Luận văn Ứng dụng phần mềm ANSYS đánh giá kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng phần mềm ANSYS đánh giá kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT

1. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, hầu hết các nhà máy đóng tàu tại Việt Nam nếu thi công các chủng loại tàu lớn với trọng tải từ 20.000 tấn trở lên đều phải mua thiết kế của nước ngoài. Trong quá trình thi công nếu xảy ra sai lỗi hay phải sửa đổi, bổ sung theo công ước hoặc yêu câu thêm của chủ tàu thì đều phải chờ đợi cơ quan thiết kế không chủ động được trong công việc. Với sự tiến bộ của công nghệ thông tin, việc ứng dụng máy tính vào việc giải quyết các bài toán kỹ thuật trở lên gần gũi. Để có thể ứng dụng máy tính ta cần phải mô phỏng các ứng xử hệ thuật, chuyển chúng thành các hệ phương trình, sử dụng tốc độ và độ tin cậy của máy tính để giải các hệ phương trình này. Trong tính toán kết cấu, ta có thể nhiều phương pháp khác nhau như: phương pháp lực, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp tích phân, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Trong đó phương pháp PTHH với sự trợ giúp của máy tính điện tử cho kết quả với độ chính xác cao, cho phép tiếp cận và giải các bài toán phức tạp. Hiện nay, Quy phạm của các tổ chức Đăng kiểm trên thế giới đều yêu cầu bài toán kiểm tra độ bền kết cấu những tàu cỡ lớn bằng phương pháp PTHH. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp PTHH vào bài toán kiểm tra bền kết cấu những tàu cỡ lớn là điều cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu Rút ra lý thuyết phần tử hữu hạn áp dụng cho kiểm tra bền dàn đáy Xây dựng mô hình bài toán tính toán kiểm tra độ bền cho dàn đáy khoang hàng nói riêng và kết cấu tàu nói chung. Áp dụng phần mềm ANSYS cho việc mô hình hóa và tính toán 1
2. Tạo cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu và làm chủ phương pháp. Kết hợp với việc sử dụng phần mềm chuyên dụng sử dụng lý thuyết PTHH để giải quyết các bài toán kiên quan tới kiểm tra độ bền kết cấu tàu thủy. 3. Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài 3.1 Đối tƣợng của đề tài - Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho dàn đáy tàu - Độ bền dàn đáy khoang hàng tàu chở hàng 53.000 DWT 3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài - Do giới hạn về thời gian, đề tài tập trung giải quyết bài toán kiểm tra bền cho dàn đáy khoang hàng tàu chở hàng 53.000 DWT. Bài toán kiểm tra bền kết cấu thân tàu 4. Nội dung nghiên cứu của đề tài Chƣơng 1. Tổng quan về phƣơng pháp phần tử hữu hạn và cấu trúc phần mềm Ansys. 1.1 Tổng quan phương pháp phần tử hữu hạn 1.2 Phần mềm Ansys Chƣơng 2. Cơ sở lý thuyết đánh giá kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT 2.1 Giới thiệu về đối tượng cần nghiên cứu 2.2 Mô hình giải bài toán kiểm tra bền 2.3 Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn đáy 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền cục bộ Chƣơng 3. Ứng dụng phần mềm ANSYS đánh giá kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT. 3.1. Trình tự phân tích trong ANSYS 2
3. 3.2. Kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT bằng phần mềm ANSYS 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài Nghiên cứu này là tài liệu để xây dựng mô hình phục vụ cho việc nghiên cứu tính toán kiểm tra bền dàn đáy khoang hàng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Là thực tiễn chứng minh phương pháp phần tử hữu hạn có thể giải bài toán kiểm tra bền cho dàn đáy tàu thủy cỡ lớn. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Có thể sử dụng phần mềm Ansys để giải các bài toán tính toán độ bền cục bộ cho tàu và công trình ngoài khơi. 3
4. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ CẤU TRÚC PHẦN MỀM ANSYS 1.1. Tổng quan về phƣơng pháp phần tử hữu hạn Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điện-từ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng. Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp. 1.1.1. Xấp xỉ bằng phần tử hữu hạn Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra làm nhiều miền con ve có kích thước và bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp các miền ve. Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau: - Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của ve và biên của nó. 4
5. - Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau. - Các miền con ve được gọi là các phần tử. 1.1.2. Nút hình học các phần tử hữu hạn Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH. Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử ve có dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong ve hoặc trên biên của nó. 1.1.3. Quy tắc chia miền thành các phần tử. Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau: - Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1). - Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử. 1 2 v2 v v 1 2 1 v v v biên giới biên giới biên giới Hình 1.1. Các dạng biên chung giữa các phần tử 1.1.4. Các dạng phần tử hữu hạn Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều. Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi 5
6. là phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v. Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng phần tử hữu hạn hay gặp. Phần tử một chiều Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử hai chiều Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử ba chiều Phần tử tứ diện Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 1.2 : Các dạng phần tử hữu hạn 1.1.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực Với mục đích đơn giản hoá việc xác định giải tích các phần tử có dạng phức tạp, chúng ta đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký hiệu là vr. Phần tử qui chiếu thường là phần tử đơn giản, được xác định trong không gian qui chiếu mà từ đó, ta có thể biến đổi nó thành từng 6
7. e phần tử thực v nhờ một phép biến đổi hình học re. Ví dụ trong trường hợp phần tử tam giác (Hình 1.3). y (5) (4) v3  r3 2 v (3) 0,1 r2 (1) v1 r r1 v (2) x 0,0 1,0  Hình 1.3. Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác Các phép biến đổi hình học phải sinh ra các phần tử thực và phải thoả mãn các qui tắc chia phần tử đã trình bày ở trên. Muốn vậy, mỗi phép biến đổi hình học phải được chọn sao cho có các tính chất sau: a. Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) đối với mọi điểm  trong phần tử qui chiếu hoặc trên biên; mỗi điểm của vr ứng với một và chỉ một điểm của ve và ngược lại. b. Mỗi phần biên của phần tử qui chiếu được xác định bởi các nút hình học của biên đó ứng với phần biên của phần tử thực được xác định bởi các nút tương ứng. Chú ý: - Một phần tử qui chiếu vr được biến đổi thành tất cả các phần tử thực ve cùng loại nhờ các phép biến đổi khác nhau. Vì vậy, phần tử qui chiếu còn được gọi là phần tử bố-mẹ. - Có thể coi phép biến đổi hình học nói trên như một phép đổi biến đơn giản. -  (, ) được xem như hệ toạ độ địa phương gắn với mỗi phần tử. 7
8. 1.1.6. Một số dạng phần tử quy chiếu Phần tử qui chiếu một chiều -1 1 -1 0 1  -1 0 1  -1 /2 0 /2 1  Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử qui chiếu hai chiều    1 1 1 1 ,2 2 /3 /3 1 ,1 /3 1 /2 /2 , /2 r 1 r 2 1 r /3 /3 /3 v v v 1 1 2 0,0 /2 1  0,0 /3 /3 1  0,0 1  Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Phần tử qui chiếu ba chiều Phần tử tứ diện    0,0,1 0,0,1 0,0,1 r r  r  v  v v 0,0,0 0,1,0 0,1,0 0,1,0 1,0,0 1,0,0 1,0,0    Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba 8
