Tính toán, thiết kế kết cấu tàu trần công nghị

Những bước chính trong tính toán sức bền chung Để chuẩn bị cho tính mômen uốn và lực cắt tàu trên nước cần xác lập đường phân bố trọng lượng toàn tàu và chuẩn bị đầy đủ dữ liệu liên quan

THƯ VIỆN

ĐẠI HỌC NHA TRANG

M 623.812

j

؟

n ■ ' í -

^ ^ K

■ft| K ؛; í7íí^،íT : 5

٥

■ V '

،= ^ ٦ ؛••

, ؛·.

1

.■.؛:.ĩslíSSs

ềỂỂẵ

■ '■ ■ '

■ *■ ؛■ '

■ ١

:·.;.'·?·؛

* ٧ '■

·

í ^l ٥ ' ÌLi

, Vrỉj !; y ^ ự

'ĩ-:^.ế

^ 4 '؟

V -

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H ồ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MỤC LỤC

1.7 Chương trình máy tinh xác dinh lực cắt

1.8 Công thức kinh nghiệm xác định

1.15 Ví dụ về kiểm tra độ bền chung khi tàu bị uốn trên nước 641.16 ư n g suất tại vỏ tàu và các kết cấu dọc

C h ằ g 2 TÍNH s ữ c BỀN CỤC Bộ THÂN TÀU 78

2.1 Mô hình truyền tải trọng từ môi trương

2.3 Mệt và؛ mô hình kết cấu thân tàu 83

C h m g 5 TÍNH KẾT CẤU THEO ^ u CẨU QUY PHẠM 195

LỜ IN Ó ÍĐ ẲU

TÍNH TOAN, THIẾT Ш Ể T CẨU TẦU đ ệ biên soạn theo

đè cương môn liọc “Tliièt kế kết cốư tỉiư tliủỵ”, Ююа Ks tliuật G io tliOng ٠ T ٣ ương Bại ١ IỌC Báck klvoa - Bại liọc Quốc g ia T P HCM.

Cuốn sácli được biên soạn clio sin ١ i ulè.i chuỵên ng0n!i dOng sứa tàu> dồng tliời sách cUng có tlvể làm tai llÇu tham khảo cho các

- Tinh ứng suất, biến dạng trong tr á n g hợp tàu ٥ ؛ ' uốn

chung trCn nước Phdn biẹt hai trạng t.iál lam uĩệc cUa tau trCn blCn: tau пйт trCn nước tXnh υά trương hợp tau ndm trèn sOng.

- Càc mô lilnh tlnli sức bèn cục bộ các chi tiết, cụm chi tiết

cáu tliànli thân tau.

- Tlnli toán độ bèn υά ổn dỊnli cốc kết cốu dọc υά ngang Cio tơu.

- Tinh kết cấu dọc của tàu: tinh chiều dày tôn vó, niôđun cliống uốn mặt cắt ngang tliâ ١ ta، ،

- Tinh toán kết cdu tàu tlieo quỵ phạm dOng tau Trong phần

اةﻻ

١ ngư.ơi uict cố gổ.ng gi.ớl thiệu để ngươi dọc lam quen υάί có.c ١

đặt vẩn đề của những người soạn quy phạm vể độ bền, ổn định các kết cấu cụ thể, nguồn ج 0 ' ءcác công thức kinh nghiệm hoặc nửa

kinh nqliiệm, nửa giai tich cùng các yêu cầu cụ thế' khi tinh toán, cliọn klch thước theo hương dỗ.n trong qu ﻻ pliạm.

ﻵؤﻻ la lần tai bản t اا ứ nhát, tác gia rdt mong tiếp tục nliận

được د ؤkiến đóng góp của các đồng nghiệp và độc giả Rất cám ơn.

Mọi ﻷ kien dOng gOp xln gửi υΙ dịa chl: Bộ môn Tau thủỵ - Klíoa Kỵ thuật G io tỉrông - Trương Bại ìvọc Báclr klioa - Bạl học Quốc gia TP HCM, 268 1 ﻷ Tỉiương Kiệt, Q 10, TP HCM.

BiÇn tJioqi.: (08) 8645643

Tác giá

TS Tran Công NgH%

Chưcíng 1

SỨC BẾN CHUNG

Những công việc Cần thực hiện trong giai đoạn kiểm tra sức bền chung thân tàu bao gồm:

- Xác định mômen uốn và lực cắt tàu nối trên nước

- Xác định ứng suất do uốn chung

٠ ố n định các kết cấu thân tàu trong trường hợp bị uốn chung

và bị cắt

Những bước chính trong tính toán sức bền chung

Để chuẩn bị cho tính mômen uốn và lực cắt tàu trên nước cần xác lập đường phân bố trọng lượng toàn tàu và chuẩn bị đầy đủ dữ liệu liên quan cấu hình thân tàu Phân bố tải trọng cho các bước tính dược hiểu là phân bố của tổng đại sô các lực tác động dồng thời lên vỏ tàu vào thời điểm tính toán, ký hiệu:

qr(x) = p{x) - b(x)

với; p(x) - phân bô trọng lượng tác động theo chiều hút trái đất, mang dấu (+)

b{x) - lực nối tàu, mang dâu ( - )

