Đánh giá độ bền va đập của tấm kết cấu vỏ tàu composite bởi trọng vật rơi tự do

 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
13 
ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN VA ĐẬP CỦA TẤM KẾT CẤU VỎ TÀU 
COMPOSITE BỞI TRỌNG VẬT RƠI TỰ DO 
A DROP TEST GENERATION ON THE FRP HULL STRUCTURES 
Huỳnh Văn Vũ 
Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Nha Trang 
vuhv@ntu.edu.vn 
Tóm tắt: Bài báo công bố kết quả đánh giá độ bền va đập của tấm kết cấu vỏ tàu composite dưới 
tác dụng của trọng vật rơi tự do, tấm vỏ tàu composite được nghiên cứu ở cả hai dạng không có nẹp gia 
cường và có nẹp gia cường với hình dáng khác nhau. Kết quả nghiên cứu được thực hiện bằng phương 
pháp thực nghiệm trên thiết bị thí nghiệm đo va đập tại Khoa Kỹ thuật Giao thông – Trường Đại học 
Nha Trang, với kích thước tính toán của tấm composite là 600x600 mm, chiều cao khi bắt đầu rơi của 
trọng vật ở 0,5 và 1,0 m, trọng vật có khối lượng 42 kg và hình dạng lưỡi dao. Ngoài ra kết quả thực 
nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng Abaqus CAE qua chuyển vị tại hai điểm có giá trị lớn 
nhất. 
Từ khóa: tấm vỏ tàu composite, va đập, thực nghiệm, mô phỏng, độ bền, biến dạng. 
Chỉ số phân loại: 2.1 
Abstract: The paper publishes the results of drop test generation on the Fiberglass Reinforced 
Plastic (FRP) hull structures, the FRP structures were considered including the stiffened plate and 
unstiffened plate with several shapes of cross section. The experiment was conducted by the drop test 
equipment at the Faculty of Transportation Engineering – Nha Trang University, the plate dimension is 
600x600 mm, the struck high is 0.5 and 1.0 m, the gravity of struck is 42 kg with knife shape. The results 
will be comperated with Abaqus simulation at the largest displacement points. 
Keywords: The FRP hull structures, drop test, experiment, simulation, displacement. 
Classification number: 2.1 
1. Giới thiệu 
Va đập là hiện tượng thường xuyên gặp 
trong đời sống, va đập xảy ra khi một vật di 
chuyển có vận tốc và có tác động va chạm 
vào một vật khác [2], các va đập có thể là một 
cái búa và cái đinh, tay đấm vào bao cát hoặc 
là các tai nạn khi tham gia giao thông[3]. 
Trong lĩnh vực tàu thủy, nghiên cứu về va 
đập của kết cấu tàu luôn được quan tâm đặc 
biệt và có tầm quan trọng ảnh hưởng trực tiếp 
đến độ bền tàu. Các trường hợp tàu gặp tai 
nạn trên biển xảy ra như hai tàu đang lưu 
thông trên biển, hay bốc dỡ hàng hóa trên 
tàu đều rất nguy hiểm [4]. Do đó việc đánh 
giá, xác định được lực va đập tác dụng lên kết 
cấu tàu gây biến dạng có thể giúp tính toán, 
chế tạo được kết cấu tàu đạt độ bền tốt nhất. 
Va đập với nghiên cứu ở đây được gây 
ra bởi trọng vật rơi tư do, tác động vào tấm 
kết cấu, trọng vật có vận tốc ban đầu bằng 0, 
được rơi từ độ cao nhất định, va đập vào tấm 
kết cấu gây ra biến dạng. Kết quả nghiên cứu 
dạng này đối với các kết cấu tàu vỏ thép đã 
được công bố nhiều [5], đặc biệt được tổng 
hợp khá đầy đủ trong tài liệu của Paik [6]. 
