i NGUYỄN THANH TÍN
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CHUNG
KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO MÔ HÌNH TỔNG THỂ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUN NGÀNH ĐĨNG TÀU THỦY
GVHD: PGS.TS. TRẦN GIA THÁI

1.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu, thực hiện đề tài. 4
CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5
2.1. Cơ sở tính độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép 5
2.1.1 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nƣớc. 5
2.1.2 Các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phƣơng thẳng đứng. 6
2.1.3 Điều kiện biên. 6
2.2 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 6
2.2.1 Khái niệm chung: 6
2.2.2 Cơ sở của phƣơng pháp 7
2.2.3 Trình tự bài toán phân tích độ bền theo phƣơng pháp PTHH 7
2.3 Giới thiệu phần mềm tính toán bằng phƣơng pháp PTHH 8
2.3.1 Tổng quan các phần mềm tính toán bền bằng phƣơng pháp PTHH 8
2.3.2 Giới thiệu về MAESTRO 9.0.8 9
2.3.3 Trình tự bài toán phân tích độ bền trên MAESTRO 10
2.4 Các phƣơng pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu. 11
2.4.2 Kiểm tra theo giá trị ứng suất cho phép 11
2.4.3 Kiểm tra theo giá trị moment uốn giới hạn 11
2.4.4 Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp tổng 11
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 12
3.1 Giới thiệu chung về tàu tính toán. 12
3.1.1 Các đặc điểm cơ bản của tàu tính toán: 12
3.1.2 Quy cách kết cấu cơ bản trên tàu : 17
iii

3.2 Mô hình hóa. 17
3.2.1 Lựa chọn đơn vị và vật liệu: 18
3.2.2 Khai báo các đặc trƣng hình học cơ bản của vật liệu 18
3.2.3 Xây dựng mô hình: 20
3.2.4 Xác định điều kiện biên: 26
3.2.5 Sự phân bố tải trọng hàng hóa: 27

cao. Tuy nhiên cùng với sự phát triển nhanh chóng đó thì hàng năm trên thế giới vẫn xảy
ra rất nhiều vụ tai nạn tàu thủy. Một trong những nguyên nhân dẫn đến điều này là không
đảm bảo đƣợc độ bền của tàu khi gặp các trạng thái nguy hiểm. Vì vậy để tàu hoạt động
an toàn và tin cậy thì toàn bộ chi tiết kết cấu thân tàu phải đảm bảo đủ bền, đủ cứng và ổn
định.
Từ trƣớc đến nay để giải quyết bài toán tính bền ngƣời ta thƣờng dựa theo phƣơng
pháp giải tích với mô hình tính đƣợc đơn giản đi khá nhiều so với kết cấu thật, chính vì
vậy độ chính xác của kết quả tính không cao, và đƣợc khắc phục bằng cách chọn hệ số an
toàn lớn. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử, nhiều phƣơng pháp
số ra đời. Trong đó có phƣơng pháp phần tử hữu hạn với mô hình tính tổng thể cho kết
quả chính xác hơn. Phƣơng pháp này đã đƣợc áp dụng làm cơ sở xây dựng nhiều phần
mềm tính bền lớn, trong đó có MAESTRO.
Chính vì vậy tôi thực hiện đề tài tốt nghiệp của khóa học 2009-2013 là: “Nghiên
cứu và tính toán độ bền chung của tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” sử dụng phần
mềm MAESTRO. Dƣới sự hƣớng dẫn của PGS-TS Trần Gia Thái nội dung thực hiện của
đề tài gồm những vấn đề sau:
Chƣơng 1: Đặt vấn đề
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết
Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu
Chƣơng 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài với sự hƣớng dẫn rất tận tình của PGS-
TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, và các thầy trong Bộ môn Đóng Tàu - Trƣờng Đại
học Nha Trang đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành đề tài này đúng
thời hạn. Tôi xin chân thành cảm ơn!
Tuy nhiên do kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi những thiếu xót,
Tôi rất mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của các thầy và các bạn sinh viên để đề tài của tôi
đƣợc hoàn thiện hơn.
Nha Trang, ngày 12 tháng 7 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thanh Tín

