BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG
0 0 0

LƯƠNG VĂN THẠCH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN CỤC BỘ
KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO MÔ HÌNH
TỔNG THỂ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT TÀU THỦY Nha Trang, tháng 07 năm 2013 GVHD : PGS.TS TRẦN GIA THÁI
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Nha Trang, ngày … tháng năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS TRẦN GIA THÁI
PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lương Văn Thạch Lớp: 51TT-DT2
Ngành: Đóng tàu thủy Khoa: Kỹ Thuật Giao Thông
Tên đề tài: “
Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng
thể
”
Số trang: 65 Số chương: 4 Số tài liệu kham khảo: 6
Hiện vật: 3 quyển báo cáo, 1 quyển hướng dẫn sử dụng Maestro, 1 quyển dịch Maestro, 1 usb.NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN


MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2
1.2.Tình hình nghiên cứu 2
1.3 .Mục tiêu phạm vi và phương pháp nghiên cứu đề tài 2
1.3.1.Mục tiêu 2
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài 2
1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài 3
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4
2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu 4
2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu. 4
2.1.2.Bài toán phân tích độ bền chung kết cấu thân tàu: 5
2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu: 6
2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu 6
2.2.1.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất cho phép 6
2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn 7
2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp 8
2.3.Khái quát về phương pháp phần tử hữu hạn 8
2.3.1.Khái niệm phương pháp phần tử hữu hạn 8
2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo
phương pháp phần tử hữu hạn 9
2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8 11
2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn. 11
2.4.2. Giới thiệu về Maestro 9.0.8 14
Chương III: Kết quả nghiên cứu 17
3.1.Giới thiệu chung về tàu tính toán. 17 3.1.1.Các thông số chính 17
DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu 4
Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh 5
Hình 2.3.Cấu trúc mô hình trong Maestro 16
Hình 3.1.Biểu tượng của Maestro 24
Hình 3.2.Giao diện của Maestro 24
Hình 3.3.Hộp thoại khai báo thông tin công việc 25
Hình 3.4.Hộp thoại đặt đơn vị 25
Hình 3.5.Hộp thoại khai báo vật liệu 26
Hình 3.6.Hộp thoại khai báo đặc trưng của tấm 26
Hình 3.7.Hộp thoại đặc trưng tấm sau khi khai báo xong 27
Hình 3.8.Các kích thước đo trên mặt cắt ngang 27
Hình 3.9.Hộp thoại EndPoint 28
Hình 3.10.Dãy EndPoint sau khi tạo 28
Hình 3.11.Các dãy Endpoint của của sườn sau khi tạo xong 29
Hình 3.12.Hộp thoại Compounds 29
Hình 3.13.Các điểm EndPoint sau khi rải compound 30
Hình 3.14.Hộp thoại Strakes 30
Hình 3.15.Tấm strake tôn đáy trong có chiều dày là 13mm theo bản vẽ 31
Hình 3.16.Mặt cắt ngang giữa tàu của tàu dầu 13500DWT 32
Hình 3.17.Đo các kích thước trên mặt cắt ngang 32
Hình 3.18.Mặt cắt ngang mô hình trong Maestro 33
Hình 3.19.Mô hình tàu dầu 13500 DWT trong Maestro theo phần tử hữu hạn 33
Hình 3.20.Mô hình hóa khung dàn đáy giữa tàu (sườn 86 đến 92) 34
Hình 3.21.Biểu đồ màu thể hiện độ dày của tấm 34
Hình 3.22.Vị trí các khoang dầu 36
Hình 3.23.Vị trí các két dằn 37

Hình 3.54.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH5 57
Hình 3.55.Mô hình tàu TH6 58
Hình 3.56.Tọa độ trọng tâm và tâm nổi TH6 58
Hình 3.57.Biểu đồ phân bố lực nổi TH6 59
Hình 3.58.Biểu đồ phân bố tổng trọng lượng TH6 59 Hình 3.59.Biến dạng của khung dàn đáy TH6 61
Hình 3.60.Ứng suất Von mises của khung dàn đáy TH6 61

Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi hoạt động trong điều kiện chịu tác dụng
của ngoại lực, phục vụ các mục đích khác nhau của con người. Vì thế, có một con tàu
đóng xong đòi hỏi phải đảm bảo các tính năng của nó. Trong đó tính bền hay còn gọi
là độ bền kết cấu thân tàu là yếu góp phần quan trọng vào việc giúp con tàu có khả
năng chống chịu lại các tác dụng khắc nghiệt của môi trường để đảm bảo cho con tàu
hoặt động bình thường nhằm hạn chế sự thiệt hại về tài sản và tính mạng cho con
người đi tàu. Do đó tôi đã chọn chuyên đề: “Nghiên cứu tính toán độ bền cục bộ kết
cấu tàu vỏ thép theo mô hình tổng thể” làm đề tài tốt nghiệp. Được sự hướng dẫn của
PGS-TS Trần Gia Thái nội dung thực hiện của đề tài gồm những nội dung sau:
Chương 1: Đặt vấn đề
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Kết quả nghiên cứu
Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến
Qua thời gian tìm hiểu và nghiên cứu đề tài với sự hướng dẫn rất tận tình của
PGS-TS Trần Gia Thái, KS Trần Đình Tứ, và các thầy trong Bộ môn Đóng Tàu-
Trường 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!
Do thời gian thực hiện và kiến thức còn hạn chế nên đề tài không tránh khỏi
những thiếu xót, tôi rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy và các bạn sinh viên
để đề tài của tôi được hoàn thiện hơn.
Nha Trang, ngày 11 tháng 7 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Lương Văn Thạch

2 CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1.Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có cấu trúc phức tạp gồm nhiều thành

uốn chung gây ra, nên trong đề tài này sẽ đi tính bền cục bộ cho khung dàn đáy giữa
tàu (sườn 86 đến sườn 92).
1.3.3.Phương pháp nghiên cứu đề tài
Thu thập dữ liệu về các đề tài liên quan và các tài liệu liên quan đến chuyên đề
nghiên cứu.
Tìm hiểu lý thuyết về tính bền kết cấu thân tàu.
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Maestro vào tính bền kết cấu thân tàu.

4 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1.Khái quát về bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu.
2.1.1.Tổng quan về phân tích độ bền kết cấu thân tàu.
Khi tàu hoạt động các ngoại lực tác dụng lên tàu theo phương thẳng đứng gồm
các thành phần: trọng lượng bản thân, trang thiết bị, tải trọng, thủy thủ đoàn… hướng
theo chiều trọng lực kéo tàu chìm xuống và lực nổi có hướng ngược lại đẩy tàu nổi lên.
Do lực tác dụng phân bố không đều theo chiều dọc tàu nên mô-men uốn, mô-men
xoắn, lực cắt… có thể xuất hiện trong các kết cấu thân tàu khi tàu hoạt động. Trong đó
mômen uốn dọc ảnh hưởng nhiều nhất đến độ bền chung của tàu.
Hình 2.1.Các tải trọng tác dụng lên thân tàu.

Vì vậy đối với một con tàu khi thiết kế ra phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Đủ bền để kết cấu thân tàu không bị gẫy nứt.
+Đủ cứng để biến dạng không vượt quá giá trị cho phép.
+ Đủ ổn định để hình dạng không bị thay đổi.
Để đảm bảo được điều kiện này thì chúng ta tăng kích thước của con tàu sẽ ảnh
hưởng rất nhiều đến tính năng của con tàu như: tốc độ của con tàu. Vì vậy bài toán
phân tích độ bền có vai trò rất quan trọng trong quá trình thiết kế và chế tạo con tàu.
Bài toán phân tích độ bền nhằm giải quyết hai bài toán sau đây:

trình cho ta ứng xuất chung
1

.

Hình 2.2.Mô hình uốn tàu trên nước tĩnh

6 2.1.3.Bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu:
Là bài toán xác định giá trị ứng xuất và biến dạng xuất hiện bên trong các kết
cấu đang xét dưới tác dụng của ngoại lực riêng tác dụng lên từng kết cấu đang xét.
Giải bài toán cục bộ dẫn đến giải quyết bài toán cơ học kết cấu cụ thể: kết cấu khung
giàn, dầm nhiều nhịp,.v v… Kết quả xác định được giá trị ứng suất cục bộ
i

(i=2÷n)
và ứng suất tổng hợp tác dụng kết cấu thân tàu



n
i
i
2
1

.
2.2.Các phương pháp kiểm tra độ bền kết cấu thân tàu

max
max

trong đó:

max

: giá trị ứng suất pháp lớn nhất tính tại mép trên và mép dưới dầm tương
đương.

max

: giá trị ứng suất tiếp lớn nhất trong kết cấu đang xét ở khu vực lực cắt lớn
nhất





: giá trị ứng suất pháp cho phép




: giá trị ứng suất tiếp cho phép
7


k





Trong đó:

cb

: giá trị ứng suất pháp cục bộ xuất hiện trong kết cấu

cb

: giá trị ứng suất tiếp cục bộ xuất hiện trong kết cấu


k
,

k
: giá trị các hệ số dự trữ ứng suất pháp và ứng suất tiếp khi uốn cục bộ
bằng tỷ lệ giá trị ứng suất cho phép so với ứng suất chảy
Y

của vật liệu.
2.2.2.Kiểm tra độ bền theo mômen giới hạn
Kiểm tra độ bền các kết cấu tàu theo giá trị mômen giới hạn M
gh
thực hiện bằng

: giá trị gới hạn chảy của vật liệu ở mép ngoài cùng (trên hay dưới) của kết
cấu dọc trong mặt cắt kiểm tra có mômen uốn lớn nhất (MPa)
2.2.3.Kiểm tra độ bền theo giá trị ứng suất pháp tổng hợp
Kiểm tra bằng cách so sánh giá trị ứng suất tổng hợp, gồm các ứng suất uốn chung và
ứng suất uốn cục bộ xuất hiện trong các kết cấu với giá trị cho phép.

