Đề tài Ứng dụng chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu

MỤC LỤC TRANG MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 6 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ PHÂN TÍCH KCTT 6 1.1.1. Mô hình tổng thể 7 1.1.2. Mô hình ước định 7 1.1.2.1. Phân tích độ bền chung 7 1.1.2.2. Phân tích độ bền cục bộ 8 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM PHÂN TÍCH KẾT CẤU 9 1.3. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 11 1.3.1. Mục tiêu của đề tài 11 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 2.1. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG KCTT 12 2.2. TÍNH ĐỘ BỀN CỤC BỘ KCTT 12 2.2.1. Giới thiệu chung 12 2.2.2. Mô hình hóa tải trọng tác dụng 13 2.2.3. Mô hình hóa kết cấu thân tàu 17 2.2.4. Quy cách lấy mép kèm 17 2.2.5. Xác định điều kiện liên kết trong mô hình tính 19 2.2.6. Phân tích độ bền kết cấu khung dàn 20 2.2.7. Phân tích độ bền kết cấu khung sườn ngang 24 2.3. CƠ SỞ CỦA PPPTHH TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU 26 2.3.1. Hàm xấp xỉ chuyển vị 26 2.3.2. Ma trận nội suy 27 2.3.3. Ma trận độ cứng phần tử và véc tơ tải phần tử 28 2.3.4. Ma trận độ cứng kết cấu và véc tơ tải kết cấu 30 2.3.5. Trình tự giải bài toán tính độ bền theo PPPTHH 31 3.3.6. Các phần tử được sử dụng trong phân tích KCTT 31 3.3.6.1. Phần tử khung phẳng 31 3.3.6.2. Phần tử khung dàn 32 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH RDM TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU THÂN TÀU 34 3.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÀU TÍNH TOÁN 34 3.1.1. Các đặc điểm cơ bản của tàu tính toán 34 3.1.2. Kết cấu đáy 34 3.1.3. Kết cấu mạn 35 3.1.4. Kết cấu boong 36 3.1.5. Một số kết cấu khác 36 3.2. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG 36 3.3. TÍNH KHUNG DÀN ĐÁY 41 3.3.1. Xây dựng mô hình tính kết cấu 41 3.3.2. Xác định tải trọng tác dụng 46 3.3.3. Kết quả tính bằng RDM 48 3.4. TÍNH KHUNG DÀN BOONG 52 3.4.1. Xây dựng mô hình tính kết cấu 52 3.4.2. Xác định tải trọng tác dụng 54 3.4.3. Kết quả tính bằng RDM 55 3.5. TÍNH KHUNG DÀN MẠN 57 3.5.1. Xây dựng mô hình tính kết cấu 57 3.5.2. Xác định tải trọng tác dụng 59 3.5.3. Kết quả tính bằng RDM 61 3.6. TÍNH KHUNG SƯỜN NGANG 64 3.6.1. Xây dựng mô hình tính kết cấu 64 3.6.2. Xác định tải trọng tác dụng 65 3.6.3. Kết quả tính bằng RDM 66 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ TÍNH TRONG RDM 73 PHỤ LỤC 2: MỘT SỐ BẢN VẼ TÀU HÀNG 2000 TẤN 85 MỞ ĐẦU Kết cấu thân tàu là một tổ hợp gồm nhiều loại kết cấu khác nhau như thanh dầm và các kết cấu dạng tấm vỏ như tôn đáy, tôn boong, sàn boong, vách ngăn dọc,…Đa số những kết cấu này đều tham gia vào việc đảm bảo sức bền dọc chung cho toàn bộ thân tàu, đồng thời lại còn chịu tác dụng của các tải trọng riêng như áp lực nước, trọng lượng hàng hóa… nên ngoài biến dạng do uốn chung, các kết cấu còn chịu biến dạng riêng do uốn cục bộ gây ra. Để đảm bảo cho con tàu hoạt động an toàn, tin cậy trong điều kiện khai thác đòi hỏi các chi tiết kết cấu thân tàu phải