9. Phần tử sáu mặt    0,1,1 0,1,1 0,1,1 r r r v v v    1,1,0  1,1,0 1,1,0   Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 1.4 : Một số dạng phần tử quy chiếu 1.1.7. Lực, chuyển vị , biến dạng và ứng suất Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng véctơ cột: T - Lực thể tích f : f = f[ fx, fy , fz] T - Lực diện tích T : T = T[ Tx, Ty , Tz] T - Lực tập trung Pi: Pi= Pi [ Px, Py , Pz] Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi: u = [u, v, w] T (1.1) Các thành phần của tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột: T  = [x , y, z, yz, xz, xy] (1.2) Trường hợp biến dạng bé: T u v w v w u w u v   (1.3) x y z z y z x y x Các thành phần của tenxơ ứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột: T  = [x ,  y, z,  yz,  xz,  xy] (1.4) 9
10. Với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, ta có quan hệ giữa ứng suất với biến dạng:  = D  (1.5) Trong đó: 1    0 0 0  1   0 0 0 E   1  0 0 0 D 1  1 2 0 0 0 0,5  0 0 0 0 0 0 0,5  0 0 0 0 0 0 0,5  E là môđun đàn hồi,  là hệ số Poisson của vật liệu. 1.1.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần Thế năng toàn phần  của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lượng biến dạng U và công của ngoại lực tác dụng W:  = U + W (1.6) Với vật thể đàn hồi tuyến tính thì năng lượng biến dạng trên một đơn vị 1 thể tích được xác định bởi:  T  2 Do đó năng lượng biến dạng toàn phần: 1 U  T dv (1.7) 2 V Công của ngoại lực được xác định bởi: n W uT FdV uTTdS u T P  i i (1.8) V S i 1 Thế năng toàn phần của vật thể đàn hồi sẽ là: 1 n   T  dV uT f dV uTTdS u T P  i i (1.9) 2 V V S i 1 Trong đó: u là véctơ chuyển vị và Pi là lực tập trung tại nút i có chuyển vị là ui 10
11. Áp dụng nguyên lý cực tiểu thế năng: Đối với một hệ bảo toàn, trong tất cả các di chuyển khả dĩ, di chuyển thực ứng với trạng thái cân bằng sẽ làm cho thế năng đạt cực trị. Khi thế năng đạt giá trị cực tiểu thì vật (hệ) ở trạng thái cân bằng ổn định. 1.1.9. Sơ đồ tính toán bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau: Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt ), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên); Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần tử; Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ (ghép nối phần tử); Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F; Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị chung Q; Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ, v.v.) ; Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu. Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 1.5); 11
12. Đọc dữ liệu đầu vào - Các thông số cơ học của vật liệu - Các thông số hình học của kết cấu - Các thông số điều khiển lưới - Tải trọng tác dụng - Thông tin ghép nối các phần tử - Điều kiện biên Tính toán ma trận độ cứng phần tử k Tính toán véctơ lực nút phần tử f Xây dựng ma trận độ cứng K và véctơ lực chung F Áp đặt điều kiện biên (Biến đổi các ma trận K và vec tơ F) Giải hệ phương trình KQ = F (Xác định véctơ chuyển vị nút tổng thể Q) Tính toán các đại lượng khác (Tính toán ứng suất, biến dạng, kiểm tra bền, v.v) In kết quả - In các kết quả mong muốn - Vẽ các biểu đồ, đồ thị Hình 1.5. Sơ đồ khối của chương trình PTHH 12
