Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi vlfs

TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS.. Hiện nay các kết cấu tấm nổi rấthiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệTP.HCM ngày tháng năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN MINH PHƯƠNG Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 19/09/1989 Nơi sinh: Tây NinhChuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1541870012

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS.

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phương phápphần tử hữu hạn và phần tử biên

2 Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác

3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phân tíchcủa luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác

4 Tiến hành thực hiện các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : …/ /….

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : …/…/….

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệthống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiêncứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó làtrách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhậnđược sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơntới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Lương Văn Hải.Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rấtnhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cậnnghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đạihọc Công Nghệ TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng lànhững kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệpcủa tôi sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiềutrong quá trình thực hiện luận văn này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bảnthân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉdẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp HCM, ngày … Tháng… năm 2017

Trần Minh Phương

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia cóđường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển Để giảiquyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị Tuynhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏilượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thểthực hiện được Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm ảnh hưởng tiêu cực đối vớimôi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước lánggiềng Để giải quyết các vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghịmột giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổisiêu rộng(VLFS - Very Large Floating Structures) Hiện nay các kết cấu tấm nổi rấthiện đại đã được các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng, điển hình như cácnước Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ, Pháp, Anh, Ý…Ở Việt Nam cũng đã

có nghiên cứu về vấn đề trên, nhưng chỉ tập trung nghiên cứu khảo sát và phân tíchnhững kết cấu có kích thước nhỏ, cho nên luận văn đã được thực hiện với mục đích

là tập trung phân tích khảo sát ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi có kíchthước lớn chịu ảnh hưởng của sóng biển và tải trọng Tác giả đã sử dụng phươngpháp phần tử hữu hạn (FEM) cho tấm và phương pháp phần tử biên (BEM) cho chấtlỏng, nhằm để phân tích khảo sát chuyển vị của kết cấu tấm khi thay đổi các hướngsóng, chiều dài bước sóng, độ sâu của biển, chiều rộng của tấm và bề dày của tấm.Các kết quả nghiên cứu trong luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệutham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công vàbảo dưỡng hệ thống kết cấu tấm nổi sau này

ABSTRACT

With the increase in population and process are broadening urbanized, countrieshave long shoreline or country reversions deployed projects To address the demandfor housing for people as well as urban infrastructure development However, thissolution is only suitable for not too deep waters (depths less than 20m) For deepwater or deep seabed, this solution requires enormous costs and technicaldifficulties, even impossible Besides, the reclamation project as negative for thecountry's environment, groundwater ecosystems, and coastline with its neighbors

To solve the above problems, the researchers and engineers have proposed analternative solution more efficient, which is to build a system of floating structuresultra-wide (VLFS - Very Large Floating Structures) Modern plate structures havebeen developed by countries around the world, such as Japan, South Korea, China,USA, France, England, and Italy… In Vietnam, there is research on the aboveproblem, but it is only focused on investigating and analyzing small-size structuresthat are not in line with reality, therefore the thesis was conducted with the aim ofconcentrating on analyzing the dynamical behavior of floating structure of largesize, influenced by waves and load The author used the method of Finite ElementMethod (FEM) for the plate and method Boundary Element Method (BEM) forfluids, in order to analyze the survey of structural displacements panels to changethe direction of the wavelength steps waves, sea depth, width and thickness of thesheet of plate The results of the study in the hopeful thesis may be one of the usefulreferences to facilitate the design, construction, and maintenance of the later platestructure

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn củaThầy PGS.TS Lương Văn Hải

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiêncứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

Trần Minh Phương

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết cấu nổi 4

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 6

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước 6

1.5 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.6 Cấu trúc luận văn 8

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng 9

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số 10

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn 11

2.4 Lý thuyết sóng tuyến tính 13

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm 14

2.6 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng 17

2.7 Áp lực chất lỏng 19

2.8 Giải phương trình tương tác 19

2.9 Lưu đồ tính toán 20

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ 21

3.1 Kiểm chứng chương trình Matlab với kết quả tính toán thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [6] 23

3.2 Bài toán 1: Phân tích khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi của hướng sóng với Gao Ruiping (2012) [16] 24

3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển 34

3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi độ sâu của biển kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu 36