đáp ứng được những yêu cầu cụ thể như: Đủ bền, đủ cứng, đủ ổn định. Để đảm bảo được yêu cầu này thì đòi hỏi chúng phải có độ bền và tính an toàn cao. Vì vậy việc phân tích kết cấu thân tàu là một vấn đề được quan tâm hàng đầu của những nhà thiết kế tàu. Từ trước tới nay vấn đề phân tích kết cấu thân tàu thường được dựa cơ bản trên các phương pháp giải tích với mô hình tính được đơn giản đi rất nhiều so với kết cấu thật, do đó độ chính xác của kết quả thu được thường không cao và thường phải khắc phục bằng cách lựa chọn hệ số an toàn lớn. Với sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử nhiều phương pháp số đã ra đời, trong đó có phương pháp phần tử hữu hạn cho phép giải quyết được với độ chính xác cao nhiều bài toán mà từ trước đến nay chưa giải quyết được theo các phương pháp truyền thống. Với mục đích giúp các nhà thiết kế tàu có được một cách tiếp cận mới với việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu với độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên máy vi tính nên tôi lựa chọn đề tài: “Ứng dụng chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu”. Đề tài được thực hiện theo 4 chương với các nội dung chính sau: Chương 1: Đặt vấn đề. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Ứng dụng chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu. Chương 4: Kết luận và đề xuất ý kiến. Sau một thời gian nghiên cứu và tiến hành thực hiện nay đề tài đã cơ bản hoàn thành, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn: T.S Quách Hoài Nam, quý thầy trong Bộ môn Đóng Tàu, trường Đại học Nha Trang, cũng như các bạn sinh viên đã giúp đỡ tôi hoàn thành tốt đề tài này. Do thời gian thực hiện và trình độ có hạn, đề tài không tránh khỏi những thiếu xót, tôi rất mong được sự chỉ bảo của quí thầy cô và các bạn sinh viên để đề tài được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tuyên CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU THÂN TÀU. Tàu thủy là một công trình kỹ thuật nổi có hình dạng và kết cấu phức tạp, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác dụng của nhiều yếu tố như: sóng, gió, va đập, tải trọng trên tàu,…vì vậy việc giải quyết bài toán cơ học kết cấu nhằm đảm bảo yêu cầu về mặt độ bền thân tàu có vai trò quan trọng trong quá trình sử dụng con tàu. Trong thực tế để đảm bảo cho con tàu hoạt động an toàn, tin cậy trong điều kiện khai thác đòi hỏi các chi tiết kết cấu thân tàu phải đáp ứng được những yêu cầu cụ thể như: Kết cấu phải đủ bền để không bị nứt, vỡ hay phá hủy. Kết cấu phải đủ cứng để đảm bảo không bị biến dạng. Kết cấu phải ổn định để luôn luôn giữ được hình dạng ban đầu. Về mặt lý thuyết, để giải quyết các vấn đề đặt ra trên đây cần tiến hành phân tích độ bền nhằm mục đích xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu thân tàu, cơ sở để thực hiện kiểm tra và đánh giá độ an toàn của các kết cấu thân tàu trong điều kiện thực tế. Do đó việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu là một trong những vấn đề có vai trò và ý nghĩa quan trọng trong