Đường tích phân dọc tàu ciìa q(x) sẽ là lực cắt, tích phân hàm

lực cắt sẽ là mômen uốn

Trong tính toán chúng ta phân biệt hai trường hợp liên quan tới môi trường Chúng ta sẽ xem xét lực cắt và mômen uốn tàu khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh, kết quả tính sẽ được: lực cắt AT،.,،.,

Msu■ là hàm của tọa độ X, dọc tàu Trong khai thác tàu có thể phải nằm trên sóng, trên đinh sóng hoặc đáy sóug Trong trường hợp này, proíĩl sóng trên mạn tàu sẽ có hình của sóng biền, phụ thuộc chiều cao sóng, chiều dài sóng và phụ thuộc cả vị trí tương đối giữa tàu và sóng Trường hợp sau chúng ta phải xác định lực cắt trên sóng N/,■ và mômen uốn tàu trên sóng M.، Tùy thuộc vị trí tương đối giữa sóng và tàu chúng ta có thế gặp trường hợp đỉnh sóng

8 C h ư ơ n g 1

nằm d khu vực giữa tầu, dưới tác dộng của sOng này tầu bị dội lên

(từ chuyên môn bằng tiếng Anh gọi dây là hogging) Trường hợp

thứ hai khi dặt sdng tĩnh lên tầu, dổy sdng nằm giữa tàu, thân tầu

bị gập xuống (sagging) Tinh lực cắt và mOmen uốn tàu trên sbng

cổ thể tiến hầnh theo hai cách khác nhau Cdch dầu cần coi thẳn tằu như dầm liên tục nằm trên sbng, trọng lượng tàu tác dộng theo hướng từ trên xuống theo chiều hUt trái dất, lực nổi tinh theo thể tích phần chim thực tế của dầm ấy dang nằm dưới sdng với profil nhất dinh Cấc phép tinh tiến hầnh như dã thực hiện cho phần tàu

trên nưởc tĩnh Kết quả tinh sẽ ỉà lực cắt Nw và mOmen Mu■ “toàn

phần” Cdch thứ hai dược dUng kha phố' biến trong cấc phOng tinh toốn, chỉ tiến hành xác định lực cắt vồ mOmen uốn “bổ sung” cho

tàu nằm trên sOng ANw, AMu; sau dó cộng với lực cắt, mOmen uốn

tàu trên nưóc tĩnh dể dược lực cắt, mOmen uốn tằu trên sOng:

DU thực hiện theo cách nào người tinh toón cUng phải làm dU

cấc công tác chuẩn bị sau cho mỗỉ trạng thai khai thác cUa tàu.

Xác lập đ á n g phân bố trọng lượng tàu

Trên tầu dân sự các nhOm trọng lượng dược quy ước phân thành cấc nhOm, tùy thuộc vai trò cUa nó trong tàu:

- Mấy chinh vả phụ tUng mấy chinh

- Thiết bị, mấy móc, hệ thống tàu

- Thuyền viên, lương thực, thực phẩm, nưởc sinh hoạt

- Dầu, mô vầ cấc vật tư phục vụ vận hằnh tầu

- Hầng hóa

- Dự trữ

Mỗi nhdm kể trên dược chia thành nhiều nhdm nhỏ khi tinh trọng lượng tàu Ví dụ từ nhOm thân tàu chUng ta cố thế' phân biệt cấc nhdm phụ sau:

Thực hiện tinh toán các đặc trưng tính nổi của tàu, đường Bonjean

Công việc này thực hiện theo hướng dẫn tại phần lý thuyết tàu Các đường tính nổi cùng đường Bonjean giúp xác định thế tích phần chìm tàu, tâm nổi tàu ứng với trạng thái khai thác và các đại lượng cần thiết trong giai đoạn cân bằng tàu trên nước tĩnh

Chọn lựa sóng tính toán cùng các đặc trưng của sóng

Sóng tính toán sẽ được đặt tĩnh lên tàu trong các thủ tục tính toán Trong giai đoạn chuẩn bị cần thiết xác định chiều cao sóng, chiều dài sóng và profil sóng phăng

1.1 UỐN TÀU TRÊN NƯỚC

Từ khi vừa hạ thủy thân tàu nổi trên nước luôn chịu tác động của hai lực tác động ngược chiều nhau là trọng lực và lực nối Nêu coi thân tàu như dầm liên tục, làm từ vật liệu đàn hồi, còn đặc tính hình học khác nhau tại các mặt cắt, dầm phải gánh chịu sức nặng của tự trọng, hàng hóa, người trên tàu Trọng lực tác động theo chiều hút của trường trái đất, luôn muốn kéo tàu xuống sâu hơn trong nước Trong khi đó lực nối tác động theo hướng ngược lại, muốn đẩy tàu lên cao hơn về phía mặt thoáng Lực nối tỷ lệ thuận với thể tích phần chìm thân tàu, độ lớn của nó phân bố dọc tàu tùy thuộc vào diện tích mặt cắt ngang thân tàu tại các vị trí dang xét

Nếu ký hiệu phân bố trọng lượng dọc tàu là p(x), còn phân bố

lực nổi là 6(jc), phân bố tổng tải trọng tác động lên m ặt cắt bất kỳ thân tàu sẽ là:

