Phân tích độ bền kết cấu du thuyền buồm hai thân (Phần 1)

Trên thế giới, tàu buồm hai thân hiện đang được sử dụng là phương tiện vui chơi, giải trí và thể thao mặt nước. Tại Việt Nam, phong trào chơi thuyền buồm cũng có nhiều tín hiệu lạc quan, khi các doanh nghiệp trong nước đã và đang nhận được đơn hàng thiết kế, chế tạo chủng loại tàu này. Về phương diện thiết kế kết cấu, phân tích kết cấu tàu hai thân nói chung và tàu buồm hai thân nói riêng luôn được quan tâm, đặc biệt là kết cấu cầu dẫn và liên kết của hai thân với cầu dẫn. Việc áp dụng kỹ thuật phân tích kết cấu thân tàu bằng phương pháp phần tử hữu hạn được cho là có tính khả thi nhất trong giai đoạn hiện nay. Với kích thước tàu không lớn, mô hình phân tích có thể chạy trên các máy tính cá nhân đảm bảo độ tin cậy trong kết quả tính toán, sử dụng phần mềm ANSYS WORKBENCH. Bài báo này tập trung phân tích phần kết cấu hai thân và cầu dẫn trên cơ sở hướng dẫn của Đăng kiểm DnV- GL và trạng thái tải trọng phù hợp với Quy chuẩn quốc gia về Quy phạm phân cấp và đóng phương tiện thủy nội địa sửa đổi lần 2:2018 QCVN 72/2013 BGTVT. Kết quả đạt được giúp kỹ sư thiết kế kết cấu lựa chọn hợp lý về hình dáng tổng thể cũng như các liên kết cục bộ cho tàu buồm hai thân.

1. Giới thiệu

Lịch sử của du thuyền qua một chặng đường dài. Lần đầu tiên xuất hiện là vào những năm 1600 khi các thương gia Hà Lan giàu có, đóng và  sử dụng các loại thuyền nhỏ và tương đối nhanh được gọi là "jacht", có tính năng đặc biệt để giải trí. Việc đóng và khai thác du thuyền thực sự xuất hiện vào cuối những năm 1800.

Vào những năm 1930, các hợp kim nhôm trở nên sẵn có làm vật liệu chế tạo các cột buồm và điều này đã mang lại khả năng cho các cột buồm nhẹ hơn và mảnh mai hơn nhiều. Ngoài ra, độ cứng của cột buồm có thể được cải thiện cũng như số lượng và cách bố trí của giàn.

Từ những năm 1980 trở đi, cột buồm composite đã được giới thiệu. Ban đầu chúng dựng bằng vật liệu truyền thống hơn polyeste được gia cố bằng sợi thủy tinh. Trong hơn 25 năm, sợi carbon và nhựa epoxy đã được sử dụng để chế tạo cột buồm. Kết hợp với kỹ thuật sản xuất công nghệ cao, điều này đã tạo nên một cuộc cách mạng về việc giảm trọng lượng, tăng độ cứng và hiệu suất của cột buồm. Ngoài ra, các cột buồm và khung giàn đỡ cũng đã được sản xuất, điều mà không thể có trong bất kỳ vật liệu nào khác.

Ngay cả khi thuật ngữ "du thuyền" được đặt ra đặc biệt cho thế giới chèo thuyền, thì từ này đã được liên kết với khái niệm đi biển vì mục đích vui chơi và được mở rộng để bao gồm cả "thuyền máy". Ngày nay, khi nói về "du thuyền", người ta có thể đề cập đến cả "du thuyền buồm" hoặc "du thuyền có động cơ" và cần chỉ rõ mục đích của hai loại này [1].

Với các loại du thuyền hiện nay, đặc biệt là du thuyền cỡ lớn, Mega yachts, việc tính toán tối ưu kết cấu đã được quan tâm nhiều hơn, các tính toán mong muốn giảm được trọng lượng kết cấu tàu trong khi các vị trí cần được gia cường cục bộ để đảm bảo tính an toàn, vững chắc cho thân tàu [2]. Gần đây, bên cạnh các mô phỏng tính toán, đã xuất hiện các báo cáo thực nghiệm về mô hình kết cấu tàu hai thân được thực hiện tại các xưởng đóng tàu với mô hình thu nhỏ, kết quả thực nghiệm cho thấy mô phỏng và thực nghiệm có sự sai khác không lớn, có thể triển khai các mô phỏng khi cơ sở nghiên cứu chưa có điều kiện tiến hành thực nghiệm [3].