13. 1.2. Phần mềm ANSYS 1.2.1. Giới thiệu chung ANSYS được lập ra từ năm 1970, do nhóm nghiên cứu của Dr. John Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System) tại Mỹ, là một gói phần mềm dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các bài toán vật lý cơ học, chuyển các phương trình vi phân phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số với việc sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải và mô phỏng ứng xử của một hệ vật lý khi chịu tác động của các loại tải trọng khác nhau. Trong bài toán kết cấu, phần mềm ANSYS nói chung dùng để xác định trường chuyển vị, biến dạng, ứng suất và các phản lực. Phân tích kết cấu gồm phân tích tĩnh, phân tích động và một số phân tích kết cấu khác như phân tích phổ, phân tích dao động riêng, mất ổn định, Như vậy tác dụng của ANSYS là để tính toán kiểm tra độ bền, ứng suất, biến dạng, dao động, nhiệt, tối ưu hóa kết cấu Nếu đã có kết cấu, có thể sử dụng ANSYS để kiểm tra kết cấu có bền hay không, nếu chưa đủ bền thì nguyên nhân là ở đâu và từ đó tìm ra cách khắc phục kịp thời, hoặc nếu có sai hỏng thì cũng biết được lý do tại sao. Nếu chưa có kết cấu thì có thể dùng ANSYS để nghiến cứu và tìm ra phương án tối ưu cho kết cấu, tránh đươc những sai sót gây ra thiệt hại. Vì ý nghĩa rất lớn nên ANSYS được dùng nhiều trong các cơ quan nghiên cứu, thiết kế cơ khí và cơ học. 1.2.2. Chức năng của ANSYS ANSYS có những tính năng nổi bật như sau: + Khả năng đồ họa mạnh mẽ giúp cho việc mô hình cấu trúc rất nhanh và chính xác, cũng như truyền dẫn những mô hình CAD. + Giải được nhiều loại bài toán như: tính toán chi tiết máy, cấu trúc công trình, điện, điện từ, điện từ, nhiệt, lưu chất 13
14. + Thư viện phần từ lớn, có thể thêm phần tử, loại bỏ hoặc thay đổi độ cứng phần tử trong mô hình tính toán. + Đa dạng về tải trọng: tải tập trung, phân bố, nhiệt, vận tốc góc + Phần xử lý kết quả cao cấp cho phép vẽ các đồ thị, tính toán tối ưu + Có khả năng nghiên cứu những đáp ứng vật lý như: trường ứng suất, trường nhiệt độ, ảnh hưởng của trường điện từ. + Giảm chi phí sản xuất vì có thể tính toán thử nghiệm. + Tạo những mẫu kiểm tra cho môi trường có điều kiện làm việc khó khăn. + Hệ thống Menu có tính trực giác giúp người sử dụng có thể định hướng xuyên suốt chương trình ANSYS. 14
15. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ KIỂM TRA ĐỘ BỀN DÀN ĐÁY KHOANG HÀNG TÀU 53000DWT 2.1 Giới thiệu về đối tƣợng cần nghiên cứu 2.1.1 Các thông số chủ yếu của tàu 53000DWT Chiều dài lớn nhất 190 m Chiều dài giữa 2 đường vuông góc 183,25 m Chiều rộng tàu 32,26 m Chiều cao mạn 17,5 m Chiều chìm thiết kế 11,1 m Vùng hoạt động Biển không hạn chế Trọng tải thiết kế 53000 DWT 2.1.2 Sơ đồ kết cấu dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT Giới hạn dàn đáy: + Theo chiều dài tàu từ sườn 110 đến sườn 145 + Theo chiều rộng tàu từ mạn này sang mạn kia + Theo chiều cao tàu từ mặt phẳng cơ bản lên đáy trên Khoảng sườn 800 mm Khoảng cách cơ cấu dọc 800 mm Gồm các cơ cấu: -Dầm dọc đáy: HP260x10 15
16. - Đà ngang, Sống dọc Kết cấu mặt cắt ngang của dàn đáy vùng khoang hàng: TANKTOP F4 18000 AB BL 465 575 F3 600 800 F1 600 600 F2 600 600 900 800 FB150x12 x x x x FB100x10 x x FB150x12 400 400 650 400 11.0 600 400 870 600 BL FB 150x12 R75 200x100 El ipc e B8 B7 B6 B5 B3 B1 B4 B9 C L B2 B11 B12 B10 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 800 CN - 5 5600 8800 12800 Kết cấu cơ bản dàn đáy: 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 110 115 120 125 130 135 140 145 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 600x600 R100 24.0 NV32 24.0 NV32 24.0 NV32 20 1500 R500 R400 20.0 FB 150x12 20.0 NV32 R1000 20.0 NV32 R300 R300 FB 150x12 R400 800 300 800 800 HP260X10 15.0 NV32 Hình 2.1 Kết cấu dàn đáy tàu chở hàng rời 16