3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày của tấm 44

3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề rộng của tấm 47

3.7 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử của tấm khi chịu tác động với sự thay đổi bề rộng của tấm kết hợp với tỷ lệ bước sóng và chiều dài kết cấu 52

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

4.1 Kết luận 59

4.2 Kiến nghị 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 63

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 75

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS 1

Hình 1.2 Hệ thống kết cấu nổi 3

Hình 1.3 Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka 3

Hình 1.4 Minh họa tính trường uốn tấm VLFS 4

Hình 2.1 Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn 9

Hình 2.2 Mô hình tấm dày [18] 11

Hình 2.3 Mô hình kết cấu và chất lỏng 3-D [14] 13

Hình 2.4 Lưu đồ tính toán 20

Hình 3.1 Mô hình tấm VLFS 22

Hình 3.2 Mặt bằng sân bay (1999) [6] 23

Hình 3.3 So sánh kết quả code và thí nghiệm (1999) [6] 24

Hình 3.4 So sánh kết quả với Gao Ruiping (2012) [16] 26

Hình 3.5 Hướng sóng có góc   0

Hình 3.6 Hướng sóng có góc  

15

Hình 3.7 Hướng sóng có góc   30

Hình 3.8 Hướng sóng có góc   45

Hình 3.9 Hướng sóng có góc   60

Hình 3.10 Hướng sóng có góc   68

Hình 3.11 Hướng sóng có góc   75

Hình 3.12 Hướng sóng có góc   90

28

29

29

30

31

31

32

33

Hình 3.13 Các trường hợp biên độ dao động của sóng tới 34

Hình 3.14 Sự thay đổi độ sâu của biển 35

Hình 3.15 Ảnh hưởng các bước sóng lên kết cấu tấm ở độ sâu H  20m 37

Hình 3.16 Chuyển vị kết cấu với các bước sóng khác nhau ở độ sâu H  20m 38

Hình 3.17 Ảnh hưởng các bước sóng khác nhau lên kết cấu tấm ở độ sâu

Hình 3.22 Bề dày của kết cấu tấm

Hình 3.23 Bề dày của kết cấu tấm

Hình 3.24 Bề dày của kết cấu tấm

Hình 3.25 Bề dày của kết cấu tấm

Hình 3.26 Bề dày của kết cấu tấm

hs  2m 45

hs  2.5m 45

hs  3m 46

hs  3.5m 46

hs  4m 47

Hình 3.27 Bề rộng của kết cấu tấm nổi Hình 3.28 Bề rộng của kết cấu tấm nổi Hình 3.29 Bề rộng của kết cấu tấm nổi Hình 3.30 Bề rộng của kết cấu tấm nổi Hình 3.31 Bề rộng của kết cấu tấm nổi B  30m 49

B  60m 49

B  90m 50

B  120m 50

B  150m 51

Hình 3.32 Đồ thị các trường hợp chuyển vị với bề rộng B thay đổi 52

Hình 3.33 Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 1 53

Hình 3.34 Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 2 54

Hình 3.35 Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 3 56

Hình 3.36 Đồ thị biên độ dao động Trường hợp 4 57

Hình 3.37 Đồ thị tổng hợp biên độ dao động cả 4 Trường hợp 58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số tấm VLFS 21

Bảng 3.2 Các trường hợp sóng tới 33

Bảng 3.3 Các bước sóng ảnh hưởng lên tấm ở độ sâu 20m 36

Bảng 3.4 Biên độ dao động cực đại ở khác bước sóng khác nhau và độ sâu của biển khác nhau 43

Bảng 3.5 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với B bề rộng thay đổi 51

Bảng 3.6 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.3 và B / L 54

Bảng 3.7 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.4 và B / L .55

Bảng 3.8 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại với   0.5 và B / L 56

Bảng 3.9 Tổng hợp các biên độ dao động cực đại ở cả 4 Trường hợp 57

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element)FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)VLFS Kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)

