BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................
Lê Anh Dũng

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán,
mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu
tối ưu
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS. TS Lê Quang

HÀ NỘI – 2010


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-2-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

LỜI CAM ĐOAN
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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình khác.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được chỉ rõ

nguồn gốc.
Tác giả

Lê Anh Dũng

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-3-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn:
PGS. TS. Lê Quang
Người đã trực tiếp hướng dẫn và tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá
trình hoàn thành luận án tốt nghiệp.
Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô trong bộ môn Kỹ
thuật tàu thủy và thủy khí – Viện cơ khí động lực – Trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội; Ban lãnh đạo, quản lý cùng bạn bè, đồng nghiệp tại Viện khoa học công nghệ
tàu thủy đã nhiệt tình hướng dẫn, góp ý giúp tôi hoàn thành luận án.
Cũng nhân dịp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô giáo
trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập tại
trường.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn sự động viên, khích lệ của các thành viên trong gia
đình.

Hà Nội ngày 30 tháng 09 năm 2010
Học viên

Lê Anh Dũng

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-4-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Họ và tên

:

Lê Anh Dũng

Lớp

:

Cao học.Máy tự động thuỷ khí

Khóa


:

2008 - 2010

Trường

:

Đại Học Bách Khoa Hà Nội

I. Đề tài luận văn tốt nghiệp :
1.1.Tên đề tài tiếng việt:
Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân
tàu. Đề suất kết cấu tối ưu
1.2.Tên đề tài tiếng anh :
A study and software application for calculation and simulation of the hull
structure. Some suggestions for hull structure optimization
II. Nội dung thuyết minh :
Bản thuyết minh chi tiết
Bản trình chiếu Slide
III. Các bản vẽ
1. Bản vẽ bố trí chung (A0x2 bản).
2. Bản vẽ tuyến hình (A1x1 bản).
3. Bản vẽ mặt cắt ngang (A1x1 bản).
4. Bản vẽ kết cấu cơ bản (A0x5 bản).
IV. Ngày giao nhiệm vụ tốt nghiệp : 03/03/2010
Ngày hoàn thành nhiệm vụ

: 30 /10/2010


Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

-5-

LỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghiệp Tàu thủy được coi là ngành công nghiệp mũi nhọn, “quả
đấm thép” của nền kinh tế Việt Nam. Tuy trong thời gian vừa qua có gặp nhiều khó
khăn do khủng hoảng kinh tế, song với định hướng phát triển và tầm nhìn chiến
lược mà Đảng và Nhà nước dành cho, chúng ta đang dần tìm lại hướng đi đúng đắn,
đưa ngành công nghiệp đóng tàu vươn lên một tầm cao mới.
Trên lộ trình đó thiết kế kỹ thuật được coi là một bước đi quan trọng, nhằm
giảm chi phí sản xuất, tiết kiệm nguyên vật liệu, đảm bảo tối đa an toàn cho người
và hàng hóa trên tàu. Thiết kế kỹ thuật tối ưu sẽ cho ra đời những con tàu tối ưu.
Tuy nhiên việc đưa ra những thiết kế kỹ thuật tối ưu là một việc làm khó do tầu
thuỷ và các công trình nổi có kết cấu rất phức tạp, do điều kiện khai thác khác biệt
nhiều so với các công trình trên bộ. Các phương pháp phân tích kết cấu cổ điển áp
dụng tính độ bền kết cấu tầu thuỷ còn nhiều hạn chế và một trong những hạn chế
lớn nhất là mâu thuẫn giữa mô hình tính toán và phương pháp tính toán: mô hình
đơn giản, dễ giải thí chưa khái quát hết các đặc điểm làm việc của hệ thực. Ngược
lại, mô hình phức tạp thì khó giải được chính xác và độ tin cậy hạn chế.
Việc đưa các phần mềm tính toán vào trong thiết kế kỹ thuật giải quyết được
hạn chế đó .Tuy nhiên trong giới hạn luận văn tốt nghiệp cao học của tôi, do thời

gian và tài liệu còn nhiều hạn chế nên tôi chỉ đưa ra một cái nhìn tổng quát nhất về
việc ứng dụng , khai thác phần mềm trong tính toán mô phỏng kết cấu thân tàu,qua
đó đưa ra giải pháp tối ưu cho người thiết kế.
Do trình độ và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế, luận văn của tôi có thể có
những điểm chưa hợp lý. Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của của các thầy cô, bạn
bè đồng nghiệp.