17. 2.1.3. Thông số về vật liệu đóng tàu Vật liệu thiết kế tàu chở hàng rời 53000 DWT là thép AH32. Các đặc trưng cơ học của thép AH32: Mô đun đàn hồi pháp tuyến E= 2x106 kN/m2 Mô đun đàn hồi trượt G= 0,67x106 kN/m2 2 Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu  ch = 315.000 kN/m Hệ số poisson của vật liệu  = 0,3 2.2 Mô hình giải bài toán kiểm tra bền Để giải được bài toán kiểm tra bền ta cần phải xác định đầy đủ các yếu tố đầu vào của phương pháp PTHH: + Tải trọng tác dụng + Phân tích kết cấu xác định liên kết tại các điểm nút + Phân chia phần tử, các nút theo phương pháp PTHH 2.2.1 Mô hình tải trọng tính toán cho dàn đáy tàu 53000DWT Tải trọng tính toán bao gồm: + Nội lực ( Trọng lượng bản thân của các cơ cấu có trên khung giàn nghiên cứu) + Ngoại lực tác dụng: 17
18. Ngoại lực tác dụng lên dàn đáy vùng khoang hàng bao gồm hai thành phần lực là áp lực nước ngoài mạn và áp lực của hàng hóa trong khoang. Tải trọng tác dụng lên dàn đáy + Tải trọng hàng trong khoang : Ph + Áp lực nước bên ngoài tác dụng lên dàn đáy : Pd Ta xét cho hai trường hợp là áp lực thủy tĩnh và áp lực thủy động. Áp lực nước tác dụng lên dàn mạn là Pm được biểu diễn dưới dạng áp lực một cột nước có chiều cao h và có trị số theo công thức: 2 Phm . (kN/m ) Trong đó:  : là trọng lượng riêng của nước ngoài mạn tàu [kg/m3] Giá trị h sẽ được tính riêng cho từng trường hợp khác nhau. a. Xét khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh Hình 2.2 Tải trọng nước tác dụng lên tàu trên nước tĩnh 18
19. Khi tàu nằm cân bằng trên nước tĩnh chiều cao cột áp được tính theo mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh, không trùng với giá trị lúc tàu nghiêng ngang hay nghiêng dọc (h = d). Áp lực tính toán tại đáy được tính theo cao độ của vị trí cơ cấu tới vị trí mốc là mớn nước cân bằng tàu trên nước tĩnh theo hệ tọa độ cơ bản sẽ được tính: 2 Pm .( d z ) (kN/m ) b. Tàu nằm cân bằng trên sóng Khi tàu chạy trên sóng có chiều cao sóng hs mức nước ở vùng đỉnh sóng đo ở mặt cắt ngang giữa tàu lớn hơn mớn nước trên nước tĩnh d, nên có thể tính chiều cao cột nước h so với đáy tàu như sau: h hd s 2 Nếu hD : quy luật phân bố tam giác với chiều cao như hình sau: Hình 2.2 Tải trọng nước tác dụng lên thân tàu trường hợp h < D 19
20. Nếu hD : quy luật phân bố tam giác với chiều cao h = D Tải trọng tác dụng lên dàn đáy là tải trọng Pd viết trong các hình vẽ. 2.2.2 Mô hình liên kết Trong nội dung lựa chọn và xây dựng mô hình tính, một vấn đề cực kì quan trọng liên quan tới kết quả bài toán chính là xác định được các hệ số liên kết tại các điểm mút của đối tượng tính toán với các dàn lân cận trên tàu. Các dạng liên kết, các hệ số liên kết chính là sự ảnh hưởng của các dàn khác tới đối tượng tính toán khi ta tách độc lập đối tượng tính toán ra để thành bài toán độc lập. Chất lượng mô phỏng của mô hình tính không những chỉ phụ thuộc vào loại hình kết cấu và chia lưới phần tử mà còn phụ thuộc vào chất lượng miêu tả điều kiện biên. Nội dung này càng trở nên quan trọng trong bài toán phân tích cục bộ các khung dàn, bởi vì các bộ phận kết cấu này nằm trong kết cấu tổng hợp khá phức tạp. Phương pháp được đưa ra để giải quyết vấn đề trên là thay thế các bộ phận của kết cấu đang xét bằng các liên kết đàn hồi, dựa trên cơ sở điều kiện liên tục về chuyển vị. Để đơn giản hóa quá trình mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết, ta có thể áp dụng các quy định của quy phạm trong việc xác định liên kết kết cấu với các dàn lân cận. 2.2.2.1. Liên kết của sống đáy với đà ngang kín nƣớc: - Nếu chiều dài các khoang kề vách đang xét khác nhau không quá 20% - thì tại đó coi là ngàm cứng 20
