng quan, khái quát hơn Vấn đề tính toán độ bền kết cấu thân tàu không mới nhưng việc áp dụng mô hình tổng thể để tính toán độ bền lại là một vấn đề còn khá mới mẻ

Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài được công bố về việc mô hình hóa toàn

tàu, điển hình như đề tài “Structural analysis of livestock carrier” (Tính toán độ

bền kết cấu tàu Ro Ro) – Đề tài nghiên cứu của J Andrić, V Žanić cùng cộng sự

Hình 1.2: Tàu Ro Ro được mô hình hóa – Phần mềm sử dụng: MAESTRO

Hay đề tài “Global and Local Strength Analysis in Equivalent

Quasi-static Head Waves, for a Tanker Ship Structure, Based on Full Length and 2-3 Cargo Holds 3D-FEM Models”(Tính toán độ bền chung, cục bộ kết cấu thân tàu trong điều kiện nước tĩnh cho kết cấu tàu chở hóa chất, dựa trên mô hình tổng thể và mô hình 2-3 khoang giữa tàu) – Đề tài tiến sĩ của Cioarec Dan Sebastian

trường “EMSHIP” Erasmus Mundus Master Course in “Integrated Advanced Ship Design”

Hình 1.3: Mô hình tàu chở hóa chất 4000T – Phần mềm sử dụng Solid work

Ở nước ta hiện nay, vấn đề mô hình hóa tàu theo mô hình tổng thể còn nhiều hạn chế, chưa có kết quả nào được công bố chính thức Tuy nhiên tại các nhà máy đóng tàu lớn, công ty liên doanh nước ngoài được hỗ trợ về nhân lực và công cụ, vấn đề trên đã được giải quyết triệt để Ví dụ điển hình như việc tính

toán tần số dao động tự nhiên tàu “CAR CARRIER 4900 CARS” được đóng tại

nhà máy đóng tàu Hạ Long năm 2008

Hình 1.4: Mô hình tàu CAR CARRIER 4900 CARS – Phần mềm mô hình

hóa MSC/PATRAN, phần mềm tính toán MSC/NASTRAN

Với thực trang hiện nay ở Việt Nam, để tìm được nguồn nhân lực, phần mềm tính toán, máy tính điện tử có thể giải quyết vấn đề trên là khó khăn Nhờ

sự hướng dẫn giúp đỡ của PGS.TS Trần Gia Thái tôi đã chọn phương pháp tính toán là phương pháp phần tử hữu hạn, phần mềm tính toán là MAESTRO để giải quyết vấn đề này thành công và đưa ra được những kết quả sơ bộ Kết quả nghiên cứu sẽ được nêu ra tại các chương sau

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CƠ SỞ TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP

2.1.1 Các ngoại lực tác dụng lên tàu

Các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phương thẳng đứng gồm các thành phần: trọng lượng bản thân, trang thiết bị, tải trọng, thủy thủ đoàn… hướng theo chiều trọng lực kéo tàu chìm xuống và lực nổi có hướng ngược lại đẩy tàu nổi lên Do lực tác dụng phân bố không đều theo chiều dọc tàu nên mô-men uốn, mô-men xoắn, lực cắt… có thể xuất hiện trong các kết cấu thân tàu khi tàu hoạt động Trong đó mô-men uốn dọc ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền chung của tàu

Hình 2.1: Các tải trọng tác dụng lên thân tàu

2.1.2 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nước

Tàu thủy là một công trình nổi, phức tạp có thể hoạt động trên mặt nước, chịu tác động của trọng lực và lực nổi Khi đó tàu có thể nằm cân bằng trên nước tĩnh hoặc trên sóng

Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh: Chịu tác động chính của 2 lực là lực nổi

và trọng lực

Hình 2.2: Tàu cân bằng trên nước tĩnh

Tàu nằm cân bằng trên sóng: Thực tế cho thấy có 2 trường hợp nguy hiểm nhất là tàu nằm trên đỉnh sóng (hogging) hoặc đáy sóng (sagging) Mô-men uốn lớn nhất sinh ra ở khu vực giữa tàu

Hình 2.3: Tàu cân bằng trên sóng

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp số đặc biệt

hiệu quả dùng để tìm dạng xấp xỉ của một hàm chưa biết trên từng phần tử thuộc miền xác định của nó Do đó phương pháp này rất thích hợp với các bài toán kỹ thuật có hàm cần tìm xác định trên miền phức tạp, gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý và điều kiện biên khác nhau

