Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC NGUYỄN HỮU CƯỜNG ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG LU

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

VIỆN CƠ HỌC

NGUYỄN HỮU CƯỜNG

ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN

TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI 2007

§¹i häc quèc gia hµ néi ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam

Trang 2

tr-ờng đại học công nghệ viện cơ học

NGUYỄN HỮU CƯỜNG

ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIấN TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ

Trang 3

Luận văn thạc sĩ

MỤC LỤC

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG

1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng

1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận

1.2.1 Thân giàn

1.2.2 Các chân và các chân đế

1.2.3 Các thiết bị

1.2.4 Tải trọng ban đầu và sự đâm xuyên của chân đế

1.3 Các chế độ làm việc của giàn tự nâng

1.3.1 Chế độ nổi

1.3.2 Chế độ kích nâng

1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc)

1.4 Các vấn đề cần quan tâm trong mô hình phân tích giàn tự nâng

1.5 Công cụ phân tích

1.5.1 Phương pháp

1.5.2 Phần mềm áp dụng

Học viên: Nguyễn Hữu Cường

Trang 4

1.6 Kết luận chương

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.2 Mô tả toán học của phương pháp phần tử hữu hạn

2.1.3 Phân tích khung không gian (Phần tử dầm ba chiều)

2.2 Phần tử dầm cải biên

2.2.1 Phần tử dầm hai chiều có kể đến ảnh hưởng của lực dọc trục

2.2.2 Mô hình liên kết biên

2.3 Một số ví dụ áp dụng

2.3.1 Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn tính toán cho khung phẳng

2.3.2 Phân tích khung không gian

2.4 Kết luận chương

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG

3.1 Cở sở phân tích

3.2 Các hiệu ứng động lực

3.3 Mô hình hoá cấu trúc

3.3.1 Mô hình dầm cột

3.3.2 Mô hình liên kết biên

3.4 Sóng và tải trọng sóng tác động lên kết cấu

3.4.1 Các giả thiết cơ bản của sóng biển

3.4.2 Lý thuyết sóng Ery

Trang 5

3.4.2 Công thức Morison

3.5 Các phần mềm áp dụng cho tính toán giàn tự nâng

3.5.1 Chương trình phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

3.5.2 Phần mềm tính toán tải trọng sóng tác dụng lên giàn tự nâng

3.6 Ví dụ áp dụng phân tích giàn tự nâng

KẾT LUẬN

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Trang 6

H – ma trận nội suy chuyển vị

H – lực tác động lên chân đế theo phương ngang

M – mô ment tác động lên chân đế

M 1 , M 2 mô ment tác dụng lên hai đầu phần tử

V – lực tác dụng lên chân đế theo phương thẳng đứng

 1 , 2 - góc xoay tại hai đầu phần tử

v, , h - lần lượt là chuyển dịch theo phương thẳng đứng, góc xoay và chuyển

vị theo phương ngang của chân đế

Trang 7

Hình 2.4 mô hình khung phẳng 2 chiều

Hình 2.5 tám dạng riêng đầu tiên của khung phẳng

Hình 2.6 chuyển vị của bậc tự do thứ 4 và 11

Hình 2.7 dao động theo phương ngang của bậc tự do thứ 4

(a) trường hợp nén dọc trục, (b) kéo dọc trục

Hình 2.8 mô hình khung không gian

Hình 2.9 chuyển vị theo phương ngang của nút 10

Hình 3.1 mô hình dầm cột tương đương cho giàn tự nâng

Hình 3.2 phần tử dầm Euler có kể đến ảnh hưởng của lực dọc trục

Hình 3.3 các lực và chuyển dịch trên một chân đế

Hình 3.4 thanh hình trụ nằm bất kỳ trong nước

Hình 3.5 đưa tải trọng về 2 đầu nút

Hình 3.6 sơ đồ khối chương trình DIAGANA

Hình 3.7 mô hình giàn tự nâng của cassidy

Hình 3.8 mặt sóng tác động lên chân đế

Hình 3.9 tải trọng sóng tác động lên giàn theo phương ngang

Hình 3.10 chuyển vị ngang của sàn

Hình 3 12 chuyển vị của sàn theo phương thẳng đứng

Trang 8

Bảng 2.1 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho 1 chân đế hình nón đƣợc cắm trong

nền không nén đƣợc (công bố bởi Bell)

Bảng 2.2 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho 1 chân đế hình nón với sự thay đổi

của góc ở đính đƣợc cắm trong nền không nén đƣợc

Bảng 2.3 Thông số hình học của khung 2D

Trang 9

ổn định tốt khi làm việc dưới tác động của tải trọng môi trường (sóng, gió,dòng chảy…) như công trình biển cố định, giàn tự nâng ngày nay được sửdụng rộng rãi trong xây dựng công trình biển.