quá trình thiết kế chế tạo tàu thủy nhằm giải quyết hai bài toán cơ bản: Bài toán thuận để kiểm tra và đánh giá độ bền các kết cấu thân tàu cụ thể nhằm đảm bảo kết cấu có đủ độ bền để tàu có thể hoạt động an toàn và tin cậy dưới tác dụng của các ngoại lực. Bài toán ngược để tính toán, lựa chọn hình dáng và kích thước kết cấu thân tàu một cách hợp lý nhất trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền kết cấu thân tàu với chi phí vật liệu là thấp nhất. Trong thực tế, do kết cấu thân tàu rất phức tạp và bao gồm nhiều loại hình kết cấu khác nhau nên việc tìm mô hình hóa để thể hiện đầy đủ và chính xác đặc điểm làm việc của kết cấu thực là khó, đồng thời do kết cấu thân tàu lại chịu tác dụng của ngoại lực phức tạp ở cả ba chiều trong không gian nên phân tích độ bền kết cấu thân tàu là bài toán phức tạp và thường ít có lời giải chính xác. Trước kia, người ta thường giải quyết bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo các phương pháp truyền thống. Các phương pháp này có nhược điểm là mô hình tính không phản ánh được chính xác kết cấu thực tế, tốn nhiều công sức và thời gian. Do đó hiện nay thường giải quyết bài toán này theo phương pháp phần tử hữu hạn. Mô hình tính theo phương pháp này phản ánh được kết cấu thực tế nên cho kết quả chính xác hơn. Công việc và khối lượng tính toán đơn giản hơn nhiều nhờ sự trợ giúp của máy tính điện tử, nên nó thay thế dần phương pháp tính truyền thống và ngày nay được sử dụng rộng rãi. Hiện nay, bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu thường dựa trên một trong hai mô hình sau. 1.1.1. Mô hình tổng thể. Theo mô hình tổng thể kết cấu thân tàu xem như hệ kết cấu không gian gồm nhiều loại hình kết cấu như: Dầm, tấm, khối liên kết với nhau và đặt trên nền đàn hồi. Trong mô hình này các kết cấu khung dàn đáy, khung dàn mạn, khung dàn boong,… đều tham gia làm việc đồng thời trong mô hình tính. Các điều kiện biên được xây dựng trên cơ sở xem vật thể đàn hồi dưới tác dụng của hai nhóm lực: Trọng lượng các tải trọng trên tàu và phản lực của nền đàn hồi chính là áp lực của nước. Mô hình tổng, thể thể hiện tương đối chính xác tình trạng làm việc của con tàu nhưng mô hình tính toán tương đối phức tạp. 1.1.2. Mô hình ước định. Theo mô hình ước định, ta xem toàn bộ kết cấu thân tàu như một thanh thành mỏng đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng của các ngoại lực tương ứng với các ngoại lực tương ứng tác dụng lên thân tàu. Khi đó bài toán phân tích độ bền phân thành hai nội dung chính: phân tích độ bền chung và phân tích độ bền cục bộ. 1.1.2.1. Phân tích độ bền chung Là bài toán xác định ứng xuất và biến dạng chung xuất hiện trong các mặt cắt ngang dưới tác dụng của ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng, khi đó toàn bộ kết cấu thân tàu xem như một thanh tương đương đặt trên nền đàn hồi và chịu tác dụng của hai lực thẳng đứng là trọng lực và lực nổi, quá trình tính cho ta ứng suất chung.Ví dụ về sự uốn chung thân tàu và mô hình thanh tương đương được mô tả trên hình 1.1.
