Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Mục đích của nghiên cứu này nhằm đánh giá ứng suất và biến dạng giới hạn của kết cấu bị khoét lỗ dưới tải trọng nén. Đây là hình thức tải trọng chính phát sinh từ trọng lượng hàng hóa và áp lực nước tác động lên kết cấu tàu thủy và công trình nổi. Để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo bài viết.

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Evaluation of the ultimate strength structure with cutout

Mạc Thị Nguyên

Email: nguyenmacthi@gmail.com

Trường Đại học Sao Đỏ

Ngày nhận bài:16/42019 Ngày nhận bài sau phản biện: 28/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019

Tóm tắt

Mục đích của nghiên cứu này nhằm đánh giá ứng suất và biến dạng giới hạn của kết cấu bị khoét

lỗ dưới tải trọng nén Đây là hình thức tải trọng chính phát sinh từ trọng lượng hàng hóa và áp lực nước tác động lên kết cấu tàu thủy và công trình nổi Các tấm được coi là ngàm cứng và chịu tải trọng nén Các lỗ khoét được khảo sát là hình tròn và nằm ở trung tâm của tấm Một loạt các phân tích phần tử hữu hạn Abaqus phi tuyến được thực hiện với việc thay đổi kích thước lỗ khoét đã được khảo sát Bằng cách phân tích hồi quy các kết quả FEA thu được giúp các nhà thiết kế công trình biển đưa ra kết cấu tối ưu nhất nhằm đảm bảo độ bền đồng thời tiết kiệm tối đa nguyên vật liệu

Từ khóa: Sức bền giới hạn; phần tử hữu hạn; tấm khoét lỗ; kết cấu tàu.

Abstract

The aim of this study is to evaluate the stress and ultimate strength of perforated structures with holes under the compression edge load Which is the main action type arising from cargo weight and water pressure affecting the ships structure and offshore structures The panels are considered to be simply supported along two edges and kept compression loads The cutout is circular and located in the center of the plate A series of Abaqus nonlinear finite element analyses performed with cutout size is investigated By regression analysis of the FEA results is obtained, it helps marine designers to give the optimum structure for simultaneous durability to ensure the maximum saving of raw materials

Keywords: Ultimate strength; finite element; plates with cutout; ship’s structure.

1 GIỚI THIỆU

Trong kết cấu tàu thủy và các cấu trúc ngoài khơi,

các lỗ khoét thường được tạo ra nhằm mục đích

làm các lỗ thông giữa các khoang két, lỗ người

chui, lỗ giảm trọng lượng Với các tấm có khoét

lỗ phân bố ứng suất biến dạng trong tấm càng trở

nên phức tạp [1] Những lỗ này làm giảm khả năng

chịu lực của kết cấu, đặc biệt là đối với các tấm

phẳng [2] Các lỗ khoét trên tấm phẳng gây ra sự

không hoàn hảo và sụt giảm lớn đối với tải trọng

lên cấu trúc Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện

đối với tấm có các lỗ khoét nhằm tối ưu hóa khả

năng chống vênh của tấm Nhiều phương pháp

nghiên cứu khác nhau như nghiên cứu lý thuyết,

nghiên cứu mô phỏng số, nghiên cứu thực nghiệm

[3] đã được đề xuất

Người phản biện: 1 PGS.TS Trần Vệ Quốc

2 TS Vũ Hoa Kỳ

Hình 1 Hình ảnh lỗ khoét trên kết cấu

Trong những thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến độ bền của các tấm bị khoét lỗ được thực hiện bởi các nhà khoa học [3, 4] Tuy nhiên, để đánh giá một cách chính xác ảnh hưởng của lỗ khoét tới cơ cấu thì vẫn còn nhiều thách thức vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng Không chỉ các kết cấu ngoài khơi mà còn cả các cấu trúc trên đất liền Trái ngược với các tấm hoàn hảo,

