TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG HÓA THIẾT KẾ
THAM BIẾN KẾT CẤU Ụ NỔI BẰNG THÉP THEO YÊU CẦU

ĐỘ BỀN VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH KHI UỐN NGANG TOÀN BỘ
Kỹ sư :

Nguyễn Hữu Tuấn

Lớp/Khoá:

Kỹ thuật tàu thủy /2012-2015

Người hướng dẫn : TS. LÊ MINH THỤ
HẢI PHÒNG - 2015

1


NỘI DUNG
CHƢƠNG MỞ ĐẦU

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
CHƢƠNG II: MÔ HÌNH HOÁ BÀI TOÁN THIẾT KẾ

THAM BIẾN KẾT CẤU TRÊN CƠ SỞ YÊU CẦU QUY
PHẠM - XÂY DỰNG TỔ HỢP PHẦN MỀM

CHƢƠNG III: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ĐỂ THIẾT KẾ
THAM BIẾN KẾT CẤU PÔNGTÔNG CỦA Ụ NỔI
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

2


CHƢƠNG MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Ụ nổi là một dạng công trình thuỷ với những đặc điểm như:
+ Tính linh động cao, các phương án khai thác phong phú, phù
hợp với nhiều địa hình phức tạp.
+ Việc hạ thuỷ an toàn, không gây ra biến dạng thân tàu và

tránh được việc phải gia cố thân tàu để chống ứng suất phụ (khi đóng
mới các tàu lớn).

3


Quy trình tính toán, thiết kế kết cấu ụ nổi trải qua các bước:
+ Tính toán kết cấu theo các yêu cầu độ bền và độ ổn định
cục bộ.
+ Tính toán kết cấu theo các yêu cầu độ bền và độ ổn định
khi thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ.

+ Tính toán kết cấu theo các yêu cầu độ bền và độ ổn định
khi thân ụ chịu uốn dọc toàn bộ.
Đối với các ụ có sức nâng tải lớn, các yêu cầu độ bền cục bộ

của các kết cấu tấm chính (tôn đáy, tôn boong triền, tôn mạn và tôn
vách) không quyết định độ dày của các kết cấu tấm đó. Độ dày của

các kết cấu tấm là kết quả tính toán kết cấu theo các yêu cầu độ
bền và độ ổn định khi thân ụ chịu uốn ngang và uốn dọc toàn bộ.
4


Xuất phát từ đặc điểm trên thì bài toán tính toán thiết kế các
tham biến kết cấu ụ nổi theo các yêu cầu độ bền và độ ổn định khi

thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ là bài toán đang được quan tâm. Bài
toán đó là dạng bài toán nhỏ nhưng không thể thiếu trong bài toán
lớn khi tính toán thiết kế ụ nổi:
Chính vì vậy, tôi đã lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu phương pháp tự động hóa thiết kế tham biến
kết cấu ụ nổi bằng thép theo yêu cầu độ bền và độ ổn định khi uốn
ngang toàn bộ”.


2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.


Xây dựng thuật toán và phần mềm tính toán thiết kế kết

cấu ụ nổi nhằm rút ngắn thời gian tính toán, nâng cao hiệu quả và
chất lượng của công việc thiết kế kết cấu.




Làm công cụ thiết kế áp dụng trong thiết kế, giảng dạy,

thực hành của sinh viên

6


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.



Đối tượng nghiên cứu: Các pông tông, ụ nổi đang được sử dụng

tại các nhà máy.


Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Tìm hiểu lý thuyết thiết kế kết

cấu ụ nổi bằng thép đi sâu vào phân tích, lựa chọn các giá trị cho các
thông số của kết cấu để đưa ra một thiết kế tối ưu, thích hợp cho ụ nổi.

7


4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài.


Tìm hiểu lý thuyết thiết kế kết cấu ụ nổi bằng thép.




Sử dụng phương pháp mô hình toán học các bài toán thiết kế

tham biến kết cấu ụ nổi bằng thép, phương pháp giải tích và các
phương pháp tính toán số trong cơ học đóng tàu.