Với các tàu thông dụng, biểu dồ phân bố p(x), b(x) có dạng

như H.1.1 dưới đây, phân bố nằm trên trục ngang biểu diễn trọng lượng thần tàu và tấ t cả trọng vật trên tàu, đường nằm dưới trục ngang biểu diễn phân bế lực nổi

10 C h ư ơ n g 1

Hình 1.1 Phăn bổ trọng lượng (trôn) và lực nổi (dưới)

Từ điều kiện nổi của tàu thủy, để tàu nổi cân bằng trên nước phải thỏa mãn các điều kiện cân bằng lực và mômen tác động lên tàu

Điều kiện cân bằng lực:

Sức b ề n c h u n g 11

Mómen uốn thân tàu trên nước tính theo công thức:

M(x) = ịN(x)dx = j í Jọ(jc)o؛ac dx - Ị Ịq(x)dxdx (1.4)

Với tàu thông dụng biểu đồ mômen uốn, lực cÁl có dạng:

Hình 1.3 Biểu đồ mômen uốn M và lực cắt tàu N

1.2 TÍNH MÔMEN UỐN, Lực CẮT th ân tà u t r ê n nước tĩnh

Trên nước tĩnh tàu nổi chiếm vị trí cân bằng, tại đó thóa mãn điều kiện cân bằng tĩnh (1.2) và (1.2a), tức là lực nói tãc động lên thân tàu có giá trị tuyệt đối bằng tổng trọng lượng tàu tại thời điếm tính, tâm nổi phần chìm của thân tàu và trọng tâm tàu cùng n.؟؛m trên đường thẳng vuông góc với mặt thoáng

1.2.Ỉ Phân bô tải trọng thân tàu và hàng hóa

Các thành phần tham gia vào p(x) gồm có:

- Trọng lượng thân tàu và máy móc, thiết bị của tàu, như vỏ tàu, trang bị trên boong, các hệ thống tàu, máy chính, máy phụ, đường trục chân vịt, chân vịt, máy chuyên ngành

٠ Hàng hóa chở trên tàu

- Nhiên liệu, nước và các loại dự trữ khác của tàu

٠ Đoàn thủy thủ, hành khách

٠ Lương thực, thực phẩm, nước sinh hoạt cho người sốrg làm việc trên tàu

T r.n g tinh toán nếu sử dụng cắc phương pháp gần dUng các dường cong kế' trên dược chuyển thành các dường gãy khUc, trong

dó diện tích mỗi đoạn hình chữ nhật dưới dường gãy khUc có diện tích bằng diện tích cung cong của dường cong nguyên thUy trong đoạn vừa xét

Chuyển dường congp(x) sang dường gây khUc bằng một trong hai cách Chuyển hình thang hay hình gần giống hình thang, trong mỗi phần đoạn sang hình chữ nhật chiều rộng của hình chữ nhật bằng chiều dải phân đoạn và diện tích dưới dường cong bằng diện

tích hình chữ nhật tương dương, vơi tàu thUy thông dụng, có thê

tiến hành chia tàu làm 20 khoảng sườn ly thuyết và cách chia này vừa dU dể dảm bảo độ chinh xốc cần thiết khi tinh trọng lượng, trọng tâm và cả mômen Cách làm nầy thịnh hành tại Nga, dược trinh bày chi tiết tại [3], [41, [61, [71, [101

Cách làm thứ hai là phân mỗi nhdm trọng lượng trong mỗ؛ phân đoạn thành nhiều thành phần song song Cách làm này phù hợp cho việc phân cấc lực tập trung thảnh nhiều lực song song tác dộng trên phân đoạn Trọng lực p tại hình bên dược phân làm hai lực tương dương ?1 và م2ت

p : Em(] + ة ٠١٠ ? : [ ( ] - Ế )

۶ ' ء ة ( ا ' ة )؛ ء ء 2 ٠ ل س ا

ﻪﻋ - chiều dầi phân đoạn thân tầu

Phân tích lực p thầnh Pi và ?2 tiến hành theo thứ tự ghi trên hình 1.4

Dể lập phân hố p(x) cần thiết sử dụng cấc tằi liệu nguồn như bản

vẽ chung, kết cấu vỏ tàu, khai triển tôn vỏ, kết cấu bwng, dáy thu

14 C h ư ơ n g ل

Trường hợp khOng đòi độ chinh xác quá cao, có thế sử dụng

Ciich phân chia chiều dài tâu làm thành 20 đoạn bằng nhau, gọi là

20 khoảng sưởn lý thuyết Số thứ tự sườn lý thuyết khdi dầu bằng

0 tại trụ lái, kết thUc 20 tạỉ trụ mU؛ Dữ liệu có thế' t:ịp hợp tt-،jng bảng mẫu dưới dây:

£+

++

4

£2

Phân bố trọng lượng có ảnh hưởng quyết định đến giá trị của lực cắt và mômen uốn tàu Phân bố trọng lượng có dạng “diều hòa”, hiểu theo nghĩa phân bố tương đối đều dọc tàu, đường cong

biểu diễn lực cắt sẽ có dạng hình chữ s “điều hòa”, mômen dạng

hình đồi đỉnh tà, hay có thể coi đường mômen gần với hàm parabol bậc hai chúng ta gặp trong môn toán Trường hợp phâr، bố trọng lượng không “điều hòa”, ví dụ đường gãy khúc tập trung vào một số điểm không đều nhau, đường tích phân của nó sẽ có dạng không thông thường Một trong những ví dụ bạn đọc có thề tham khảo cách chất hàng bắt buộc của tàu kiểu OBO dưới đây và hậu quả của nó Cách đầu, người ta chất hàng trong các khoang cách quãng, đường phân bố trọng lượng có dạng các xung đều, lực cắt