Tại Việt Nam một số giàn tự nâng đã và đang được sử dụng phục vụ chocông tác thăm dò dầu khí biển (các giàn Cửu Long và Tam Đảo) và phục vụxây dựng công trình biển (có một số giàn cỡ nhỏ do các đơn vị trong nướcthiết kế chế tạo)

Với tầm quan trọng trong nền công nghiệp khai thác xa bờ, ngày naythiết kế, chế tạo các giàn khoan di động đã trở thành một ngành công nghiệpphát triển mạnh mẽ trên thế giới Việc nghiên cứu, phân tích các ứng xử độnglực học của giàn dưới tác động của các tải trọng môi trường đóng một vai tròthiết yếu quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả kinh tế và giảm thiểu cácrủi ro Với kết cấu giàn tự nâng làm việc trong vùng biển sâu khi tiến hànhphân tích động lực học việc sử dụng mô hình khung giằng đưa đến các môhình lớn với nhiều bậc tự do và do đó tính toán trở nên rất phức tạp khi tínhtải trọng sóng cũng như khi tiến hành phân tích Do vậy các nhà tính toánthường đưa chân đế về mô hình các phần tử dầm cột tương đương [10, 12,14], cách mô phỏng này cho ta ưu thế số bậc tự do của bài toán không lớn nênrất phù hợp khi tiến hành phân tích động cũng như khi xem xét tác động ngẫu

Trang 10

nhiên của tải trọng sóng lên công trình [11, 15] Khi đưa chân đế về mô hìnhdầm-cột hiệu ứng Euler là đáng kể khi tiến hành phân tích ứng xử động củakết cấu Các tác giả Cassidy M.J., Taylor R.E., Houlsby G.T, Williams M S.,Thompson R.S G [11,15,16] đã dùng mô hình phần tử dầm – cột phi tuyếntrong tính toán giàn tự nâng

Liên kết giữa các chân giàn với đáy biển là bài toán khó, được đặt rahàng đầu Vì phần lớn tính ổn định của thân giàn được cung cấp bởi các chân

đế mà sự vững chắc của các chân đế phụ thuộc rất lớn vào liên kết của chúngvới đáy biển Để đơn giản trong tính toán, trước đây các tác giả thường dùngcác mô hình liên kết khớp và các mô hình lò xo tuyến tính với các thành phần

độ cứng độc lập theo ba phương trực giao Tuy nhiên, ngày nay khi làm việc

ở các vùng nước sâu hơn và chịu ảnh hưởng của môi trường khắc nghiệthơn, các mô hình liên kết trên trở nên không phù hợp và không mô tả mộtcách sát thực liên kết giữa chân đế và nền Với những lí do như vậy luận vănnày đặt ra một số nhiệm vụ sau đây:

 Xây dựng mô hình phần tử dầm cải biên có kể đến ảnh hưởng của lực dọc trục - thiết lập các ma trận phần tử

 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn mô tả tương tác của đế móng với nền đất với giả thiết nền đáy biển có ứng xử đàn hồi tuyến tính có kể đến tương quan giữa xoay và chuyển vị ngang

 Xây dựng các mô dun tính toán các ma trận phần tử hữu hạn cải biên

đã xây dựng ở trên, để ghép nối vào các chương trình tính toán phân tích giàn tự nâng.

Trang 11

Luận văn gồm 3 chương:

 Chương 1: Giới thiệu về giàn tự nâng

 Chương 2: Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn

 Chương 3: Phân tích giàn tự nâng

Trang 12

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG 1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng

Nhu cầu thăm dò và khai thác dầu khí ở các vùng biển sâu hơn, với cácđiều kiện tự nhiên khắc nghiệt là một nhu cầu thực tế luôn được đặt ra Trongcác điều kiện như vậy các giàn khoan di động trở thành các công cụ rất quantrọng và cần thiết Có ba loại giàn khoan di động chủ yếu là: Giàn tự nâng;Tàu khoan và Giàn bán chìm

Năm 1869, Samuel Lewis được liên bang Mỹ công bố bằng sáng chếứng dụng về sự mô tả của thiết bị tự nâng Nhưng cho đến tận 85 năm sau đótức là vào năm 1954 thiết bị Delong

McDermott No 1 trở thành thiết bị đầu tiên

sử dụng các nguyên lí của giàn tự nâng phục

vụ cho việc khoan xa bờ Có thể nói Delong

McDermott No 1 là một trong những thiết bị

được cải tiến thành công nhất của các bến

tàu Delong từ một thiết bị phao nổi với một

số các chân hình trụ mà chúng có thể di

chuyển lên hoặc xuống Các bến tàu Delong

hầu hết được sử dụng như các cầu tàu di

động cho các mục đích công nghiệp trong

suốt những năm 40 của thế kỷ 20 Các bến

tàu này có thể được kéo đến một vị trí nào đó với các chân được nâng lên Khiđịnh vị ở một vị trí nào đó các chân được hạ xuống đáy biển và khoang nổi đượcnâng lên khỏi mặt nước sử dụng nguyên lý giống như nguyên lý của giàn khoan

di động hiện đại ngày nay Một điều thú vị, các cầu tàu Delong đã được quân đội

Mỹ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai như là các bến

Hình 1

Trang 13

tàu di động và trước khi các bến cảng chính của phía tây châu âu được giảiphóng

Cũng giống như rất nhiều giàn khoan di động trước đó và sau này, thiết bịDelong McDermott No 1 giống như một thiết bị xà lan khoan được gắn với cácchân đế và các thiết bị kích nâng, thường với số lượng chân nhiều hơn