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

sức bền giới hạn của tấm có khoét lỗ luôn nhỏ hơn

sức bền giới hạn của tấm hoàn hảo [5] Do đó, cần

phải trực tiếp xem xét sức bền giới hạn của tấm bị

khoét lỗ tùy thuộc vào mục đích thiết kế khác nhau

của kết cấu Tuy nhiên, do các đặc tính hoạt động

của các phần tử tấm được sử dụng cho tàu và cấu

trúc ngoài khơi khá khác biệt so với các cấu trúc

trên đất liền, nên các nghiên cứu đối với các loại

kết cấu này chắc chắn là cần thiết và cấp bách đối

với các nhà nghiên cứu hiện nay [2, 6]

Rất nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, đối với tấm

có lỗ khoét chỉ căn cứ vào tỉ số đường kính lỗ

khoét (đối với lỗ hình tròn) so với chiều rộng tấm

thì không đủ cơ sở đánh giá chính xác được sức

bền giới hạn của tấm Cụ thể trong nghiên cứu [7]

tại bảng 3 mục 3.6, nhóm tác giả đã chứng minh

rằng tỉ lệ lỗ khoét trên chiều rộng không tỉ lệ với

sức bền giới hạn của kết cấu

Mục đích của nghiên cứu này là:

- Thứ nhất: Đề xuất phương pháp tính toán sức

bền giới hạn, không mang tính chất khảo sát toàn

bộ tất cả các trường hợp hay tỉ lệ đường kính lỗ

khoét so với chiều rộng tấm

- Thứ hai: Ứng dụng phần mềm FE Abaqus để

đưa ra phương pháp tính toán, nghiên cứu ứng

suất và biến dạng của các tấm bị khoét các lỗ nằm

tại trung tâm của tấm, được sử dụng cho tàu và

các công trình ngoài khơi Các phân tích phần tử

hữu hạn FEA được thực hiện nhằm đưa ra đánh

giá chi tiết ảnh hưởng của kích thước lỗ tới độ bền

kết cấu

2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN

Đối với tàu và các cấu trúc ngoài khơi, việc khoét

lỗ thường được thực hiện trong các tấm của

bể chứa nước dằn, khoang két, lỗ giảm trọng

lượng Thông thường đối với tấm sau khi bị khoét

sẽ có kết cấu gia cường xung quanh nhằm bù đắp

lại phần kết cấu đã bị bỏ đi Tuy nhiên, hiện nay để

tính toán chính xác kích thước kết cấu gia cường

là bao nhiêu thì các nhà thiết kế tàu thường dựa

vào công thức được trình bày trong quy phạm, do

đó làm tăng trọng lượng thiết kế công trình Trong

nghiên cứu này đã đưa ra so sánh chính xác ảnh

hưởng của kết cấu bị khoét lỗ so với kết cấu hoàn

chỉnh bằng phân tích FEA

Giới hạn nghiên cứu này, chỉ có lỗ khoét hình tròn

được tác giả xem xét, tuy nhiên đối với kết cấu tàu

và kiến trúc ngoài khơi, các loại lỗ khoét hình elip

hoặc hình chữ nhật cũng được sử dụng khá phổ

biến Ngoài ra, phần bị cắt nằm ở trung tâm của

tấm trong khi nó có thể nghiêng về cạnh của tấm trong một số trường hợp khác nhau cũng thường xuyên xuất hiện [2, 3]

Do đó, ảnh hưởng của việc khoét lỗ hình dạng khác và vị trí cắt lệch tâm sẽ được nghiên cứu trong tương lai nhằm đem lại lợi ích về kinh tế trước tiên đối với việc giảm trọng lượng kết cấu, sau đó là giảm chi phí vận hành khi đưa sản phẩm vào khai thác thực tế Như được hiển thị trong hình

2, kích thước tấm là a × b × t (a là chiều dài tấm,

b là chiều rộng tấm và t là chiều dày tấm) được khảo sát Môđun Young là E = 200000 Mpa, ứng suất vật liệu là σ = 690 N/mm2 và tỷ lệ Poisson là

ν = 0,3 Đường kính của lỗ khoét là D Giả thiết rằng vật liệu tấm luôn nằm trong miền đàn hồi

Hình 2 Mô hình tính toán

Các tấm bị suy yếu bởi các vết cắt hình tròn dưới tải trọng Trong những trường hợp này, các ứng suất, biến dạng tại khu vực gần lỗ khoét có thể được ước tính bằng hai cách tiếp cận khác nhau