S ứ c b ề n c h u n g 15

dạng đường “zích zắc” song biên độ không lớn và kết quả đườn؛ biểu diễn mômen khá “điều hòa” tuy không phải đường parabol bậc hai Cách làm này gần như là điều bắt buộc cho các tàu chở quặng

và hàng vô cùng nặng Cũng tàu trên đây, cũng lượng hàng như vừa nêu, nếu người ta chất dồn vào ba khoang liền nhau, dù là ba khoang khu vực giữa tàu như trên hình, đường biểu diễn lực cắt có những đỉnh với giá trị rất lớn, đường biểu diễn mômen uốn tuy có dạng parabol song giá trị lớn nhất của nó tại khu vực giữa tàu đạt giá trị vượt quá khả năng chịu đựng của tàu Đây là điều cấm kỵ cho tàu dạng này

bằng tích của chiều dài AL với diện tích m ặt cắt ngang sườn chính giữa phân đoạn A* Với những tàu cụ thể, diện tích m ặt cắt này đọc từ biểu đồ Bonjean, độ lớn tùy thuộc chiều chìm tàu do mớn nước mũi và mứn nước lái quy định Khi xác định được diện tích sườn tàu tại vỊ trí cần tính, giả sử diện tích đó đọc từ biểu đồ

Bonjean là a(x) = Ak, công thức tính b(x) tại vị trí đang chọn sẽ là:

b(x) = a(x).AL.yỉAL

trong đó: y - trọng lượng riêng của nước

Công thức trên có thể viết lại dưới dạng:

16 Chưctng 1

1.3 CĂN ỪẰNG TĨNH TÀU TRÊN Nước

Tải trọng áp đặt lên thán tàu ở trạng thái tĩnh là tổng đại

số của hai nhóm lực pịx) và 6(;،), được biểu thị băng công thức

q(x) = p(x) - ỏ(x) Khi giá trị tuyệt dối của p(x) lớn hơn giá trị

tuyệt đối của ỏ(x), q(x) mang giá trị dương, tác động cùng chiều với lực hút trái đất Ngược lại, khi ợ(x) mang giá trị (-) sẽ tác động

heo hướng ngược với chiều lực hút Phân bố g(x) có dạng thường

gặp như trên H.1.2 dưới đây

Điều kiện cân bằng tĩnh đòi hỏi lực nổi của tàu B = ỵV; với: V

- thế tích phần chìm của tàu, có giá trị tuyệt đối bằng trọng lượng tàu w tại thời điểm, tính, đồng thời mômen ngẫu lực của chúng phải bằng 0 Điều kiện trên được thể hiện dưới dạng, tích phân từ

0 đến L của hàm g(x) phải băng 0 đồng thời tích phân của tích

x.g{x) cũng bằng không trong phạm vi trên Công thức (1.2) và (1.2a)

trở thành điều kiện cần cho việc tính sức bền chung của tàu trên nước Trường hợp không thỏa mãn điều kiện (1.2), tàu không nằm tại vỊ trí Ổn định Nếu w > B tàu có xu hướng chìm xuống, ngược lại khi w < B theo định luật Archimedes lực nồi lớn hơn sẽ đây tHu

Thỏa mãn hai yêu cầu trên đây khi tính toán, tiến hành theo hai bước Lần đầu tiên từ cân bằng lực sẽ tìm được lượng chiếm nưđc của tàu Với lượng chiếm nước xác định luôn tìm được chiều chìm trung binh của tàu trên nước tĩnh Bước thứ hai, căn cứ vào mớn nước trung bình đã có dỏ cán bằng dọc tàu, thay đồi mớn nưóc mũi và lái nhằm điều chỉnh tâm nổi nằm cùng đường thẳng vuông góc với m ặt thoáng, đi qua trọng tâm tàu

S ứ c b ể n c h u n g 17

H ình 1.7 Cân bằng tàu trên nước

C á c b ư ớ c tín h c á n b à n g d ọ c tà u

a- Xác định mớn nước trung bình của tàu căn cứ vào thể tích

phần chìm toàn tàu, rf„i = f{V) Từ công thức ٥ = yV xác định trọng lượng tàu w = D. Trọng lượng này phải bằng lực nổi B của tàu tại mớn nước đang xét

b- Xác định độ nghiêng ban dầu và mđn nước lái, mũi theo công thức:

Mớn nước lái;

da.o = d„, + (I Mớn nưđc mũi:

trong đó: d,n ٠mớn nước trung bình của tàu, đo tại giữa tàu

٥٠ 0 ٠mớn nước lái; df ,0٠ niớn nước mũi

Xf - tâm đường nước, tính từ mặt giữa tàu, + nằm về trước

Xo ٠ trọng tâm tàu, tính từ mặt giữa tàu

X b - tầm nổi phần chìm của tàu, tính từ mặt giữa tàu

Qua điểm cắt của dao và df,0 tại hai trụ, vẽ đường thẳng đánh dấu đường nước thực tế tại thời điểm tính Tiến hành tính thế tích phần chìm V*, nằm dưới đường nước thực tế vừa vẽ, tiếp đó xác