T
cp
i
iT




4
2
1

trong đó:

T

: giá trị ứng suất pháp tổng hợp, xuất hiện trong các kết cấu vừa tham gia
đảm bảo độ bền chung vừa chịu tác dụng đồng thời của các tải trọng riêng.

T
cp

: giá trị ứng suất cho phép đối với các kết cấu chịu ứng suất tổng hợp.


hữu hạn các điểm nút dựa trên cơ sở là thừa nhận năng lượng bên trong các mô hình
tính thay thế bằng năng lượng bên trong của kết cấu thực.
Nếu trên biên của các phần tử, điều kiện biên liên tục về lực và chuyển vị được
thỏa mãn (tức là xác định được chính xác các lực tương tác giữa các phần tử lân cận),
thì mô hình thay thế làm việc hoàn toàn giống kết cấu thực.
+ Khả năng áp dụng: có thể xem phương pháp PTHH là một phương pháp vạn
năng. Đó là ưu điểm thứ ba. Áp dụng phương pháp PTHH có thể giải được những bài
toán hết sức phức tạp, thậm chí trước đây dùng các phương pháp khác không giải được.
Trong lĩnh vực cơ học môi trường liên tục, người ta áp dụng phương pháp
PTHH bằng các sở dụng phối hợp các phần tử khác nhau (các phần tử điểm. phần tử
đường. phần tử khối,.v v…) và theo nguyên lý cộng tác dụng, dễ dàng phân tích được
các bài toán kết cấu hỗn hợp, kết cấu có sườn bất kì, kết cấu có hình dạng phức
tạp,.v v… Với bài toán có lỗ khoét, một số tác giả sử dụng khái niệm phần tử ảo để
phân tích và đã cho kết quả đảm bảo độ tin cậy.
2.3.2.Trình tự bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu của một phần mềm theo
phương pháp phần tử hữu hạn.
1. Mô hình hóa:
Chương trình máy tính: Chương trình máy tính để phân tích theo phương pháp
phần tử hữu hạn phải phù hợp với yêu cầu phân tích dự kiến. Độ tin cậy của chương
trình phải được chứng minh là thoả mãn yêu cầu của Đăng kiểm trước khi tiến hành
việc phân tích.
Việc mô hình hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn tàu tính toán cần phải
tuân theo các bước cơ bản sau đây:
- Mô hình hóa phải tuân theo các bản vẽ của tàu tính toán. Danh mục các bản
vẽ, hồ sơ của tàu tính toán phải rõ ràng, có ghi rõ ngày tháng, kể cả các lần sửa đổi nếu có.
- Mô tả chi tiết các quy tắc mô hình hóa kết cấu và những thay đổi của mô hình
so với kết cấu thực.
- Sơ đồ mô hình của kết cấu, xác đinh mục đích của mô hình hóa:
+ Mô hình tổng thể.
+ Mô hình ước định: 2 khoang, 3 khoang giữa tàu.

- Kết luận.

11 2.4.Giới thiệu phần mềm tính bền kết cấu thân tàu Maestro 9.0.8.
2.4.1.Tổng quan các phần mềm tính toán bền kết cấu thân tàu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn.
Các phần mền có khả năng phân tích độ bền tàu bằng phương pháp phần tử hữu
hạn: RDM, SAP, MISA(Nhật), NASTRAN, MAESTRO(Mỹ), ASKA(Đức), ANSYS,
SESAM (Na uy), AMUR(Nga)
+ RDM (Resistances des Materiaux) là phần mềm tính bền bằng phương pháp
phần tử hữu hạn do giáo sư 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, truyền
nhiệt uốn tấm….RDM gồm có 3 modun chính:
- Flexion: cho phép tính kết cấu dầm phẳng.
- Ossatures: Cho phép tính kết cấu khung dàn.
- Elements finis: Cho phép tính bài toán đàn hồi phẳng và đối xứng trục, truyền
nhiệt phẳng và đối xứng trục, tấm uốn.
+ SAP 2000 (Structural Analysis Program) là phần mềm áp dụng phương pháp
phần tử hữu hạn trong tính toán cơ học mà người đặt nền móng là Giáo sư Edward
L.Wilson (University Avenue Berkeley, California, USA) . Nó bao gồm các phiên bản
SOLIDSAP, SAP3, SAP IV, SAP80, SAP90, SAP 2000. Trong đó SAP 2000 là một
bước đột phá của họ phần mềm SAP, mà theo CSI tuyên bố SAP 2000 là công nghệ
ngày nay cho tương lai ( technology today for future ). SAP 2000 đã tích hợp các chức
năng phân tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn và chức năng thiết kế kết
cấu thành một. SAP2000 có khả năng tính toán mạnh, hỗ trợ nhiều loại kết cấu làm