2

+ Nhược điểm: Có nhiều hạn chế nhất là khi phân tích độ bền kết cấu các
loại tàu đặc biệt, tàu chuyên dụng hay tàu có kích thƣớc nằm ngoài phạm
vi quy định của quy phạm hiện hành. Kết quả phân tích cũng thƣờng ít
chính xác.
- Theo mô hình tổng thể: Toàn bộ kết cấu thân tàu đƣợc xem nhƣ hệ kết cấu
không gian đặt trên nền đàn hồi, bao gồm nhiều loại kết cấu nhƣ dầm, tấm, vỏ
v v…liên kết với nhau. Khi đó, các bộ phận kết cấu thân tàu nhƣ khung dàn
đáy, boong, mạn, khung sƣờn và những chi tiết hình thành chúng nhƣ hệ thống
dầm gia cƣờng, các tấm tôn bao cùng làm việc trong mô hình.
+ Ưu điểm: Cho kết quả tính sát thực tế bởi vì nó bảo toàn đƣợc những tính
chất vật lý và cơ học của kết cấu thực ở mức độ khá cao.
+ Nhược điểm: Đòi hỏi nhiều công sức trong việc lập mô hình, chuẩn bị số
liệu và phân tích kết quả tính. Hơn nữa, phƣơng pháp này thƣờng chỉ có
thể thực hiện khi có chƣơng trình phân tích độ bền kết cấu mạnh.
1.1.2 Thực trạng về vấn đề nghiên cứu
Theo xu hƣớng hiện nay, nhờ sự phát triển của khoa hoc công nghệ, bài độ bền kết
cấu thân tàu thƣờng đƣợc phân tích theo mô hình tổng thể trên bằng phƣơng pháp tính
hiện đại và hiệu quả nhất là phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Với sự hổ trợ của các phần
mềm lớn nhƣ: NASTRAN, MAESTRO (Mỹ), ANSYS, SESAM, ABAQUS ……
Phần mềm MAESTRO đƣợc hình thành tại Mỹ và đã đƣợc ứng dụng rộng rải vào
tính toán độ bền và tối ƣu hóa kết cấu tàu vỏ thép, composite. Maestro có thể mô hình
hóa cho nhiều loại tàu khác nhau: tàu dầu, ro ro, tàu hàng, xà lan… một cách nhanh
chóng. Một số đề tài nghiên cứu đã ứng dụng MAESTRO nhƣ: “Structural Analysis
Of Livestock Carrier” - Jerolim Andrić. Vedran Žanić; “Structural Design of an
Innovative Pasenger Vessel” – Dario Boote and Donatella Mascia – Italy; “Unified
first-principles ship structural design based On the maestro methodology” của Dr.
Robert S. Dow, Scotland; … Ở nƣớc ta vì đây là một phần mềm mới, tài liệu tham
khảo ít, việc sử dụng phần mềm và xây dựng mô hình tính rất khó khăn, nên phần

+ Dịch tài liệu hƣớng dẫn và tìm hiểu sử dụng phần mền MAESTRO.
+ Xây dựng mô hình tính trên MAESTRO.
+ Xác định điều kiện biên và tải và xuất kết quả.
+ Phân tích đánh giá độ chính xác của kết quả. 5

CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ sở tính độ bền chung kết cấu tàu vỏ thép
2.1.1 Khái quát về quá trình uốn thân tàu trên mặt nƣớc.
Tàu thủy là một hệ thống kết cấu phức tạp làm từ vật liệu đàn hồi, nổi và
làm việc trên mặt nƣớc. Ở tƣ thế làm việc này thân tàu phải gánh chịu sức nặng
của trọng lƣợng bản thân, hàng hóa và ngƣời trên tàu đồng thời chịu tác động của
lực nổi. Tuy nhiên các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc theo
chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu sẽ bị uốn, xoắn, uốn xoắn đồng thời. Trong đó
quá trình uốn dọc ảnh hƣởng lớn đến độ bền thân tàu nhất.
2.1.1.1 Tàu nằm cân bằng trên nƣớc tĩnh:
Tàu nổi trên nƣớc tĩnh sẽ chịu tác dụng của hai lực thẳng đứng là trọng lực
và lực nổi. Lúc tàu cân bằng hai lực này có độ lớn bằng nhau nhƣng do sự phân
bố không đều dọc theo chiều dài tàu nên thân tàu sẽ bị uốn dọc và làm xuất hiện
lực cắt và moment uốn chung.