3 Giàn tự nâng có cấu trúc như ngày nay là thiết kế của kỹ sư người Mỹ LeTourneau vào năm 1956 dùng cho công tác khoan thăm dò dầu khí ngoài biển,theo thiết kế của ông số lượng chân đế của các giàn khoan ngày nay

được giảm xuống còn 3 chân Một sự cải tiến đáng kể trong thiết kế đó là sựtrang bị các hệ thống kích nâng và hệ thống chốt được điều khiển bằng điện

mà chúng cho phép các chân đế di chuyển liên tục một cách độc lập Hế thốngchốt khoá này hạn chế đáng kể sự trượt xảy ra trên các chân có bề mặt trơnnhẵn khi thiết bị ở chế độ nâng Các thiết bị giàn khoan tự nâng đầu tiên được

sử dụng khai thác dầu khí ở vùng Gulf của Mexico Chúng được thiết kế đểlàm việc ở vùng nước sâu khoảng 25 mét và là các sản phẩm đầu tiên củacông ty Marathon Letourneau Trong suốt những năm từ 1960 đến 1970Marathon Letourneau là công ty độc quyền thiết kế các thiết bị giàn tự nâng.Trong thời gian đó các giàn tự nâng được khai thác ở các vùng nước nông lêncấu tạo của các chân đế thường rất to, cồng kềnh và phức tạp

Cùng với nhu cầu sử dụng và khai thác năng lượng dầu ngày càng ratăng, các thiết bị giàn tự nâng liên tục được cải tiến để khai thác ở các vùngnước sâu hơn Đã có nhiều công ty khác trong đó phải kể đến các công ty:Bethlehem, Friede and Goldman, Marine Structures Consultans và Mitsui đãgóp phần làm tăng khả năng làm việc của giàn tự nâng trong các vùng nướcsâu (Veldman and Layers 1997) Sự phát triển này được tiếp tục với các thiết

bị có cấu tạo lớn hơn được sử dụng trong các vùng nước sâu khoảng 120 métvới sự tác động khắc nghiệt của môi trường biển bắc Ngày nay các thiết bị

Trang 14

giàn khoan di động là một bộ phận quan trọng không thể thiếu được trongviệc khai thác dầu khí và xây dựng các công trình trên biển Vì vậy việcnghiên cứu, phân tích ứng xử của giàn khoan di động dưới tác động khắcnghiệt của môi trường có một ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, gia cố và sửachữa các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cũng như giảm thiểu cácrủi ro tai nạn

Tuy giàn tự nâng có nhiều dạng nhưng về bản chất nó là một tổ hợp thiết

bị lắp đặt trên một sàn công tác Sàn công tác này có hai trạng thái: khi dichuyển nó là phao nổi, khi công tác nó được nâng lên trên các chân đế và làmviệc như các giàn cố định Tất nhiên không thể vững chãi như các giàn cốđịnh, nhưng so với các giàn di động khác thì giàn tự nâng có độ ổn định caohơn cả Khi các chân giàn được hạ xuống nước thì đồng thời phần thân giànđược nâng nên khỏi mặt nước tạo nên một diện tích làm việc giống như giàn

cố định Sóng biển chỉ tác dụng vào chân – cột có kính thước nhỏ và độ chắnsóng rất bé do đó giảm thiểu được tác động của

sóng biển lên giàn Hạn chế của giàn tự nâng là

chỉ làm việc được trên các vùng biển không sâu

lắm (độ sâu lớn nhất hiện nay mà giàn tự nâng có

thể làm việc được là 180m) Tuy nhiên nếu quan

tâm đến việc khai thác tiềm năng biển ở các vùng

nước nông (<180m) thì giàn tự nâng là một dạng

công trình không thể bỏ qua và cần thiết được

tìm hiểu

1.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận

Cấu tạo một thiết bị giàn tự nâng gồm ba bộ phận chính: thân giàn, các chân và các chân đế, và thiết bị

Trang 15

1.2.1 Thân giàn

Thân giàn là một công trình kín nước có khả năng cung cấp nhà ở, thiết

bị công tác, không gian làm việc… sao cho cho phép

thiết bị giàn thực hiện các nhiệm vụ và chức năng của

chúng Khi di chuyển thân giàn làm nhiệm vụ phao nổi

mang theo trọng lượng của các chân, các chân đế, thiết

bị, và chịu tác động của các tải trọng thay đổi từ môi

trường như sóng, gió và dòng chảy Các thông số khác nhau của thân giànảnh hưởng đến các chế độ làm việc khác nhau của thiết bị Chúng được mô tảmột cách sơ bộ như sau

