nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC .............................................................................................................. 1

CHƯƠNG 1 : ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................ 4

1.1.TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU. .................................................. 4

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA............................ 6

1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP.............................. 7

1.3.1.Đặc điểm chung của kết cấu tàu vỏ thép................................................... 8

1.3.2.Phân loại các hệ thống kết cấu : ............................................................... 9

1.3.3.Đặc điểm kết cấu khung sườn tàu vỏ thép : ............................................ 12

1.4..MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. ................ 16

1.5.GIỚI HẠN NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................... 17

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 18

2.2 MÔ HÌNH BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU........................................ 18

2.3 CÁC YẾU TỐ CỦA BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU......................... 19

2.3.1.Biến thiết kế.......................................................................................... 19

2.3.2.Hàm mục tiêu........................................................................................ 19

2.3.3. Hệ ràng buộc........................................................................................ 20

2.4 PHÂN LOẠI CÁC BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU. .......................... 21

2.4.1.Bài toán tối ưu hóa tuyến tính có ràng buộc............................................ 21

2.4.2.Bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc............................................. 21

2.4.3.Bài toán tối ưu hóa phi tuyến không có ràng buộc. ................................. 21

2.5.CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN TRONG TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU........... 22

2.5.1.Phương pháp đồ thị: .............................................................................. 22

2.5.2.Phương pháp đơn hình:.......................................................................... 24

2

2.5.2.Phương pháp nhân tử Lagrange: ............................................................ 24

2.5.4.Phương pháp Gradien:........................................................................... 25

2.5.5.Phương pháp tuyến tính hóa: ................................................................. 26

2.5.6.Phương pháp tìm kiếm trực tiếp:............................................................ 27

CHƯƠNG 3 : KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU........................................................... 28

3.1. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU............... 29

3.1.1 Mô hình tải trọng tác dụng lên khung sườn tàu....................................... 29

3.1.2 Mô hình kết cấu khung sườn tàu. ........................................................... 35

3.2. XÂY DỰNG HÀM MỤC TIÊU VÀ CÁC HÀM RÀNG BUỘC................. 41

3.2.1 Xây dựng hàm mục tiêu......................................................................... 41

3.2.2 Xây dựng hệ các hàm ràng buộc ............................................................ 42

3.3.PHƯƠNG PHÁP TÔI ƯU HÓA KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP.46

3.3.1 Lựa chọn các phương pháp tối ưu hóa kết cấu khung sườn tàu vỏ thép. .. 46

3.3.2 Nghiên cứu xây dựng phương pháp tối ưu hóa kết cấu khung sườn......... 48

3.4. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ..................................................................... 53

3.5. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .................................................... 55

3.5.1 Giới thiệu tàu tính toán. ......................................................................... 55

3.5.2 Rời rạc hóa kết cấu................................................................................ 57

3.5.3 Xác định tải trọng.................................................................................. 60

3.5.4 Xây dựng bảng tiết diện và mối quan hệ giữa các đặc trưng cơ học........ 64

3.5.5 Chọn hệ số an toàn cho kết cấu khung sườn ........................................... 71

3.5.6 Kết quả tính tối ưu................................................................................ 71

3.5.7 Lựa chọn tiết diện và kiểm tra................................................................ 73

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................... 78

4.1. KẾT LUẬN. ............................................................................................... 78

4.2. KIẾN NGHỊ................................................................................................ 78

PHỤ LỤC ............................................................................................................. 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 88

3

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh của nhiều ngành kỹ thuật

ngành đóng tàu cũng đã có những bước tiến nhảy vọt, cả về mặt số lượng và chất lượng.

Riêng ở Việt nam, ngành đóng tàu cũng đã thật sự có sự thay đổi mạnh mẽ khi xuất hiện

nhiều loại tàu đặc biệt và các tàu cỡ lớn có trọng tải lên đến trên 100.000 tấn và hơn nữa.

Chính vì thế, bài toán tối ưu hóa kết cấu nói chung và bài toán kết cấu thân tàu nói riêng

đã và đang trở thành đề tài nghiên cứu hấp dẫn với nhiều người, vì mục tiêu tối ưu hóa

kết cấu là một mục tiêu kinh tế - kỹ thuật mà người thiết kế luôn mong muốn đạt được.