Hình 4. Mô hình uốn chung thân tàu trên nước tĩnh

Ry
Rz
Điểm độc lập ở mút
sau của mô hình
-
Cố định
Cố định
-
-
-
Điểm độc lập ở mút
trƣớc của mô hình
Cố định
Cố định
Cố định
Cố định
-
-
Bảng 1. Điều kiện biên cho mô hình tính theo FEM
2.2 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn
2.2.1 Khái niệm chung:
Phƣơng pháp phần tử hữu hạn là một phƣơng pháp số đặc biệt hiệu quả
dùng để tìm dạng xấp xỉ gần đúng của một hàm chƣa biết trên từng phần tử Ve
thuộc miền xác định V của nó. Do đó phƣơng pháp này rất thích hợp với các bài
7

toán kỹ thuật có hàm cần tìm xác định trên miền phức tạp, gồm nhiều vùng nhỏ có
đặc tính hình học, vật lý và điều kiện biên khác nhau.
2.2.2 Cơ sở của phƣơng pháp
Cơ sở của phƣơng pháp này là tiến hành rời rạc hóa các miền liên tục phức

2.3 Giới thiệu phần mềm tính toán bằng phƣơng pháp PTHH
2.3.1 Tổng quan các phần mềm tính toán bền bằng phƣơng pháp PTHH
Các phần mềm có khả năng phân tích độ bền tàu bằng phƣơng pháp phần tử hữu
hạn: RDM, SAP, NASTRAN, MAESTRO, ANSYS, SESAM, STAAD.PRO …
- RDM (Resistances des Materiaux) là phần mềm tính bền bằng phƣơng pháp phần
tử hữu hạn do giáo sƣ Yves DEBARD (Đại học Le Mans ) của Pháp viết dùng để
tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán về đàn hồi lực
phẳng RDM gồm có 3 modun chính: Flexion, Ossatures, Elements finis.
- SAP 2000 là phần mềm áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn trong tính toán cơ
học mà ngƣời đặt nền móng là Giáo sƣ Edward L.Wilson (University Avenue
Berkeley, California, USA). SAP2000 có khả năng tính toán mạnh, hỗ trợ nhiều
loại kết cấu làm việc ở nhiều trạng thái khác nhau chịu tác động của nhiều loại tải
trọng nhƣ: hệ thanh, hệ tấm vỏ, kết cấu đặc. Các kết cấu có thể làm việc ở các
trạng thái đặc biệt nhƣ: trạng thái ứng suất phẳng, biến dạng phẳng, đối xứng trục,
biến dạng lớn.
- STAAD.PRO là phần mềm phân tích thiết kế kết cấu hàng đầu trên thế giới đƣợc
phát triển bởi hãng phần mềm REI và đƣợc Bentley mua lại vào năm 2005.
Staad.Pro là một công cụ hoàn hảo tích hợp khả năng phân tích theo phƣơng pháp
phần tử hữu hạn và tối ƣu hóa thiết kế, bao gồm giao diện đồ họa trực quan, công
cụ hiển thị và tiêu chuẩn thiết kế quốc tế.
- ABAQUS là một bộ phần mềm lớn, trong công trình dùng để mô phỏng làm việc
của công trình bằng phƣơng pháp số, sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
(Finite Element Method) để tính toán ứng suất, biến dạng, chuyển vị, giao động,…
và các ứng xử khác của công trình dƣới tác động của các ngoại và nội lực, các lực
tĩnh và động. Hiện nay Abaqus có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard
và ABAQUS/Explicit.
- ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn
(Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế
công nghiệp, đã và đang đƣợc sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ
9

10

+ Các module cơ bản của Maestro: Modeling/Analysis/Evaluation, Finemesh
Analysis, Eigenvalue Solver, Optimization, ALPS/ULSAP , ALPS/HULL,
Nastran Translator, ANSYS Translator.