đặc tính và điều kiện biên, phân chia lưới… ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân
tích và sử lý kết quả.
+ 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 được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết
cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
Cấu trúc cơ bản một bài tính trong ANSYS gồm 3 phần chính: tạo mô hình tính
(preprocessor), tính toán (solution) và xử lý kết quả (postprocessor). ANSYS gồm 03
Modul chính: Ansys Worksbench, CFX, Ansys LS/Dyna.
 Ansys Worksbench: Là Module tính toán hệ cơ khí trong môi trường liên
tục. Việc xây dựng mô hình 3D trên môi trường CAD suất sang môi trường tính toán
13 của Ansys WB và áp đặt các giá trị tải trọng cho phép khai thác các giá trị ứng suất,
biến dạng của hệ. Từ đó cho phép đánh giá khả năng làm việc của cơ cấu.
 CFX: Là Module sử dụng hiệu quả trong việc xác định phân bố lưu lượng và
nhiệt độ trong một dòng chảy.Có thể mô phỏng dòng chảy tầng và dòng chảy rối, dòng
nén được và dòng không nén được, và nhiều dòng chảy kết hợp.
 Ansys LS/Dyna: là modul giải quyết các vấn đề kết cấu có độ phi tuyến cao
mô phỏng các quá trình va chạm, chế tạo áp lực, các quá trình xảy ra với biến dạng lớn.
+ VISUAL NASTRAN : Một chương trình đầy quyền năng do NASA thực
hiện, có những lệnh và công cụ mạnh giúp người thiết kế có thể xây dựng, mô tả nhiều
đặc trưng của hệ thống cơ, một khi xây dựng xong mô hình, người thiết kế có thể tiến
hành mô phỏng đặt các lực (ngẫu lực, trọng lực, lực tập trung, lực ma sát v.v) lên mô
hình để khảo sát. Với Visual Nastran người dùng có thể:
 Thiết kế thử nghiệm nhiều mẫu mã khác nhau và phân tích thiết kế bằng
cách đo các giá trị lực, moment, gia tốc của bất kỳ chi tiết nào trong hệ thống.
 Cho phép mô phỏng nhiều dạng liên kết cơ bản như liên kết thanh, khớp
quay, tời, rãnh trượt hay các liên kết phức tạp như bánh răng, motor, cơ cấu chấp hành,

+ MAESTRO (Mỹ): Đây là phần mềm do Giáo sư Owen Hughes hình thành
và phát triển, 1982–1983 nó được chuyển đến người sử dụng. MAESTRO là một
chương trình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích, đánh giá và tối ưu
hóa cấu trúc của tàu, kết cấu ngoài khơi, và các cấu trúc mỏng lớn và phức tạp khác.
2.4.2. Giới thiệu về Maestro 9.0.8 15 MAESTRO 9.0.8 là công cụ thiết kế đặt biệt dành cho các kỹ sư hàng hải và
những người có nhu cầu phân tích đánh giá độ bền trong trạng thái giới hạn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Mục tiêu của bất kì phân tích tích kết là để xác định
chính xác sự thay đổi của kết cấu, cái mà được mô hình hóa với phần tử hữu hạn và
chịu tải trọng nhất định. MAESTRO hoàn thành mục tiêu này thông qua một giao diện
người dùng đồ họa dựa trên Windows giúp người dùng có thể hoàn thành các mô hình
cấu trúc (tiền xử lý), tàu dưới tác dụng của tải trọng, phân tích theo phần tử hữu hạn,
đánh giá trạng thái giới hạn, và sau xử lý.
- MAESTRO là phần mềm có khả năng thiết kế kết cấu một con tàu hoàn chỉnh với:
- Mô hình hóa kết cấu nhanh chóng.
- Đặt tải dựa vào mô hình
- Phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn
- Đánh giá kết cấu
- Tối ưu hóa
- Phân tích theo mô hình lưới tốt
- Tần số tự nhiên.
+ Các module cơ bản của Maestro :
- Modeling/Analysis/Evaluation:Module này bao gồm các công cụ hổ trợ xây
dựng mô hình đồ họa để phát triển mô hình cấu trúc MAESTRO và khả năng sau xử lý
đầy đủ.