Cách thứ nhất, các công thức phần tử hữu hạn cung cấp các giải pháp chính xác cho một loạt các tùy chọn có sẵn liên quan đến vấn đề mô hình hóa Các công thức đã được tích hợp sẵn trong phần mềm này đã được áp dụng rộng rãi cho vấn đề nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu Tuy nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn yêu cầu chính xác vấn đề chia lưới, đặc biệt là xung quanh mép lỗ khoét, nếu việc chia lưới ở khu vực này không được quan tâm thích đáng sẽ dẫn đến thiếu chính xác đối với kết quả thu được Song nếu lưới được chia quá nhỏ sẽ làm tăng đáng kể thời gian tính toán mà kết quả không thay đổi nhiều

Trong cách tiếp cận thứ hai, một loạt các công thức thực nghiệm đã được tổng hợp, đây là giải pháp tính toán nhanh hơn, phù hợp để bắt đầu các vấn đề thiết kế sơ bộ mà không cần yêu cầu độ chính xác cao Các công thức như vậy là phương pháp nhanh chóng để tiến hành phân tích ứng suất xung quanh các phần bị cắt Phương pháp này dựa trên các hàm xấp xỉ được sử dụng để hội

tụ nhanh

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Một nghiên cứu hội tụ với việc chia lưới phần tử

hữu hạn đã được thực hiện nhằm tính toán FEA

của tấm được thể hiện trong hình 3

Hình 3 Chia lưới phần tử hữu hạn

3 ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ TẢI TRỌNG

Abaqus có thể tự động thực hiện các bước tính

toán Tuy nhiên, người sử dụng cần phải gán điều

kiện biên ban đầu trong quá trình thiết lập cơ bản

Đồng thời thiết lập các bước phân tích tiếp theo,

gán tải trọng trong các bước phân tích tiếp theo

Điều kiện biên được thiết lập bởi phần mềm tính

toán phần tử hữu hạn Abaqus Tấm được chia

thành các điểm nút và có mối quan hệ ràng buộc

với nhau Các mối quan hệ này thông qua biến

dạng và chuyển vị nút tương ứng Trong nghiên

cứu này, tấm được cố định ngàm cứng một đầu,

đầu còn lại có khả năng chuyển động tịnh tiến theo

trục X như hình 4

Hình 4 Điều kiện biên và tải trọng

Tải trọng tác dụng lên kết cấu ngoài khơi thường

là tải trọng phức tạp Song nhằm đơn giản hóa bài

toán, trong nghiên cứu này chúng tôi tách riêng

biệt các thành phần tải trọng Tải trọng tính toán

ở bài viết này là tải trọng theo chiều dọc tấm (tải

trọng song song với trục X)

Giá trị đặt lực tại điểm nút được xem xét là 4000 N

Phần mềm Abaqus cho phép định nghĩa thuộc tính

vật liệu của mô hình, tác dụng tương hỗ giữa các

chi tiết, tải trọng, điều kiện biên… trực tiếp trên mô

hình hình học Không bắt buộc định nghĩa trực tiếp

trên phần tử và điểm nút, khi phân chia lại lưới cấu

trúc Các tham số này đều không cần phải định

nghĩa lại

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 5 cho thấy mối quan hệ biến dạng và ứng suất đối với tấm bị khoét lỗ so với tâm hoàn hảo Từ đồ thị cho chúng ta thấy rõ ràng là trong hình 5 việc cắt bỏ làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của tấm Khi đường kính của phần lỗ bị khoét là 50% chiều rộng của tấm (D/b = 0,5), khi đó sức bền giới hạn của tấm bị giảm hơn một nửa so với tấm không bị khoét lỗ (tương ứng với giá trị trung bình ứng suất tấm có D/b = 0,5 chia cho giá trị trung bình ứng suất tấm nguyên vẹn là 0,478)

Hình 5 Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và giới hạn

khi thay đổi kích thước lỗ khoét

Trong đó:

Da - biến dạng theo phương X;

a - chiều dài tấm;

da/a - tỉ số biến dạng chia chiều dài

Biến dạng và phân bố ứng suất của tấm với các trường hợp khảo sát được thể hiện trong hình 6

