Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tác động của sóng biển có xét dao động của nước dằn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP. HỒ CHÍ MINH

--------------------

NGUYỄN ĐỨC MINH

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU GIÀN KHOAN

TỰ NÂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG BIỀN CÓ XÉT

DAO ĐỘNG CỦA NƯỚC DẰN

LUẬN VĂN THẠC SỸ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Tp.HCM - 8/2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ TP. HỒ CHÍ MINH

--------------------

NGUYỄN ĐỨC MINH

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU GIÀN KHOAN

TỰ NÂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG BIỀN CÓ XÉT

DAO ĐỘNG CỦA NƯỚC DẰN

Chuyên ngành :Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành : 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SỸ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Trọng Phước

Tp.HCM - 8/2018

i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn Thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ

thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên

cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng. Đó là

trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.

Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nổ lực của bản thân, tôi đã

nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng

biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Nguyễn Trọng

Phước. Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý

cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách

tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Xây dựng và Điện, trường Đại

học Mở Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những

kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi

sau này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Th.S Nguyễn Lê Hoài Sơn- phòng Thiết kế

Công ty Cổ phần Chế tạo Giàn khoan Dầu khí (PVMS) , KS. Đỗ văn Trình -Viện

khoa học tính toán Đại học Tôn Đức Thắng , đã giúp đở tôi rất nhiều trong quá trình

thực hiện luận văn này.

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nổ lực của bản

thân, tuy nhiên do kiến thức giới hạn nên không thể tránh những thiếu sót. Kính

mong quý Thầy Cô chỉ dẩn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản

thân mình hơn.

Xin trân trọng cảm ơn.

Tp.HCM, ngày 30 tháng 8 năm 2018.

Nguyễn Đức Minh

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Các dạng công trình giàn khoan dầu khí luôn được thiết kế với những tiêu

chuẩn rất khắc khe nhằm chống chịu được với các tải trọng môi trường khắc nghiệt

và phức tạp. Trong đó tải trọng sóng biển là một trong những tải trọng được đánh

giá ảnh hưởng nhiều trong công tác thiết kế. Đặc biệt với các dạng công trình có

dãy chu kỳ dao động riêng nằm trong dãy chu kỳ tự nhiên của sóng biển, ảnh hưởng

động của tải trọng sóng luôn là mối quan tâm rất lớn. Vì vậy, việc phân tích chính

xác hơn tần số riêng của kết cấu giàn khoan là hết sức cần thiết.

Luận văn phân tích động lực học của dạng kết cấu giàn khoan tự nâng chịu tác

động của tải trọng sóng biển có xét đến ảnh hưởng của nước dằn trong thân giàn.

Giàn khoan được mô tả bởi phương pháp phần tử hữu hạn và nước trong thân giàn

được xem xét có tương tác với kết cấu giàn. Phần mềm ANSYS có xét đến tương

tác chất lỏng được sử dụng để mô phỏng kết cấu này. Kết quả số về phân tích dao

động tự nhiên đựợc thực hiện có so sánh với các công bố khác làm tăng thêm độ tin

cậy cho kết quả của lời giải. Từ kết quả bài toán dao động tự nhiên và chuyển vị của

kết cấu giàn khoan phản ứng với tải trọng sóng biển (được mô tả như tải trọng có

chu kỳ) , cho thấy các đặc trưng động lực học này phụ thuộc nhiều vào mực nước

dằn trong thân giàn. Từ đó đưa ra các nhận xét về tính hiệu quả của việc sử dụng

nước dằn dùng để giảm chấn trong thiết kế và vận hành giàn khoan tự nâng.

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “ Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan tự

nâng chịu tác động của sóng biển có xét đến dao động của nước dằn” là bài nghiên

cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam

đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố

hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm, nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác

Tp.HCM, ngày 30 tháng 8 năm 2018.