Bài báo này trình bày các tính toán tải trọng, điều kiện biên và xây dựng mô hình phân tích trên cơ sở hướng dẫn của Đăng kiểm DnV- GL [4,5] và Đăng kiểm Việt Nam [6], nhằm đáp ứng các yêu cầu của thực tế, phù hợp với tình hình nghiên cứu hiện nay. Từ các phân tích mô hình kết cấu, người thiết kế có thể đưa ra các hướng giải quyết gia cường cục bộ cho thân tàu nhằm tránh rung động, tăng độ ổn định kết cấu, đảm bảo sự yên tâm cho người sử dụng, bởi khách hàng sở hữu các du thuyền đòi hỏi sự tiện nghi cao cấp và an toàn cao nhất.

2. Mô hình phân tích 

2.1 Thông số cơ bản của du thuyền buồm

Du thuyền buồm trong thực tế có nhiều chủng loại, kích cỡ khác nhau, bài báo này tập trung phân tích mẫu du thuyền buồm vỏ nhôm, hai thân chiều dài lớn nhất 24 mét, nằm trong giới hạn của quy định chủng loại kích thước dài đến 24 mét, theo Bảng 1.

Bảng 1. Thông số cơ bản của du thuyền buồm tính toán

STT

Thông số

Giá trị

1

Chiều dài lớn nhất Lmax (m)

24,00

2

Chiều rộng B (m)          

11,40

3

Chiều cao mạn D (m)

2,29

4

Chiều chìm d (m)

0,71

5

Lượng chiếm nước W (tấn)

32,00

6

Công suất máy Ne (HP)              

110,00

7

Cấp tàu

VR SB

 

Hình 1. Bố trí chung du thuyền buồm

Hình 2. Mặt cắt ngang điển hình của tàu

Hình 3. Kết cấu boong và vùng cầu dẫn

  Hình 4. Mô hình kết cấu 3D vùng cầu dẫn

Trên cơ sở hướng dẫn Cn 30.8 của Đăng kiểm DnV về phân tích độ bền kết cấu cho tàu hai thân cỡ nhỏ, tiến hành xây dựng mô hình kết cấu vùng cầu dẫn 2 thân (từ sườn 2 đến sườn 24) như Hình 4.

2.2 Thông số vật liệu chế tạo du thuyền buồm

Thuyền buồm cũng như các dạng tàu thuyền khác, có thể được chế tạo từ các loại vật liệu như thép, nhôm, gỗ, composite FRP (Fibeglass Reinfored Plastic), nhựa PPC (PolyPropylen Copolyme). Trong bài báo này trình bày mẫu du thuyền buồm hai thân, vỏ nhôm 5803P có các thông số cơ bản của vật liệu cho trong Bảng 2, như sau:

Bảng 2. Thông số vật liệu nhôm 5083P

STT

Thông số

Giá trị

1

Mô đun đàn hồi E (MPa)

69040

2

Hệ số Poat xông n

0,33

3

Giới hạn chảy ReH (MPa)

228,0

2.3 Thông số kết cấu cơ bản:

Kết cấu cơ bản của tàu theo hình thức hỗn hợp, gồm kết cấu nẹp dọc và sườn ngang xe kẽ nhằm đảm bảo tính chống uốn và xoắn ngang thân tàu, theo Hình 2. Trong đó, khoảng cách các sườn ngang 600 mm, khoảng cách các dầm dọc gia cường cho tấm 300mm, vùng lựa chọn tính toán được thể hiện trên Hình 3. Thông số cơ bản của kết cấu được mô phỏng tính toán theo Bảng 3, như sau:

Bảng 3. Thông số quy cách kết cấu cơ bản

STT

Thông số

Quy cách

1

Chiều dày tấm vỏ, tấm boong, tấm vách, cầu dẫn t (mm)