21. - Nếu chiều dài các khoang kề vách đang xét khác nhau quá 20% - thì tại đó coi là ngàm đàn hồi với hệ số ngàm: 3 qL'' 1 0,5 kk qL  kk L' 1 0,5 k Lk Trong đó: ' 3 qqkk, : cường độ tải trọng trên khoang khảo sát và kề khoang khảo sát (T/m ) ' LLkk, : chiều dài khoang khảo sát và kề khoang khảo sát 2.2.2.2. Liên kết của đà ngang đặc tại hông tàu Coi là ngàm đàn hồi, với hệ số ngàm 1  lI 1 f Bii Trong đó: l: nhịp sườn i: Mô men quán tính tiết diện ngang của sườn Bi: Nhịp của đà ngang tương ứng I: Mô men quán tính tiết diện ngang của đà ngang tương ứng f: Hệ số tra theo bảng 2.1: 21
22. Bảng 2.1 lI Số lượng vách Trị số f Bi dọc i Tàu đủ tải Tàu không đủ tải 0 - 0,5 0,65 1 1 0,5 1,35 1 0,17 1,35 2 0,5 1,1 0,17 1,1 2.2.2.3 Liên kết của tấm đáy Coi như gắn cứng tại vành đế, ứng suất uốn tấm được tính cho các điểm sau: - Giữa nhịp của tấm - Giữa cạnh dài của tấm (với hệ thống ngang) - Giữa cạnh ngắn tấm (với hệ thống dọc) 2.3 Các phần tử dùng trong bài toán kiểm tra bền dàn đáy 2.3.1. Phần tử dầm chịu uốn xoắn Nếu ta coi mặt phẳng của dàn phẳng tàu thủy trùng với mặt phẳng (x, y) thì trục z sẽ vuông góc với mặt phẳng (x, y) (mặt phẳng chứa các trục chính của các dầm). Khi đó ta có các chuyển vị là w (chuyển vị thẳng theo z), 2 chuyện vị góc là xy, - Nếu hệ dàn biết Ix , Iy ta có: +/ Ma trận độ cứng của phần tử khung chịu uốn là: 22
23. 2 3 5 6 12 6 12 6 2  ee u y 22 ke 3 4e 6 e 2 e 3 e 12 6 e 5 2 § X 4 e 6 +/ Ma trận phần tử dàn chịu xoắn: 1 4 u GI x 1 1 1 ke e 1 1 4 Vậy ta có ma trận độ cứng phần tử của dàn phẳng là: 1 2 3 4 5 6 22 GIx e GI x e 0 0 0 0 EI EI 1 yy 12 6 0 12 6 ee2 22  40 6 2 y e e e ke 3 (2.1) 3 GI 2 e xe 004 EI y 12 6 e 5 § .X 2 4 e 6 2.3.1.1. Ma trận chuyển trục tọa độ. Ta thấy mỗi nút của phần tử của dàn phẳng có 3 chuyển vị vùng góc với mặt phẳng chứa hệ dầm, chuyển vị xoay trong mặt phẳng (y, z). Tại các vị trí khác nhau của hệ tọa độ tổng quát chuyển vị thẳng đối không thay đổi. Giả thiết có một phần tử dầm nằm trong mặt phẳng nghiêng với trục x của hệ tọa độ tổng quát một góc (hình 2.3). 23
24. y ye x Hình 2.3. Phần tử dầm trực giao trong hệ tọa độ tổng quát x, y. Theo hình học giải tích thì tọa độ cục bộ được chuyển về hệ tọa độ tổng quát theo công thức sau: x xe     (2.2) yy e Trong đó: xy   mm xy lx = cos(xe , x); ly = cos(ye , x); mx = cos(xe , y); my = cos(ye , y) Nếu tọa độ nút đầu và cuối của phần tử dầm là (x1 , y1) và (x2 , y2) theo tọa độ tổng quát, ta xác định được các giá trị của lx , ly ,mx , my là : lx = cos ; ly = -sin ; mx = sin ; my = cos Khi đó ta có ma trận chuyển tọa độ là: xy0   0 1 0 m 0 m xy  0  (2.3)   0  24
25. 2.3.1.2. Chuyển tải trọng về nút: Tải trọng bao gồm: - Lực theo phương z (tác dụng lên mặt chứa dàn). - Mômen Mx. - Mômen My . Các tải trọng được cộng trực tiếp và các véc tơ lực nút theo đúng chỉ số của chuyển vị tương ứng w, xy, Chú ý: Do kết cấu tàu phụ thuộc vào kích thước của nó nên khi phân tích chọn sơ đồ cho phù hợp. Ví dụ tàu đáy đôi có thể phân ra các dàn gồm các dầm khỏe (sống đáy, đà ngang đóng) và các dàn phụ do các dầm khỏe đỡ (nẹp dọc đáy, đà ngang hở ). Đối với dầm có độ cong ngang: phần tử dầm không cùng mặt phẳng vì vậy nó còn có thành phần kéo (nén) nên ma trận độ cứng phần tử của các dầm này và ma trận K tổng thể có kể đến kéo nén (vấn đề này được đề cập trong phần khác) 2.3.2. Phần tử tấm chữ nhật Mô hình phần tử hữu hạn của phần tử tấm chữ nhật được xây dựng dựa trên lý thuyết tấm của KIRCHOFF. LÝ THUYẾT TẤM KIRCHOFF. Giả thiết cơ bản của lý thuyết uốn tấm Kirchoff là : đoạn thẳng vuông góc với mặt phẳng trung bình (mặt phẳng chia đôi chiều cao tấm) vẫn phẳng và vuông góc với mặt phẳng trung bình sau khi biến dạng. Hệ quả của giả thiết này là ta đã bỏ qua các thành phần biến dạng do cắt ngang (yz = xz = 0). Do đó các thành phần chuyển vị trong mặt phẳng : u, v và w (hình 2.4) được biểu diễn như sau: 25