Tuy nhiên đối với các kết cấu tàu vỏ 
composite thì chưa có nhiều nghiên cứu ở 
dạng va đập này được công bố. Chính vì vậy, 
bài báo này thực hiện nghiên cứu ứng xử của 
kết cấu tàu vỏ composite dưới tác dụng của 
sự va đập do tải trọng rơi tự do ở điều kiện 
thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm được so sánh 
với kết quả mô phỏng bằng phần mềm 
thương mại Abaqus CAE. Các mẫu thí 
nghiệm được chế tạo bằng tay, gồm một mẫu 
dạng kết cấu tấm phẳng không có nẹp gia 
cường (được ký hiệu là CSP), một mẫu dạng 
tấm có nẹp gia cường phẳng (CSP-FB), một 
mẫu tấm có nẹp gia cường dạng hộp (CSP-
UB) và một mẫu tấm kết cấu có nẹp gia 
cường dạng chữ L (CSP-LB). Chiều cao 
trọng vật khi rơi là 0,5 m và 1,0 m. Trọng vật 
có hình dạng lưỡi dao và khối lượng là 42 kg. 
2. Cơ sở lý thuyết 
Bài toán va đập của trọng vật rơi tự do 
lên tấm kết cấu tàu thủy được mô tả như hình 
1. Trọng vật có khối lượng m (kg), rơi tự do 
từ độ cao h (m) với vận tốc ban đầu bằng vo 
 14 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
= 0, va chạm vào tấm kết cấu bên dưới với 
động năng va đập w (kJ) được xác định [2]: 
w = mv2/2 (1) 
Trong đó v (m/s) là vận tốc của trọng vật 
tại thời điểm bắt đầu va chạm với tấm kết cấu, 
được xác định bằng: 
ghv 2 (2) 
Với g = 9,8 m/s2 là gia tốc trọng trường. 
Hình 1. Sơ đồ biểu diễn bài toán va đập do trọng 
 vật rơi tự do. 
3. Mô tả thí nghiệm va đập do rơi 
 tự do 
3.1. Giới thiệu về thiết bị thí nghiệm 
va đập 
Thiết bị thí nghiệm va đập do rơi tự do 
của trọng vật được chế tạo tại Khoa Kỹ thuật 
Giao thông – Trường Đại học Nha Trang 
(hình 2). Trọng vật được giữ bằng nam châm 
điện, được nâng lên độ cao h (hmax = 2,2 m). 
Từ độ cao này, khi ngắt điện của nam châm, 
trọng vật sẽ rơi tự do không vận tốc ban đầu, 
va đập vào mẫu thử (là tấm kết cấu) được cố 
định lên bệ bên dưới thiết bị (kích thước lớn 
nhất của bệ là 760x760 mm, khu vực trống 
không có gia cường để xét ảnh hưởng của sự 
va đập có kích thước lớn nhất là 600x600 
mm). 
Hình 2. Thiết bị thí nghiệm va đập. 
Trong nghiên cứu này, trọng vật được 
chọn có hình dạng lưỡi dao, kích thước như 
trình bày ở hình 3, khối lượng của trọng vật 
cân được là m = 42 kg. 
Hình 3. Hình dáng và kích thước của trọng vật. 
3.2. Mẫu thí nghiệm 
Mẫu thí nghiệm là các tấm kết cấu tàu vỏ 
composite thu nhỏ, có kích thước toàn bộ là 
760x760 mm, kích thước vùng chịu ảnh 
hưởng của hiện tượng va đập là 600x600 mm 
(hình 4), đây là kích thước lớn nhất của bệ 
gắn mẫu trên thiết bị thí nghiệm va đập). Kết 
cấu của tấm là dạng không có nẹp gia cường, 
nẹp gia cường phẳng, nẹp gia cường L và nẹp 
gia cường hộp như trình bày trong hình 5. 
Bảng 1. Thông số cơ bản của tấm Mat. 