5,00

2

Dầm dọc boong

FB 50x5

3

Dầm dọc đáy, nẹp vách ngang

HP 60x5

4

Sống dọc boong

T50x5/100x4

5

Sống dọc đáy, sườn ngang

T80x5/150x4

2.4 Mô hình chia lưới tính toán


Hình 5. Mô hình chia lưới - cỡ lưới 50x50

Tiến hành chia lưới phần tử để xác định khả năng hội tụ của kết quả tính toán với các cỡ lưới 600, 300, 150, 100 và 50mm dựa trên các khuyến cáo của Đăng kiểm DnV và mô hình hình học cụ thể của tàu. Căn cứ vào khoảng cách các kết cấu ngang 600mm , các dầm dọc kết cấu là 300mm, chiều cao bản thành kết cấu sống dọc đáy 150mm, sống boong 100mm và chiều cao bản thành dầm dọc boong 50mm là cơ sở để chia lưới. Kết cấu của tàu gồm các tấm và nẹp và sườn sử dụng nhôm định hình, trong thực tế các chi tiết định hình này được chế tạo từ nhôm tấm cắt ra. Do vậy, để đảm bảo tính liên tục kết cấu và thống nhất mô hình phân tích, phần tử tấm 4 nút 4 cạnh SHELL 181 được sử dụng mô phỏng cả kết cấu tấm và nẹp gia cường trong tính toán của bài báo này. Quá trình tính toán được thực hiện tính toán trên máy trạm HP Z800 với 2 CPU Xeon X5650 2,67 GHz, 12 nhân, 24 luồng, RAM 96 GB. Trong Hình 6, SEQV - ứng suất tương đương von-Mises (MPa);ƯS cắt – giá trị ứng suất cắt lớn nhất gây vặn xoắn thân tàu (MPa); độ võng  - giá trị độ võng tổng lớn nhất xuất hiện trên thân tàu (mm).


Hình 6. Đồ thị xác định độ hội tụ của kết quả

Với 5 cỡ lưới tính toán, áp dụng cho các trường hợp tính toán độ bền kết cấu chung toàn tàu và kết cấu cục bộ, giá trị cỡ lưới 100, 150, 300 và 600 cho kết quả gần nhau trong khi kết quả của cỡ lưới 50 lại có phần cao hơn. Điều này hoàn toàn phù hợp với khuyến cáo của Đăng kiểm DnV về tiêu chuẩn lưới, để tính toán độ bền chung sử dụng cỡ lưới 600x600mm và phân tích độ bền cục bộ tại các điểm tập trung ứng suất sử dụng cỡ lưới 50x50 là phù hợp. Cỡ lưới 600x600 cho thời gian tính toán nhanh nhất (37.8 giây) song vẫn đáp ứng được kết quả ứng suất, biến dạng của mô hình. Trong khi đó để phân tích độ bền cục bộ cho kết cấu, thời gian tính toán lâu nhất (15 phút) cho mỗi trạng thái tính toán.

2.5 Điều kiện biên và tải trọng tính toán

Tại mặt cắt sau tại vách ngang sườn 5 và mặt cắt trước tại vách ngang sườn 21, các khu vực này không mô phỏng chi tiết kết cấu vách và thay vào đó là các gối tựa tự do UX = UZ = 0, khống chế quay quanh trục Oy với ROTY = 0, Hình 7. Tại mặt phẳng dọc tâm đặt điều kiện biên đối xứng UY = 0.

  Hình 7. Điều kiện biên tính toán [5]

Tải trọng tác dụng khi tính toán cho trường hợp thân tàu chịu uốn xoắn đồng thời.

Hình 8. Tải trọng tác dụng gây xoắn [5]

Các trạng thái tải trọng tính toán kết cấu du thuyền buồm hai thân được trình bày theo Bảng 4 dưới đây:

Bảng 4. Trạng thái tải trọng phân tích kết cấu

Trạng thái

Mô tả

LC1

Tàu trên nước tĩnh

LC2

Tàu trên đỉnh sóng

LC3

Tàu trên đáy sóng

LC4

Tàu ngang sóng

LC5

Tải lệch gây xoắn

LC6

Uốn xoắn đồng thời

Tải trọng tính toán trên tàu 2 thân gồm: Tải trọng boong, áp lực nước thủy tĩnh theo chiều chìm d và áp lực thủy động theo chiều cao sóng hw, áp lực gió tác dụng lên buồm và cột buồm cũng như mạn tàu, tải do dòng chảy, tải trọng trang thiết bị và thuyền viên, khách trên tàu… Bên cạnh đó, tàu hai thân với đặc thù chịu tải trọng ngang và vặn xoắn kết cấu khi hai bên thân tàu chịu ảnh hưởng của sóng ngang và sóng chéo, tải nước tác dụng lên gầm cầu dẫn gây ra hiện tượng lắc dọc dẫn tới khả năng bị say sóng cao.