định dm*, X b * theo cách thông dụng Khi có V* và X b * tiến hành

xác định lại mớn nước mũi và lái cho lần tiếp theo:

Tích phân (1.3) tính theo phương pháp số dưới dạng:

bưđc hai tiến hành tính:

I^x) = J /٠ 2(x)c/x = J ịfiix )d x dx s J [/٤(j؛)]f/jir (1.14)

S ứ c b ề n c h u n g 19

Trên thực tê tại đây chỉ thực hiện phép tích phân một lớp

Chương trình thực hiện tích phân bằng phương pháp số, viết

void integrationV(int N٠ double *X, double ‘ t, double *Ans)

a2= d3/6.0*sqr(d2)/(X[ii+11-X[ii]): a3= d2/2.0-a2/d3;

Ans[ii+1 l=Ans[ii-1 l+(d2-a2-a3)

f(ii-1]+a2*ftii]+a3*f[ii+1];

}

} }

Tính lực cắt và mômen uốn tàu theo cách làm kinh điển, tiến hành dưới dạng bảng mẫu Các bảng dưới đây trình bày mô hình tính toán cho trường hợp tàu được chia làm 20 khoảng sườn lý thuyết [6], [7] [10]

Tiêu chuẩn chấp nhận sai số khi tính lực cắt N(x) và mômen

uốn M(x) cho tàu trên nước tĩnh, theo kinh nghiệm là:

20 Chươầi^ 1

Μ

Khi đã thỏa măn diều

kiện trên, cố thể thực hiện

phdp hiệu chình cho lực cắt và

bN$ii) = -4-N si20)

δΛ/،(ί) = - ^ Μ ٠(20)

1.5 UỐN TÀU TREN SÓNG

Khdc vdi trường hợp tầu nàm trên nưức tĩnh vdi m ặt nước bằng, cUng chiếm một độ cao dọc mạn tàu, khi tảu nằm trên sdng, m ặt nưdc quanh tầu khOng cồn cUng trê n một mặt phẳng

mà là m ặt cong hình sdng Trường hợp chung, cân bằng tàu trên sdng ỉà việc khd hơn cân bằng tầu trên nước tĩn h và dôi nhiều công sức Dể trdnh cắc phức tạp cho mô hình tinh todn, cố thể sử dụng cdc giá th iết sau nhằm dơn giản bức tran h tương tác giữa sdng vdi thần tầu

Thần tằu dầi L dược dặt tĩnh trên sdng, cố nghĩa là tàu chạy

cUng hướng sdng hai chiều, vận tốc tầu phdi bằng vận tốc sóng Trong trưởng hợp nầy vận tốc tương dối giữa vỏ tàu và sOng bằng khOng cồn lực cản của nưởc và lực qudn tinh dược bỏ qua khi tinh Phân biệt hai trưởng hợp tiêu biểu, tầu dược dặt trê n đỉnh sống và tầu nàm ở dốy sdng Từ thực tế cho thấy khi tàu dặt nằm trên

sOng, sdng có chiều dài λ bằng chiều dầi L của tàu gây ra mômen

uốn và lực cát Idn hơn so vdi sOng cố chiều dầi khdc Do vậy trong tinh todn chUng ta sẽ thực hiện cho sdng cố chiều dài bằng chiều dài tàu [6], [7] Vdi những tằu hết sức dầi, trong khi không thể áp dặt sdng dồi không cố trong thực tế lên tầu, chUng ta sẽ chọn sống

có độ dài có thể gặp dể tinh Mô hình nầy dược coi trọng trong gido trình xuất bẳn tại Liên Xô trước dây

S ứ c b ề n c h u n g 21

Sóng tính toán

Mô hình sóng dùng trong tính độ bền chung là sóng hai chiều, profil sóng đối xứng Profil sóng thích hợp là sóng hình sin hoặc sóng trochoid Sóng trochoid được biểu diễn bằng công thức:

JC = — (p + r.sinọ

(1.16)

y = -r.cos (p

trong đó: (p - góc quay của chuyển động vòng phần tử nước

y · độ dâng mặt sóng; X · tọa độ theo trục Ox

Giá trị r bằng 1/2 chiều cao sóng Giữa chiều cao sóng và chiều dài sóng có tỉ lệ nhất định Tuy nhiên tỉ lệ này không phải là hằng

số do vậy khi tính cần chọn để sóng tính toán phù hợp thực tế của địa phương Tài liệu tham khảo về tỉ lệ chiều cao sóng như sau:

٠ Với sóng X > 120m:

٠ Với sóng 60m <x < 120m:

- Với sóng X < 60m:

/í = 20

/، = — + 2 30

/، = — + 1

20

1.5.1 P hân bố lực nổỉ tác động lên tàu đang nằm trên sóng

Với tàu đặt tĩnh trên sóng, mạn tàu cắt profil sóng như trên hình dưới đây

Hình 1.8 Tàu nàm trên đỉnh sóng (trái) và trôn đáy sóng (phái)