Ks.Lê Anh Dũng

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-6-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN
a

Chiều dài của một hoặc một phần tấm panel (mm)

b

Chiều rộng của phần tử tấm panel (mm)

α


Tỷ số hình dạng của phần tử tấm panel

n

Số phần tử tấm panel theo chiều rộng trong một phần hoặc cả

t

Chiều dày tấm, mm

σn

Ứng suất thực lấy từ độ bền uốn chung thân tàu(N/mm2)

τSF

Ứng suất cắt gây ra bởi lực cắt, (N/mm2)

σx

Ứng suất màng theo phương x, (N/mm2)

σ yx

Ứng suất màng theo phương y, (N/mm2)

τ

Ứng suất cắt trên mặt phẳng x-y, (N/mm2)


λ

Độ mảnh tham khảo

ψ

Tỷ số ứng suất mép

σ1

Ứng suất nén lớn nhất

σ2

Ứng suất nén nhỏ nhất hoặc ứng suất kéo

S

Hệ số an toàn

Msw

Mômen uốn cho phép trên nước tĩnh khi tàu vồng lên hoặc
võng xuống (kN.m)

Mwv

Mômen uốn dọc trên sóng khi tàu ở đỉnh sóng hoặc đáy sóng
(kN.m)


Mwv

Mômen uốn ngang trên sóng (kN.m)

QSW

Lực cắt trên nước tĩnh (kN)

QWV

Lực cắt trên sóng (kN)

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-7-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

MỤC LỤC
Trang phụ bìa ……………………………………………………………………….1
Lời cam đoan ………………………………………………………………………..2
Lời cảm ơn ……......................................................................................................3
Luận văn tốt nghiệp …………………………………………………………………4
Lời nói đầu ………………………………………………………………...............5

Danh mục kí hiệu .......................................................................................................6
Chương I. Giới thiệu chung . ……………………………………………………...9
1.1.

Giới thiệu chung …………………………………………………….10

1.2.

Tính bức thiết của đề tài …………………………………………….12

1.3.

Mục đích nghiên cứu..........................................................................12

1.4.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………………………………….12

1.5.

Phương pháp nghiên cứu …………………………………………...13

1.6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ……………………………………...13

Chương II. Tính kết cấu theo yêu cầu Quy phạm ……………………………..14
2.1. Cơ sở khoa học của tính toán kết cấu ..................................................15
2.2. Sơ bộ về ụ nổi 17000 DWT …………………………………………22
2.3. Tính chọn sơ bộ kết cấu theo yêu cầu Quy phạm …………….….…..25

2.4. Tính mô đun chống uốn đoạn tiết diện ngang giữa ụ ……………..….32
Chương III. Nghiên cứu, khai thác phần mềm Msc.Patran\Nastran …………36
3.1. Tổng quan về phần mềm ………………………………………….…..37
3.2. Lập mô hình tính toán ………………………………………………..47
3.3. Chia lưới phần tử …………………………………………………….53
3.4. Đặc tính của phần tử mô hình ……………………………………….54
3.5. Điều kiện biên ………………………………………………………...59
3.6. Đặt tải …………………………………………………………………61
3.7. Chạy kết quả tính toán của phần mềm ………………………………64
Chương IV. So sánh kết quả, kết luận đề tài và đề xuất ....................................70
4.1. So sánh kết quả, nhận xét …………………………………………….71

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-8-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

4.2. Kết luận đề tài…………………………………………………………72
4.3. Đề xuất ………………………………………………………………...73
TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu



Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

-9-

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 10 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG
Hướng ra biển lớn đó là nhiệm vụ, là quyết tâm, là tầm nhìn của ngành công
nghiệp Tàu thủy Việt Nam. Chúng ta ngày càng phải có những con tàu to lớn hơn
nữa,hiện đại hơn nữa, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế biển, tương xứng với tiềm
năng vốn có.
Hãy cùng nhìn lại đôi nét về biển Việt Nam, về ngành công nghiệp cho ra
những sản phẩm làm chủ biển khơi, làm chủ những con song lớn.