Bản thân tôi là cán bộ đang giảng dạy tại Bộ môn Cơ học của Trường Đại học Nha trang

nên tôi luôn rất mong muốn được thực hiện những đề tài có liên quan đến vấn đề này,

với ý muốn sẽ được ứng dụng để giảng dạy môn lý thuyết tối ưu trong thiết kế kết cấu,

nhất là trong môn học thiết kế kễt cấu thân tàu của Khoa Kỹ thuật tàu thủy của Trường.

Vì lý do đó nên khi thực hiện luận văn tốt nghiệp cao học ngành Kỹ thuật tàu thủy,

chúng tôi đã mạnh dạn đề xuất đề tài Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu

kết cấu khung sườn tàu vỏ thép với 4 chương chính

Chương 1 : Đặt vấn đề

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết

Chương 3 : Kết quả nghiên cứu

Chương 4 : Kết luận và kiến nghị

Kết quả nghiên cứu của luận văn, mặc dù vẫn còn khá hạn chế nhưng thực sự đã

mang lại cho tôi rất nhiều kiến thức cần thiết trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

Nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha trang,

Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật tàu thủy và các

bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Đóng tàu, Bộ môn Cơ học của Khoa Kỹ thuật tàu thủy,

các cơ quan, đơn vị và cá nhân đã hỗ trợ và động viên chúng tôi hoàn thành đề tài này.

Cuối cùng, tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thấy TS Trần Gia Thái,

người hướng dẫn khoa học đã giúo đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài.

4

Chương 1

ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành đóng tàu,

vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu các công trình biển nói chung và kết cấu thân tàu nói riêng

đáp ứng được các hàm mục tiêu đặt ra, có vai trò quan trọng và mang tính chất cấp thiết,

cho phép xác định kích thước hợp lý của kết cấu trên cơ sở vừa đảm bảo được độ bền,

vừa đảm bảo trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng với chi phí nguyên vật liệu là thấp nhất.

Đặc biệt, việc tính toán tối ưu kết cấu thân tàu không chỉ cho phép tiết kiệm vật liệu để

làm giảm giá thành sản phẩm mà còn ảnh hưởng tốt đến các tính năng của tàu thiết kế.

Do đó việc ứng dụng các phương pháp tối ưu vào tính kết cấu thân tàu là rất cần thiết,

nhất là khi các yêu cầu về mặt tốc độ, sức chở và giá thành vật liệu ngày một tăng cao và

đó là lý do đề xuất đề tài Nghiên cứu tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép.

Như đã biết, thiết kế kết cấu là bài toán quan trọng trong quá trình thiết kế tàu thủy,

nhằm lựa chọn một cách hợp lý các chi tiết kết cấu về kích thước, cách bố trí, hình thức

liên kết v..v… trên cơ sở đảm bảo đầy đủ độ bền với trọng lượng thân tàu là nhỏ nhất.

Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của vấn đề này nên đa số các nước hiện nay thường

tính toán, thiết kế kết cấu thân tàu dựa theo các yêu cầu trong các Quy phạm đóng tàu.

Thực tế nhận thấy, mặc dù công thức Quy phạm được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết

kết hợp với thực nghiệm và khá nghiêm ngặt nhưng cũng không thể phản ánh được hết

các điều kiện nơi tàu hoạt động nên tính theo phương pháp này thường phải chấp nhận

tốn kém vật liệu và tăng trọng lượng tàu vì bản thân kết cấu chưa ở dạng hợp lý nhất.

Mặt khác, do hình dáng, yêu cầu và bố trí chung trên các tàu thường không giống nhau,

nhất là đối với các tàu cỡ lớn hay tàu có tính năng đặc biệt nên các quy phạm đóng tàu

không thể bao gồm được hết nên hầu hết các Quy phạm đều cho phép và khuyến khích

người thiết kế tính chọn lại kích thước của các kết cấu thân tàu dựa theo lý thuyết tối ưu,

một trong những vấn đề đang được quan tâm trong thời gian gần đây nhờ sự phát triển

rất mạnh của công nghệ thông tin và cơ sở lý thuyết các phương pháp tính toán tối ưu.

