Nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu đáy của tàu pha sông biển chịu tải trọng phức tạp

thân tàu là hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống tấm liên kết với các hệ thống thanh gia cường. Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa rất quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn của kết cấu khi làm việc. Trong bài báo này, nhóm tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích sức bền giới hạn của khung dàn đáy của kết cấu tàu chạy tuyến pha sông biển dưới tác dụng của tải trọng phức tạp. Kết quả tính toán sức bền giới hạn của kết cấu đáy đã xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của kết cấu làm cơ sở để tính toán, thiết kế kết cấu tàu. Từ khóa: Kết cấu tàu; phần tử hữu hạn; tải trọng phức tạp; sức bền giới hạn. Abstract The ship hull structure is three-dimensional structure with consist of steel plates, stiffened panels system. In analysis and design of ship structure, the ultimate strength analysis is a very importand part of ship structural analyses to assess the safe condition of the structure. In present paper, the nonlinear finite element method to calculate ultimate strength of bottom structure of a river-sea ship under combine load. From the results of bottom structure model analyses, it is shown that the relationship between load and deformation of ship structural basis for calculation and design of river-sea ship structural Keywords: Ship structure; finite element; combined load; ultimate strength. 1. GIỚI THIỆU Thân tàu có kết cấu phức tạp, kết cấu thân tàu được cấu thành bởi hệ thống tấm phủ lên hệ thống thanh gia cường [1]. Tính toán thiết kế kết cấu thân tàu, phân tích sức bền giới hạn là nhiệm vụ không thể thiếu để đánh giá điều kiện làm việc an toàn của kết cấu. Kết cấu tấm có thanh gia cường là hệ thống cơ bản trong kết cấu thân tàu như kết cấu đáy, kết cấu mạn, kết cấu boong Do đó, phân tích sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường có ý nghĩa quan trọng trong tính toán sức bền giới hạn của thân tàu. Trong những năm gần đây, sức bền giới hạn của hệ thống tấm có thanh gia cường của kết cấu thân tàu cũng được nhiều tác giả quan tâm. Beom Seon Jang cùng nhóm tác giả [2] đã phân tích sức bền giới hạn của kết cấu tàu theo quy phạm. Các quy phạm được nhóm tác giả áp dụng là quy phạm DNV, IACS. Park và nhóm tác giả [3, 4] đã nghiên cứu, đánh giá về sức bền giới hạn của kết cấu tấm, tấm có thanh gia cường. Mô hình tính toán là kết cấu đáy ngoài của tàu dầu tải trọng 100000 tấn. Xây dựng mối quan hệ giữa giá trị tải trọng và biến dạng của kết cấu. Tác giả Shi Gui Jie [5] đã xây dựng một mô hình dầm hộp để tính sức bền giới hạn của mô hình dưới tác dụng của tải trọng phức tạp bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến và dự đoán những vết nứt gãy tại các vị trí nguy hiểm. Năm 2018, Bin Yanga, Jia-meng Wu [7] cùng nhóm tác giả đã nghiên cứu sức bền giới hạn của kết cấu đáy dưới tác dụng của tải trọng dọc, ngang, áp lực nước và lực. Nhóm tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích tính phi tuyến của tải trọng tác dụng lên hệ thống kết cấu. Tính toán sức bền giới hạn của kết cấu và so sánh với kết quả thực nghiệm. Đối tượng nghiên cứu trong bài báo này là hệ thống khung dàn đáy của kết cấu tàu hàng khô chạy tuyến pha sông biển. Chiều dài lớn nhất của tàu 130 m. Dựa trên các kết quả tính toán sức bền giới hạn của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 47 bên và áp lực nước, tác giả xây dựng các đồ thị liên hệ giữa tải trọng và sức bền giới hạn của kết cấu làm cơ sở để tính toán thiết kế kết cấu tàu đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc. 2. PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHI TUYẾN 2.1. Kích thước và tính chất vật liệu của mô hình tính Bài báo nghiên cứu kết cấu khung dàn đáy của con tàu chạy tuyến pha sông biển có chiều dài lớn nhất là 130 m. Kết cấu mặt cắt ngang thân tàu được thể hiện trên hình 1. Khoảng cách các nẹp dọc của kết cấu đáy là 650 mm. Khoảng cách hai sống dọc là 2600 mm, khoảng cách sườn khỏe là 2800 mm, kích thước và tính chất vật liệu được thể hiện trên bảng 1. Hình 