Việt Nam có diện tích hơn 330,000 km² bao gồm khoảng 327.480 km² đất liền
và hơn 4.200 km² biển nội thuỷ, với hơn 4.000 hòn đảo, bãi đá ngầm lớn nhỏ, gần
và xa bờ, có vùng nội thuỷ, lãnh hải, vùng đặc quyền kinh tế và thềm lục địa xác
định gần gấp ba lần diện tích đất liền khoảng trên 1 triệu km². 28 trong số 64
tỉnh/thành phố nước ta nằm ven biển, diện tích các huyện ven biển chiếm 17% tổng
diện tích cả nước và là nơi sinh sống của hơn 1/5 dân số cả nước.
Việt Nam là quốc gia có 3 mặt giáp biển, đặc biệt trong đó Biển Đông đóng vai
trò sống còn. Đây là một trong 6 biển lớn nhất của thế giới, nối hai đại dương là
Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương, có 9 quốc gia bao bọc: Việt Nam, Trung Quốc,
Philippines, Indonesia, Brunei, Malaysia, Singapore, Thái Lan và Campuchia. Đây
cũng là con đường chiến lược của giao thương quốc tế, có 5/10 tuyến đường hàng
hải lớn nhất của hành tinh đi qua. Hàng năm, vận chuyển qua biển Đông là khoảng
70% lượng dầu mỏ nhập khẩu từ Trung Đông và Đông Nam Á, khoảng 45% hàng
xuất của Nhật, và 60% hàng xuất nhập khẩu của Trung Quốc. Theo những nghiên
cứu do Sở môi trường và các nguồn lợi tự nhiên Philippine, vùng biển này chiếm
một phần ba toàn bộ đa dạng sinh học biển thế giới, vì vậy nó là vùng rất quan trọng
đối với hệ sinh thái.
Biển Việt Nam có hơn 2000 loài cá, trong đó có gần 130 loài cá giá trị kinh tế
cao và hàng trăm loài được đưa vào sách đỏ VN và thế giới, 1600 loài giáp xác,
2500 loài thân mềm, cho khai thác 45000-50000 tấn rong biển …
Trong Chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020, phải phấn đấu để nước ta trở
thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển, bảo vệ vững chắc chủ quyền,

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 11 -


Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

quyền chủ quyền quốc gia trên biển, góp phần giữ vững ổn định và phát triển đất
nước; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển kinh tế – xã hội với đảm bảo quốc phòng, an
ninh và bảo vệ môi trường; có chính sách hấp dẫn nhằm thu hút mọi nguồn lực cho
phát triển kinh tế biển; xây dựng các trung tâm kinh tế lớn vùng duyên hải gắn với
các hoạt động kinh tế biển làm động lực quan trọng đối với sự phát triển của cả
nước. Phấn đấu đến năm 2020, kinh tế biển đóng góp khoảng 53 – 55% GDP, 55 –
60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước, giải quyết tốt các vấn đề xã hội, cải thiện
một bước đáng kể đời sống của nhân dân vùng biển và ven biển.
Theo số liệu thống kê, mỗi năm hiện có trên 240 triệu tấn hàng hoá xuất nhập
qua hệ thống cảng biển của Việt Nam mang lại nguồn thu lớn cho ngành vận tải
biển. Cũng theo dự báo của Bộ GTVT, tổng lượng hàng qua cảng Việt Nam đến
năm 2015 vào khoảng 500 triệu tấn; năm 2020 khoảng 1tỷ tấn; năm 2030 khoảng 2
tỷ tấn. Không những thế, nhìn rộng ra, khu vực miền Bắc, có một nguồn hàng rất
lớn là vùng Tây Nam Trung Quốc, một thị trường có 320 triệu dân. Hàng hóa từ
vùng này, nếu đi qua cảng Hải Phòng sẽ rút ngắn phân nửa quãng đường vận
chuyển, tiết kiệm 50% chi phí so với đi qua Quảng Đông (Trung Quốc). Ở miền
Trung, đường xuyên Á sẽ là con đường ngắn nhất để hàng hóa từ Lào, vùng đông
bắc Thái Lan và một phần của Myanmar đến cảng cửa ngõ quốc tế của Việt Nam, từ
đó đi các thị trường trên thế giới. Đây là luồng hàng của thị trường khoảng 60 triệu
dân. Miền Nam cũng có đường xuyên Á từ TP.HCM qua Campuchia, Thái Lan,
Malaysia với thị trường khoảng 100 triệu dân. Như vậy có thể thấy, nguồn hàng cho
ngành vận tải biển của Việt Nam là rất lớn.
Đó là thuận lợi, đồng thời cũng là thách thức đối với ngành đóng tàu Việt Nam.
Vậy trong những năm qua chúng ta đã phát triển như thế nào? Từ chỗ chỉ đóng
được những con tàu cỡ nhỏ, chúng ta đã có bước phát triển vượt bậc cho ra đời
những sản phẩm cỡ lớn. Đó là tàu chở hàng 22.500 DWT; 53.000 DWT; tàu chở

dầu 115.000 DWT; kho chứa dầu 150.000 DWT; tàu chở 4.900 xe ô tô . . . phục vụ
vận tải trong nước và xuất khẩu. Những con tàu lớn, những công trình nổi đồ sộ lần
lượt ra đời, ghi nhận sự cố gắng vượt bậc của ngành đóng tàu Việt Nam.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 12 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

