BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG HUỲNH HỮU THÁI LÂM
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN
CỦA KẾT CẤU MẠN ĐÔI TÀU VỎ THÉP SAU
KHI XẢY RA TAI NẠN ĐÂM VA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHÁNH HÒA, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Huỳnh Hữu Thái Lâm

i

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Trang
MỤC LỤC i
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU iv
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ v
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3
1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 3
1.2. Tình hình nghiên cứu 7
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nƣớc 7

2.5.2.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 37
2.5.2.4. Phƣơng pháp thực nghiệm 47
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 49
3.1. Kết quả mô phỏng đối với trƣờng hợp va đập của trọng vật lên tấm
kết cấu có nẹp gia cƣờng. 49
3.2. Mô phỏng tai nạn đâm va giữa mũi tàu và mạn đôi tàu vỏ thép 56
3.2.1. Kịch bản xảy ra tai nạn đâm va 56
3.2.2. Các bƣớc mô hình hóa 59
3.2.3. Kết quả mô phỏng bài toán va chạm giữa mũi tàu vỏ thép
với kết cấu mạn đôi của tàu 20.000 DWT bị tai nạn đâm va 68
3.3.2.1. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH1V11 68
3.3.2.2. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH2V11 và TH3V11 77
3.3.2.3. Kết quả mô phỏng trƣờng hợp TH1V5, TH2V5 và
TH3V5 86
3.3.2.4. Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trƣờng hợp
TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 92
3.3.2.5. Kết quả mô phỏng mở rộng cho các trƣờng hợp
TH1’V5 101
3.3. So sánh các kết quả mô phỏng 106
CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 109
4.1. Kết luận 109
4.2. Đề xuất 111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
PHỤ LỤC 116
iii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT
Chữ viết
tắt

thanh nẹp thẳng
8
SP-LB
Stiffened Plate L-Bar
Tấm gia cƣờng bằng các
thanh nẹp thẳng

iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1. Yêu cấu đối với thép đóng tàu có độ bền bình thƣờng 26
Bảng 2.2. Yêu cấu đối với thép đóng tàu 26
Bảng 2.3. Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 27
Bảng 2.4. Đơn vị SI 43
Bảng 3.1. Các thông số vật liệu cơ bản của tấm kết cấu thép 50
Bảng 3.2. Các giá trị đầu vào của bài toán mô phỏng 51
Bảng 3.3. Ký hiệu các trƣờng hợp tai nạn đâm va 58
Bảng 3.4. Kích thƣớc cụ thể của mô hình mạn tàu 60
Bảng 3.5. Kích thƣớc cụ thể của mô hình hình học mũi quả lê 61
Bảng 3.6. Thông số vật liệu của thép đóng tàu cấp A 64
Bảng 3.7. Điều kiện biên của mô hình 67
Bảng 3.8. Các thông số ban đầu của bài toán 68
Bảng 3.9. So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V11, TH2V11 và TH3V11 85
Bảng 3.10. So sánh sự phá hủy kết cấu tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 90
Bảng 3.11. So sánh năng lƣợng tại TH1V5, TH2V5 và TH3V5 92
Bảng 3.12. Vị trí phá hủy kết cấu theo độ lõm đâm va và nội năng sau khi kết
thúc đâm va tại TH1V5F, TH2V5F và TH3V5F 101
Bảng 3.13. Thông số vật liệu của thép tấm AISI 1045 102
Bảng 3.14. So sánh 2 trƣờng hợp TH1’V5 và TH1V5 106

Hình 2.1. Đƣờng cong biểu diễn mối quan hệ ứng suất – biến dạng 24
Hình 2.2. Mối quan hệ giữa độ bền và năng lƣợng tiêu hao. 29
Hình 2.3. Sự phân bố năng lƣợng sau khi đâm va 32
Hình 2.4. Các chuyển động của tàu thủy 33
Hình 2.5. Hệ tọa độ dùng để phân tích của Zhang 35
Hình 2.6. Đơn giản hóa kết cấu mũi tàu chở dầu 2.000 tấn, Kierkegaard, 1993 37
Hình 2.7. Mô phỏng tai nạn đâm va tàu bằng FEM của Kitamura 38
vi