 Nói chung, thân giàn càng lớn tức là chiều dài, bề rộng và chiều caocủa thân giàn lớn sẽ cho phép giàn mang các tải trọng và khối lượngthiết bị càng lớn Đặc biệt trong chế độ di chuyển (do sự ra tăng củakhông gian sàn và không gian phao nổi)

 Tương tự như vậy, các thân giàn lớn hơn đem lại không gian máymóc và khoảng trống rộng hơn trên sàn chính để cất giữ các ống khoan,

và cung cấp các không gian làm việc rộng lớn hơn Thân giàn lớn có thể

có khả năng mang tải trọng ban đầu lớn hơn do đó có thể cho phép ratăng tính mềm trong các thao tác gia tải ban đầu

 Thân giàn lớn nói chung có khả năng chống lại cao hơn các ảnhhưởng của các tải trọng gió, sóng và dòng chảy Tuy nhiên các thân giànlớn sẽ có khối lượng lớn do đó chúng yêu cầu các thiết bị nâng với cáclực nâng và giữ lớn hơn Khối lượng lớn này cũng ảnh hưởng tới tuổithọ tự nhiên của thiết bị trong chế độ nâng

Nói chung kích thước của thân giàn có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu tải và mức độ ổn định của thiết bị đặc biệt trong khi di chuyển

Trang 16

lại các tải trọng bên Việc sử dụng các chân đế là cần thiết để ra tăng vùng nền

đỡ bằng cách đó giảm thiểu độ bền yêu cầu của nền Việc tính toán thiết kế vềcấu tạo và độ bền của các chân giàn sao cho chúng chịu được các tải trọngthiết kế và giảm thiểu ảnh hưởng do tác động của môi trường là một bài toánkhó và được nhiều nhà khoa học quan tâm Ngày nay các giàn tự nângthường có dạng 3 chân và các chân có cấu tạo dạng thanh giằng để tăng độcứng, giảm khối lượng và giảm độ chắn sóng

Các chân của giàn tự nâng có thể kéo dài tới 155m bên trên mặt nướcbiển khi thiết bị ở trạng thái được kéo đi với các chân được rút lên hoàn toàn.Khi di chuyển trọng tâm khối lượng của thiết bị ở một độ cao nhất định cộngvới sự tác động của tải trọng sóng gió của môi trường nên thiết bị rất dễ mất

ổn định Với các thiết bị có cùng một kích thước thân giàn và sức kéo, cácthiết bị với các chân lớn hơn sẽ có độ ổn định nhỏ hơn khi di chuyển Khi ởtrong chế độ nâng, các chân của giàn chịu ảnh hưởng của các tải trọng sóng,gió và dòng chảy Cường độ và tỷ lệ của các tải trọng môi trường này là hàmcủa chiều sâu mức nước, khoảng hở không khí (khoảng cách từ mặt nước tớithân giàn) và độ sâu của chân đế đâm xuyên vào đáy biển Nói chung cácchân và các chân đế càng to thì tải trọng sóng, gió, và dòng chảy tác dụng lênchúng càng lớn Độ cứng của giàn sẽ giảm cùng với sự gia tăng của chiều sâumực nước, chính xác hơn là khoảng cách từ chân đế đến thân giàn Hơn nữa

Trang 17

đối với các giàn làm việc ở vùng nước sâu hơn ảnh hưởng của biến dạngtrượt đến độ cứng chống uốn là không đáng kể Độ cứng của chân giàn liên

hệ trực tiếp với độ cứng của giàn trong chế độ nâng, do đó nó ảnh hưởng đếndao động lắc ngang và tuổi thọ tự nhiên của thân giàn

1.2.3 Các thiết bị

Có ba nhóm thiết bị chính trên một giàn tự nâng đó là: thiết bị tàu, thiết

bị thực hiện nhiệm vụ của giàn và thiết bị nâng

 Thiết bị tàu là nhóm thiết bị mà chúng không trực tiếp tham gia vàonhiệm vụ chính của giàn tự nâng Thiết bị tàu có thể tìm thấy trên bất kỳphương tiện lớn đi biển khác Thiết bị tàu có thể bao gồm các mục nhưcác động cơ diesel chính, hệ thống ống dẫn nhiên liệu, các bảng và cáccông tắc nguồn, các phao cứu sinh, ra đa, thiết bị truyền tin vv Thiết bịtàu không trực tiếp được đòi hỏi với nhiệm vụ của giàn tự nâng nhưngchúng cần thiết được trang bị và là cần thiết cho giàn khoan thực hiệnđược chức năng của chúng