Cho dù có muôn trùng khó khăn, cho dù có muôn trùng sóng lớn chúng ta cũng
vươn lên, khẳng định đẳng cấp, khẳng định thương hiệu với bạn bè quốc tế.Chúng
ta hoàn toàn tin tưởng ở tương lai ngành đóng tàu sẽ phát triển tương xứng với tiềm
năng đất nước .
1.2. TÍNH BỨC THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Thực tế hiện nay cho thấy, công tác thiết kế dễ dàng đạt tới trên 10% tổng chi phí
đóng một con tàu hiện đại. Điều quan trọng hơn nữa là nó có tác động to lớn làm
giảm nhiều chi phí khác như vật tư, thầu phụ, sản xuất, . . .cũng như đến thời gian
giao tàu. Tầm quan trọng của công tác thiết kế đã được các nhà máy đóng tàu lớn
của EU công nhận và đầu tư đáng kể để tăng cường, cải tiến và tích hợp các hoạt
động thiết kế của nhà máy. Việc ứng dụng các bộ phần mềm hoàn chỉnh vào công
tác thiết kế là một trong những công cụ hỗ trợ rất tích cực đáp ứng phần lớn yêu cầu
của thiết kế cơ bản. Yêu cầu đặt ra với người thiết kế là phải biết sử dụng và khai
thác được hết các tính năng của phần mềm, qua đó giải quyết các bài toán về độ bền
kết cấu tàu thủy, đưa ra sự lựa chọn tối ưu.

Với mong muốn đóng góp một phần trí tuệ của mình vào việc nghiên cứu, khai
thác và chuyển giao công nghệ để đưa ra được những con tàu có chất lượng đảm
bảo yêu cầu về độ bền cũng như tính kinh tế, góp phần thúc đẩy sự phát triển của
ngành CNTT, tác giả đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu và ứng dụng các
phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu ” .
1.3. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu, khai thác và ứng dụng các tính năng của phần mềm để mô phỏng
mô hình và kiểm tra các kết quả tính kết cấu . Từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu
trong tính toán, thiết kế thân tàu.
1.4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là phần mềm MSC.Patran\Nastran và hệ thống
tiêu chuẩn trong quy phạm chung của cục Đăng kiểm Việt Nam 2005.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 13 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là ứng dụng phần mềm tính toán cho Ụ nổi
17000 DWT.so sánh với phương pháp cổ điển, qua đó tìm ra sự tối ưu trong kết cấu
thân tàu.
1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Xây dựng mô hình hình học, gán các đặc tính phần tử, chia lưới và đặt tải ụ nổi
17000 DWT bằng công cụ trong phần mềm Patran. Phân tích kết quả trong phần

mềm Nastran.So sánh với kết quả của phương pháp cổ điển để đưa ra sự lụa chọn
tối ưu.
1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI.
Ứng dụng công nghệ thông tin và công nghệ tự đông hoá để mô phỏng kiểm
nghiệm và đánh giá bài toán kết cấu thân tàu
Kết quả nghiên cứu của đề tài là một trong nhiều yếu tố có thể sử dụng để đánh
giá độ bền cũng như tính kinh tế của một con tàu trong quá trình khai thác và giúp
cho các nhà thiết có cái nhìn tổng quan về xu thế chọn lựa một cách hài hoà độ bền
về kết cấu của một con tàu cũng như tính kinh tế của nó trong quá trình thiết kế

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 14 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

CHƯƠNG II

TÍNH KẾT CẤU THEO YÊU CẦU QUY PHẠM

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội


- 15 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC TÍNH TOÁN KẾT CẤU
Khi tầu vừa hạ thủy, thân tầu nổi trên nước luôn chịu tác động của hai lực tác
động ngược chiều nhau là trọng lực và lực nổi. Nếu coi thân tầu như dầm liên tục,
làm từ vật liệu đàn hồi, có đặc tính hình học khác nhau tại các mặt cắt, dầm phải
gánh chịu sức nặng của tự trọng, hàng hóa, người trên tầu. Trọng lực tác động theo
chiều hút của trường trái đất, luôn muốn kéo tầu xuống sâu hơn trong nước. Trong
đó lực nổi tác động theo hướng ngược lại, muốn đẩy tầu lên cao hơn về phía mặt
thoáng. Lực nổi tỷ lệ thuận với phần thể tích phần chìm trong nước của thân tầu, độ
lớn của nó phân bố dọc tầu tùy thuộc vào diện tích mặt cắt ngang thân tầu tại vị trí
đang xét.
Nếu ký hiệu phân bố trọng lượng dọc tầu là p(x), còn phân bố lực nổi là b(x),
phân bố tổng tải trọng tác động lên mặt cắt bất kỳ là:
q(x) = p(x) – b(x)

(2.1)

Với các tầu thông dụng, biểu đồ phân bố p(x), b(x) có dạng như hình 2.1
dưới đây, phân bố nằm trên trục ngang biểu diễn trọng lượng thân tầu và trọng
lượng các vật trên tầu, đường nằm dưới trục ngang biểu diễn phân bố lực nổi.