Vận dụng các ngôn ngữ lập trình để xây dựng một chương

trình tính toán, thiết kế.

8


5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Ý nghĩa khoa học của đề tài: Đề tài đã đưa ra sơ đồ thuật toán
hợp lý để tính toán tự động tham biến kết cấu ụ nổi bằng thép theo
yêu cầu quy phạm trên cơ sở ứng dụng thành tựu của khoa học kỹ

thuật, công nghệ thông tin.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu, phần mềm thiết kế kết
cấu pông tông ụ nổi sẽ là một công cụ trong việc thiết kế ụ nổi, trong
giảng dạy và trong học tập.

9


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung.
Để thực hiện tính toán, thiết kế kết cấu ụ nổi theo Quy

phạm cần phải có đầy đủ một số lượng lớn các thông tin đầu vào bổ

sung:
+ Theo hình học của thân vỏ và các cấu trúc bên trong.
+ Theo loại khoang két.
+ Theo việc bố trí các tải trọng khối lượng.
+ Theo vật liệu kết cấu vỏ ….

10


Một trong những bài toán quan trọng nhất khi thiết kế ụ nổi là
tính toán kết cấu pôngtông theo các yêu cầu độ bền và độ ổn định khi

thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ. Khi thiết kế các ụ pôngtông rời, kết
quả của bài toán sẽ quyết định quy cách kết cấu của pôngtông bởi vì
đối với loại ụ này thì pôngtông không tham gia vào uốn dọc toàn bộ
thân ụ.
Chính vì vậy: trong khuôn khổ luận văn, tác giả đi sâu nghiên

cứu và lập phần mềm tính toán kết cấu ụ theo các yêu cầu độ bền và
độ ổn định khi thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ.


Ụ nổi có thể phân loại:
+ Theo vật liệu: ụ nổi thép, ụ nổi bê tông, ụ nổi composite …;

+ Theo chức năng: ụ nổi sửa chữa (dùng để nâng, hạ tàu tại
chỗ), ụ nổi vận chuyển (dùng để vận chuyển các phương tiện nổi
khác)…;

+ Theo số tháp và số phân đoạn: ụ nổi một tháp, ụ nổi hai tháp,
ụ nổi ba phân đoạn tự nâng …;
+ Theo phương pháp dằn nước: ụ nổi có các khoang khô (tại
mặt phẳng dọc tâm để bố trí bơm, van cút và các đường ống), ụ nổi

không có khoang khô …;


+ Theo hình dáng và phương pháp liên kết các khối: ụ nổi phân
đoạn (gồm nhiều đoạn ghép lại với nhau bằng liên kết cơ khí), ụ nổi
pông tông (gồm các pông tông ghép lại và ghép với hai tháp ở hai
bên bằng liên kết cơ khí), ụ nổi nguyên khối (ụ nổi nguyên khối gồm

cả hai tháp và các pông tông liên kết hàn)…
Trong luận văn tốt nghiệp chỉ tính toán cho ụ nổi hai tháp (ụ
nổi nguyên khối, ụ nổi phân đoạn, ụ nổi pông tông) bằng thép.


1.2. Các cơ sở yêu cầu của Quy phạm Đăng kiểm tàu biển Nga đối
với độ bền của kết cấu thân ụ nổi.

1.2.1. Sự thay đổi độ dày tôn trong thời hạn phục vụ
Sự thay đổi độ dày của các chi tiết kết cấu Δs, mm, trong thời
hạn phục vụ theo tính toán của ụ T, năm, được đánh giá bằng công
thức: Δs = kuT
Trong đó:

u - định mức tốc độ giảm trung bình hàng năm độ dày các tấm
và các kết cấu của ụ, mm/năm;
k - hệ số tính đến các điều kiện vùng hoạt động của ụ nổi.