 Thiết bị nhiệm vụ là nhóm thiết bị mà giúp cho giàn khoan hoànthành được nhiệm vụ chính của nó Thiết bị nhiệm vụ thay đổi bởi chứcnăng của giàn tự nâng và bởi chính giàn tự nâng Hai giàn tự nâng cùngthực hiện nhiệm vụ khoan thăm dò có thể nhóm thiết bị nhiệm vụ khônggiống nhau Ví dụ về nhóm thiết bị nhiệm vụ có thể bao gồm các cầnkhoan, các bơm bùn, các hệ thống điều khiển khoan, các cần trục, thiết bịchống bắt lửa, và các hệ thống cảnh báo

 Thiết bị nâng là các thiết bị cần thiết cho giàn tự nâng để chúng nânglên, hạ xuống và khoá các chân đế và thân giàn Nhóm thiết bị kích nâng

có thể bao gồm hệ thống nâng thuỷ lực hoặc mô tơ kích, cơ cấu thanhrăng truyền lực, hệ thống giữ và chốt khoá Chúng cho phép nâng lên vàhạ

Trang 18

xuống các chân giàn và cho phép cố định

thân gian ở một độ cao mong muốn

1.2.4 Tải trọng ban đầu và sự đâm xuyên của

chân đế.

Các giàn tự nâng được gia tải ban đầu

khi đầu tiên chúng được di chuyển đến một vị

trí mà mà đảm bảo rằng nền đáy biển có khả

năng chịu được áp lực lớn nhất (phản lực thiết

kế) do chân đế tác động lên đáy biển khi thiết bị ở chế độ nâng Mức độ đâmxuyên của chân đế vào đáy biển được xác định bởi các tính chất của nền,phản lực theo phương thẳng đứng của các chân, và vùng diện tích chân đế.Nói chung, các chân đế có diện tích lớn hơn, với cùng một phản lực tác dụngtheo phương thẳng đứng và tính chất nền giống nhau thì sự đâm xuyên củachân đế càng bé Có một vài kỹ thuật gia tải ban đầu khác nhau, như gia tảiđồng thời trên các chân đế hoặc gia tải trên từng chân đế riêng biệt vơi mộtkhoảng hở tối thiếu để hạn chế các ảnh hưởng không tốt khi quá trình đâmxuyên xảy ra trên bề mặt nền gồ ghề Các thông số về tính chất của nền và sựtính toán mô phỏng ban đầu về quá trình đâm xuyên phải được cung cấp vàthực hiện trước khi trước khi quyết định việc gia tải ban đầu Chú ý rằng, sựđâm xuyên của chân đế trong suốt quá trình gia tải ban đầu phải được đo đạcghi lại và so sánh với các kết quả đã được tính toán trước Đây là nhữngthông tin quý gía cho việc xác định đặc tính của nền và sẽ phục vụ cho việcnâng cao các tính toán sau này

Trang 19

1.3 Các chế độ làm việc của giàn tự nâng

Các thiết bị giàn tự nâng làm việc trong ba chế độ chính: chế độ nổi tức

là thiết bị được chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, chế độ nâng tức là thângiàn được nâng lên trên các chân và chế độ trung gian tức là quá trình nângnên hoặc hạ xuống giữa các chế độ nổi và chế độ nâng Mỗi một chế độ cócác yêu cầu nhất định để đảm bảo cho thiết bị được vận hành một cách suônsẻ

Mặc dù các chân của thiết bị phải được kéo lên để đảm bảo chúng khôngchạm vào đáy biển trong suốt quá trình di chuyển, nhưng không nhất thiếtchúng phải được kéo lên một cách hoàn toàn Cho phép một phần chân chìmdưới nước điều này không chỉ tiết kiệm thời gian nâng, hạ chân giàn mà còn

hạ thấp trọng tâm khối lượng của thiết bị Điều này làm tăng tính ổn định củagiàn khi di chuyển và giảm thiểu ảnh hưởng do tác động của gió, nhưng nócũng làm tăng lực cản do dòng chảy Vì vậy di chuyển giàn ở một vị trí chânthích hợp để cực tiểu hoá các mô men lật tác động lên giàn là một vấn đề cầnthiết cho sự an toàn của thiết bị và phải được kiểm tra trước khi di chuyển

Trang 20

Đối với giàn tự nâng có ba loại di chuyển chính là, di chuyển ngắn, dichuyển vừa và di chuyển dài Đối với mỗi loại di chuyển trên tương ứng đỏihỏi các sự chuẩn bị và điều kiện thời tiêt khác nhau

 Di chuyển ngắn: khi di chuyển thì giàn khoan nổi trên chính thân giàncủa chúng với các chân đế được nâng lên và chúng được kéo đến một vịtrí khác với khoảng cách tương đối ngắn Điều kiện thời tiết và trạng tháimặt biển là tương đối tốt khi di chuyển và các bước chuẩn bị cho dichuyển ngắn là không nghiêm ngặt như đối với di chuyển dài Theo quyđịnh của hiệp hội phân loại thì thời gian cho di chuyển ngắn là khôngquá 12 tiếng, và phải thoả mãn các yêu cầu nào đó liên quan tới tiêuchuẩn chuyển động