Hình 7. Cấu trúc mô hình trong Maestro
2.3.3 Trình tự bài toán phân tích độ bền trên MAESTRO
 Tìm hiểu đặc điểm kết cấu cơ bản của tàu cần tính toán.
 Mô hình hóa.
+ Lựa chọn đơn vị và vật liệu.
+ Khai báo các đặc trƣng hình học cơ bản của chi tiết.
+ Xây dựng mô hình.
 Xác định điều kiện biên.
 Phân bố tải trọng hàng hóa lên tàu.
 Xây dựng mô hình sóng tính toán, cân bằng tàu.
 Giải và xuất kết quả.
11

2.4 Các phƣơng pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu.
Theo quy định trong quy phạm của các nƣớc, sau khi xác định đƣợc tiêu chuẩn bền
thích hợp cần tiến hành kiểm tra đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu theo các trƣờng
hợp cụ thể sau:
2.4.2 Kiểm tra theo giá trị ứng suất cho phép
Kiểm tra độ bền chung theo ứng suất thực hiện bằng cách so sánh giá trị ứng
suất pháp và ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trong quá trình uốn chung thân tàu.
 
 



2.4.4 Kiểm tra theo giá trị ứng suất pháp tổng
Kiểm tra độ bền kết cấu đƣợc thực hiện bằng cách so sánh giá trị ứng suất
womese gồm ứng suất pháp và ứng suất tiếp cục bộ xuất hiện trong kết cấu với giá
trị cho phép.
xyyxy

3.σ
vm
σ
22
x


Để đảm bảo bền, ứng suất sinh ra do uốn chung phải thỏa hệ thức sau:
const
y
vm
y





Hằng số lấy bằng 0.64

12

CHƢƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 Giới thiệu chung về tàu tính toán.
3.1.1 Các đặc điểm cơ bản của tàu tính toán:
15 16 17

3.1.2 Quy cách kết cấu cơ bản trên tàu :
Khu vực
Tên kết cấu
Quy cách (mm)
Kết cấu đáy
Sống chính
1400x24
Sống phụ
1400x12
Tôn đáy ngoài
11.5
Tôn đáy trong
13
Đà ngang đáy
1400x11
Kết cấu mạn
Sƣờn thƣờng
HP200x11
Sƣờn khỏe
1200x11

18

Dựa vào bản vẽ kết cấu tàu dầu 13500 DWT với sự hỗ trợ của phần mền
MAESTRO 9.0.8 ta có thể xây dựng đƣợc mô hình hoàn chỉnh theo các bƣớc sau:
3.2.1 Lựa chọn đơn vị và vật liệu:
Chọn hệ đơn vị SI(N,mm): Từ trình đơn vào menu file chọn Units lựa chọn đơn
vị tại mục Standard Units systems sau đó chọn Apply to Parameter Data.
Vật liệu thép đóng tàu AH32 có:

ch
= 315 N/mm
2
, Từ trình đơn vào mục
Material và khai báo nhƣ hình bên dƣới:

Hình 8. Đơn vị và đặc trưng của vật liệu
3.2.2 Khai báo các đặc trƣng hình học cơ bản của vật liệu
Tiếp theo dựa vào bản vẽ chúng ta khai báo các đặc trƣng hình học cơ bản của
các chi tiết kết cấu :
- Tấm : Từ trình đơn vào Properties chọn thẻ Plate tại đây ta tạo ID, tên,
chiều dày tấm, vật liệu, sau đó nhấp vào Create.

19

Hình 9. Khai báo đặc điểm hình học của tấm
- Dầm : Từ Properties chọn Beam, tại đây đặt tên, loại dầm, kích thƣớc và
vật liệu của dầm, sau đó nhấp Create.

Hình 10 . Khai báo đặc trưng của dầm
- Trụ: Từ Properties chọn Beam, đặt tên, kích thƣớc và vật liệu của trụ,

Hình 15. Hộp thoại Endpoint

Hình 16. Tập hợp các dãy Endpoint
3. Tạo các strake:
Toolbar Menu
Model > Elements > Create/Modify > Strake
Keyboard
<Ctrl + k>