14


1.2.2. Độ bền cục bộ của các phần tử tấm và các phần tử dầm
Độ dày của các tấm theo điều kiện độ bền cục bộ được xác
định theo mối quan hệ sau:
s  mak

p
k  n

Mô đun chống uốn:

 s

W  W 'k  103

Ql
k
mk  n

Diện tích mặt cắt của bản thành:

nQ
f  f ' f  10
 0,1hs
k n


1.2.3. Độ bền của ụ nổi khi thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ

Mô đun chống uốn:
W  W ' W  103

f


 100h f f  w (2   )
k  n
6


M

Diện tích mặt cắt của bản thành:

f w  f 'w  f w  10

N
k n

 10hwsw


1.3. Các cơ sở yêu cầu của Quy phạm Đăng kiểm tàu biển Nga
đối với độ ổn định khi thân ụ chịu uốn dọc và uốn ngang toàn bộ
Điều kiện ổn định của các phần tử tấm và phần tử dầm khi chịu
tải cực trị:

k c   cr
Trong đó:

+ k - hệ số dự trữ độ ổn định;
+ σc, σcr - ứng suất nén và ứng suất tới hạn theo tính toán đối với kết
cấu của ụ mới.


CHƢƠNG II: MÔ HÌNH HOÁ BÀI TOÁN THIẾT KẾ
THAM BIẾN KẾT CẤU TRÊN CƠ SỞ YÊU CẦU
QUY PHẠM
XÂY DỰNG TỔ HỢP PHẦN MỀM


* Thiết kế kết cấu thân ụ theo các yêu cầu đối với độ bền và độ
ổn định khi thân ụ chịu uốn ngang toàn bộ.


b1(y)
n01(y)

y0i
b3(y)

n03(y)
h0i, s0i,b0i, f0i, i0i

z3u(y)
e(X,y)
z3l(y)
n02(y)
b2(y)


Mặt cắt ngang của liên kết ngang chính (vách ngăn) của pôngtông.


Mô hình toán học của bài toán thiết kế kết cấu pôngtông ụ nổi
theo các yêu cầu đối với độ bền và độ ổn định khi thân ụ chịu uốn

ngang toàn bộ được trình bày như sau:
Tối thiểu hóa hàm:
i 3

i 3

i 1

i 1

AX, y    bi ( y ) xi ( y )   n0i ( y ) f 0i ( y )

A(X,y): diện tích mặt cắt của liên kết ngang chính của pông tông.
B(y): chiều rộng của dải tôn kèm.

n0i(y): số lượng dầm (nẹp gia cường – đối với bản thành) tại phần tử
thứ i của liên kết ngang chính.
f0i(y): diện tích mặt cắt của dầm (nẹp gia cường)


Khi có các giới hạn:
g1 (X, y)  W '1 (X, y)  W ' ( y)  0
g 2 (X, y)  W ' 2 (X, y)  W ' ( y)  0
g 3 (X, y)  f w ' (X, y)  f w ' ( y)  0

g 4 (X, y)  x1 ( y)  s1buckling(X, y)  0

g 5 (X, y)  x2 ( y)  s 2buckling(X, y)  0
g 6 (X, y)  x3 ( y)  s3buckling(X, y)  0

g 7 ( X, y)  x1 ( y)  s10  0

g 8 ( X, y)  x 2 ( y)  s 20  0

g 9 ( X, y)  x3 ( y)  s30  0


W '1 (X, y)  W1 (X, y)  W1 (X, y)
W '2 (X, y)  W2 (X, y)  W2 (X, y)
f 'w (X, y)  f w (X, y)  f w (X, y)
Giá trị mô đun chống uốn và diện tích mặt cắt bản thành của
các kết cấu đã bị ăn mòn hoàn toàn (vào cuối thời hạn phục vụ của ụ)
theo các giá trị tiêu chuẩn (được quy định theo Quy phạm) của tốc độ
ăn mòn khi cho trước thời hạn phục vụ tính toán của ụ.
W’(y), f’w(y) : mô đun chống uốn, diện tích mặt cắt yêu cầu
vào cuối thời hạn phục vụ của ụ theo tính toán;