26. w u(x,y,z) z x w v(x,y,z) z (2.4) y w(x,y,z) w0 (x,y) Trong đó : mặt phẳng (0, x, y) là mặt phẳng giữa của tấm, trục z vuông góc với bề mặt tấm. Các thành phần u, v và w tương ứng là chuyển vị theo phương x, y và z; w0 là chuyển vị tại mặt trung bình (giả thiết biến dạng màng mỏng: u0 = v0 = 0) Hình 2.5: Sơ đồ phần tử tấm chịu uốn. Vì bỏ qua biến dạng cắt, nên các thành phần biến dạng trong mặt phẳng được viết ở dạng sau: T  x  y  xy z K x K y K xy (2.5) Trong đó : 2 2 2 T w  w  w K Kx K y K xy 22 2 (2.6) x  y  x  y 26
27. được gọi là các thành phần độ cong. Thay các biểu thức (2.5) và (2.6) vào quan hệ ứng suất biến dạng:  D   z D K (2.7) T  x  y  xy 10 E D  1 0 1 2 1  00 2 Các thành phần mômen được xác định bởi : h 2 M   zdz (2.8) h 2 Trong đó : T M Mx M y M xy và h là chiều dày của tấm. Thay bởi biểu thức (2.7) vào (2.8) ta thu được quan hệ giữa mômen và các thành phần độ cong như sau: MDK  (2.9) h3 DD   (2.10) 12 Các phương trình cân bằng (cân bằng mômen đối với các trục x, y và cân bằng lực đối với trục z, ta suy ra từ điều kiện cân bằng tĩnh học của phần tử tấm (hình 2.4). Sau khi đã bỏ qua các thành phần bậc cao, ta thu được các phương trình cân bằng sau : 27
28. M M x xy Q0 xyx MM xy y Q0 (2.11) xyy Q Q x y p0 xy Trong đó : Qx, Qy là lực cắt, p là tải trọng phân bố gây uốn tấm (phương tác dụng vuông góc với mặt phẳng tấm). Khử các thành phần lực cắt trong các phương trình của hệ (2.11) ta được : 2M 2M 2M x xy p0 (2.12) 22x  x  y  y Tổ hợp các biểu thức (2.6), (2.9), (2.12) qua một số phép biến đổi đơn giản cuối cùng ta nhận được phương trình vi phân cân bằng đối với tấm chịu uốn như sau : 4w  4 w  4 w p 4 2 2 2 4 (2.13) x  x.  y  y Dr Trong đó : Eh3 D : là độ cứng chống uốn của tấm. r 12(1 2 ) 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra bền cục bộ Tiêu chuẩn đánh giá kiểm tra độ bền cục bộ  = 0,8. ch - ứng suất cho phép của dầm.  = 0,76. ch - ứng suất cho phép của tấm. 28
29. CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ANSYS TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN DÀN ĐÁY KHOANG HÀNG TÀU 53000DWT 3.1. Trình tự giải bài toán trong ANSYS Với mỗi bài toán cụ thể đều có phương pháp giải khác nhau tùy vào các điều kiện mà bài toán đưa ra, vì thế mỗi bài toán sẽ có một đặc trưng riêng nhưng trình tự để giải một bài toán trong ANSYS gần như là giống nhau về mặt tổng quát, đều phải qua các trình tự cụ thể có liên quan chặt chẽ và quyết định lẫn nhau. Trình tự để giải một bài toán trong ANSYS như hình. Hình 3.1: Trình tự giải bài toán trong ANSYS 29
30. Đối với một bài toán cụ thể, đều phải thực hiện các trình tự giải trên và đòi hỏi sự chính xác, thống nhất với nhau. Các bước giải một bài toán cụ thể đều được phần mềm thể hiện dưới dạng thư mục cây (Tree Outline) giúp chúng ta có thể định hướng, trực quan về bài giải, về vị trí các bước trong hệ thống một bài giải. Chúng ta có thể thay đối các thông số hay những điều kiện trong một bước giải vào bất cứ lúc nào trong quá trình giải theo ý muốn. Tất cả đều được phần mềm cập nhật và giải lại theo những thông số mới. Vì vậy sẽ rất thuận tiện trong quá trình nghiên cứu lựa chọn phương án nào là thích hợp nhất. Với các ưu điểm trên, tác giả đánh giá phần mềm ANSYS hoàn toàn có thể giải quyết được mô hình bài toán của để tài đặt ra. 3.2 Kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT bằng phần mềm ANSYS: 3.2.1. Các bƣớc cơ bản để thực hiện tính toán và phân tích kết cấu bằng phần mềm ANSYS Bước 1: Lựa chọn và thiết lập các thông số vật liệu Bước 2: Xây dựng mô hình hình học Bước 3: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn Bước 4: Đặt các ràng buộc và tải trọng Bước 5: Phân tích Bước 6: Kết quả phân tích 3.2.2. Lựa chọn và thiết lập các thông số hình học Khởi động phần mềm ANSYS, chọn mô đun giải bài toán là Static Structural (phân tích tĩnh). 30
