Nghiên cứu phương pháp kiểm tra độ bền chung sử dụng trong bài toán tối ưu hóa kết cấu tàu vỏ thép

Bài báo công bố thuật toán của chương trình tính toán độ bền chung tàu vỏ thép dưới tác dụng của mô men uốn dọc theo phương pháp Smith sử dụng trong bài toán tối ưu hóa kết cấu tàu vỏ thép. Độ tin cậy của chương trình được chứng minh bằng cách so sánh với các kết quả thực nghiệm trên mô hình gần đúng đã được công bố của các nghiên cứu khác trên thế giới. Chương trình được áp dụng tính toán độ bền chung, trong bài toán tối ưu hóa kết cấu, của tàu hàng rời 2000 DWT đóng tại Nhà máy Đóng tàu Nha Trang.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu phương pháp kiểm tra độ bền chung sử dụng trong bài toán tối ưu hóa kết cấu tàu vỏ thép Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA ĐỘ BỀN CHUNG SỬ DỤNG TRONG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THE APROACH VERIFIED AN ULTIMATE LONGITUDINAL STRENGTH FOR APPLIED TO STRUCTURAL OPTIMIZATION OF STEEL SHIP Phạm Bá Linh1 Ngày nhận bài: 28/3/2014; Ngày phản biện thông qua: 05/5/2014; Ngày duyệt đăng: 13/8/2014 TÓM TẮT Bài báo công bố thuật toán của chương trình tính toán độ bền chung tàu vỏ thép dưới tác dụng của mô men uốn dọc theo phương pháp Smith sử dụng trong bài toán tối ưu hóa kết cấu tàu vỏ thép. Độ tin cậy của chương trình được chứng minh bằng cách so sánh với các kết quả thực nghiệm trên mô hình gần đúng đã được công bố của các nghiên cứu khác trên thế giới. Chương trình được áp dụng tính toán độ bền chung, trong bài toán tối ưu hóa kết cấu, của tàu hàng rời 2000 DWT đóng tại Nhà máy Đóng tàu Nha Trang. Từ khóa: độ bền chung, mô men uốn dọc, phương pháp Smith ABSTRACT This paper publish the program to generated the ultimate longitudinal strength of steel ship under vertical bending moment according to Smith method for applied to structural optimization. The reliability of this program demontrated by comparison the result with many experiment models which published on the world. The program applied to calculate the ultimate longitudinal strength, in structural optimum problem, of bulk carrier 2000 DWT was built at Nha Trang Shipyard. Keywords: ultimate longitudinal strength, vertical bending moment, Smith method I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong bài toán tối ưu hóa kết cấu tàu vỏ thép, việc đánh giá mức độ thỏa mãn điều kiện tối ưu theo rất nhiều phương án, chẳng hạn như bộ thông số kết cấu sau tối ưu có thỏa mãn điều kiện độ bền, ổn định, hình học…, trong đó phương án thỏa mãn điều kiện độ bền chung dưới tác dụng của mô men uốn dọc tàu là quan trọng nhất và được Quy phạm quy định [3]. Đã có nhiều phương pháp tính độ bền chung của tàu vỏ thép dưới tác dụng của mô men uốn dọc, tuy nhiên phương pháp Smith [4], [7] được sử dụng nhiều hơn cả bởi tính ưu việt của nó và đã được Quy phạm IACS [8] ứng dụng. Bài báo này xây dựng chương trình tính độ bền chung tàu vỏ thép theo phương pháp Smith và sử dụng nó để kiểm tra điều kiện ràng buộc của bộ thông số kết cấu, nếu độ bền chung của tàu theo bộ thông số kết cấu này (tính theo phương pháp của bài báo này) 1 không được thỏa mãn theo điều kiện quy phạm, thì nó không được chấp nhận và ngược lại [9]. 