Cơ sở của phương pháp này là tiến hành rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành một số hữu hạn miền con gọi là phần tử Các phần tử này liên kết với nhau bởi các điểm nút Trong

phạm vi mỗi phần tử, đại lượng cần tìm được lấy gần đúng dưới dạng một hàm đơn giản gọi là hàm xấp xỉ

Trình tự giải bài toán phân tích độ bền của một chương trình tính bằng phương pháp PTHH thường gồm các khối chính sau:

Hình 2.4: Sơ đồ khối của chương trình PTHH

Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f

Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q)

Đọc dữ liệu đầu vào

- Các thông số cơ học của vật liệu

- Các thông số hình học của kết cấu

- Các thông số điều khiển lưới

- Tải trọng tác dụng

- Thông tin ghép nối các phần tử

- Điều kiện biên

Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F

Áp đặt điều kiện biên

(Biến đổi các ma trận K và véctơ F)

Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v)

In kết quả

- In các kết quả mong muốn

- Vẽ các biểu đồ, đồ thị

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM TÍNH TOÁN

Hiện nay có rất nhiều phần mềm lớn tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn, có thể kể ra như sau : RDM (Resistances des Materiaux), SAP 2000 (Structural Analysis Program), ABAQUS, ANSYS (Analysis Systems), VISUAL NASTRAN, SESAM, SOLID WORK, MAESTRO…Các phần mềm trên đều có thể áp dụng để tính toán độ bền kết cấu thân tàu

Phần mềm nghiên cứu và sử dụng : MAESTRO phiên bản 9.0.8

MAESTRO (Mỹ): Đây là phần mềm do Giáo sư Owen Hughes hình thành

và phát triển MAESTRO là một chương trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, đánh giá và tối ưu hóa kết cấu của tàu, kết cấu ngoài khơi, và các cấu trúc mỏng, lớn, phức tạp khác Với việc tối ưu hóa thuật toán, MAESTRO cho phép tính toán độ bền kết cấu với thời gian được rút ngắn đáng

kể So với các phần mềm cùng loại khác khả năng tính toán và xuất dữ liệu của MAESTRO cũng vượt trội hơn

 Các tính năng chính của MAESTRO:

- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng, chính xác

- Đặt tải dựa vào mô hình

- Phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn

- Đánh giá kết cấu: độ ổn định, tính nổi

- Tối ưu hóa

- Phân tích cục bộ với lưới mịn

- Tính toán bền, rung động, ăn mòn tàu thủy

- Do MAESTRO là phần mềm chuyên dụng về ngành tàu thủy nên MAESTRO có những lợi thế rõ rệt hơn so với các phần mềm khác: Các phần tử MAESTRO sử dụng đều được tối ưu hóa và sử dụng trong kết cấu tàu thủy Vì vậy việc tạo và sửa đổi mô hình lưới thô rất dễ dàng Thích hợp với mọi người dùng (kể cả với người dùng biết ít về máy vi tính)

- Lực tương tác trên tàu dựa trên: Khoang hàng, yếu tố thủy tĩnh, trong môi trường thủy động (có khả năng đặt sóng theo mô hình sóng Trochoidal hoặc Sinuasoidal)

- Có khả năng tự cân bằng, đánh giá độ ổn định, tính nổi của kết cấu Cho phép tự động tính toán đường nước thiết kế

- Kiểm soát trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng và phân bố tải, trục trung hòa, tâm nổi, trọng tâm, áp lực nước biển…

- Đánh giá, điều khiển kết cấu, hợp nhất và tiêu chuẩn cấu trúc tạo ra mô hình lưới thô và lưới mịn

- Giảm thiểu thời gian tính toán và xuất kết quả

- Có khả năng truy vấn nhanh: Ứng suất, biến dạng…

- Xuất ra các đồ thị lực nổi, lực cắt, mô-men uốn (theo phương x, y, z)

- Chia lưới mịn cho phân tích cục bộ mà không phụ thuộc điều kiện biên của phần cục bộ muốn phân tích (điều kiện biên cục bộ được MAESTRO tự động đặt ra, dựa trên điều kiện biên của mô hình tổng thể)

 Nhược điểm:

- Chia lưới bằng tay

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN TÀU 2.4.1 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép

Kiểm tra độ bền chung theo ứng suất thực hiện bằng cách so sánh giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trong quá trình uốn chung kết cấu thân tàu với giá trị cho phép Điều kiện kiểm tra độ bền chung theo giá trị ứng suất pháp và ứng suất tiếp như sau:

τmax – Giá trị ứng suất tiếp lớn nhất trong kết cấu đang xét ở khu vực có lực cắt lớn nhất