 Di chuyển vừa: thời gian cho di chuyển vừa theo quy định của hiệp hộiphân loại là lớn hơn 12 giờ Tiêu chuẩn chuyển động và các bước chuẩn bịcho di chuyển vừa là tương tự như đối với di chuyển ngắn và quá trình dichuyển có thể kéo dài trong vài ngày Các bước chuẩn bị chính cho mộtthiết bị để đảm bảo một quá trình di chuyển vừa là tương tự đối với dichuyển ngắn với sự bổ sung thêm tiêu chuẩn đó là thời tiết phải được quansát và ghi lại một cách cẩn thận trong suốt quá trình di chuyển

 Di chuyển dài: được định nghĩa như là một quá trình di chuyển lâudài (lớn hơn 12 tiếng) và chúng không thoả mãn các yêu cầu như đối với

di ngắn Đối với di chuyển dài thì các bước chuẩn bị và các tiêu chuẩnchuyển động là tương đối nghiêm ngặt và cần thiết bổ sung các sự đềphòng để ngăn ngừa bất trắc Các sự chuẩn bị bổ sung có thể bao gồmlắp đặt bổ sung thêm chân đỡ phụ, làm ngắn chân bằng cách cắt bớt hoặc

hạ xuống, và thu xếp và cất giữ hàng hoá trên và trong thân giàn mộtcách cẩn thận…

Trang 21

độ cao đó thông thường không nhỏ hơn 1.52m Sau khi thân giàn đạt đến độcao này, thiết bị có thể tiếp tục quá trình gia tải Các giàn tự nâng có các hệthống kích nâng, chúng có khả năng nâng toàn bộ trọng lượng của thân giànvới toàn bộ trọng lượng gia tải Để tăng khối lượng gia tải, nước biển có thểđược bơm vào các khoang chứa bên trong thân giàn và sẽ được tháo ra khiquá trình gia tải kết thúc.

Quá trình kích nâng sẽ được hoàn thành sau khi các chân đế của giànđâm xuyên vào đáy biển và có khả năng chịu được các tải trọng thiết kế, khi

đó thân giàn sẽ được định vị ở độ cao làm việc với sự trợ giúp của hệ thốngphanh và hệ thống chốt khoá

1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc)

Trong suốt quá trình làm việc, thân giàn được

giữ ở một độ cao thích hợp Khi đó tải trọng của

thân giàn, tải trọng làm việc và tải trọng của môi

trường tác động lên chân đế là rất lớn do đó việc

Trang 22

giám sát chiều cao thân giàn, tải trọng hệ thống nâng, các tải trọng làm việc

và ứng suất của chân đế là rất quan trọng Tất cả các yếu tố trên phải đượcduy trì trong phạm vi các giới hạn thiết kế Trong quá trình làm việc, phản lựclớn nhất tại các chân đế phải được chắc chắn rằng chúng không vượt quá vớimột tỷ lệ phần trăm nào đó so với phản lực lớn nhất của chân đế đã đạt đượctrong quá trình gia tải

1.4 Các vấn đề cần quan tâm trong mô hình phân tích giàn tự nâng

Trước khi một giàn tự nâng có thể được đưa vào sử dụng, phải thựchiện việc đánh giá khả năng chịu tải dưới tác dụng của tải trọng bão thiết kế,thường là chu kỳ 50 năm trở lại Trước đây các giàn tự nâng được khai thác ởcác vùng nước nông và các vùng biển lặng, nên các kỹ thuật được sử dụngtrong việc phân tích giàn thường khá đơn giản và sử dụng các kỹ thuật phântích không phá huỷ Tuy nhiên, ngày nay các giàn tự nâng đã được cải tiến để

có thể sử dụng ở các vùng nước sâu hơn và chịu tác dụng của các tải trọngmôi trường khắc nghiệt hơn [12, 16], nên việc phát triển các kỹ thuật phântích cũng như nghiên cứu ứng xử của giàn là cần thiết Trong đó chủ yếu tậptrung vào hai vấn đề:

 Mô hình hoá cấu trúc

 Mô hình hoá đáp ứng của nền

Trong phân tích giàn tự nâng việc mô hình hoá cấu trúc chủ yếu tập trungvào các chân đế, thân giàn thường giả thiết là vật thể rắn tuyệt đối Các chân đếthường có cấu tạo thanh giằng, được liên kiết bởi số lượng lớn các thanh Trongluận văn này tác giả sử dụng mô hình dầm cột tương đương có kể đến ảnhhưởng của lực dọc trục, cách mô phỏng này cho ta ưu thế số bậc tự do của bàitoán không lớn nên rất phù hợp khi tiến hành phân tích động cũng

Trang 23

như khi xem xét tác động ngẫu nhiên của tải trọng sóng lên công trình Việc

mô hình hoá cấu trúc và mô hình đáp ứng nền trong phân tích giàn tự nângđược trình bày chi tiết trong chương 3 với các ma trận độ cứng phần tử đượcxây dựng trong chương 2