1. Khái niệm độ bền chung tàu vỏ thép Kết cấu vỏ tàu thủy (sau đây gọi chung là vỏ tàu) là một hệ thống kết cấu tấm gia cường phức tạp bao gồm nhiều thành phần như kết cấu boong, đáy, mạn, vách ngăn, sườn và gia cường theo phương dọc tàu,… Trong điều kiện biển hoặc bốc dỡ hàng hóa lên xuống tàu bình thường, vỏ tàu sẽ chịu tác dụng bởi ngoại lực nhỏ hơn giá trị thiết kế. Tuy nhiên, ngoại lực tác dụng lên tàu là ngẫu nhiên, không cố định bởi yếu tố thiên nhiên của điều kiện sóng biển và sự phân bố không đều cũng như trạng thái tải trọng không liên tục của hàng hóa trên tàu. Trong vài trường hợp hiếm hoi, các lực tác dụng này có thể đạt tới giá trị thiết kế và làm cho tàu có thể phá hủy cục bộ hoặc toàn bộ. ThS. Phạm Bá Linh: Khoa Xây dựng - Trường Đại học Nha Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 37 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2014 Hình 1. Tàu bị phá hủy do mất ổn định khi nằm ở đáy sóng (sagging condition) [8] Khi các lực tác dụng này vượt quá giá trị thiết kế, các phần tử kết cấu vỏ tàu sẽ bị mất ổn định ở phần chịu nén và chảy dẻo ở phần chịu kéo. Và nếu như các lực này tiếp tục tăng lên nữa, sẽ xảy ra hiện tượng mất ổn định và phá hủy nhiều hơn nữa các phần tử kết cấu vỏ tàu. Hiện tượng này diễn ra cho đến khi đạt được trạng thái tới hạn của toàn bộ kết cấu vỏ tàu. Lúc này gọi đó là giá trị độ bền chung hoặc giá trị độ bền tới hạn của vỏ tàu. Ở điều kiện biển động, hay điều kiện sóng gió lớn, tùy vào điều kiện sóng biển tác dụng lên vỏ tàu mà trạng thái tới hạn có hai dạng khác nhau, hiện tượng tàu trên đỉnh sóng (hogging condition) thể hiện phần chịu kéo ở phía trên boong và phần chịu nén ở phía đáy tàu, trong khi đó hiện tượng tàu dưới đáy sóng (sagging condition) thì có phân bố ứng suất ngược lại (hình 1). Trong đó: M là mô men uốn dọc tàu, q = k . l là góc nghiêng dọc của hai mặt cắt ngang kề nhau tại vị trí mỗi sườn, k là độ cong của mặt cắt ngang tại vị trí sườn đang xét và l là khoảng cách giữa hai mặt cắt ngang đang xét, thường là khoảng cách sườn. 2. Phương pháp xác định độ bền chung của tàu thép Hiện nay, có thể thống kê được 4 phương pháp tính độ bền chung của tàu vỏ thép như sau: - Phương pháp Caldwell: là phương pháp đầu tiên được nhà khoa học Caldwell [6] giới thiệu năm 1965. Ông ta giả thiết rằng mặt cắt ngang của các tấm gia cường giống như là các tấm không gia cường với độ dày tương đương. Từ đó tính toán mô men uốn dẻo toàn phần (fully plastic moment) của mặt cắt ngang đó, có xét đến ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định. Đối với các phần bị mất ổn định, ứng suất ở phần dẻo (phần bị kéo) được nhân với hệ số giảm ứng suất (strength reduction factor), giá trị này vẫn chưa được chứng minh thỏa đáng vào thời điểm ấy. Điều đó cho thấy, giá trị lớn nhất có được của tất cả các phần tử kết cấu là giá trị độ bền tới hạn. Tuy nhiên, trong kết cấu 38 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG thực thì điều đó không chính xác, bởi vì biến dạng tuyến tính được phân bố về phía dưới của mặt cắt ngang, và thời gian mà độ bền tới hạn đạt được (hoặc còn gọi là thời gian trễ, time lag) là khác nhau giữa các phần tử kết cấu riêng lẻ. - Phương pháp Smith: Sau Caldwell, những thông tin chính xác hơn của hệ số giảm ứng suất đã được xác định theo ảnh hưởng của hiện tượng mất ổn định. Tuy nhiên, vấn đề gây ra bởi hiện tượng thời gian trễ nói trên vẫn không được giải quyết cho đến khi Smith [1] đề xuất một phương pháp đơn giản mà ngày nay thường gọi là ...