Phân tích độ bền kết cấu du thuyền buồm hai thân (Phần 2)

Phân tích độ bền kết cấu du thuyền buồm hai thân (Phần 2)

4. Kết quả tính toán và thảo luận

Tiến hành tính toán trên cơ sở 6 trạng thái LC1 – LC6, theo Bảng 5 dưới đây.

Bảng 5. Kết quả tính toán ứng suất và độ võng chung thân tàu theo 6 trạng thái

Trạng thái

SEQV (MPa)

ƯS cắt (MPa)

Độ võng (mm)

LC1

63,40

32,85

4,47

LC2

57,34

29,64

3,97

LC3

61,67

31,88

4,40

LC4

64,54

33,45

4,53

LC5

64,51

33,36

4,54

LC6

64,74

33,56

4,55

Kết quả tính toán ở trên cho thấy, giá trị ứng suất và chuyển vị lớn nhất khi tàu chịu uốn, xoắn đồng thời, tương ứng với LC6 Hình 10-12, giá trị nhỏ nhất tương ứng với LC2. Các trạng thái gây ứng suất uốn và xoắn lớn cần quan tâm có thể kể tới trạng thái tàu chạy ngang sóng LC4, khi tàu chạy chéo sóng LC5, là các trạng thái gây bất lợi cho tàu. Các giá trị này thể hiện độ bền chung cho tàu, khi phân tích độ bền cục bộ tại các vị trí chuyển tiếp, ứng suất này sẽ tăng cao hơn 30%, Bảng 6.

Hình 10. Ứng suất SEQV tại LC6

Hình 11. Ứng suất cắt tại LC6

Hình 12. Chuyển vị lớn nhất tại LC6

Kết quả khi phân tích độ bền cục bộ được thể hiện trong Bảng 6, như sau:

Bảng 6. Kết quả tính toán ứng suất và độ võng cục bộ thân tàu theo 6 trạng thái

Trạng thái

SEQV (MPa)

ƯS cắt (MPa)

Độ võng (mm)

Dự trữ bền SEQV

LC1

81,27

46,12

4,61

187,0%

LC2

76,03

43,12

4,14

199,9%

LC3

79,35

45,03

4,54

191,6%

LC4

81,95

46,52

4,68

185,5%

LC5

82,14

46,61

4,68

185,0%

LC6

82,14

46,61

4,69

185,0%

Để cải thiện giá trị ứng suất và chuyển vị trong điều kiện chịu tải trọng phức tạp, đặc biệt là đối với du thuyền buồm, đòi hỏi độ an toàn cũng như khả năng chịu vặn kết cấu tốt, giải pháp bổ sung thêm vách ngang tại sườn 13 sẽ giải quyết được vấn đề nêu ở đây.

Kết quả ở bảng 5 và bảng 6 được kiểm tra qua các tiêu chuẩn bền ứng suất tương đương von-Mises (ứng suất SEQV) kèm điều kiện bền cắt [t] = 0,5.[s] và điều kiện chuyển vị theo quy định của IACS [7]. Trong Bảng 7 dưới đây.

Bảng 7. Ứng suất uốn, ứng suất cắt và chuyển vị cho phép.

STT

Thông số

Giá trị

1

Ứng suất uốn cho phép (MPa):  [s] = ReH /1,5   

152,0

2

Ứng suất cắt cho phép (MPa):  [t] = 0,5.[s] 

76,0

3

Chuyển vị toàn tàu cho phép (mm): [d]=L/1000

24,0

Giá trị ứng suất SEQV lớn nhất cho LC6 đạt 51,08 MPa tương ứng với độ dự trữ bền 297,6%, giảm 37,8% so với 82,14 MPa tương ứng với dự trữ bền 185,0% khi chưa bổ sung vách 13. Giá trị ứng suất cắt cũng giảm từ 46,61 MPa xuống 29,05 MPa và chuyển vị giảm từ 4,69 xuống còn 2,01 mm tương ứng 49,75%. Các giá trị này đều nằm trong giới hạn cho phép theo quy định.