1.5 Công cụ phân tích

1.5.1 Phương pháp

Trong lĩnh vực Cơ học, các ứng xử của hệ Cơ học được mô tả nhờ các

hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Kết cấu là hệ liên tục có vô số bậc tự

do, hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng mô tả ứng xử của kết cấu thườngkhông có lời giải giải tích chính xác Vì vậy, người ta thường sử dụngphương pháp rời rạc hoá, đưa về bài toán hữu hạn bậc tự do Phương phápphần tử hữu hạn là một trong những phương pháp rời rạc hoá được áp dụngrất rộng rãi trong tính toán kết cấu [4, 5] Phương pháp phần tử hữu hạn chophép ta mô hình hoá bài toán một cách tổng quát và giải bài toán vi phân hiệuqủa Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng vào phần lớn các bài toánthường gặp trong kỹ thuật được xác định trong không gian 1D, 2D, 3D, nhưbài toán tuyến tính, bài toán phi tuyến Tư tưởng, nội dung và quy trình tínhtoán của phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng trong phân tích giàn tự nângđược trình bày chi tiết trong chương 2

Trang 24

Ta có thể tổng kết một số đặc điểm của giàn tự nâng như sau:

 Công trình phức tạp và to lớn Chân đế là các ống thép được hàn với

nhau tại các mối nối rất phức tạp tạo thành cấu trúc thanh giằng và được

mô hình hoá bằng phần tử dầm cột tương đương trong mô hình phântích bằng phương pháp phần tử hữu hạn Về cấu trúc công trình gồm 3phần chính: Thân giàn là một công trình kín nước có khả năng cung cấpnhà ở, thiết bị công tác, không gian làm việc, Chân và chân đế phần chịulực chính và cuối cùng là các thiết bị giàn

 Giàn tự nâng luôn chịu tác động của các tải trọng môi trường như: tải

sóng, tải gió, tải dòng chảy và các tải trọng khác như: tác động củathiết bị làm việc trên công trình, tải trọng gây ra do sự cất hạ cánh máybay, Các tải này mang tính ngẫu nhiên rất phức tạp và nhiều khi rấtkhắc nghiệt, nguy hiểm mà con người không thể lường trước được Docác tải này mà công trình luôn luôn trong trạng thái động

 Khó khăn trong công tác khảo sát và đo đạc: việc khảo sát, đo đạc

mọi thời điểm và mọi vị trí một cách chi tiết của kết cấu là rất khó khăn

nếu không nói là không thực hiện được do hai đặc điểm trên

Để tiến hành phân tích giàn tự nâng, trong luận văn này tác giả sử dụngphương pháp phần tử hữu hạn với các mô hình phần tử hữu hạn cải biên đượctrình bày trong chương tiếp theo

Trang 25

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN 2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Kết cấu là một hệ cơ học có vô số bậc tự do, theo lý thuyết cơ học môitrường liên tục, chuyển động của nó được biểu diễn qua trường chuyển vị

u1(x,y,z,t); u2(x,y,z,t); u3(x,y,z,t) thoả mãn các điều kiện trên biên Để tìmtrường chuyển vị này đòi hỏi phải giải hệ phương trình đạo hàm riêng rấtphực tạp, ngay cả trong trường hợp biên đơn giản Có rất ít trường hợp mà ta

có thể nhận được lời giải giải tích của các phương trình chuyển động ở dạngphương trình đạo hàm riêng Đối với các kết cấu dạng khung, dàn, việc thiếtlập phương trình chuyển động cho trường chuyển vị nói trên là rất khó có thểnói là không thực tế Với các kết cấu phức tạp, người ta phải có cách tiếp cậnriêng, chủ yếu là tìm cách rời rạc hoá chúng và đưa chúng về những hệ đơngiản hơn, có hữu hạn bậc tự do Phương pháp phần tử hữu hạn là một trongnhững phương pháp rời rạc hoá được áp dụng rất rộng rãi trong tính toán kếtcấu Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép ta mô hình hoá bài toán mộtcách tổng quát và giải bài toán vi phân hiệu quả Phương pháp phần tử hữuhạn được áp dụng vào phần lớn các bài toán thường gặp trong kỹ thuật đượcxác định trong không gian 1D, 2D, 3D, như bài toán tuyến tính, bài toán phituyến

2.1.1 Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn

Tư tưởng của phương pháp phần tử hữu hạn như sau: Chia vật thể thànhmột số hữu hạn các phần tử, các phần tử này được liên kết với nhau bởi các nút

có toạ độ xác định trong không gian, chuyển động của các nút được mô tả bằngcác tham số gọi là bậc tự do của nút, tổ hợp các bậc tự do của các nút tạo thànhmột véc tơ các bậc tự do độc lập, gọi là véc tơ chuyển vị nút của hệ đã