 Hình 1.1: Mô hình uốn thân tàu trên nước tĩnh. 1.1.2.2. Phân tích độ bền cục bộ. Phân tích độ bền cục bộ là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong những kết cấu thân tàu dưới tác dụng của các ngoại lực đặt riêng lên từng kết cấu. Ví dụ, kết cấu khung dàn đáy ngoài việc chịu uốn chung dưới tác dụng của trọng lực và lực nổi còn chịu uốn cục bộ do tác dụng của áp lực nước bên ngoài và áp lực hàng hóa trong các khoang. Giải bài toán độ bền cục bộ thường dẫn đến việc giải bài toán cơ học kết cấu thân tàu cụ thể như khung dàn, tôn vỏ, khung sườn ngang … và kết quả sẽ cho giá trị ứng suất cục bộ. Cuối cùng, giá trị ứng suất tại một điểm bất kỳ trên kết cấu thân tàu được xác định trên cơ sở tổng hợp kết quả bài toán tính độ bền chung và bài toán tính độ bền cục bộ. Việc phân tích độ bền kết cấu thân tàu theo mô hình ước định hay mô hình tổng thể có các ưu nhược điểm riêng đồng thời đòi hỏi những điều kiện để thực hiện khác nhau. Thực tế cho thấy, mô hình tổng thể cho kết quả tính gần sát thực tế hơn so với mô hình ước định vì nó bảo toàn được những tính chất vật lý và cơ học của kết cấu thực ở mức độ khá cao nhưng đòi hỏi nhiều công sức trong việc lập mô hình, chuẩn bị số liệu và phân tích kết quả tính. Hơn nữa mô hình này chỉ có tính khả thi khi có chương trình phân tích độ bền kết cấu và máy tính với cấu hình cao, một điều kiện mà không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng được. Còn các mô hình ước định, tuy đơn giản hơn và không đòi hỏi điều kiện tính phức tạp như đối với mô hình tổng thể nhưng với cách đặt vấn đề như thế, mô hình vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm, nhất là khi thực hiện phân tích độ bền kết cấu các loại tàu đặc biệt, các tàu chuyên dụng hay tàu có kích thước và đặc điểm nằm ngoài phạm vi của các quy phạm hiện hành.. dẫn đến kết quả thường ít chính xác hơn. Đồng thời, việc chia quá trình tính ra hai giai đoạn như trên tuy cũng có cơ sở khoa học nhất định nhưng chỉ là quy ước mang tính chất định tính nhiều hơn là tình trạng làm việc thực tế của kết cấu và việc nâng cao chất lượng mô phỏng quá trình tính cũng còn gặp nhiều hạn chế, xuất phát từ thuật toán xác định ranh giới các thông số vật lý và cơ học giữa độ bền chung và độ bền cục bộ. Tuy nhiên trong từng bài toán cụ thể, việc nâng cao chất lượng mô hình tính cũng có thể thực hiện và cho hiệu quả ở mức độ nhất định nên tính theo mô hình ước định thường đơn giản hơn rất nhiều. Trong điều kiện khoa học kỹ thuật của nước ta hiện nay, với khả năng chỉ có thể trang bị các máy tính cỡ vừa và nhỏ thì việc thực theo mô hình tính ước định tỏ ra phù hợp hơn vì quá trình phân tích và xử lý kết quả theo mô hình này không nhiều như theo mô hình tổng thể. 1.