Phần chìm trong lòng nước của tàu trong trạng thái này là phần nằm dưới profil sống Phân bố thể tích phần chìm dọc chiều dài tàu khác với phân bố cho tàu ô nước tĩnh Nếu ký hiệu 6،(x) là phân bố lực nổi cho tàu trên nước tĩnh, khi mặt sóng thay đổi quanh thân tàu, phân bố trên sóng sẽ là:

trong đó: 56(jt) - lực bổ sung trên sóng, mang giá trị dương cho trường hợp mặt sóng dáng cao hơn mớn nước tĩnh

22 C h ư ơ tig 1

(1.20)

Trong chừng mực phân bố trọng lượng tàu p(jc) không thay đổi

Công thức tính lực cắt và mômen uốn tàu trên sóng do đó có dạng:

Nuịx) = Ns(x) + J[-ô6(j؛:)l áo1.20) :؛)

o

Muix) = Mg(x) + j J[-66(x)]،ix (1.21)

ô 0

Trong các công thức trên, lực nổi bổ sung trên sóng tính như sau;

Từ công thức b„Ắx) = bsix) + ôb(x) có thể viết:

ỗb(x) = b„(x) - bs(x) = y.ĩ>F(x) (1.22.

Xác định độ thay đối diện tích mặt cắt ngang thân tàu ỖF(x)

khi mức nước của mặt sóng dâng lên hoặc hạ xuống so với mớnnước ban đầu trên nước tĩnh dựa vào biếu đồ Bonjean Nếu ký hiệu

Fs(x) là diện tích mặt cắt ngang của tàu trên nước tĩnh, đo từ đồ

thị Bonjean, còn Fu(x) là diện tích mặt cắt ngang ấy song tính cho trạng"thái mặt sóng đã dâng lên hoặc xuông thấp so với mặt nước tĩnh, đo từ đồ thị Bonjean, độ đổi thay diện tích mặt cắt sẽ là:

0

=

x = Ỵ J[F،،,(x) - Fj(x)dx

؛ j[Ô6(jc)]c

oô

(1.25)

đ ặt tàu trèn sóng có chiều (lải  = L ١ m ặt sóng sè chiếm vị trí đúng như profil cua nó (|uy định Theo tính toán profil sóng sè có hình như đường A-A minh họa trôn H.1.9 Tuy nhiên, với tàu th ậ t, phần lớn chiều dài mạn tàu không vuông góc với m ặt thoáng của nước, phân bô" thê tích dọc tàu không đều, do vậy profil sóng bên thàn h tàu trong trạ n g thái cân bằng sồ lả đường C-C.

ìỉình 1.9 Câìi bàtịg tàu trẽn sóng

Đố xác dịnh dường c c cần sử dụng cách khảo sá t có định

hướng Giá sử dưcíng A-A bị dịch chuyển đoạn vô cùng nhỏ e theo

hưctng th ắn g dứng d( ٠ chi(٠ ١m chồ C-C Giá trị cũa (’ phụ thuộc vào

kiêu tàu kích thưík tàu, dược (]uy ước mang dáu -٠ - khi dâng lên và dấu - cho trường h ơ Ị ) ngược lại Thông thường khi điều chính đường

A.A cho tàu dang ơ dáy sóng cấn gán e giá trị dương Tại mỗi sườn tiên hành tín h các giá trị: Fa, Diện tích m ặt cắt tính toán tính theo còng thức:

r., = F,„ + ỎF, = r„ + i( /٠„ - F ٠,,)C/

c

24 C h ư t f n g 1

Góc nghiêng dọc của tàu trong trường hợp này tính từ công thức:

trong đó: Vị/ ٠ góc nghiêng dọc; ٠0؟ thay đổi mớn nước trung bình

Thay tọa độ vừa xác định vào công thức tính diện tích mặt cắt ngang có thể viết:

Fci =Fai+ ÌiPbi - Fai) (ة + X.VỊ/)

(1.30)

tr o n g đó: V - th ể tích phẩn chim của tàu

X b - tọa độ tâm nổi theo chiều dọc tàu.

w

H in h 1,11

tiep tuc tran khMp boong Ap liic niidc duoc phan bo deu cho toan

bo dien tich mM sodn cung phan keo dai len tren ciia dien tich nay Dien tich m|it c^t ngang ciia tau gom ca phan tau chim dudi m^t ni/dc cong vdi dien tich ao do siidn tau keo dai len den do dang m§t song Vdi tau c6 thiiong tang ho^c lau can trd viec trao niidc khdp boong, dien tich th at cua phan lau ho^c thiiong tang hi chim diioc di/a vao diidng dien tich tinh toan

1.5.4 H i؟ u d n g S m ith

Cac phan tiif m/dc cua song chuyen dong theo qui dao gan vdi vong tron do vay lam cho ap Idc be m^t sdng khong giong nhau tai dinh sdng va day sdng TCi cac phep tinh co hoc cho thay ap Idc be m^t trong chuyen dong cua niidc, phu thuoc vao hudng ciia thanh phan liic ly tarn »koV; vdi; w ٠van tdc gdc chuyen dong phan to midc, r - ban kinh tinh tii tarn vong tron den tarn phan tiit node con m - khdi lOdng phan to node Tai dinh sdng lOc ly tarn tac