Hình 13. Ứng suất SEQV khi bổ sung vách 13

Hình 14. Ứng suất cắt khi bổ sung vách 13

Hình 15. Chuyển vị khi bổ sung vách 13

Kết quả so sánh phương án 2 vách ngang và khi bổ sung thêm vách ngang được thể hiện trong đồ thị hình 16-18. Có thể thấy rằng, độ bền đã được cải thiện đáng kể, bên cạnh đó, tại vùng giữa tàu thường bố trí cột buồm nên chân cột là vách ngang 13 là lựa chọn hợp lý. Giúp giảm đáng kể hiện tượng mất ổn định cho cột buồm. So sánh chuyển vị Hình 12 và Hình 15, chuyển vị đã phân bố đều hơn và giá trị lớn nhất của độ võng giảm từ 50 đến 60%, tham chiếu thêm Hình 18.

Hình 16. So sánh ứng suất tương đương

Hình 17. So sánh giá trị ứng suất cắt

Hình 18. So sánh độ võng kết cấu

Tóm lại, các tính toán phân tích trên đây có thể thấy rằng việc ảnh hưởng của kết cấu ngang là quan trọng trong kết cấu du thuyền buồm. Trong đó, vách ngang ngoài vai trò phân khoang chống chìm, còn đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc tăng cường độ bền ngang, độ bền cục bộ. Với giải pháp thêm 1 vách ngang, độ bền tăng 37,8% , độ cứng tăng 49,75%, là kết quả tốt cho việc áp dụng mô hình mô phỏng khi chưa thể tiến hành các thực nghiệm tốn kém.

5. Kết luận

Bài báo này trình bày mô phỏng tính toán, phân tích mô hình kết cấu theo hướng dẫn của DnV-GL và Đăng kiểm Việt Nam phù hợp với tải trọng áp dụng cho du thuyền buồm, kết quả đạt được như sau:

- Kích cỡ lưới tính toán cho bài toán bền chung có thể sử dụng loại lưới vuông 600x600mm, khi tính bền cục bộ sử dụng lưới 50x50 là phù hợp.

- Tải trọng áp dụng cho du thuyền buồm cần có sự quan tâm đặc biệt tới tải trọng boong, hiện nay Đăng kiểm Việt Nam chưa có quy định này, nên việc tham khảo Quy phạm của Đăng kiểm DnV-GL là cần thiết, sao cho vẫn phù hợp với điều kiện môi trường sóng gió của vùng biển Việt Nam.

- Trong 6 trạng thái tính toán, trạng thái gây bất lợi cho tàu khi tàu chạy ngang sóng, chéo sóng và tải gây uốn xoắn đồng thời.

- Giải pháp bổ sung vách ngang tại giữa tàu cải thiện 37,8% độ bền và 49,75% độ cứng là đáng kể, do đó có thể xem xét khi áp dụng vào thực tế thiết kế kết cấu du thuyền buồm.

Đỗ Hùng Chiến, Bùi Ngọc Thuận

Email:chien.do@ut.edu.vn

thuanbn@vimatec.com.vn


Tài liệu tham khảo

[1] ISSC 2012 Committee V.8 YACHT DESIGN

[2] Motta, D., Caprace, J.-D., Rio, P. & Boote, D. “Optimization of Hull Structures for a 60 meters MegaYacht”. 11th International Conference on Fast Sea Transportation, FAST 2011, 2011. Honolulu, Hawaii, USA.

[3] Shuangxi Xu, Bin Liu, Y. Garbatov, Weiguo Wu, C. Guedes Soares, “Experimental and numerical analysis of ultimate strength of inland catamaran subjected to vertical bending moment”. Ocean Engineering, Volume 188, 15 September 2019.

[4] DnV – GL, “ Rules For  Classification Yachts, Part 3 Hull, Chapter 3 Hull design loads”, 2018

[5] DnV, “Classification notes
no. 30.8 Strength analysis of
hull structures in high speed and light craft
, August 1996

[6] BGTVT, “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về Quy phạm phân cấp và đóng phương tiện thủy nội địa”, sửa đổi lần 2 QCVN72/2013 BGTVT, 2018.

[7] IACS, “No.47 Shipbuilding and Repair Quality Standard”, 1996, (Rev.5, Oct. 2010)