(a) Tấm ban đầu

(b) Tấm khoét lỗ D/b = 0,3

(c) Tấm khoét lỗ D/b = 0,5

Hình 6 Ứng suất và biến dạng tấm

LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC

(d) Tấm khoét lỗ D/b=0,7

Hình 6 (tiếp theo)

Từ kết quả thu được cho thấy tấm bị khoét lỗ

thì hiện tượng giảm bền sẽ ảnh hưởng trực tiếp

xung quanh mép lỗ Điều đó cho thấy rằng khi kết

cấu bị khoét lỗ cần có sự gia cường thỏa đáng

xung quanh mép lỗ nhằm đảm bảo sức bền giới

hạn Đồng thời làm giảm ứng suất tập trung tại

khu vực này

5 KẾT LUẬN

Nghiên cứu này trình bày ảnh hưởng của lỗ khoét

đối với tấm phẳng Phương pháp phân tích phần

tử hữu hạn phi tuyến đã được phát triển để đánh

giá ảnh hưởng của lỗ khoét đối với kết cấu tàu

thủy và kiến trúc ngoài khơi dưới tải trọng nén

Có thể dùng các phần mềm phân tích phần tử

hữu hạn để làm thực nghiệm số nghiên cứu ảnh

hưởng của hình dạng lỗ khoét đến ứng suất giới

hạn của tấm kết cấu Lỗ khoét ảnh hưởng rõ rệt

đến sự phân bố ứng suất trong tấm dẫn đến ảnh

hưởng đến khả năng chịu tải Mức độ giảm này

phụ thuộc vào kích thước lỗ khoét Một loạt các

FEA đã được thực hiện, từ kết quả tính toán và mô

phỏng cho thấy rằng việc cắt bỏ làm giảm đáng kể

sức bền giới hạn của tấm

Với phương pháp được đề xuất giúp cho các nhà

nghiên cứu theo hướng này có thể tính toán và

khảo sát toàn bộ các trường hợp kích thước lỗ khoét xuất hiện trên kết cấu

Trong nghiên cứu tiếp theo, các loại tải khác nhau, tải kết hợp, với các loại lỗ khoét hoặc vị trí lỗ khoét khác nhau sẽ được chúng tôi thực hiện nhằm đánh giá tổng quát sức bền giới hạn các loại kết cấu thường được ứng dụng đối với tàu thủy cũng như công trình ngoài khơi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bích Vũ Ngọc (2007), Kết cấu tàu thủy - Tập

1, 2, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP

Hồ Chí Minh.

[2] Nghị Trần Công (2006) Thiết kế tàu thủy - Tập 1,

2 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia

TP Hồ Chí Minh

[3] RenhuaWanga, Shenoib R Ajit, and AdamSobeyc

(2018), Ultimate strength assessment of plated

steel structures with random pitting corrosion damage, Journal of Constructional Steel Research, Vol 143, No pp 331-342.

[4] AhmadRahbar-Ranji, NabiNiamir, and

ArvinZarookian (2015), Ultimate strength

of stiffened plates with pitting corrosion, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol 7, No 3, pp 509-525.

[5] Abaqus 6.13 Documentation - Polish Academy of Sciences Abaqus/CAE User's Guide.

[6] J Brown Christopher and L Yettram Alan

(1986), The elastic stability of square perforated

plates under combinations of bending, shear and direct load, Thin-Walled Structures, Vol 4,

No 3, pp 239-246.

[7] Prajapat Kanta, Ray-Chaudhuri Samit, and

Kumar Ashwini (2015), Effect of in-plane

boundary conditions on elastic buckling behavior

of solid and perforated plates, Thin-Walled Structures, Vol 90, No pp 171-181.

Mạc Thị Nguyên

- Tóm tắt quá trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp và chương trình đào tạo, nghiên cứu):

+ Năm 2007: Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật quân sự, ngành Công nghệ kỹ thuật cơ khí + Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Tóm tắt công việc hiện tại: Giảng viên, khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ

- Lĩnh vực quan tâm: Tính toán thiết kế máy và robot

- Điện thoại: 0389481166

- Email: nguyenmacthi@gmail.com

THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