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM PHÂN TÍCH KẾT CẤU. Trong lĩnh vực cơ học kết cấu thân tàu cũng xuất hiện nhiều phần mềm phân tích kết cấu và đa số các phần mềm này đều dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đây là một số phần mềm dựa trên thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn đã và đang có mặt tại Việt Nam: + SAP (Structural Analysis Program) có khả năng phân tích tĩnh và động các kết cấu không gian phức tạp, SAP có thư viện các phần tử hữu hạn phong phú, ứng xử với nhiều loại nguyên nhân tác động nên có thể dùng phân tích khá rộng các bài toán kết cấu trong thực tế. SAP có cách tổ chức tối ưu việc nhập số liệu tính toán và biểu hiện kết quả tính toán cuối cùng rất trực quan và rõ ràng tạo nhiều thuận lợi cho người sử dụng. + STRAND của Úc cũng là bộ chương trình phân tích kết cấu tương tự như SAP. Phiên bản cuối có mặt ở nước ta là STRAND6, cũng có khả năng phân tích như SAP, đã được sử dụng trong thiết kế và kiểm tra các thiết kế phức tạp. STRAND6 là sự phát triển cao nhất của hệ thống STRAND, nó đã trở thành phần mềm thương mại trong lĩnh vực nghiên cứu và thiết kế xây dựng. + STAAD.PRO của Mĩ, là bộ chương trình phân tích và thiết kế kết cấu. Về khả năng phân tích kết cấu STAAD.PRO đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải quyết các bài toán tĩnh và động, phẳng và không gian với mức độ phức tạp đáp ứng được các yêu cầu trong thiết kế các công trình thực tế hiện nay. Về khả năng thiết kế kết cấu STAAD.PRO là một chương trình khá hoàn thiện nhằm thực hiện việc thiết kế kết cấu với sự trợ giúp của máy tính điện tử. Chương trình có hỗ trợ phần đồ hoạ tốt nên nó có thể cho ra hình ảnh mô hình đẹp, dễ nhìn cho người sử dụng. + ANSYS là chương trình phần mềm có thể giải quyểt được các bài toán về ứng suất dao động ngẫu nhiên, bài toán truyền nhiệt, bức xạ nhiệt, dòng chảy thuỷ lực…ANSYS có khả năng liên kết với các phần mềm khác như Pro/Eng, FLOTRAN… để phân tích và kiểm tra các thiết kế. ANSYS đã được khai thác và sử dụng có hiệu quả trong nghiên cứu khoa học, giảng dạy và trong sản xuất. + LUSAS là bộ chương trình phân tích kết cấu tĩnh học và động học, kết cấu phẳng và không gian trong xây dựng và chế tạo cơ khí vận tải, đây cũng là một bộ chương trình có quy mô lớn có khả năng giải quyết rộng rãi các bài toán kết cấu, kể cả kết cấu ôtô, máy bay… + 3D Beam là chương trình dùng phân tích tĩnh các kết cấu tàu, đặc biệt hiệu quả với các kết cấu các sườn tàu điển hình hoặc kết cấu khung dàn tàu. 3D Beam được phát triển bởi Det Norske Veritas (cơ quan Đăng kiểm Na Uy – DNV). Phần mềm có giao diện đẹp, dễ sử dụng, có thể cho phép người sử dụng làm việc trong mô hình 2D với các hệ tọa độ khác nhau hoặc mô hình 3D và có thể hiện được kết cấu trên mô hình Solid rất dễ nhìn. + RDM (Resistances des Materiaux) của Pháp, đây là phần mềm phần tử hữu hạn dùng để tính các bài toán kết cấu dầm, khung dàn, các bài toán đàn hồi lực phẳng, truyền nhiệt uốn tấm…Ở đề tài này chủ yếu tập chung nghiên cứu về ứng dụng của chương trình RDM trong phân tích kết cấu thân tàu. RDM (Resistance des Materiaux) là phần mềm phần tử hữu hạn do giáo sư Yves DEBARD (Viện Đại học Le Mans). RDM6 là phiên bản mới có thể chạy trên Windows 95, 98, 2000, Me và XP. Cũng như các phiên bản trước, RDM6 gồm 3 môđun chính: - Flexion: Cho phép tính kết cấu dầm thẳng. - 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; và tấm uốn. So với nhiều chương trình cùng cỡ, RDM6 có nhiều ưu điểm nổi bật như tính sư phạm, giao diện đẹp và dễ sử dụng. 1.3. MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI. 1.3.1. Mục tiêu của đề tài. - Xác định khả năng của chương trình RDM trong việc giải các bài toán quen thuộc trong phân tích kết cấu tàu. - Trên cơ sở đó, đưa ra những khuyến cáo về sử dụng chương trình RDM trong tính toán thiết kế kết cấu thực tế. 