độ dày yêu cầu theo các điều kiện về độ ổn
định của boong triền, đáy, bản thành của liên kết ngang chính.
si: các giá trị giới hạn dưới của tham số kết cấu, các giá trị này
bằng các chiều dày của kết cấu tấm theo yêu cầu đối với độ bền cục bộ
và yêu cầu chiều dày nhỏ nhất theo Quy phạm đăng kiểm tàu biển Nga.
s1buckling( X, y)

23



Thuật toán để giải bài toán:
1. Xác định các mô men uốn và lực cắt theo tính toán.
2. Dựng mặt cắt ngang của liên kết ngang chính của pôngtông
và xây dựng hàm mục tiêu .
3. Lập các hàm - giới hạn g1(X,y) – g3(X,y); g4 – g6; g7 – g9.
4. Giải bài toán lập trình phi tuyến.
5. Sau khi nhận được kết quả giải bài toán lập trình phi tuyến,
chọn độ dày của các kết cấu tấm theo quy cách tiêu chuẩn gần với
kết quả nhận được và tính toán lại đặc tính hình học mặt cắt ngang
của liên kết ngang chính của pôngtông, các tham số độ bền ngang và
độ ổn định theo độ dày đã chọn.
6. Trình bày các kết quả sau khi giải bài toán ở dạng tài liệu
báo cáo.


Cấu trúc của tổ hợp phần mềm
P ON T OON
(GIAO DIỆN)
(ИНТЕФЕЙС)
DA T A
(подготовка
данных) Tạo dữ
Tải dữ liệu từ <id_dock.txt>;
Загрузка данных из <id_dock.txt>;
liệu trong <PONT.DAT>;
Tạo dữ liệu
Формирование
данных в <PONT.DAT>;

để
tính
toán
mặt
cắt
y
=
0
(i
0) trong
Формирование данных для=расчета
<PONT2_rd.DAT>,
<For_redu.txt>
сечения y = 0 (i = 0) в
<PONT2_rd.DAT>, <For_redu.txt>

R E SU L T S
(просмотр
(xemрезультатов)
kết quả)
<Res1_Rd(000...020).txt>,
<Res1_Rd(000…020).txt>,
<Res2_Rd(000...020).txt>,
<Res2_Rd(000…020).txt>,
<Res_gen.txt>,
<Res_gen.txt>,конструкций,
Xem kết cấu,
Визуализация
lực
và

mô
men
сил и моментов

F L E X SI
( P O N T O O N _R D . F O R )
(xác(определение
định véctơ banначального
đầu, quy địnhвектора,
kích thước
задание
начального
размера
ban đầu của đa giác biến dạng,
quy định giá
деформируемого
многогранника,
trị chỉ tiêu hội tụ trong
quá trình tìmзадание
kiếm,
значения
индикатора
сходимости
поиска, i = 0
điều khiển quá trình giải bài toán)
управление процессом решения задачи) (y = 0)

-

+

i < 20 (y < B/2)

Уточнение
Chính
xác hóa véctơ
начального
вектора
ban đầu
Формирование
данных
Tạo dữ liệu để xem
lực
для
визуализации
сил и
và mô men Graph.txt>
моментов <Graph.txt>

i=i+1

Запись
результатов:
Ghi các
kết quả:
<Res1_Rd(i).txt>,
<Res2_Rd(i).txt>;
<Res1_Rd(i).txt>, <Res2_Rd(i).txt>;
Формирование
исходных
данных для расчета

Tạo dữ liệu ban đầu để tính mặt cắt tiếp theo y(i+1) =
следующего
сечения
y(i+1)
= y(i) + B/40:
y(i) + B/40: <PONT3.DAT>, <For_redu.txt>,
<PONT3.DAT>,
<For_redu.txt>,
<Res_ID.txt>, <PONT2_rd.DAT>
<Res_ID.txt>, <PONT2_rd.DAT>

i = 20 (y = B/2)