[σ], [τ]– Giá trị ứng suất pháp, tiếp cho phép

kσ, kτ – Giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong quá trình uốn chung Đối với các tàu chở dầu: kσ = 0.55 và kτ = 0.3

2.4.2 Kiểm tra độ bền theo giá trị mô-men giới hạn

Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị mô-men giới hạn Mgh thực hiện bằng cách so sánh giá trị mô-men uốn lớn nhất tác dụng lên kết cấu thân tàu với giá trị mô-men uốn giới hạn Mô-men uốn giới hạn nói ở đây chính là mô-men uốn giả thiết mà khi tác dụng lên thân tàu trong mặt phẳng dọc sẽ gây ra ở mép ngoài cùng các thanh tương đương (lớp vỏ ngoài cùng của đáy hoặc boong tại mặt cắt đang xét) ứng suất nguy hiểm có giá trị bằng với giới hạn chảy của vật liệu

Mmax < Mgh

Trong đó:

Mmax – Mô-men uốn lớn nhất xuất hiện trong mặt cắt ngang thân tàu

Mgh – Mô-men uốn giới hạn đối với các kết cấu thân tàu là mô-men gây

ra ứng suất bằng giới hạn phá hủy vật liệu trong các kết cấu cách xa trục trung hòa nhất hoặc tại thớ ngoài của mặt cắt ngang đang xét

Đối với các tàu chở dầu:

2.4.3 Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng

Tính toán ứng suất tổng lớn nhất theo thuyết bền và so sánh với giá trị ứng suất cho phép:

Thuyết bền tính theo ứng suất Von mises:

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU TÍNH TOÁN

3.1.1 Các thông số chính

 Các thông số cơ bản của tàu 13500 DWT:

+ Chiều dài lớn nhất: Lmax = 145.3 m

+ Chiều dài thiết kế : LTK = 136.6 m

3.1.2 Các đặc điểm kết cấu tàu tính toán

Tàu thiết kế theo hệ thống kết cấu hỗn hợp, khung dàn mạn bố trí 2 xà dọc mạn và các sườn khỏe đặt xen kẽ, đáy đôi được thiết kế từ vách sau khoang máy đến vách khoang dầu ở mũi tàu, khoảng cách sườn a = 800 mm Boong tàu

bố trí các dầm ngang boong tương ứng với các sườn

 Kết cấu khung dàn đáy:

Tàu có kết cấu đáy đôi kéo dài từ buồng máy tới vách mũi tương ứng với khoảng sườn 9 đến 175 Kết cấu khung dàn đáy gồm 2 sống chính đặt ở giữa tàu cách nhau 800 mm và mỗi bên bố trí thêm 3 sống phụ

- Tôn đáy ngoài: 11.5 mm

- Tôn đáy trong: 13 mm

 Kết cấu khung dàn mạn:

Kết cấu khung dàn mạn được bố trí vách đôi tạo ra các Ballast để chứa nước sạch và nước dằn Khung dàn mạn bao gồm các sườn thường, sườn khỏe và

2 dầm dọc mạn liên kết với nhau tạo thành một hệ thống kết cấu vững chắc

- Tôn ngoài: 14 mm

- Tông trong: 11 mm

 Kết cấu khung dàn boong:

Kết cấu khung dàn boong bao gồm xà ngang boong, xà dọc boong, tôn boong liên kết với nhau Các xà ngang boong được bố trí tại các sườn khỏe Ngoài ra còn có 2 xà dọc boong bố trí tại tâm tàu

3.2 MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH

3.2.1 Mô hình hóa

- Định nghĩa thông tin công việc: Kích chuột vào biểu tượng trên

thanh công cụ hoặc vào File chọn Job Informatrion

Toolbar

Menu File > Job Information

Hình 3.1: Thông tin công việc

- Định vật liệu:

Toolbar

Menu Model > Materials

Hình 3.3: Vật liệu mô hình hóa

Hình 3.4: Các kích thước chính mặt cắt ngang giữa tàu

- Định nghĩa các mô-đun trong MAESTRO, xây dựng các điểm

Endpoints, từ đó xây dựng mặt cắt ngang giữa tàu

Hình 3.5 Mặt cắt ngang tàu thực và tàu mô hình hóa trong MAESTRO

Hình 3.6: Mặt cắt ngang giữa tàu

Toolbar

Menu Model > Parts > Create/Modify

- Xây dựng mô hình tàu

Hình 3.7: Sườn 75-115 giữa tàu

Hình 3.8 : Phần mũi tàu

Hình 3.9: Phần đuôi và thượng tầng