Hình 2.8. Rời rạc hóa miền khảo sát 40
Hình 2.9. Mô hình hóa: (a) Mô hình hình học và (b) Mô hình phần tử 44
Hình 2.10. Công tác chuẩn bị thực nghiệm đâm va tàu ở Đức (1988) 47
Hình 2.11. Thực nghiệm đâm va tàu theo điều kiện thực ở Phần Lan (1998) 48
Hình 3.1. Mô hình hình học mẫu bị va đập. 49
Hình 3.2. Mô hình hình học mẫu va đập. 49
Hình 3.3. Mô hình phần tử của mô hình 50
Hình 3.4. Điều kiện biên mô phỏng. 50
Hình 3.5. Kết quả mô phỏng giữa trọng vật và tấm có nẹp gia cƣờng đều có thể
biến dạng. 51
Hình 3.6. Kết quả biến dạng sau mô phỏng của tấm có nẹp gia cƣờng. 52
Hình 3.7. Hình ảnh mô phỏng mẫu vật va đập, (a) Trạng thái ban đầu; (b) trạng
thái sau khi va đập 52
Hình 3.8. Vị trí để đo chuyển vị của tấm có nẹp gia cƣờng (a) và trọng vật (b) 53
Hình 3.9. Biểu đồ chuyển vị của tấm gia cƣờng 54
Hình 3.10. Biểu đồ chuyển vị của trọng vật 54
Hình 3.11. Biểu đồ năng lƣợng của cả quá trình va đập 55
Hình 3.12. Biểu đồ vận tốc của tấm gia cƣờng và trọng vật 56
Hình 3.13. Kịch bản tai nạn đâm va 57
Hình 3.14. Trƣờng hợp 1: Hai đối tƣợng có cùng mớn nƣớc
T

kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 1877 mm và B1 = 1011 mm trong TH1V11 73
Hình 3.35. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 (a) và
kết cấu bên trong (b) với điểm A1 = 2487 mm và B1 = 1990 mm trong TH1V11 74
Hình 3.36. Độ lõm đâm va tại điểm A1 và điểm B1 của TH1V11 75
Hình 3.37. Đƣờng cong độ lõm do va chạm và vận tốc va chạm của mô hình. 75
Hình 3.38. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm do
va chạm của mô hình trong TH1V11 76
Hình 3.39. Hình dạng mô hình trƣớc khi xảy ra va chạm ở (a) TH2V11 và (b)
TH3V11 77
Hình 3.40. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH2V11(a) và
TH3V11(b) 78
Hình 3.41. Độ lõm ban đầu của kết cấu tại mặt cắt ngang sƣờn 144 và kết cấu
bên trong với điểm A2 và điểm A3 bằng 0 mm tƣơng ứng trong TH2V11 (a) và
TH3V11 (b) 79
Hình 3.42. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang sƣờn 144 và kết cấu
bên trong với điểm A2 = 1185 mm với TH2V11 (a) và A3 = 1911 mm với
TH3V11 (b) 80
viii

Hình 3.43. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong tại điểm A2 = 2011mm của TH2V11 (a) và A3 = 2436mm của
TH3V11 (b) 81
Hình 3.44. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong tại điểm A2 = 2412 mm của TH2V11 (a) và A3 = 2887 mm của
TH3V11 (b) 82
Hình 3.45. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại điểm A2 của TH2V11. 83
Hình 3.46. Đƣờng cong vận tốc đâm va tại điểm A3 của TH3V11 83
Hình 3.47. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm
đâm va của mô hình tại điểm A2 của TH2V11 84
Hình 3.48. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng của kết cấu với độ lõm