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu. Do giới hạn về thời gian, đề tài tập trung giải quyết các bài toán chủ yếu sau: - Kiểm tra độ bền chung. - Phân tích kết cấu khung dàn đáy. - Phân tích kết cấu khung dàn boong. - Phân tích kết cấu khung dàn mạn. - Phân tích kết cấu khung sườn ngang. Một kết cấu tàu cụ thể là tàu chở hàng khô 2000 tấn được lấy cho tất cả các bài tính. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT. 2.1. TÍNH ĐỘ BỀN CHUNG KẾT CẤU THÂN TÀU. Phân tích độ bền chung là bài toán xác định giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong các mặt cắt ngang kết cấu thân tàu, dưới tác dụng của hệ ngoại lực đặt theo phương thẳng đứng và không tính đến các ngoại lực tác dụng ngang như lực đẩy của chân vịt, lực cản của môi trường…vì ứng suất uốn do các lực nằm ngang gây ra trong kết cấu thường không lớn lắm và có thể bỏ qua. Thực tế do các ngoại lực tác dụng thẳng đứng phân bố không đều dọc theo chiều dài tàu nên kết cấu thân tàu nói chung thường sẽ bị uốn, bị xoắn hoặc có thể vừa bị uốn và xoắn đồng thời. Tuy nhiên, do quá trình uốn dọc tàu có ảnh hưởng lớn tới đến độ bền của các kết cấu nên trong bài toán phân tích độ bền chung dẫn đến việc xác định ứng suất uốn chung xuất hiện trong kết cấu. Khi đó, kết cấu thân tàu dưới dạng vỏ mỏng kín nước với kết cấu gia cường bên trong được xem như thanh thành mỏng với mặt cắt ngang kín hay hở có đặc điểm khác nhau, chịu tác dụng của các lực thẳng đứng, tương ứng với các ngoại lực tác dụng lên kết cấu thân tàu như áp lực thuỷ tĩnh của nước, trọng lượng tàu, trọng lượng hàng hóa và các thiết bị trên tàu. Bài toán uốn chung thân tàu có thể đưa về bài toán uốn chung của thanh tương đương đặt trên nền đàn hồi chịu tác dụng của ngoại lực thẳng đứng, gồm trọng lực và lực nổi. Kết quả tính phân tích độ bền chung sẽ cho giá trị ứng suất khi tàu bị uốn chung. Để tính sức bền chung ta xét đến hai trường hợp: Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh và nằm cân bằng trên sóng (trên đỉnh sóng và trên đáy sóng). 2.2. TÍNH ĐỘ BỀN CỤC BỘ KẾT CẤU THÂN TÀU. 2.2.1. Giới thiệu chung. Kết cấu thân tàu là tổ hợp gồm nhiều loại kết cấu khác nhau như thanh, dầm và các kết cấu dạng tấm vỏ như tôn đáy, tôn mạn, tôn boong, vách ngăn dọc… Đa số những kết cấu này đều tham gia vào việc đảm bảo sức bền dọc chung cho toàn bộ thân tàu, đồng thời lại còn chịu tác dụng của các tải trọng riêng như áp lực nước, trọng lượng hàng hóa…nên ngoài biến dạng do uốn chung, các kết cấu còn chịu biến dạng riêng do uốn cục bộ gây ra. Khác với độ bền chung do quá trình uốn tàu gây ra, độ bền cục bộ nói ở đây thường được hiểu là độ bền của các khung dàn riêng biệt trong kết cấu thân tàu dưới tác dụng trực tiếp của tải trọng. Do đó ngoài việc tính độ bền chung, bài toán tính độ bền cục bộ chiếm tỉ trọng và vai trò khá lớn với mục đích tính giá trị ứng suất và biến dạng xuất hiện trong kết cấu thân tàu khi uốn cục bộ nhằm đảm