31. Phần mềm mặc định vật liệu là Structural Steel. Ta vẫn sử dụng loại vật liệu này nhưng thay đổi thông số vật lý của nó cho phù hợp với vật liệu của tàu là thép AH32 với các thông số: Các đặc trưng cơ học của thép AH32: Mô đun đàn hồi pháp tuyến E = 2x106 kN/m2 = 2x109 Pa Mô đun đàn hồi trượt G= 0,67x106 kN/m2 = 0.67x109 Pa 2 6 Ứng suất giới hạn chảy của vật liệu: ch = 315000kN/m = 315x10 Pa Hệ số poisson của vật liệu:  = 0,3 31
32. 3.2.3. Xây dựng mô hình hình học Chọn Geometry, tiến hành mô hình hóa hình học theo kết cấu của dàn đáy. Chọn hệ đơn vị là milimetter Chọn mặt phẳng vẽ là XY (XY Plane) 32
33. 3.2.4. Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn Chuyển sang mô đun Model trong Static Structural để xuất hiện cửa sổ Mechanical. 34
34. Chọn Unit trên thanh công cụ -> chọn Metric (mm, kg, N, s, mV, mA). Gán vật liệu cho từng đối tượng của kết cấu: Tiếp theo ta phải tạo liên kết giữa các phần kết cấu Do các tấm tôn, chi tiết được tạo liên kết hàn nên các trong phần này ta sẽ lựa chọn liên kết dạng không tách rời (No Separation) 35
35. Tiếp theo tiến hành chia lưới phần tử 36
36. 3.2.5. Đặt các ràng buộc và tải trọng Đặt các ngàm tại vị trí với các thông số - Đà ngang: ngàm đàn hồi với hế số ngàm: c = 0.8 - Dầm dọc đáy: ngàm cứng tại đà ngang đáy - Sống dọc đáy : ngàm cứng. 37
37. Đặt tải trọng: tải trọng tác dụng lên đáy là h = 27,258 (kN/m2) = 0,027258 MPa 3.2.6. Phân tích 38
38. 3.2.7. Kết quả phân tích 39
39. Giá trị ứng suất lớn nhất: 7.2x10-2 MPa = 72kN/m2 Giới hạn cho phép: 2 Với phần tử tấm:  0,8 ch = 252 kN/m 2 Với phần tử dần:  0,72 ch = 226,8 kN/m 2 với  ch = 315 kN/m : ứng suất giới hạn của vật liệu AH32 Vậy kết cấu của phân đoạn đáy đủ bền. 40
40. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1.Kết luận Sau thời gian nghiên cứu và tiến hành làm luận văn, tôi đã hoàn thành luận văn với nội dung như sau: Tác giả đã đưa ra được tổng quan về phương pháp phần tử hữu hạn và cấu trúc phần mềm ANSYS. Các tiện ích ANSYS cung cấp có thể phù hợp để sử dụng trong đề tài. Đã đưa ra cơ sở của phương pháp PTHH trong phân tích kiểm tra độ bền dàn đáy tàu thủy nói chung Xây dựng mô hình bài toán kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu 53000DWT theo phương pháp PTHH. Ứng dụng phần mềm ANSYS vào giải bài toán kiểm tra độ bền dàn đáy khoang hàng tàu chở hàng rời 53000DWT 2. Kiến nghị Để đề tài hoàn thiện hơn, kết quả tính toán của đề tài cần được so sánh với kết quả tính toán theo lý thuyết và một số phần mềm thương mại khác trên thị trường như phần mềm MAESTRO,NASTRAN, Đề tài có thể áp dụng để sử dụng trong nghiên cứu giảng dạy và áp dụng vào thực tế sản xuất. 41
41. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. PGS.TS Phạm Tiến Tỉnh, Phương pháp phần tử hữu hạn trong kết cấu tàu và công trình nổi. 2.Hoàng Anh Dũng, Ngô Cân, Hồ Văn Bính ( 1987), Phân tích độ bền kết cấu tàu thủy bằng phương pháp phần tử hữu hạn, NXB Giao thông vận tải 3. Đăng kiểm Việt Nam (2010), Qui phạm và phân cấp đóng tàu biển vỏ thép 4. TS Đỗ Thành Trung (2013). ANSYS – Phân tích ứng suất và biến dạng, NXB Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh 42