Hình 3.68. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A2 của TH2V5F 100
Hình 3.69. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A3 của TH3V5F 101
Hình 3.70. Toàn cảnh mô hình sau khi xảy ra va chạm ở TH1’V5(a) và
TH1V5(b) 103
Hình 3.71. Biến dạng và phá hủy kết cấu tại mặt cắt ngang tại sƣờn 144 và kết
cấu bên trong với điểm tại TH1’V5 (a) và TH1V5 (b) 103
Hình 3.72. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1’ của TH1’V5 104
Hình 3.73. Đƣờng cong vận tốc va chạm tại A1 của TH1V5 105
Hình 3.74. Đƣờng cong động năng và nội năng tại A1’ của TH1’V5 105
Hình 3.75. Đƣờng cong giữa động năng và nội năng tại điểm A1 của TH1V5 106
Hình 3.76. Biểu đồ tổng hợp độ lõm đâm va tại các trƣờng hợp (đơn vị mm) 107
Hình 3.77. Biểu đồ tổng hợp nội năng đối với các trƣờng hợp (đơn vị MJ) 108
Hình 4.1. Sự lan truyền ứng suất trong trƣờng hợp TH2V5 110
1

LỜI MỞ ĐẦU

Nƣớc ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế
mạnh để ngành hàng hải Việt Nam phát triển, cùng với nhu cầu phát triển chung của
ngành kinh tế vận tải biển ngày càng tăng, kéo theo đội tàu biển tăng cả về số lƣợng
cũng nhƣ về tổng dung tích. Theo Tổng Công ty Hàng hải Việt Nam (Vinalines), tính
đến tháng 3 năm 2014, đội tàu biển của Vinalines gồm 116 chiếc với tổng tải trọng lên
đến 2,5 triệu DWT và có xu hƣớng phát triển mạnh trong thời gian tới [13]. Nhƣng
theo số liệu thống kê năm 2010 của Cục Hàng hải Việt Nam, các năm gần đây tai nạn
đâm va tàu chiếm tới trên 80% các vụ tai nạn hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt
Nam [9]. Tai nạn đâm va thƣờng đem đến những hậu quả rất thảm khốc, ngoài việc
gây thiệt hại về con ngƣời và tài sản, tai nạn đâm va có thể dẫn đến hủy hoại môi
trƣờng, ảnh hƣởng đến cuộc sống của con ngƣời.
Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của các vụ tai nạn đâm va tàu, đòi hỏi sự phát
triển các quy định và các yêu cầu về phân cấp và thiết kế kết cấu tàu. Nhƣng sự cập

hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Khánh Hòa, ngày 07 tháng 01 năm 2015
Học viên
Huỳnh Hữu Thái Lâm
3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Lịch sử đã và đang khẳng định vận tải biển là ngành có ảnh hƣởng mạnh mẽ
đến sự phát triển và giữ vị trí quan trọng hàng đầu trong nền kinh tế toàn cầu. Theo
thống kê năm 2012 của IMO (International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải
quốc tế), ngành kinh tế vận tải biển đang chiếm hơn 90% lƣu chuyển thƣơng mại hàng
hóa toàn cầu [14], ngành vận tải biển là một cấu thành quan trọng bậc nhất của hệ
thống hạ tầng kinh tế, hỗ trợ đắc lực cho sự phát triển của mỗi quốc gia. Lịch sử phát
triển các quốc gia hàng đầu thế giới nhƣ Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Anh, Pháp, Hoa
Kỳ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, … đều có sự đóng góp to lớn của ngành
vận tải biển.
Các đại dƣơng rộng lớn trên thế giới hiện đang đón nhận ngày càng nhiều loại
tàu biển với rất nhiều kích cỡ khác nhau và hoạt động tấp nập suốt ngày đêm. Các
trung tâm hàng hải có mật độ vận chuyển dày đặc nhất thế giới có mặt tại khắp tất cả
đại dƣơng và vùng biển lớn. Từ các trung tâm này, đội tàu thế giới vận chuyển hàng
Hình 1.2. Tàu LPG Carrier M/T Gas Roman đâm vào khoang hàng số 4 của tàu M/V
Springbok, 2003. [38]
Theo số liệu thống kê của cơ quan Đăng kiểm Anh LR (Lloyd’s Register) từ
năm 2000 đến năm 2010, tổng thiệt hại về hàng hóa của các tàu chở hàng chiếm trên
50%, đại diện cho 20% số lƣợng tàu trên thế giới. Nguyên nhân thiệt hại, theo số liệu
thống kê của Cơ quan an toàn hàng hải Châu Âu [16], giai đoạn từ năm 2007-2010 chỉ
có 6% các vụ tai nạn ở Châu Âu liên quan đến tai nạn chìm tàu, tai nạn đâm va và mắc
cạn là tai nạn phổ biến hơn tới 71% các vụ tai nạn trong vùng biển châu Âu. Trên thế
giới, giai đoạn từ năm 2000-2010, nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến các thiệt hại
chủ yếu là tai nạn chìm tàu chiếm tới 49%; đâm va chiếm 12%; còn các nguyên nhân
do thân tàu, máy móc chỉ chiếm khoảng 2%.