5

Ngoài cách tính toán, thiết kế kết cấu theo yêu cầu của Quy phạm như đã trình bày,

còn có thể xác định kích thước kết cấu thân tàu dựa trên cơ sở đáp ứng yêu cầu độ bền,

gồm độ bền chung và độ bền cục bộ, gọi là thiết kế kết cấu tàu bằng tính toán lý thuyết.

Vấn đề đặt ra ở đây là trong các điều kiện đã cho trước ở trên, cần tính toán và lựa chọn

kích thước của các kết cấu trên cơ sở đảm bảo trọng lượng kết cấu đang xét là nhỏ nhất.

Cách giải này, mặc dù có thể đảm bảo trọng lượng kết cấu đang tính là nhỏ nhất nhưng

không dùng hết vật liệu, tức là ứng suất trong kết cấu không đạt đến giá trị cho phép.

Nếu trong quá trình thiết kế cần thay đổi một số kích thước nào đó của mặt cắt ngang,

ví dụ như chiều cao mạn, vị trí boong, chiều cao đáy đôi , kể cả vật liệu chế tạo v…v...,

sẽ nảy sinh vấn đề tìm trọng lượng tối ưu dựa trên cơ sở đảm bảo tiêu chuẩn bền đã cho.

Bài toán này có thể thiết lập với ý nghĩa rộng hơn, tức là tối ưu kết cấu không chỉ theo

trọng lượng mà còn theo các hàm mục tiêu là các chỉ tiêu kinh tế - công nghệ khác như

chi phí lao động khi chế tạo kết cấu, chi phí sữa chữa khi hư hỏng, tuổi thọ kết cấu v..v...

Thực tế cho thấy, vấn đề đặt ra có ý nghĩa quan trọng trong bài toán thiết kế kết cấu và

chỉ giải quyết được bằng cách dùng lý thuyết tối ưu kết hợp tính kết cấu trên máy tính.

Tuy nhiên cho đến hiện nay, các nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa kết cấu thân tàu thủy

vẫn chỉ ở giai đoạn ban đầu nên ít được trình bày trong tài liệu chuyên ngành hiện nay.

Riêng đối với kết cấu khung sườn tàu thép, đa phần là kết cấu siêu tĩnh nên khi thiết kế

thường phải chọn trước các thông số hình học của nó, sau đó mới tiến hành kiểm tra bền

Như vậy không phải lúc nào người thiết kế cũng xác định được các thông số hình học

phù hợp, đảm bảo kết cấu đủ bền mà lại có chi phí, trọng lượng của vật liệu là thấp nhất.

Do đó bài toán thiết kế tối ưu đặt ra nhằm mục đích tính chọn được một kết cấu tàu vừa

đảm bảo đủ yêu cầu về độ bền, lại vừa có trọng lượng kết cấu hay giá thành là nhỏ nhất.

Kết quả nghiên cứu của đề tài có ý nghĩa quan trọng cả về mặt lý thuyết và thực tế,

vì không chỉ cho phép tiết kiệm vật liệu, hạ giá thành sản phẩm mà còn nâng cao được

các tính năng hàng hải của tàu, nhất là về mặt tốc độ nhờ việc giảm bớt trọng lượng tàu,

từ đó giúp các cơ quan quản lý tư vấn cho các đơn vị thiết kế và chế tạo tàu lựa chọn

kích thước kết cấu tàu an toàn, kinh tế hơn và dựa trên cơ sở đó để so sánh và hiệu chỉnh

các yêu cầu và công thức tính kết cấu trong Quy phạm Việt nam TCVN 6282 : 1997.

6

1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỐI VỚI VẤN ĐỀ ĐẶT RA

Như đã biết, thiết kế tối ưu đã và đang trở thành một đề tài nghiên cứu hấp dẫn

được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và đề nghị áp dụng khi thiết kế kết cấu.

Thực chất bài toán là quá trình tìm kiếm giá trị cực trị thỏa mãn các điều kiện cho trước

và sự tìm kiếm này là khách quan không phụ thuộc trực giác hay năng lực người thiết kế

Ngay từ năm 1869, nhà khoa học Maxwell (Mỹ) đề xuất cơ sở lý thuyết tối ưu kết cấu

và ông là người đầu tiên nghiên cứu trong lĩnh vực này. Đến năm 1904, Mitchell (Mỹ)

phát triển lý thuyết này và ứng dụng nó vào việc tính toán tối ưu sơ đồ hình học hệ giàn

nhằm đạt trọng lượng nhỏ nhất dưới tác dụng của tải trọng đơn chịu ràng buộc ứng suất.