L Chiều dài tấm theo phương x

B Chiều rộng tấm theo phương y

E Module đàn hồi của vật liệu

G Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

 Trọng lượng riêng của vật liệu tấm

hS Chiều dày tấm

 Bước sóng

Ψ x Góc xoay của tấm quay quanh trục y

Ψ y Góc xoay của tấm quay quanh trục x

 s Hệ số hiệu chỉnh cắt

, xx Đạo hàm riêng bậc hai của hàm  theo biến x

H Độ sâu

1

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Với sự gia tăng dân số và sự mở rộng của quá trình đô thị hóa, những quốc gia cóđường bờ biển dài hay những đảo quốc đã triển khai những dự án lấn biển Để giảiquyết nhu cầu về chỗ ở cho người dân cũng như phát triển hạ tầng đô thị Tuynhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m).Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏilượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thểthực hiện được

Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường củaquốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng Để giảiquyết vấn đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thaythế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (Hình 1.1)(VLFS - Very Large Floating Structures)

Hình 1.1 Mô tả hệ thống kết cấu nổi siêu rộng VLFS

(http://w w w.naoe e ng osak a -u.ac j p/kashi / re s earch/airpor t- e.h t m l )

Hệ thống này có nhiều ưu điểm vượt trội so với giải pháp truyền thống như sau:

 Ứng dụng tốt cho vùng nước sâu (vì xây dựng VLFS không chịu ảnh hưởng đáng kể của đáy biển và độ sâu vùng nước)

 Thân thiện và ít ảnh hưởng đến môi trường

 Thời gian thi công nhanh (vì các module nhỏ được chế tạo sẵn tại xưởng vàsau đó được đi chuyển đến công trường để lắp ráp), dễ dàng mở rộng hoặctháo dỡ (vì chúng được tạo các mô module nhỏ)

 Không bị ảnh hưởng của động đất (vì ảnh hưởng của động đất dần bị triệttiêu bởi môi trường biển)

 Tận dụng được lực đẩy nổi của biển Không chịu ảnh hưởng của hiện tượng

ấm lên toàn cầu (các nhà khoa học dự đoán mực nước biển sẽ dâng cao thêm

khoảng 1 m vào năm 2100).

VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm(semi-submersible) Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giáthành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm(được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) đểgiảm thiểu ảnh hưởng của sóng biển Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng chomục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác Chúng được cố định bởi các cộtkiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệthống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két) Trái lại,kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linhhoạt so với các kiểu cấu trúc ngoài khơi Như vậy, việc phân tích VLFS chính làphân tích hiện tượng thủy động học của kết cấu tấm nổi cùng với chuyển động củatấm Phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác động củasóng biển và miền chất lỏng đã trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiêncứu

Hình 1.2 Hệ thống kết cấu nổi (https:// w ww.resea r ch g ate.net/

f igure/2263 0 6 1 80_ f ig2_F i g-4-C o mp o nent s -o f -a- pontoon-type-VLFS)

Hình 1.3 Ứng dụng sân bay nổi và cầu nổi Yumeshima-Maishima ở Osaka

(http://w w w m ss a org .m y / site/i n dex.php ? opt i on=c o m _c o ntent& v i e w=article& i d

=172&It e mid=228 & h ttp://db f lexibiln i - a rchi t ektura.cz/o/ 3 5 )

Ngày nay, các quốc gia nói chung và Việt Nam nói riêng đều mong muốn mởrộng khai thác các tiềm năng khổng lồ của đại dương Do đó, việc nghiên cứu hệthống kết cấu nổi là việc làm hết sức cấp thiết và quan trọng cần giải quyết

1.2 Tình hình nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu mô hình kết

cấu nổi

Kích thước điển hình cho kết cấu nổi siêu rộng (VLFS) thường khoảng 5 km dài, và

1km rộng và chỉ có vài mét theo chiều sâu Cho nên VLFS có kích thước theophương ngang lớn hơn chiều dày rất nhiều, dẫn đến VLFS rất dễ uốn so với kết cấungoài khơi khác Điều này được minh họa trong Hình 1.4 Dẫn đến sự biến dạngđàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tâm cứng Vì vậy, tương tác giữachất lỏng và kết cấu hay còn gọi là hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xửđộng lực học

Hình 1.4 Minh họa tính trường uốn tấm VLFS

Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xửhydroelastic của nhiều loại VLFS trong môi trường sóng biển Từ bước phân tíchđơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùngchất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với

mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương

Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép Chúngđược khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do Chuyển động theophương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theophương đứng Đồng thời, khi khảo sát ứng xử hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt

nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trongmột chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua

Trong quá trình phân tích, nước biển xung quanh được mô hình chất lỏng lýtưởng không xoáy, không nén và không nhớt và rộng vô hạn Áp lực động lực họccủa nước tác dụng lên mặt ngoài của kết cấu bao gồm áp lực tĩnh do sự thay đổi độsâu của phần chìm trong nước và áp lực động lực học của sóng Áp lực tĩnh tỷ lệ với

độ võng thẳng đứng được mô hình là lò xo đẩy nổi Áp lực động lực học gây ra dosóng trở thành lực quán tính bằng “khối lượng nước kèm theo và lực cản tổng quát

do quá trình tạo sóng” Bài toán động lực học chất lỏng được xem xét là bài toánsóng biển với điều kiện vùng chất lỏng có độ sâu hữu hạn và phương ngang vô hạn.Chất lỏng được giả thuyết là “chất lỏng lý tưởng” Sau đó, các phương trình ràngbuộc được chuyển thành các phương trình Laplace và điều kiện biển Phương pháp

để giải quyết bài toán tương tác giữa kết cấu và sóng biển được chia thành haitrường hợp Trường hợp đơn giản, kết cấu có kích thước nhỏ không gây ra sóngphản hồi vì vậy kết quả hàm thế sóng biển cho mặt tự do sẽ được sử dụng để tínhtoán áp lực động tác dụng vào kết cấu Phương pháp này được ứng dụng phổ biếntính toán các giàn khoan nổi, tàu thủy

Trường hợp phức tạp hơn, những kết cấu có kích thước lớn sẽ tỏ ra ngang bướngtrước tác động của sóng biển, sóng phản hồi từ kết cấu trở thành đại lượng đáng kể.Bài toán này được gọi là bài toán tương tác kép (coupled problem) Để giải quyếtbài toán tương tác kép, người ta sử dụng phương pháp “miền tần số” và “miền thờigian” Đa số các phân tích đều sử dụng phương pháp miền tần số vì tính toán đơngiản hơn Phương pháp này cũng chia thành hai phương pháp: trực tiếp và tọa độsuy rộng trong phương pháp trực tiếp, phương trình dao động của hệ được giải trựctiếp bằng các phương pháp số Tuy nhiên, các ma trận phương trình có kích cỡ lớn

và những ma trận hằng số hết sức phức tạp Điều này là do chiều dài sóng biển nhỏhơn nhiều so với chiều dài kết cấu Dẫn đến, kết cấu phải được chia nhỏ với mộtlượng lớn phần tử hữu hạn kéo theo thời gian tính toán sẽ rất lớn Mặt khác, phântích theo phương pháp tọa độ suy rộng bằng cách phân tách riêng lẻ việc phân tíchđộng lực học chất lỏng và kết cấu giúp giảm kích thước của ma trận của phương

trình cần giải Trong cách giải này, các nhà nghiên cứu đã chấp nhận sử dụng nhữnghàm khác nhau được đưa ra từ việc phân tích dao động riêng của kết cấu.

1.3 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm nổi ta có thể kể đến Maeda (1995) [2] ảnhhưởng của thủy triều đến kết cấu nổi kiểu phao ngoài khơi Kashiwagi (1998) [3],Lin (1998) [4] sử dụng hàm B-spline tính toán ứng xử hydroelastic của sóng.Utsunomiya (1998) [5] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích tấmnổi gần giống với VLFS Endo và Yago (1999) [6] phân tích thời gian ảnh hưởngđến kết cấu tấm nổi có kích thước lớn khi chịu tải trọng tập trung di động Eatock vàOkushu (2000) [7] đã sử dụng hàm Green để phân tích động lực học của dầm nổi vàtấm nổi có biên tựa tự do Wang, Xiang, Utsunomiya và Watanabe (2001) [8] đãnghiên cứu phản ứng và đánh giá các kết quả ứng suất trong các tấm dao động vớibiên tựa tự do Watanabe và Utsunomiya (2004) [9] sử dụng phương pháp phần tửhữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tácdụng của tải xung Jin và Xing (2007) [10] đã trình bài kết quả số ứng xử đàn hồicủa dầm nổi chịu tác động hạ cánh của hệ “khối lượng-lò xo-cản nhớt” Liuchao vàHua (2007) [11] phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xửHydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động Gupta, Khanna (2009) [12] phân tíchdao động tự do của tấm hình chữ nhật trên nền đàn nhớt với sự thay đổi chiều dàycủa tấm Liu-chao Qiu (2009) [13] mô hình hóa và mô phỏng các phản ứng của dầmnổi trong điều kiện vùng nước sâu dưới tác dụng của tải di động Wang và Tay(2010) [14], (2011) [15] phân tích phản ứng Hydroelastic kết cấu dạng phao có kíchthước lớn Gao Ruiping (2012) [16] trình bài ứng xử Hydroelastic của tấm có kíchthước lớn