Hình 1.3. Mật độ các tàu vận chuyển trên biển và các khu vực bị tổn thất [16]
6 (a)

(b)
Hình 1.4. (a) Tổng tổn thất của các loại tàu năm 2000-2010; (b) Nguyên nhân tổn thất
năm 2000-2010 [16]
Nƣớc ta với trên 3.000 km bờ biển và nhiều hải cảng có vị trí thuận lợi là thế
mạnh để ngành hàng hải Việt Nam phát triển. Tuy nhiên, qua thống kê các năm gần
đây của Cục Hàng hải Việt Nam, tai nạn đâm va chiếm tới trên 80% các vụ tai nạn
hàng hải xảy ra cho đội tàu biển Việt Nam [9]. Do hậu quả cực kỳ nghiêm trọng của
các tai nạn đâm va tàu, đòi hỏi sự phát triển các quy định và các yêu cầu về phân cấp
và thiết kế kết cấu tàu, đây là một vấn đề khó khăn, đòi hỏi áp dụng nhiều nghiên cứu
kết hợp với khả năng dự báo các rủi ro sẽ xảy ra bằng các phƣơng pháp khác nhau,

Ammerman và Daidola đã phát triển một mô hình FEM tƣơng tự với tai nạn đâm va
tàu để so sánh với phƣơng pháp của TSAMC (Tanker Structural Analysis for Minor
Tàu đâm va
(Striking ship)
Tàu bị đâm va
(Struck ship)
8

Collisions) và phƣơng pháp Minorsky.
Mặc dù, đã có những nỗ lực, nhƣng các mô hình phần tử hữu hạn hấp thụ nhiều
năng lƣợng hơn so với các mô hình khác, hai khó khăn chủ yếu trong mô hình đầu tiên
đó là thiếu đi một mô hình phá hủy tƣơng xứng (các kết cấu bị biến dạng lớn không bị
xé rách) và đánh giá thấp các lực thủy động trong một vụ va chạm. Vào năm 1959,
Minorsky đã đề nghị tăng thêm 40% khối lƣợng do lực cản thủy động, nhƣng có một
số nhà nghiên cứu lại đề nghị khác, chẳng hạn nhƣ năm 1966, Motora đã đƣa ra khối
lƣợng bổ sung tăng hơn 150%.
- Năm 1999, Servis và Samuelides đã mô phỏng tai nạn đâm va với mạn tàu của
tàu Ro-Ro bằng một mũi quả lê đƣợc xem nhƣ cứng tuyệt đối sử dụng phƣơng pháp
FEM. Để đánh giá mô phỏng này, hai mô hình thực nghiệm đƣợc tạo ra để so sánh.
Đầu tiên là một mũi tàu tạo bởi hai cạnh đâm va vào một bên của sàn gia cƣờng, và
thứ hai, một mũi tàu quả lê đâm va vào một tấm gia cƣờng, các giá trị đã đƣợc xem xét
và đánh giá là đúng so với thực nghiệm. Ngoài ra, Servis và Samuelides đã phát triển
thành một phƣơng pháp phân tích số - thực nghiệm với sự va chạm giữa mũi quả lê với
hai trƣờng hợp, một trƣờng hợp tàu đứng yên và một trƣờng hợp tàu thả trôi tự do để
mô phỏng thủy động.
- Vào năm 2000, Brown và các công sự đã trình bày một bản tóm tắt các trình
tự nhằm công nhận dự báo rủi ro là có căn cứ khoa học, dự báo trạng thái của kết cấu
trong một vụ tai nạn đâm va tàu, nhằm ngăn chặn sự cố tràn dầu và giảm thiểu sự thiệt
hại của kết cấu.
- Cũng vào năm 2000, Kitamura O. đã phát triển các phân tích FE để đánh giá