1. Mặt cắt ngang giữa tàu Bảng 1. Kích thước và tính chất vật liệu của mô hình STT Tên gọi Ký hiệu Kích thước 1 Chiều dài tấm a 2800 mm 2 Chiều rộng tấm b 2600 mm 3 Chiều dày tấm c 11 mm 4 Chiều cao bản bụng thanh gia cường hw 250 mm 5 Chiều dày bản bụng tw 10 mm 6 Chiều rộng bản cánh thanh gia cường bf 80 mm 7 Khoảng cách các nẹp dọc S 650 mm 8 Chiều dày bản cánh tf 12 mm 9 Khoảng cách các thanh gia cường S 650 10 Modul đàn hồi E 2,06e5 N/mm2 11 Hế số Poisson µ 0,3 12 Ứng suất giới hạn của vật liệu tấm sy1 355 MPa 13 Ứng suất giới hạn của vật liệu thanh gia cường sy2 235 MPa 2.2. Điều kiện ban đầu Trong nghiên cứu này, những điều kiện về độ lệch ban đầu của tấm được xem xét. Độ lệch ban đầu của mô hình được giả thiết theo công thức kinh nghiệm của tác giả Park [3]. .005.0 2000 bbW p == , 05b (1) trong đó: W0 P: độ lệch ban đầu của tấm; b: khoảng cách giữa các nẹp gia cường (b = 650 mm). Hình 2. Độ lệch ban đầu của kết cấu tấm có thanh gia cường .001.0 100000 aaWW SC === ,001a (2) trong đó: W0 C: độ lệch ban đầu của các nẹp gia cường theo hướng thẳng đứng; W0 S: độ lệch ban đầu của nẹp gia cường theo phương ngang; a: chiều dài nẹp gia cường (a = 2800 mm). Độ lệch ban đầu của tấm và thanh gia cường được thể hiện trên hình 2. 2.3. Mô hình phần tử hữu hạn Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích. Nhóm tác giả dùng phần mềm FEM Abaqus để phân tích, tính toán. Trong bài báo này, phần tử tấm S4R trong phần mềm FEA Abaqus được sử dụng đối với phần tử tấm và phần tử thanh gia cường [1, 3, 4] (hình 2). Kích thước phần tử hữu hạn của mô hình là 70 mm x 65 mm, trong đó giữa hai nẹp dọc là 10 đơn vị phần tử, bản thành của thanh gia cường được chia làm 6 đơn vị phần tử, bản mặt 4 đơn vị phần tử. Hệ trục toạ độ OXYZ được thể hiện trên hình 3. Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu 48 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 2.3. Điều kiện biên Để thiết lập điều kiện ràng buộc cho các điểm của mô hình, trên phần mềm Abaqus ban đầu ta thiết lập một nút chính trên 4 cạnh của mô hình. Nút chính sau đó được thiết lập quan hệ ràng buộc với các nút khác của cạnh [6]. Chuyển vị của tất cả các nút trên mỗi cạnh được xác định bằng chuyển vị của nút chính. Cụ thể điều kiện biên đối với mô hình nghiên cứu được thiết lập như sau: Hình 4. Phạm vi mô hình nghiên cứu - Cạnh AC hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Y và Z. - Cạnh BD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z. - Cạnh AB hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục X và Z. - Cạnh CD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z. - Tại sườn ngang EF, MN hạn chế chuyển động theo phương Z, các điểm trên thanh gia cường hạn chế chuyển động theo phương Y. - Để đảm bảo cho kết cấu thêm độ cứng, độ ổn định ta thiết lập điểm G tại trọng tâm của tấm, và tấm được hạn chế chuyển động tịnh tiến theo phương Z. 2.4. Tải trọng Tải trọng tác dụng lên thân tàu thường là những tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa, tải trọng sóng, gió, áp lực nước Do vậy, trong bài báo này tải trọng được nhóm tác giả đưa vào phân tích là tải trọng dọc, tải trọng ngang và áp lực nước tác dụng lên kết cấu. Áp lực nước được tính trong hai trường hợp là P = 0 và P = 0,124 MPa. 2.5. Phân tích kết quả tính toán Để tính toán sức bền giới hạn của tấm có thanh gia cường dưới tác dụng của tải trọng kết hợp. Tỷ lệ tải trọng tác dụng theo các hướng được xét trong các trường hợp sau: Fx:Fy = 10:0; 9:1; 8:2; 7:3: 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10. Fx, Fy lần lượt là hai thành phần lực tác dụng theo hai hướng X và Y. Đối với trường hợp xét đến áp lực nước, nhóm tác giả cũng đi phân tích đối với tất cả các trường hợp tỷ lệ tải trọng trên. Kết quả tính toán một số trường hợp được thể hiện trên hình 5. Hình 5. Cột đồ thị bên trái: Đồ thị liên hệ giữa ứng suất - biến dạng theo phương X đối với các trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau; Cột đồ thị bên phải: Đồ thị liên hệ giữa ứng suất - biến dạng theo phương Y đối với các trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 49 Trên hình 5 là đồ thị kết quả thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Các kết quả tính toán cho các trường hợp được thể hiện cụ thể trong bảng 2. Bảng 2. Kết quả tính toán ứng suất giới hạn cho các trường hợp tải trọng Fx:Fy σx (MPa) σy (MPa) P = 0 P = 0,124 MPa So sánh P = 0 P = 0,124 MPa So sánh 10:0 227,70 204,42 -10,23% 0,00 0,00 0% 9:1 225,15 199,94 -11,20% 25,02 22,22 -11,20% 8:2 213,32 192,90 -9,57% 53,33 48,23 -9,57% 7:3 202,38 175,00 -13,53% 86,74 75,00 -13,53% 6:4 185,81 141,10 -24,06% 123,87 94,07 -24,06% 5:5 165,22 95,53 -42,18% 165,22 95,53 -42,18% 4:6 109,70 66,92 -39,00% 164,55 100,38 -39,00% 3:7 54,80 42,16 -23,07% 127,86 98,37 -23,07% 2:8 32,37 24,43 -24,54% 129,48 97,71 -24,54% 1:9 12,36 11,06 -10,49% 111,25 99,58 -10,49% 0:10 0,00 0,00 0% 111,39 98,82 -11,28% Từ bảng 2 xây dựng được đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa ứng suất giới hạn theo trục X và ứng suất giới hạn theo trục Y theo các tỷ lệ tải trọng khác nhau như trên hình 6. (a) (b) Hình 6. Đường cong mối quan hệ ứng suất giới hạn trong các điều kiện tải trọng khác nhau. a) Sức bền giới hạn dọc; b) Sức bền giới hạn ngang Trong trường hợp có xét đến áp lực nước, rõ ràng ảnh hưởng của áp lực nước đến biến dạng cũng như sức bền giới hạn của kết cấu (6a; 6b). Áp lực nước làm giảm giá trị sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường. 50 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 Hình 7. Phân bố ứng suất trong kết cấu (Fx:Fy = 6:4) Khi tỷ lệ tải trọng Fx:Fy = 5:5 thì sự ảnh hưởng của áp lực nước đến giá trị sức bền giới hạn của kết cấu lớn nhất so với trường hợp không có áp lực nước (42,18%). Trong trường hợp tỷ lệ tải trọng Fx:Fy < 6:4, giá trị ứng suất giới hạn σy thay đổi nhỏ hơn so với các trường hợp còn lại (hình 6b). Biến dạng và sự phân bố ứng suất trong kết cấu tấm có thanh gia cường trong trường hợp Fx:Fy = 6:4 được thể hiện trên hình 7. 3. KẾT LUẬN Trong bài báo này, tác giả đã tính toán, phân tích sức bền giới hạn của mô hình tấm có thanh gia cường của kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô chạy tuyến pha sông biển. Thông qua các kết quả nghiên cứu có thể đưa ra các kết luận sau: - Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để tính toán sức bền giới hạn cho mô hình kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô. Nghiên cứu xét điều kiện biến dạng ban đầu theo công thức thực nghiệm, nghiên cứu nhiều trường hợp tải trọng khác nhau, áp lực nước như trường hợp kết cấu làm việc trong môi trường thực tế. Xây dựng được mối quan hệ giữa tải trọng tác dụng, áp lực nước với giá trị ứng suất giới hạn của kết cấu. - Kết quả nghiên cứu sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường có ý nghĩa quan trọng để đánh giá sức bền thân tàu, làm cơ sở cho việc thiết kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn định trong quá trình làm việc. Kết quả nghiên cứu góp phần đưa ra những lựa chọn tối ưu đối với việc lựa chọn quy cách và kích thước kết cấu khi thiết kế kết cấu tàu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. IACS (2012). Common Structural Rules for Bulk Carriers. [S]. [2]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for ultimate limit state assessment of ships and ship-shaped offshore structures: Part II stiffened panels [J]. Ocean Engineering, 35(2): 271-280. [3]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for ultimate limit state assessment of ships and ship-shaped offshore structures: Part III hull girders [J]. Ocean Engineering, 35(2): 281-286. [4]. Shi, G.j and Wang D, Y (2012). Residual ultimate strength of open box girders with cracked damage. Ocean Engineering, 43, pp.90-101. [5]. Shi, G. J and Wang D, Y (2012). Residual ultimate strength of cracked box girders under torsional loading. Ocean Engineering, 43, pp.102-112. [6]. Liu Bin, Wu Weiguo (2013). Standardized nonlinear finite element analysys of the ultimate strength of bulk carriers. Journal of Wuhan University of Technology Transportation Science. [7]. Bin Yang, Jia-meng Wu, C. Guedes Soares (2018). Dynamic ultimate strength of outer bottom stiffened plates under in-plane compression and lateral pressure. Ocean Engineering, 157 , pp. 44-53.