Hình 2.1

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu



Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

- 16 -

Từ điều kiện nổi của tầu thủy, để tầu nổi cân bằng trên nước phải thỏa mãn các
điều kiện cân bằng lực và momen tác động lên tầu.
L

Điều kiện cân bằng lực: ∫ q( x)dx =
0

L

∫ p( x)dx
0

L

Điều kiện cân bằng momen: ∫ x.q( x)dx =
0

L

-


∫ b( x)dx

=0

(2.2)

0

L

∫ x. p( x)dx 0

L

∫ x.b( x)dx

= 0 (2.3)

0

Với tầu nổi cân bằng, lực cắt và momen uốn tầu trên nước được xác định theo
cách thông dụng của cơ học.
x

Lực cắt thân tầu: N(x) =

∫ q( x)dx
0

Momen uốn thân tầu trên nước tính theo công thức:

x

M(x) = ∫ N ( x)dx =
0

x

∫
0

x

{ ∫ N ( x)dx }dx =
0

x

x

∫ ∫ N ( x)dxdx
0

(2.4)

0

Khác với trường hợp tàu nằm trên nước tĩnh với mặt nước bằng, cùng chiếm một
độ cao dọc mạn tàu, khi tàu nằm trên sóng, mặt nước quanh tàu không còn cùng
trên một mặt phẳng mà là mặt cong hình sóng. Trường hợp chung, cân bằng tàu trên
sóng là việc khó hơn cân bằng tàu trên nước tĩnh và đòi hỏi nhiều công sức. Để

tránh các phức tạp cho mô hình tính toán, có thể sử dụng các giả thiết sau nhằm đơn
giản bức tranh tương tác giữa sóng và thân tàu.
Thân tàu dài L được đặt tĩnh trên sóng, có nghĩa là tàu chạy cùng hướng sóng hai
chiều, vận tốc tàu phải bằng vận tốc sóng. Trong trường hợp này, vận tốc tương đối
giữa vỏ tàu và sóng bằng không còn lực cản của nước và lực quán tính được bỏ qua
khi tính. Phân biệt hai trường hợp tiêu biểu, tàu được đặt trên đỉnh sóng và tàu nằm
ở đáy sóng. Từ thực tế cho thấy, khi tàu đặt nằm trên sóng, sóng có chiều dài λ bằng
chiều dài L của tàu gây ra momen uốn và lực cắt lớn hơn so với sóng có chiều dài
khác. Do vậy, trong tính toán chúng ta sẽ thực hiện cho sóng có chiều dài bằng
chiều dài tàu. Với những tàu hết sức dài, trong khi không thể áp đặt sóng dài không
có trong thực tế lên tàu, chúng ta sẽ chọn sóng có độ dài có thể gặp để tính.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 17 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

Mô hình sóng dùng trong tính độ bền chung là sóng hai chiều, profil sóng đối
xứng. Profil sóng thích hợp là sóng hình sin hoặc sóng trochoid. Sóng trochoid
được biểu diễn bằng công thức:
x=

λ
ϕ + r.sinϕ

2π

(2.5)

y = - r.cosϕ

(2.6)

Trong đó: ϕ - góc quay của chuyển động vòng phần tử,
Y - độ dâng mặt sóng,
X – tọa độ theo trục 0x.
Giá trị r bằng 0.5 lần chiều cao sóng. Giữa chiều cao sóng và chiều dài sóng có
tỷ lệ nhất định. Tuy nhiên tỷ lệ này không phải là hằng số, do vậy khi tính cần chọn
để sóng tính toán phù hợp với thực tế của địa phương. Tài liệu tham khảo về tỷ lệ
chiều cao sóng như sau:
+ Với sóng λ ≥ 120m thì h = λ/20
+ Với sóng 60m ≤ λ < 120m thì h = = 2 + λ/30
+ Với sóng λ < 60m thì h = 1 + λ/20
Với tầu dặt tĩnh trên sóng, mạn tàu cắt profil sóng như ở hình 2.2.

Tầu nằm trên đỉnh sóng

Tầu nằm trên đáy sóng
Hình 2.2

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội


- 18 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

Phần chìm trong nước của tầu trong trạng thái này là phần nằm dưới profil sóng.
Phân bố thể tích phần chìm dọc chiều dài tầu khác với phân bố cho tầu ở nước tĩnh.
Nếu ký hiệu bs(x) là phân bố lực nổi cho tầu trên nước tĩnh, khi mặt sóng thay đổi
quanh thân tầu, phân bố trên sóng sẽ là:
bw(x) = bs(x) + δb(x)

(2.7)

Trong đó: δb(x) – lực bổ sung trên sóng, mang giá trị dương cho trường hợp mặt
sóng dâng cao hơn mớn nước tĩnh.
Trong chừng mực phân bố trọng lượng tầu p(x) không thay đổi khi đặt tầu trên
sóng, phân bố q(x) sẽ thay đổi tùy thuộc thay đổi b(x).
Q(x) = p(x) – bw(x) = [p(x) – bs(x)] + [-δb(x)]