bảo biến dạng khi uốn cục bộ không gây ra ứng suất có giá trị lớn hơn ứng suất cho phép, xác định phụ thuộc đặc điểm kết cấu và đặc điểm ngoại lực tác dụng riêng lên các kết cấu thân tàu. Về mặt phương pháp, bài toán tính độ bền cục bộ sẽ dẫn đến phân tích các bộ phận kết cấu chính như: khung dàn đáy, khung dàn mạn, khung dàn boong, khung sườn ngang, cách vách ngăn…Tùy theo phương pháp, mô hình tính của các kết cấu nói trên khi tính độ bền cục bộ sẽ khác nhau, trong đó theo phương pháp truyền thống, mô hình tính khá đơn giản, và thường chỉ ở dạng phẳng. Còn mô hình tính theo phương pháp hiện đại, nhất là PPPTHH phản ánh đặc điểm kết cấu và làm việc gần với thực tế hơn nên kết quả có độ chính xác và độ tin cậy cao hơn, nhất là khi ứng dụng máy tính vào tính toán. Về nguyên tắc, khi phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu thường có xu hướng mô hình hóa các tải trọng tác dụng và các kết cấu phức tạp trong thực tế về những mô hình tính đơn giản tương đương, sao cho vừa có thể phản ánh được chính xác đặc điểm làm việc thực tế, lại vừa thuận tiện khi tính. Do đó vấn đề xây dựng mô hình kết cấu và mô hình các tải trọng có vai trò, ý nghĩa rất quan trọng và có ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả bài toán phân tích độ bền kết cấu thân tàu. Có thể tóm tắt trình tự bài toán phân tích độ bền cục bộ kết cấu thân tàu như sau: Mô hình hóa tải trọng tác dụng cục bộ lên kết cấu. Mô hình hóa kết cấu. Lựa chọn phương pháp tính ứng suất và biến dạng của mô hình kết cấu. Kiểm tra và đánh giá độ bền cục bộ kết cấu đang xét. 2.2.2. Mô hình hóa tải trọng tác dụng. Tải trọng tác dụng lên kết cấu thân tàu khá đa dạng và phức tạp, bao gồm áp lực nước bên ngoài vỏ tàu, áp lực của trọng lượng hàng hóa đặt nên tàu, trọng lượng tàu, tải trọng gió, … Việc mô hình hóa tải trọng tác dụng nên lên kết cấu thân tàu là một công việc rất quan trọng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của kết quả tính toán. Tuy nhiên trong khuôn khổ của đề tài chỉ xét tải trọng tác dụng cục bộ nên kết cấu thân tàu gồm hai thành phần chính: Áp lực nước bên ngoài vỏ tàu. Áp lực của trọng lượng hàng hóa trên tàu. 2.2.2.1. Áp lực nước bên ngoài vỏ tàu. Áp lực nước xung quanh bề mặt vỏ tàu pn tác dụng nên các bộ phận kết cấu thân tàu thường được biểu diễn dưới dạng áp lực một cột nước có chiều cao h và có giá trị tính theo công thức:
(2.1) Trong đó:
= trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu, đơn vị tấn/m3. Trên cơ sở đó, mô hình quy luật phân bố của áp lực nước lên kết cấu thân tàu sẽ được mô tả cụ thể như sau: Áp lực nước tác dụng lên đáy phẳng phân bố theo dạng hình chữ nhật với chiều cao h = const, không thay đổi suốt chiều rộng tàu. Áp lực nước tác dụng lên mạn tàu phân bố theo dạng hình tam giác hay dạng hình thang với chiều cao và chiều rộng bằng chiều cao cột áp. Khi phân tích độ bền cục bộ những kết cấu thân tàu dưới tác dụng của áp lực thủy tĩnh do nhận thấy chiều cao cột áp h sẽ phụ thuộc chủ yếu vào chiều chìm và trạng thái nổi của tàu nên cần chọn chiều cao cột áp phù hợp trường hợp tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh và trên sóng. Trong khuôn khổ của đề tài, ta