S ứ c b ề n c h u n g 27

động ngược chiều với lực hút trái đất, còn tại đáy sóng lực này

cùng chiều với lực mg, trong ãó: g - gia tốc trường trái đất Chính

vì vậy áp lực bề mặt tại đĩnh sóng sẽ nhỏ hơn áp lực tĩnh, còn ở đáy sóng lớn hơn áp lực tĩnh Ảnh hưởng của áp suất này gây ra thay đổi đặc tính đường cong lực cắt và mômen uốn tàu trên sóng Hiện tượng này có tên gọi là hiệu ứng Smith

Trên đỉnh sóng

Hình 1,13 Hiệu ứng Smith

1.6 v í DỤ TÍNH MÔMEN UỐN VÀ L ự c CAT

Dưới đây trình bày một ví dụ tính theo bảng, thực hiện tại phòng thiết kế Bảng tính lực cắt và mômen uốn thực hiện cho tàu chở hàng thùng (tàu container) với kích thước chính như sau

Lượng chiếm nước:

Diện tích m ặt đường nước; Aw = 2570m^

Chọn sóng tính toán dài: Ằ = L = 148m; cao h = 6 ,07?ỉ, profil sóng tính theo công thức:

Lực nổi

Khoảng sườn

؛Các công thức dùng kh

،12090

=

ا 5

ة ا ﺪﺷ ﺀ 7

=

2 ﺀ

) 3 ت(

1.6.2 Lực c ắ t và mômen uốn trên nư٥c tinh

4(*) = (2>-<3)

Tích ph٥n

٠ h٠ (4)

Tích phân

íh e (5)

Hỉèu chinh (5)

Lực cắt (5H7) (0

2 ﺀهﻻ ) 6 ( (fm)

Hiệu chinh (9)

itm)

Mômen uổn M (9^(10)

5 6 459.40 890.1 430.70 930.30 10868.6 3.110 927.2 40214.0 -159.10 40373.2

6 7 513.30 955.2 -441.90 488.50 12187,5 3.630 484.8 45463.7 185.70 4569.4

7 8 480.90 973.7 492.80 4.30 12771.6 4.140 8.4 47255.1 -212.20 47467.3

30 C h ư ơ n g ỉ

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)

8 9 855.70 966,3 110,60 -114.90 12652,5 4.660 119,5 46814.1 -238.70 47052.8 10

٠

9 761,10 940.3 -179.20 294.10 12243,4 5.180 299,3 45300.7 265.20 45566.0 10.11 754,20 903,1 -148,90 443,10 11506,2 5.700 -448.7 42573.1 291.70 42864.9

1 1 1 2 761,00 865,9 104,90 547.90 10515,2 6,220 554.2 38906,2 318.30 39224.5 12- 13 802,30 813,9 -11,60 -559,60 9407,6 6,730 -566.3 34808.1 344.80 35153 0 14

٠

13 515,40 732,2 -216,70 -776.30 8071.7 7,200 -783,5 29865,3 -371,30 30236.7 15

٠

14 490,90 613,2 122,40 898.60 6396,7 7,770 906,4 23667,9 -397,80 24065,8

15 16 531,00 483,1 47,90 -850,80 4647.3 8.290 -859,0 17195.0 -424.40 17619 4 16■ 17 384,00 356,8 27.26 -823,50 2973.0 8,810 832,3 11000,2 450.90 11451,1

Đồ thị mômen uốn và lực cắt có dạng như sau:

Hình 1.14 Mômen uốn và lực cắt tàu

32 C h ư ơ n g 1

Thay các giá trị trên vào hệ phương trình:

■ ٠

■ 2

= 163.375.6 +

325C

4440.96 -

= 1929,37.6 +

^ 3267,5

0

= - 0,857m; 6 = -0.847m

0

= 5,778m

Giới hạn trên nằm trong phạm vi cho phép

c · L ự c c ắ t v à m ôm en trê n só n g đọc theo h ảng dưới

g g

f٠ 1 in

.٠

o

٠

o r

؛

00 y

S ứ c b ể n c h n n g 35

1.7 CHƯƠNG TRINH M áy Τ؛ΝΗ x á c DNH Lực CẮT VÀ Μ0ΜΕΝ UỐN TÀU t r E n N ước

Chương trình tinh có nhiệm vụ như sau:

- Tinh toàn bộ các đ ằ g cong t h ^ tĩnh của tầu, và biếu đồ Bonjean

- Cân bằng tàu trên nước tĩnh

- Xác áịnh lực cắt và mOmen uốn trên nước tĩnh

- Cân bằng tàu trên sOng

- Xác âịnh lực cắt và mOmen uốn bổ sung cho tầu trên 'sOng

- Tinh tổng lực cắt và mOmen uốn tàu

Sơ đồ thực hiện các bước tinh dược gidi thiệu tại Η.1.15

НгпК1.15

36 C h ư ơ n g 1

dùng trong môi trường DOS Dưới dây giới thiệu kết quả tính ví

dụ, thực hiện theo yêu cầu của chủ phương tiện Kết quả tính các đặc tính thủy tĩnh, tỉ lệ Bonjean và mômen uốn, lực cắt của tàu

chở dầu dài toàn bộ Loa - 298m, Lpp = 276m, B = 44,2m, D = 22,43/n,

hệ số đầy thể tích CB = 0,81 dược trích từ file xuất dữ liệu.