cứng. Mục đích nghiên cứu của K.Wísniewski là sử dụng phần mềm
ABAQUS/Explicit để xem xét, đánh giá mức độ phá hủy kết cấu dựa các thông số: mô
hình vật liệu, hệ số ma sát với sự tiếp xúc giữa các tàu và vận tốc ban đầu của tàu đâm
va. Và kết quả đạt đƣợc nhƣ sau:

Hình 1.9. Mô hình phần tử trên Abaqus của Kwísniewski. [24]
11 Hình 1.10. Kết quả mô phỏng trên Abaqus của Kwísniewski. [24]
2) Năm 2003, trong nghiên cứu của Wu [37], đã đề xuất phƣơng pháp phần tử
hữu hạn là một công cụ mạnh mẽ để đánh giá tai nạn đâm va tàu. Wu dự báo, việc ứng
dụng mô phỏng bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn sẽ đƣợc nghiên cứu nhiều trong
thời gian đến, Wu cho rằng với sự phát triển rất nhanh của công nghệ máy tính và khả
năng ứng dụng của các phần mềm mô phỏng phân tích các bài toán bằng phƣơng pháp
phần tử hữu hạn là lựa chọn khả thi.
3) Năm 2006, O. Ozgue [31], cho rằng mô phỏng tai nạn đâm va giữa hai tàu
vẫn còn đối mặt với một số khó khăn trong việc cung cấp các kết quả chƣa đáng tin
cậy. Độ chính xác của các kết quả mô hình số phụ thuộc nhiều vào việc khai báo đúng
hiện tƣợng xảy ra và phải kiểm soát cẩn thận một số thông số quan trọng nhƣ tiêu
chuẩn phá hủy, phi tuyến tính, loại phần tử, hệ số ma sát, và sự chia mịn lƣới phần tử.
Do đó, Ozgue đã thực hiện các một nghiên cứu nhằm đánh giá các thông số va chạm
trên và cung cấp các hƣớng dẫn để thực hiện các bài toán mô phỏng khi sử dụng phần
mềm phần tử hữu hạn, sau đây là kết quả của nghiên cứu này:
Ozgue đã sử dụng một mô hình thử của ISSC (International Ship and Offshore
Structures Congress) làm chuẩn, nó bao gồm đầy đủ các chi tiết và thông số để ứng
dụng cho công cụ phần tử hữu hạn. Mô hình thử của ISSC đƣợc Hiệp hội cải tiến kết
cấu của Công nghiệp đóng tàu Nhật Bản (Association of Structural Improvement of
Shipbuilding Industry of Japan) thực hiện việc thử nghiệm, một trong các thử nghiệm
là một mô hình kết cấu thép mạn đôi bị đâm va bởi một mô hình mũi quả lê. Trong thử