(2.8)

Lực cắt bổ sung và momen uốn bổ sung tính theo công thức:
x

δN(x) = ∫ [−δ b(x)]dx

(2.9)

0


δN(x) =

x

x

0

0

∫ ∫ [−δ b(x)]dxdx

(2.10)

Công thức tính lực cắt và momen uốn tầu trên sóng có dạng:
x

Nw(x) = Ns(x) + ∫ [−δ b(x)]dx

(2.11)

0

Mw(x) = Ms(x) +

x

x


0

0

∫ ∫ [−δ b(x)]dxdx

(2.12)

Với từng trạng thái chở hàng cần kiểm tra theo quy phạm chúng ta sẽ có giá trị
moment tại từng vị trị trên suốt chiều dài tầu. Để đảm bảo hệ số an toàn khi tính
toán giá trị moment được sử dụng sẽ là giá trị lớn hơn tất cả giá trị moment trong tất
cả các trường hợp.
Tập hợp các giá trị đó được quy về một hình thang mà giá trị moment tại mọi vị
trí đều lớn hơn giá trị thực tế tại các trạng thái.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 19 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

Giá trị moment lớn nhất này bao gồm moment trên nước tĩnh và moment do
sóng (hình 2.3).

Hình 2.3. Giá trị moment tính toán

Bằng các phần mềm chúng ta cũng tập hợp được tất cả các giá tri lực cắt tại các
vi trị như trên hình 2.8.

Hình 2.4
Để giảm thiểu các sai lệch trong quá trình tính toán do việc mô hình hoá tầu
thực, với mô hình bao gồm mô hình 3 khoang hàng thì sau khi tính toán, chỉ có kết
quả của khoảng hàng giữa được công nhận cồn hai khoang hàng còn lại kết quả
không được công nhận do việc quy hai đầu tự do của mô hình về gối gây ra.
Giá trị ứng suất tại mỗi phần tử được xác định theo công thức:

σ eq = σ x 2 − σ xσ y + σ y 2 + 3τ xy2

(2.13)

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

σ x, σ
τ

y

xy

- 20 -

Lê Anh Dũng

Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

:

Ứng suất nén tại mỗi phần tử (N/mm2)

:

Ứng suất cắt tại mỗi phần tử ( N/mm2 )

Giá trị ứng suất được tính toán theo công thức trên sẽ được so sánh với giá trị
ứng suất tiêu chuẩn theo quy phạm.
Ngoài ra, để đảm bảo kết cấu tấm ổn định, tránh biến dạng trong nội tại phần tử.
Ứng suất cắt và ứng suất nén phải thỏa mãn các tiêu chuẩn sau:

⎛ σx S
⎜
⎜κ R
⎝ x eH
⎛ σx S
⎜⎜
⎝ κ x ReH

e1
⎞ ⎛⎜ σ y S
⎟ +
⎟ ⎜κ R
⎠ ⎝ y eH
e1


⎞
⎟⎟ ≤ 1.0
⎠

e2

e3

2
⎞
⎞
⎛
⎟ − B⎛⎜ σ xσ y S ⎞⎟ + ⎜ τ S 3 ⎟ ≤ 1.0
⎜ R2 ⎟ ⎜ κ R ⎟
⎟
eH
⎝
⎠ ⎝ τ eH ⎠
⎠

⎛ σy S
⎜
⎜κ R
⎝ y eH

e2

⎞
⎟ ≤ 1.0
⎟

⎠

e3

⎛τ S 3⎞
⎟ ≤ 1,0
⎜
⎜ κτ ReH ⎟
⎠
⎝

(2.14)

(2.15)

Thân tầu do rất nhiều bộ phận cấu thành, do đó để thuận tiện hơn trong quá trình
tính toán, hệ các cơ cấu sẽ được tách nhỏ ra thành các cơ cấu cơ bản đơn giản hơn.
Nguyên tắc chung để tách các cơ cấu khi thực hiện mô hình hóa là kết cấu có độ
cứng lớn hơn phải đảm bảo làm được chỗ tựa cho các kết cấu có độ cứng vững thấp
hơn. Như trường hợp sườn tầu, đà ngang đáy khỏe hơn nhiều so với sườn, khi ấy có
thể coi sườn được ngàm tại đáy.Xà dọc boong hoặc xà dọc miệng hầm hàng có độ
cứng lớn hơn nhiều so với độ cứng xà ngang boong như vậy miệng hầm hàng trở
thành điểm tựa cho xà ngang.
Khung khỏe thuộc kết cấu ngang của tầu gồm đà ngang đáy khỏe, sườn khỏe, cơ
cấu boong khỏe cùng các mã nối, chúng được mô hình hóa thành khung khỏe của
tầu.
Lấy ví dụ mô hình hóa tính toán cho dầm dọc đáy tầu hàng rời. Với kết cấu
ngang đủ cứng, khi chịu áp lực nước tác động từ dưới đáy lên, chuyển vị của đà
ngang có dạng những nhịp cầu đều nhau, chuyển vị ngang của các gối gần như
nhau, trong trường hợp này có thể sử dụng mô hình ngàm hai đầu cho mỗi nhịp của


Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 21 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

dầm. Tác động lực của các sải dầm lân cận dối với sải dầm đang xét không lớn, do
ta coi chuyển vị các gối là như nhau. Sai số khi tính theo mô hình dầm một nhịp và
dầm nhiều nhịp nằm trong phạm vi chấp nhận được (hình 2.5).

Hình 2.5
Hiện nay với việc ứng dụng các phần mềm mới vào tính toán, mức độ tính toán
ngày càng sát với thực tế, khối lượng tính toán ngày càng lớn. Tải trọng tại các nút
được phần mềm tự động tính toán và tổng hợp từ các thông.
Duới đây xin giới thiệu cách tính một loại tàu đặc biệt,đó là ụ nổi 17 000DWT

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10


- 22 -

2.2. SƠ BỘ VỀ Ụ NỔI 17000 DWT
2.2.1. Loại và công dụng.
Ụ nổi vỏ thép, kết cấu hàn, gồm 4 ponton (phao) đáy lắp ghép với 02 phao thành
liên tục , dùng để phục vụ cho việc lên DOCK kiểm tra, sửa chữa các tàu. Ụ nổi có
sức nâng 17.000 DWT (sức nâng lớn nhất có thể là 19.000 DWT).
Ụ có thể đánh chìm và đánh nổi theo phương thẳng đứng để đưa tầu ra vào kiểm
tra, sửa chữa

2.2.2. Phân cấp.
Ụ được thiết kế thỏa mãn Quy phạm ụ nổi (TCVN 6274-2003) và Quy phạm
phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam (TCVN 6259-2003).
Trong trường hợp di chuyển (kéo trên biển), ụ đảm bảo thỏa mãn các điều kiện
của tàu cấp II hạn chế theo Quy phạm Phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép Việt Nam
(TCVN 6259-2003).

2.2.3. Kích thước chủ yếu.
- Chiều dài lớn nhất thân ụ

Lmax

= 206.40 m

- Chiều dài phao thành:

Lpt

= 195.20 m


- Chiều dài boong triền (phao):

L

= 190.40 m

- Chiều dài boong triền + sàn phụ:

Ltr

= 206.40 m

- Chiều rộng thành ngoài ụ:

B

= 47.00 m

- Chiều rộng lòng ụ:

BL

= 38.00 m

- Chiều cao đến boong đỉnh:

H

= 17.00 m


HCT

= 13.90 m

- Chiều cao đến boong công tác:
- Chiều cao đến boong an toàn :
- Số lượng ponton (phao đáy):
- Chiều rộng ponton (ngang ụ):

HAT
nf
Bf

= 10.90 m

= 04 chiếc
= 47,00 m

- Chiều cao ponton (ở tâm ụ/mép trong)

hf

= 5.0/4.9 m

- Độ nâng đáy mép ụ:

c

= 0,40 m


- Mớn nước đánh chìm tối đa
- Số nhân viên bố trí trên ụ:

Tmax

= 13,4 m
K

= 28 người

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu


Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

- 23 -

- Số công nhân có thể nghỉ trên ụ:
- Tổng dung tích két dằn

Kc

≅ 80 người
45542.43 m3


2.2.4. Bố trí chung.
2.2.4.1. Bố trí trên boong đỉnh.
Trên boong đỉnh mạn phải, mạn trái bố trí các hệ thống chằng buộc, đường ray
cho cẩu, các lối xuống boong công tác.
Trên vùng đặt máy phát giếng buồng máy bên mạn phải được lắp đặt các trang
thiết bị kèm theo máy phát. Trên nóc giếng buồng máy bố trí ống thông gió và cửa
lấy ánh sáng xuống buồng máy, các khu vực kho bố trí các cầu thang xuống có nắp
kín nước .
Dọc mép hành lang phía trong của cả hai mạn bố trí các đường ống dẫn khí nén,
nước ngọt tới tầu và lan can bảo vệ, tất cả các tum, cửa lên xuống và các buồng ở cả
hai mạn đều bố trí sát lan can phía thành ngoài mạn, bên trong lan can bố trí các cột
bít, con lăn và các đường dẫn ôxy, axetylen ra tầu.
Tại hai phía đầu mũi và lái bố trí cầu thang rộng đi xuống boong triền, phía đầu
mũi trên boong nóc phải bố trí trạm nhận điện bờ
Trên boong nóc cả hai phao mạn bố trí cần cẩu di động chạy dọc boong nóc phục
vụ cẩu các trang thiết bị sửa chữa tầu.