S ứ c b ề n c h u n g 37

Cũng với tàu trên dây sau khi cải hoán thành trạm chứa dầu không bến, trên đó đặt thêm sân bay lên thẳng, giá đỡ, kết cấu neo buộc trên biển, cùng với sự thay đổi phân bố trọng lượng thân tàu, mômen uốn và lực cắt đã thay đổi như sau:

ĐM

[tm]

0.00 8640.69 30990.05 8361.22 61925,62 90168.77 117906.97 134567.47 137303,51 120495.04 83388.92

No

12 13 14 15 16 17 18 19

20

21

SF

-5196.03 -11292,29 -7782.20 -4424.99 2495.61 9396.38 6729.14 4682.13 824.20 0.00

BM

23532.83 -79937.97 -211381.70 -295089.46 -308231,94 225961.33 -114525.02 -37043.51 -1120.41

BM

[tm]

0.00 -253,16 -31645.19 -12834,78 -105069.81 -211554,70 -334864.01 -461523.85 -583825,33 -689993.50 -775808.88

No

12 13 14 15 16 17 18 19

20

21

SF

-5681.00 -8582.91 -2377.99 2892.48 10721.89 17375.16 13265.53 8815,64 2431,57 0.00

BM

-837547.43 -897074,53 -944375.25 -910346.59 -788078.05 563173.88 -323423.74 -141951,67 -36016.51 0.00

1.8 CÔNG THỨC KINH NGHIỆM XÁC ĐỊNH MÔMEN UỐN VÀ

38 C h ư ơ n g 1

Tàu hàng cỡ lớn

Tàu với 140m > L > 100m

Tàu hàng cỡ nhỏ L < 100m

Công thức tính lực cắt:

3/gl

·^max ٠ 3,5

pp

1.9 ỨNG SUẤT DO UỐN CHUNG CỦA TÀU

Mặt cắt ngang thân tàu có dạng kết cấu thành mỏng Dưới tác động của mômen uốn, ứng suất trong thân tàu, tại vị trí m ặt cắt qua tọa độ X thân tàu, tính theo công thức quen thuộc;

(1.40)

- .uM

ơ = - ị ■^

trong đó; M - mô men uô.n tại mặt cắt qua X

z - khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm tính toán, đo theo

S ứ c b ề n c h u n g 39

Trong công thức cuối w = - có tên gọi môdun chống uốn của

2mặt cắt ngang Giá trị w nhỏ nhất khi 2 nằm xa trục trung hòa nhất Với những vị trí mà w đạt giá trị nhỏ nhất ứng suất đạt giá trị lớn nhất Cần nói thêm, trong các văn bản chính thức của các

tổ chức quốc tế về độ bền tàu, ký hiệu đứng vào vị trí w đang nêu

là z hoặc SM, viết tắt từ section modulus.

Mômen quán tính và môđun chống uốn mặt cắt ngang tàu nên tính ở dạng bảng Nếu ký hiệu diện tích mặt cắt ngang từng

chi tiết là a,, i = 1, 2, 3, và khoảng cách từ tâm chi tiết đang xét

đến trục ngang của hệ tọa độ tham chiếu là 2،, chiều cao trục trung hòa so với trục tham chiếu dùng khi tính sẽ là:

Ẹ ٥٠ 2 ٠ ·

^-

Với giả thiết mặt cắt ngang tàu thủy đối xứng qua trục Oz,

công thức tính mômen quán tính mặt cắt ngang so với trục trung hòa sẽ là:

I = 2(57, + Zai2i٥ - Zo؛Za،) = 2(Z/, + z٠,2،؛ - ZoYữiZi) (1.44) Công thức trên đáy nên thực hiện trong bảng:

TT Diện tích a ١

؛؛) cm (

Khoảng cách Z|

(cm)

Mômen quán tính riêng 1 a،.Zi =

m ٥

؛ cm (

1

2

Cộng I = A I = B I = c

40 Chưorng 1

B

= —A

trong ăó: N - lực cắt thân tàu; s* - mômen tinh tiết diện

I - mômen quán tính mặt cắt ngang thân tàu, tính qua đường

trung hòa mặt cắt Chiều dày tôn vỏ ký hiệu t trong giáo

trình này

Khi thay đổi chiều dày tôn vỏ ứng suất cắt tính theo công thức trên tỉ lệ nghịch với chiều dày Giá trị ứng suất cắt tại những điểm bắt đầu thay đổi chiều dày, ví dụ từ ،2 sang ،1 hoặc ngược lại, tính theo công thức:

trong đó: Ta - ứng suất ban dầu tại A, S*A B

ÌA-B - là mômen tĩnh và chiều dày tôn tương ứng tính trên đoạn AB

Phân bố ứng suất cắt trên vỏ tàu có dạng như H.1.17.

I.t

B ả n g 1.8

) ؟ ) c/n

Trọng tâm

ịcm)

Tích s ố (2)x(3)

trong đó: ký hiệu m*{s) được dùng thay cho s*, miêu tả mômen

tĩnh tính từ s = 0 đến s, như tích phân sau:

vớíi những mặt cắt đa miền có thể gặp trên tàu thủy, chúng ta có

th ể xét chi tiết hơn