Đến khoảng đầu thập niên 1950, nhiều nhà khoa học đã công bố công trình nghiên cứu

ứng dụng phương pháp quy hoạch toán học vào cực tiểu hóa trọng lượng kết cấu khung,

trong đó các nhà khoa học như Foulkes (1954), Baker và cộng sự (1956), Prager (1956)

đã thiết lập bài toán tối ưu dẻo trọng lượng bằng phương pháp quy hoạch tuyến tính.

Đến 1960, nhà khoa học Schmit đưa ra khái niệm tổng hợp kết cấu (structural synthesis)

trong đó kết hợp phương pháp quy hoạch toán học với phương pháp phần tử hữu hạn.

Tiếp sau đó, các nhà khoa học Moses (1964), Romstad và Wang (1968) đã nghiên cứu

thiết kế tối ưu đàn hồi kết cấu hệ khung và giàn dùng chuỗi các phương trình tuyến tính,

các ràng buộc chuyển vị và tuyến tính hóa ứng suất bằng phép khai triển Taylor bậc nhất

Năm 1966, các nhà khoa học Brown và Ang đã đề xuất ra phương pháp thiết kế tối ưu

khung thép tiết diện chữ I bằng phép chiếu độ dốc và thiết lập các mối quan hệ giữa các

đặc trưng tiết diện mô men quán tính I, mô men kháng uốn W và diện tích tiết diện F.

Đến năm 70 của thế kỷ XX, người ta nhận thấy việc áp dụng phương pháp quy hoạch

toán học kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn gặp nhiều khó khăn khi khối lượng

biến thiết kế lớn vì khi đó vấn đề tìm những hàm ràng buộc tường minh trở nên rất khó

nên các nghiên cứu đã tập trung vào giải quyết bài toán tối ưu một cách hiệu quả hơn.

Các nhà khoa học Schmit và Farshi (1974), Schmit và Miura (1976) xây dựng khái niệm

xấp xỉ nhằm tăng hiệu quả phương pháp quy hoạch toán học với kỹ thuật như liên kết

các biến thiết kế, xóa bỏ ràng buộc, tuyến tính hàm ràng buộc và hàm mục tiêu bằng

khai triển Taylor v..v… đã được áp dụng để giảm bớt khối lượng tính toán của máy tính.

7

Trong những năm cuối thế kỷ XX, xuất hiện thuật toán tính tối ưu mới có tên là

thuật toán di truyền xây dựng trên cơ sở mô phỏng các bước lặp trong quá trình thiết kế

tối ưu theo quá trình di truyền của tự nhiên, tuy nhiên phương pháp này lại gặp khó khăn

bởi thuật toán quá cồng kềnh và thời gian giải rất lớn so với những phương pháp khác.

Mặt khác nó lại tách rời khỏi ý nghĩa vật lý, cơ học của bài toán, đồng thời các thông số

tính toán như ứng suất, chuyển vị của kết cấu lại được mã hóa thành những bit nhị phân

nên làm cho người thiết kế không thể hình dung được sự tối ưu trong quá trình tính toán.

Trong những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và sự xuất hiện

các máy tính có khả năng tính lớn đã tạo thuận lợi cho việc giải bài toán thiết kế tối ưu.

Do đó xuất hiện xu hướng thay các phương pháp quy hoạch toán học với phép xấp xỉ

bằng cách cho máy tính tìm kiếm trực tiếp nghiệm tối ưu trên không gian biến thiết kế.

Phương pháp này tỏ ra rất thuận lợi vì lúc này các hàm ràng buộc về ứng suất, chuyển vị

không cần là các hàm tường minh nhưng có nhược điểm là khối lương tính toán rất lớn,

tuy nhiên sẽ được giải quyết nhờ việc lập trình tính toán trên những máy tính hiện đại.

Riêng bài toán thiết kế tối ưu kết cấu đã được áp dụng từ rất sớm nhưng chủ yếu

chỉ ứng dụng trong tính toán, thiết kế kết cấu thép của ngành Xây dựng [1], [3], [6],[7]

với kết cấu được tính tối ưu đầu tiên là kết cấu giàn vì kèo [1, tr.65-78], [7, tr.99-109] và

môn học Thiết kế tối ưu kết cấu cũng được đưa vào giảng dạy ở một số trường đại học.