chỉ tính toán phần thân tàu trong đoạn thân ống, nên chỉ xét áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng lên tàu mạn thẳng đứng, đáy phẳng. Còn áp lực của nước tác dụng nên tàu mạn không thẳng đứng, đáy không phẳng mà có dạng chữ V hay tương tự không được nhắc đến ở đây. Tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh: Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh ở mớn nước T (hình 2.1), xác định phần thân tàu dưới nước chiều cao cột áp h được tính theo mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng ngang hay nghiêng dọc. h = T (2.2) Hình 2.1: Mô hình tải nước tĩnh tác dụng lên thân tàu. Tàu nằm cân bằng trên sóng: Khi chạy trên sóng có chiều cao hs mức nước ở vùng đỉnh sóng đo ở mặt cắt ngang giữa tàu lớn hơn mớn nước trên nước tĩnh T nên có thể tính chiều cao cột nước h so với đáy tàu như sau: h = T +
(2.3) Nếu h
H: quy luật phân bố dạng tam giác với chiều cao h = T +
như trên hình 2.2a. Nếu h > H: quy luật phân bố dạng hình thang với chiều cao h = H như trên hình 2.2b. Áp lực thủy tĩnh của nước tác dụng lên tấm đáy có chiều rộng B (m) và chiều dài a (m) tính theo công thức vừa nêu có dạng: pđáy =
(2.4)
 Hình 2.2: Mô hình tải sóng nước tác dụng lên thân tàu. 2.2.2.2. Áp lực của trọng lượng hàng hóa phh Trong thực tế, hàng hóa trên tàu thường gồm các loại hàng rời đặt trên mặt sàn, tựa vào mạn, hàng đóng kiện, hàng nặng tác động trên diện tích không lớn và hàng lỏng chứa trong các khoang nên áp lực của hàng hóa tác dụng nên KCTT khá đa dạng, không chỉ là áp lực các loại hàng, mà còn cả các tải trọng do sự xê dịch hàng hóa, tải trọng hàng nặng tập trung tại một điểm v..v… Tuy nhiên, khi tiêu chuẩn hóa tải trọng do hàng hóa gây ra trong khoang hoặc khi đặt trên boong các quy phạm về độ bền tàu hiện nay thường quy đổi từ áp lực hàng hóa sang áp lực cột nước, với quy luật phân bố phụ thuộc chủ yếu đặc điểm hàng chở và điều kiện làm việc của kết cấu. Áp lực trung bình hàng hóa phh do hàng hóa gây ra trên mặt sàn có thể tính theo công thức tổng quát sau:
(2.5) Trong đó: W = trọng lượng hàng (tấn) L, b = lần lượt chiều dài và chiều rộng phần diện tích có đặt trọng lượng hàng hóa W. Các kích thước L, b có thể là kích thước khung dàn khoang hàng hay đáy một két trên tàu. Áp lực hàng rời và hàng lỏng chứa trong khoang hàng được tính khác nhau. Trong giới hạn của đề tài, ta chỉ xét áp lực của hàng rời. Áp lực của hàng rời tác dụng nên vách khoang chứa được xem như phân bố theo hình tam giác với chiều rộng đáy của tam giác áp lực có thể được tính theo công thức: phr = k
H (2.6) Trong đó:
= trọng lượng riêng hàng chở trên tàu, tính bằng t/m3 hoặc kN/m3. H = chiều cao hàng rời (m) K = hệ số tính đến ảnh hưởng sự không đều của từng mặt hàng cụ thể. Như vậy, quy luật phân bố áp lực của hàng rời không khác quy luật phân bố áp lực nước, nhưng áp lực hàng rời có giá trị phụ thuộc trọng lượng riêng và quy luật phân bố hàng được chở. Bảng 2.1. Bảng hệ số phân bố k và trọng lượng riêng một số loại hàng hóa. Tên gọi các loại hàng chở  Trọng lượng riêng (h (t/m3)  Hệ số phân bố k   Than đá  0,80  0,27   Muối  0,96  0,22   Lúa, gạo  0,73 – 0,78  0,25 – 0,33   Xi măng  1,2 – 1,3  0,42