Nguyễn Đức Minh

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ...........................................................................ii

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii

MỤC LỤC.................................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT......................................................................vi

DANH MỤC KÝ HIỆU ..........................................................................................vii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ CÁC ĐỒ THỊ ........................................................ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................x

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề:......................................................................................................1

1.2. Mục tiêu luận văn: ..........................................................................................3

1.3. Phương pháp nghiên cứu:...............................................................................3

1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:.................................................................4

1.5. Ý nghĩa của đề tài:..........................................................................................4

1.6. Cấu trúc luận văn:...........................................................................................4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN VÀ GIẢM CHẤN ..................6

2.1. Giới thiệu:.......................................................................................................6

2.2. Sơ lược kết cấu công trình ngoài khơi:...........................................................6

2.3. Cấu tạo giàn khoan tự nâng và nguyên lý hoạt động: ....................................8

2.3.1. Cấu tạo giàn khoan tự nâng: ................................................................8

2.3.2. Nguyên lý hoạt động:...........................................................................9

2.4. Giới thiệu giàn khoan tam đảo 05: ...............................................................11

2.5. Hệ giảm chấn chất lỏng: ...............................................................................14

2.5.1. Hệ giảm chấn bằng cột chất lỏng:......................................................14

2.5.2. Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng (TSD):........................................15

2.6. Ứng dụng của hệ giảm chấn chất lỏng trong thực tế:...................................16

2.7. Các nghiên cứu về hệ giảm chấn chất lỏng: ................................................21

2.8. Kết luận chương: ..........................................................................................26

v

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................27

3.1. Giới thiệu:.....................................................................................................27

3.2. Dao động của chất lỏng: ...............................................................................27

3.2.1. Lý thuyết sóng nông tuyến tính: ........................................................28

3.2.2. Tần số dao động riêng của chất lỏng: ................................................31

3.2.3. Phân loại sóng chất lỏng: ...................................................................33

3.3. Bài toán động lục học kết cấu giàn khoan:...................................................34

3.3.1. Tính toán phân tích tỉnh kết cấu:........................................................34

3.3.2. Phân tích động lực học:......................................................................35

3.3.3. Phân tích động lực học kết cấu giàn khoan có xét nước dằn:............36

3.4. Mô hình giàn khoan trong ansys: .................................................................36

3.5. Nước dằn trong giàn khoan: .........................................................................38

3.6. Tải trọng tác dụng lên giàn khoan: ...............................................................39

3.6.1. Tải trọng gió:......................................................................................39

3.6.2. Tải trọng sóng biển: ...........................................................................40

3.7. Phần mềm ansys: ..........................................................................................42

3.8. Kết luận chương: ..........................................................................................44

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ SỐ ..................................................................................45

4.1. Giới thiệu:.....................................................................................................45

4.2. Dao động của bể nước:.................................................................................45

4.3. Kiểm chứng mô hình kết cấu dàn khoan:.....................................................48

4.4. Ảnh hưởng của nước dằn đến tần số của giàn khoan:..................................56

4.5. Ảnh hưởng của nước dằn đến chuyển vị động của giàn: .............................63

4.6. Nhận xét:.......................................................................................................69

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................72

5.1. Kết luận: .......................................................................................................72

5.2. Hướng phát triển:..........................................................................................73

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................74

vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TLD Tuned Liquid Damper – Hệ giảm chấn chất lỏng

TMD Tuned Mass Damper – Hệ giảm chấn khối lượng

TLCD Tuned Liquid Column Damper – Hệ giảm chấn cột chất lỏng

TSD Tuned Sloshing Damper – Hệ giảm chấn bằng sóng chất lỏng

DTLCD Double Tuned Liquid Column Dampers – Hệ giảm chấn cộtchất lỏng

theo hai phương

FEM Finite Element Method - Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH Phương

pháp phần tử hữu hạn

ABS American Bureau of Shipping Cục đăng kiểm hàng hải Hoa Kỳ

SNAME The Society of Naval Architects and Marine Engineers Technical and

Research Program - Hiệp hội kỹ sư hàng hải Quốc tế

FSI Fluid Structure Interaction - Tương tác lưu chất và kết cấu

DAF Dynamic Amplification Factor - Hệ số động lực học

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU

Φ Hàm thế vận tốc

L Chiều dài sóng chất lỏng

H Chiều cao sóng chất lỏng

T Chu kỳ dao động của sóng chất lỏng

2a Chiều dài bể chứa

B Chiều rộng bể chứa

h Chiều cao chất lỏng trong bể chứa

Tần số góc của sóng chất lỏng

f Tần số của sóng chất lỏng

fi Thành phần lực quán tính trong công thức Morison

D

f

Phần lực cản trong công thức Morison

CM

Hệ số quán tính trong công thức Morison

CD

Hệ số cản trong công thức Morison

u Vận tốc phần tử chất lỏng trong công thức Morison

x a

Gia tốc phần tử chất lỏng trong công thức Morison