1.4 Các công trình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, các công trình nghiên cứu trong nước rất ít hầu như tất cả kết quả số đãđạt được bằng việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Điển hình nhưNhi (2014) [18] phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải diđộng sử dụng phần tử 2-D chuyển động Mới nhất đây thì có Vũ (2016) [19] phân

tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng thời sóng biển vàtải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động, đã sử dụngphương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của kết cấunổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng.

Tất cả các nghiên cứu trên đều được sử dụng rời rạc hóa các phần tử tấm, để sửdụng phương pháp phần tử hữu hạn nhằm để tập trung nghiên cứu ứng xử tấm trênnền đàn hồi, hay mô hình dầm nổi thì không đúng với thực tế Do đó Luận văn này

đã tập trung nghiên cứu thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sửdụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phần tử biên (BEM) trong vấn đề”Phân tích ảnh hưởng sóng biển đến đáp ứng động lực học của kết cấu tấm nổiVLFS” góp phần đưa ra kết quả chính xác nhất so với thực tế, và rút ra nhận xét vềứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu ảnh hưởng các hướng sóng, bước sóngcủa sóng biển dưới sự thay đổi của độ sâu của biển, chiều rộng, chiều dày của tấmnổi

1.5 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm phát triển và ứng dụng phương pháp phần tử biên

và phần tử hữu hạn để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu nổi VLFS (VeryLarge Floating Structures) chịu ảnh hưởng của sóng biển Các vấn đề nghiên cứu cụthể trong Luận văn này bao gồm:

 Thiết lập mô hình cho kết cấu tấm nổi và vùng chất lỏng sử dụng phươngpháp phần tử hữu hạn và phần tử biên

 Phát triển thuật toán và chương trình giải hệ phương trình tương tác

 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả phântích của Luận văn với các kết quả các nghiên cứu của tác giả khác

 Thực hiện một số các vấn đề phân tích khảo sát của các đại lượng khác nhau, đến ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi, từ đó rút ra các kết luận

1.6 Cấu trúc luận văn

Nội dung trong Luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan chung về kết cấu tấm nổi VLFS và tình hìnhnghiên cứu và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bài các cơ sở lý thuyết về tấm Mindlin và chất lỏng, vàphương pháp phần tử biên cho chất lỏng và mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấutấm

Chương 3: Trình bài các kết quả phân tích và khảo sát được tính toán bằng ngônngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình động của bài toán

Chương 4: Đưa ra một số kết luận quan trọng đã đạt được trong luận văn và kiếnnghị phát triển đề tài trong tương lai

Phụ lục và một số đoạn mã lập trình Matlab để tính toán trong chương 3

CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng

Mô hình VLFS có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B Kết cấu nổi có dạng

như chiếc hộp với chiều cao không đổi là h, và d phần chìm trong nước biển, được thể hiện như trong Hình 2.1 Đáy biển được giả thuyết phẳng nằm tại độ sâu là H Kết cấu chịu tác dụng của sóng tới với chu kỳ sóng là T và chiều cao của sóng là 2A, và sóng tới tác dụng tới kết cấu nổi với một góc là 𝜃 đối với trục x.

x,u

Hình 2.1 Hình vẽ mặt bằng a) và mặt bên b) của kết cấu nổi siêu lớn

Trong quá trình phân tích hydroelastic, kết cấu được mô phỏng như một tấm

đồng nhất và cứng Hệ số đàn hồi E và hệ số poisson tỷ lệ với độ cứng của tấm nổi,

và được điều chỉnh để phù hợp với tần số tự nhiên và tần số dao động của kết cấuthật Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do Vật liệu củatấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke Đối với việc phântích hydroelastic, hầu hết các nhà nghiên cứu đã mô hình hóa bằng cách sử dụng lýthuyết tấm mỏng cổ điển, nhưng gần đây việc sử dụng các lý thuyết tấm dày