Tải trọng boong, với du thuyền buồm, hiện nay Việt Nam chưa có quy định nào cụ thể về loại tải trọng này do phương tiện đóng mới trong nước chưa phổ biến. Do đó, trên cơ sở phân tích các loại tải trọng do Đăng kiểm Việt Nam phù hợp với cấp SB [6]. Thêm vào đó các quy định áp dụng cho tàu buồm khi tải của buồm lên boong thông thường sẽ lớn hơn tải của boong thời tiết, phần này người thiết kế kết cấu cần sử dụng thêm quy phạm của DnV về tàu buồm đến 24m [4,5].

Các loại tải trọng khác được tính đến trong bài báo này gồm: Áp lực nước thủy tĩnh (LC1), áp lực thủy động công thêm khi tàu trên đỉnh sóng (LC2), trên đáy sóng (LC3), sóng tác dụng ngang tàu (LC4), sóng dọc gây xoắn vênh (LC5), tải gây uốn xoắn đồng thời (LC6), Bảng 4.

3. Tính toán tải trọng tác dụng lên tàu

3.1 Tính toán tải trọng boong

- Theo QCVN 72:2013/BGTVT, tải trọng boong được lấy như sau:

 h = 0,5 m, đối với boong bền.

Do đó áp suất tác dụng lên mặt boong pd được xác định:

                    PD = r.g0.h                            (1) 

ở đây r = 1,025 t/m3 – tỷ trọng của nước biển

          g0 = 9,81 m/s2 – gia tốc trọng trường

 - Theo DnV 2.3.1 (hướng dẫn No 30.8):

              pD = rH(g0 + 0,5av)                    (2)

        Trong đó: rH = 0,35 t/m2 – tải trọng boong cho vùng sinh hoạt; av = 5 m/s2 - gia tốc chuyển động thẳng đứng của tàu.

 - Theo DnV Sailing Yachts, tải trọng boong được xác định như sau:

                              (3)
Trong đó: ZWL = 1,59 m, chiều cao boong so với đường nước thiết kế; CD = 1, hệ số tính toán cho vùng 0,25≤ x/L ≤  0,7 ; TH = 0,71m, chiều chìm thiết kế; L = 22,96m, chiều dài tính toán của tàu.

Nhận thấy tải trọng boong tính toán cho tàu hai thân thông thường giữa công thức (1), pD= 5,03 kN/m2pD =  4,31 kN/m2 theo công thức (2) không có sự sai khác nhiều. Khi so sánh các kết quả này với công thức (3), giá trị pD = 8,54 kN/m2 khi áp dụng chi du thuyền buồm, tải trọng bong đã tính đến tải trọng cộng thêm gió tác dụng vào buồm cũng như cột buồm, đây là sự khác biệt trong tính toán thuyền buồm. Do đó, để đảm bảo tính an toàn cho phương tiện du thuyền buồm, người thiết kế kết cấu cần lựa chọn tải trọng tác dụng ở mức độ nguy hiểm nhất, trong bài báo này, tải trọng boong được đưa vào tính toán theo kết quả của công thức (3).

3.2 Tải trọng gió tác dụng

 - Tải trọng gió tác dụng lên mạn tàu được xác định theo bảng 7/2.2-1 [6], p = 4455 Pa, với các thông số sau:

          B/d = 16,06 - tỷ số chiều rộng so với chiều chìm tàu; Zg/B = 0,15 – tỷ số trọng tâm tàu so với chiều rộng tàu; Z = 12,63 m – chiều cao tâm diện tích hứng gió.

3.3 Tải trọng thủy tĩnh và thủy động

- Tải trọng thủy tĩnh được sử dụng khi tính toán áp suất thủy tĩnh tác dụng lên vỏ tàu theo chiều chìm tính toán d = 0,71m;

- Tải trọng thủy động được đưa vào bổ sung khi chiều cao sóng hw = 2,5m áp dụng theo quy định vùng hoạt động SB [6], chiều cao cột áp tính toán khi tàu trên đỉnh sóng theo công thức (4):

           h = d + hw/2                                    (4)

chiều cao cột áp tính toán khi tàu trên đáy sóng theo công thức (5):

           h = d - hw/2                                     (5)

- Tải trọng bản thân kết cấu cũng được đưa vào tính toán này.

Hình 9. Điều kiện biên và tải trọng tác dụng lên thân tàu trong mô hình phân tích

(Hết phần 1)
 

Đỗ Hùng Chiến, Bùi Ngọc Thuận

Email:chien.do@ut.edu.vn

thuanbn@vimatec.com.vn