Trang 26

cho, ký hiệu là U  U1 , ,UN T Trạng thái ứng suất biến dạng của vật thểtại các điểm bất kỳ được biểu diễn qua véctơ chuyển vị nút và sau đó nhờ cácđịnh luật, nguyên lý cơ bản của cơ học thiết lập được hệ phương trình vi phânđối với các chuyển vị nút ở dạng

MU  CU  KU  P, (2.1) trong đó M, C, K, P lần lượt là ma trận khối

lượng, hệ số cản và độ cứng, véctơ tải trọng đã đưa về nút Như vậy, rõ ràng làphương pháp phần tử hữu hạn đã thực hiện một phép rời rạc hoá và hữu hạn hoácác hệ vô số bậc tự do Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn được thểhiện trong quy trình chung của nó [5], bao gồm các bước sau đây:

Bước một:

 Biểu diễn hình học đối tượng tính toán

 Tạo lưới phần tử hữu hạn, khai báo toạ độ phần tử

ma trận M, C, K và véctơ P tổng thể tạo thành mô hình phần tử hữu hạn.

Trang 27

Bước bốn:

Áp đặt các ràng buộc, các điều kiện biên cho mô hình kết cấu

Bước năm: Giải hệ phương trình

 Đối với phân tích tĩnh: lời giải cho ta chuyển vị, ứng suất, nội lực

 Đối với phân tích dạng dao động: cho các dạng riêng và tần số riêng

 Đối với phân tích động lực học: cho các chuyển vị động, ứng suất động

2.1.2 Mô tả toán học của phương pháp phần tử hữu hạn

Giả sử U là véctơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ toạ độ tổng thể và

Ue là véctơ chuyển vị nút của phần tử e trong hệ toạ độ địa phương, giữa

véctơ U và Ue có mối liên hệ

Ue  Te U ,

trong đó T e là ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ

Trường chuyển vị của phần tử e là

u e  u(x, y, z, t)  u1 (x, y, z, t),u 2 (x, y, z, t),u3 (x, y, z, t)T

Ký hiệu V là miền không gian mà vật thể chiếm chỗ và tương ứng Ve là

miền mà phần tử e chiếm chỗ Giả sử trường chuyển vị của phần tử e liên

quan với véc tơ chuyển vị nút phần tử Ue qua biểu thức

Trang 28

Trang 29

với D là ma trận hệ số đàn hồi đối xứng D T  D chứa các hằng số vật liệu và

 e là tenxơ ứng suất trong phần tử e

Động năng của cả phần tử e

Te  1 2 u eT u e (x, y, z)dV ,

Ve

 là mật độ phân bố khối lƣợng của

phần tử Thế năng biến dạng của phần

Trang 30

Sử dụng các quan hệ (2.3) - (2.5) ta có thể biểu diễn động năng và thế năng của phần tử nhƣ sau

Trang 31

với K  Te Ke Te là ma trận độ cứng tổng thể của cả hệ.

Giả sử tải trọng phân bố tác dụng lên phần tử bao gồm lực mặt và lực

khối có mật độ phân bố lần lƣợt là S(x s , ys , zs , t), R(x, y, z, t) Khi đó công

của các lực này trên chuyển vị của phần tử sẽ bằng

Trang 32

Trang 33

Do vậy tổng các công của tất cả các lực ngoài sẽ bằng

MU(t)  CU(t)  KU(t)  P(t) ,

với các ma trận M, C, K và véctơ P đã đưa vào theo các công thức nêu trên.

2.1.3 Phân tích khung không gian (Phần tử dầm ba chiều)

Hiện nay, trong tính toán kết cấu hệ khung, giàn không gian, phươngpháp phần tử hữu hạn chiếm vị trí hàng đầu, trong đó phần tử dầm ba chiềuđóng vai trò chủ đạo [1] Chính vì vậy, ta sẽ mô tả phương pháp phần tử hữuhạn một cách cô đọng trên phần tử dầm ba chiều

Phần tử dầm ba chiều là tổ hợp của phần tử thanh chịu kéo nén dọc trục,hai phần tử dầm hai chiều và phần tử xoắn

Ta đưa vào các bậc tự do (hình2.1.) sau đây:

 U1 , U7 chuyển vị dọc trục của thanh ở hai đầu

Trang 34

 U4 , U10 góc xoắn ở hai đầu

 U2 , U8 chuyển vị uốn ngang theo trục y, U3 , U9 – theo trục z tại hai đầu

Trang 35

Trang 37

F – tiết diện mặt cắt ngang

L – chiều dài phần tử

Jx , Jy , Jz các mômen quán tính tương ứng theo các trục x, y, z

Các hàm dạng i i=1 12 trong các biểu thức (2.11), (2.13), (2.14) và(2.16) được tìm từ các điệu kiện biên của các bài toán (2.10), (2.12) và (2.15).Biểu thức của các hàm dạng như sau

Trang 38

Trang 40

Định dạng
Số trang	132
Dung lượng	2,47 MB