Mindlin nhận được sự phổ biến nhất do khả năng cung cấp các kết quả và dự đoán chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và quán tính quay.Không giống như các lý thuyết tấm mỏng cổ điển, các phương trình chuyển động

được mô tả chỉ thông qua chuyển vị đứng w(x, y, t)là biến, sự chuyển động của tấm

dày Mindlin được biểu diễn thông qua góc quay quanh trục x là  y ( x, y, t) và trục y

là  x (x, y, t) Trong khi phân tích, các tấm được giả định là không chuyển động trong mặt phẳng Oxy và chỉ chuyển vị theo phương thẳng đứng (tức là hướng z).

Nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và không nhớt, không nén,không xoáy và dòng chảy có thế Dựa trên những giả thuyết trên, chất lỏng chuyểnđộng có thể được đại diện bởi một thế vận tốc là  Chuyển động của chất lỏngđược giả thuyết là nhỏ, để xây dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng, dựatrên lý thuyết sóng tuyến tính

Sự tương tác của nước biển và kết cấu được thể hiện qua điều kiện vận tốc củatấm trùng với vận tốc của mặt nước tiếp xúc với tấm, tức là không có khoảng hởgiữa tấm và mặt nước

2.2 Biểu diễn nghiệm miền tần số

Xem xét trạng thái chuyển động ổn định điều hòa với tần số vòng  của tấm, vì vậybiến chuyển vị và góc xoay của tấm có thể tách rời thành các biến thời gian vàkhông gian như sau:

L L L L

(2.5)

trong đó w x , y  , x  x , y  , y  x , y  , là các đại lượng của tấm dày

Mindlin, lần

lượt là chuyển vị, góc xoay quanh trục y và trục x   x , y  , là thế vận tốc không

thứ

nguyên của nước Re là hàm lấy giá trị thực của số phức

2.3 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Tấm dày Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với  x là góc xoay của tấm quay quanh trục

y,  y là góc xoay của tấm quay quanh trục x: u,v,w là chuyển vị của tấm theo phương x,y,z Theo mô hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vuông góc với mặt

trung bình vẫn thẳng trong quá trình biến dạng nhưng không còn vuông góc với mặttrung gian nữa và các góc vuông này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạngtrượt trung bình gây ra bởi lực cắt Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồmhai phần, phần thứ nhất do độ võng của tấm khi các pháp tuyến vẫn còn vuông gócvới mặt trung bình, phần thứ hai là do biến dạng trượt trung bình gây ra

Hình 2.2 Mô hình tấm dày [18]

Phương trình động lực học sóng biển trên mặt thoáng tại z  0 :

x x

với w là chuyển vị theo phương đứng của kết cấu

Phương trình chuyển động có xét áp lực sóng biển của tấm dày Mindlin được đưa ranhư sau:

module cắt (hay momen đàn hồi trượt), v là hệ số poisson, 𝛾 trọng lượng riêng

vật liệu của tấm và  là hệ số điều chỉnh cắt,  2

 5 .6Các cạnh của tấm tự do cho nên momen uốn, xoắn và lực cắt ngang phải bị triệttiêu ở cạnh, từ đó dẫn đến các phương trình điều kiện biên tại các cạnh của tấm nhưbên dưới:

 0

Hàm thế sóng điều hòa tuyến tính I cho vùng chất lỏng có độ sâu không đổi

và đạo hàm theo phương pháp tuyến q của mặt thoáng và đáy biển được viết dưới

dạng, với ký hiệu “I” đại diện cho vùng sóng tới (sóng biển), z được lấy từ mặtnước trung bình (yên tĩnh)

được gọi là hàm thế vận tốc của sóng nhiễu xạ Từ giả thuyết

chất lỏng lý tưởng, hàm thế phải thỏa mãn phương trình Laplace

on S

với X=(x,y) và S là bề mặt chất lỏng giả định ở vô cực.và k là số các sóng thỏa

phương trình: k tanh kH   2 .

2.5 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm

Độ võng, góc xoay và các biến phân của nó được biểu diễn bởi đa thức xấp xỉ với

hệ số là giá trị tại các nút như bên dưới

n