2.2.4.2. Bố trí trên boong công tác.
Trên boong CT mạn phải bố trí: Buồng máy và các buồng chứa trang thiết bị
buồng máy, xưởng cơ khí, buồng bọt, buồng điều hòa tập trung. Trên boong này
còn bố trí phòng ăn, nghỉ cho công nhân sửa chữa ( ăn ca, nghỉ trưa, nghỉ ca...)
Buồng điện bờ, buồng máy phát chính, máy phát dự phòng, bếp công nhân, buồng
giặt, sấy phơi đồ cho công nhân, WC và các kho dụng cụ điện máy móc.
Trên boong CT mạn trái bố trí: Các buồng ở sinh hoạt cũng như công tác cho các
nhân viên, phòng họp, phòng khách, phòng Đăng kiểm, phòng chủ tàu, kho dụng
cụ, buồng giặt, sấy phơi, WC, buồng thay quần áo, buồng trực, buồng ụ trưởng,
buồng điện trưởng, buồng máy trưởng, các khu vực van ống, khu vực bếp, kho thực
phẩm, nhà ăn và câu lạc bộ cho nhân viên.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu



Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

- 24 -

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

2.2.4.3. Bố trí dưới boong công tác.
Dưới boong CT phao mạn phải bố trí các khoang khí nén, các khoang khô,
khoang chứa dầu DO dự trữ, két HFO, két nước ngọt, két nước thải.
Dưới boong CT phao mạn trái bố trí các két dầu, các khoang khô, két nước ngọt,
két nước thải.

2.2.4.4. Bố trí trên boong triền:
Boong triền dùng để căn hệ tầu phục vụ sửa chữa trên đó bố trí các khối đế
căn hệ tầu, các thiết bị buộc kéo phục vụ việc kéo ụ

2.2.4.5. Bố trí trong ponton:
Toàn bộ các ponton đáy được chia thành 24 khoang dằn, đối với các khoang
dằn phía mạn ụ được kéo đên boong an toàn cách chuẩn 10900 mm và 8 khoang
bơm
Trong các khoang bơm bố trí các trang thiết bị máy, bơm, điện phục vụ bơm
nước đánh chìm và làm nổi ụ.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu



Luận văn tốt nghiệp
Đại học Bách Khoa Hà Nội

Lê Anh Dũng
Lớp Cơ khí Động Lực 08-10

- 25 -

2.3. TÍNH KẾT CẤU THEO YÊU CẦU QUY PHẠM.
Toàn bộ kết cấu phao đáy, phao thành được thiết kế theo hệ thống dọc. Các vách
dọc, ngang thiết kế theo hệ thống kết cấu ngang.
Khoảng sườn ngang theo chiều dài ụ

a = 0.8 m.

Khoảng dầm dọc theo chiều ngang ụ

a = 0.8 m.

Tất cả các quy cách kết cấu trong các két dằn của ụ được thiết kế theo cột áp
chênh lệch.
+) Cột áp chênh lệch lớn nhất của các cơ cấu trong két dằn sẽ trong phạm vi
trang thái chuyển tiếp, ụ chìm đến mặt đế kê và chịu toàn bộ trọng lượng của tàu
được nâng.
Mớn nước của trạng thái

T = 6.8 m.

Lượng chiếm nước của cả hệ ụ và tàu


D = 45542.4 T.

Khối lượng ụ không

P = 11880 T.

Khối lượng của tàu được nâng

Q = 19000 T.

Lượng dằn còn lại trong két
Chiều cao lượng dằn trong két

N = D – P – Q = 14662.4 T.
hdằn =N / (1.025 L B ) = 1,64 m.

Chiều cao cột áp chênh lệch lớn nhất: h = T - hdằn = 5.16 m.
+) Cột áp chênh lệch của các cơ cấu trong két trống h = dmax = 13,4 m.

2.3.1 Phao đáy
2.3.1.1 Tôn bao phao đáy
+) Tính theo yêu cầu sức bền ngang với ụ có sức nâng nhỏ hơn 40.000 T :
t= 0,047 B2 .
Trong đó: B = 47 m. ⇒ t = 10,4 mm.
+) Tôn bao tính theo chênh lệch cột áp
t = 3,6 S h0,5 + 2,5 =
Trong đó : S: khoảng cách các nẹp, S = 0,8 m.
h: Chiều cao chênh lệch cột áp lớn nhất, h = 5,16 m.
⇒ t = 9 mm.


+) Tôn bao trong khu vực két trống.

Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm tính toán, mô phỏng trong kết cấu thân tàu. Đề suất kết cấu tối ưu