Ở nước ta hiện nay cũng có khá nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề thiết kế tối ưu

kết cấu nhưng chủ yếu cũng chỉ tập trung vào tính toán các kết cấu của ngành xây dựng.

Riêng đối với vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu thân tàu nói chung và thiết kế tối ưu kết cấu

các khung sườn tàu vỏ thép nói riêng hầu như chưa được nghiên cứu và ít được công bố.

Không chỉ ở Việt Nam mà ở các nước có nền công nghiệp đóng tàu phát triển hiện nay

chúng tôi cũng chưa tìm thấy các tài liệu hoặc công trình nào nghiên cứu về vấn đề này.

Trong các tổ chức nghiên cứu kết cấu thân tàu có uy tín hiện nay thì Ủy ban kết cấu tàu

của Mỹ (Ship Structure Committee) với trang web http://shipstructure.org/ đã đăng tải

các nghiên cứu của mình và của các nhà khoa học trên thế giới từ năm 1945 đến nay

cũng không thấy nghiên cứu nào đối với vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu khung sườn tàu,

Do đó có thể thấy vấn đề đặt ra trong luận văn hiện vẫn còn rất mới.

8

1.3.ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU KHUNG SƯỜN TÀU VỎ THÉP

1.3.1.Đặc điểm chung của kết cấu tàu vỏ thép

Về mặt độ bền, các bộ phận kết cấu thân tàu sẽ được tính chọn và bố trí đảm bảo

độ bền dọc tàu khi uốn chung và độ bền cục bộ dưới tác dụng của các tải trọng riêng.

Theo quan điểm này, toàn bộ thân tàu được xem như một dầm tổng hợp thành mỏng,

chịu tác dụng của hai lực ngược chiều nhau là trọng lượng thân tàu và lực đẩy của nước.

Kết quả tác dụng của hai hệ lực này sẽ làm thân tàu bị uốn cong lên hoặc võng xuống,

làm xuất hiện mômen uốn, lực cắt và gây biến dạng làm phá hủy các kết cấu thân tàu.

Để đảm bảo được độ bền dọc và độ bền cục bộ nói trên, các kết cấu hình thành nên

khung xương tàu thường được chia thành hai hệ thống kết cấu chính như sau [8, 13].

1.Hệ thống kết cấu dọc

Hệ thống kết cấu dọc nhằm đảm bảo độ bền dọc gồm những kết cấu bố trí dọc tàu

như sống chính, đà dọc đáy, các sống dọc mạn, sống dọc hông và xà dọc boong v..v…

Ngoài các kết cấu trên, tham gia đảm bảo độ bền dọc còn có những kết cấu dọc khác

như các tấm tôn đáy, tôn boong, dải tôn hông, dải tôn mép mạn, tôn mạn, các vách dọc.

Khi uốn dọc, tấm đáy và tấm boong của kết cấu thân tàu sẽ đảm đương vai trò chính,

còn các bộ phận kết cấu như vách dọc, tôn mạn đóng vai trò phụ khi tính độ bền chung.

Trong trường hợp lực cắt xuất hiện trong kết cấu thân tàu đạt đến giá trị khá lớn thì các

bộ phận kết cấu như vách dọc, thành mạn tàu đóng vai trò chính chịu tác dụng lực cắt.

Về mặt độ bền, các kết cấu trong hệ thống dọc đảm đương các vai trò cụ thể như sau :

-Sống chính, sống dọc, sống dọc boong sẽ chịu ứng suất kéo hoặc ứng suất nén

lúc tàu bị uốn chung và bị uốn cục bộ của khung giàn đáy, khung giàn boong.

-Sống dọc mạn chủ yếu chỉ chịu tác dụng của uốn cục bộ.

-Tôn mạn và các vách dọc đóng vai trò như thành đứng kết cấu dầm chịu lực,

giữ hoạt động của giàn đáy, boong và chịu gần như toàn bộ lực cắt khi uốn dọc.

Riêng tôn mạn chịu tác dụng cục bộ của áp lực hàng hóa từ bên trong và áp lực

nước từ ngoài và khi tàu bị xoắn chung, tôn mạn cũng chịu thêm ứng suất xoắn.