Tỷ trọng E1 E2 12 G12 G13 G23 
2,65E-9 4400 4400 0,34 1640 1640 1640 
Mẫu kết cấu composite được làm 4 lớp, 
độ dày dMat 350 = 0,65 mm, dVải 330 = 0,76 mm. 
Thông số vật liệu được thể hiện ở bảng 1 và 
2 [7]. 
Bảng 2. Thông số cơ bản của tấm vải. 
Tỷ 
trọng 
E1 E2 12 G12 G13 G23 
2,5E-9 22100 3800 0,2 13800 13800 5500 
Hình 4. Kích thước của tấm kết cấu composite. 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
15 
Hình 5. Kích thước mặt cắt ngang của tấm kết cấu 
composite có nẹp gia cường. 
3.3. Mô tả thí nghiệm 
 Cố định tấm kết cấu vào bệ bằng bulong 
M16 (hình 6), các gờ gia cường được chế tạo 
từ thép AH32 hình chữ I (150x5/100x10 
mm), các sườn gia cường với bệ thí nghiệm 
được cố định bằng phương pháp hàn đảm bảo 
độ đồng tâm giữa bệ và giá đỡ, điều này làm 
thiết bị dễ hiệu chỉnh cân bằng trước khi lắp 
đặt thí nghiệm. Trong quá trình gắn tấm kết 
cấu phải đảm bảo không tạo ra biến dạng nào 
do việc xiết bulong gây nên, tránh làm mờ 
các đường lưới chia vì đây là cơ sở để đo giá 
trị biến dạng của tấm sau khi quá trình va đập 
kết thúc. 
Hình 6. Cố định tấm kết cấu vào bệ. 
 Căn chỉnh trọng vật (hình 7). Sử dụng 
nam châm điện nâng trọng vật lên độ cao h 
nhất định (như bảng 3, việc lựa chọn chiều 
cao rơi là 0,5m và 1,0m là ngẫu nhiên, có thể 
lựa chọn chiều cao rơi tùy ý với điều kiện duy 
nhất là nhỏ hơn 2,2m vì đó là chiều cao lớn 
nhất mà thiết bị thí nghiệm này nâng được), 
việc căn chỉnh được tiến hành sao cho hai đầu 
tiếp xúc của trọng vật đạt được độ cao cần 
thiết, cố định theo các hướng, sử dụng con 
dọi để căn chỉnh vị trí rơi. 
Hình 7. Căn chỉnh trọng vật. 
 Thả trọng vật (hình 8). Ngắt điện của 
nam châm, trọng vật rơi tự do va đập vào tấm 
kết cấu. Lưu ý đứng sau tấm lưới bảo vệ để 
đảm bảo an toàn. 
 Đo và ghi nhận giá trị biến dạng theo 
chiều cao tại các vị trí nút lưới chia bằng đồng 
hồ so (hình 9). Việc đo được thực hiện với 
đồng hồ so Mitutoyo, với thông số độ chia: 
0,01 mm, phạm vi đo: 0 – 10 mm, sai số: ±13 
μm. Để đảm bảo độ chính xác, trước khi đo 
kiểm tra bề mặt chuẩn của phần giá đặt đồng 
hồ so được tiến hành với thước thủy bình để 
đảm bảo giá đo phẳng và không nghiêng. 
Chọn gốc chuẩn ở mép dưới, góc phải của 
tấm kết cấu nơi gần với sườn gia cường nhất, 
và việc đo được tiến hành liên tục với gốc 
chuẩn đã chọn để đảm bảo sai số khi đo là ít 
nhất. 
Hình 8. Thả trọng vật rơi tự do. 
 16 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
Hình 9. Đo biến dạng của tấm kết cấu tại các nút 
lưới chia bằng đồng hồ so. 
4. Kết quả thí nghiệm 
Thông số của các lượt thí nghiệm được 
trình bày ở bảng 3. 
Bảng 3. Thông số của các lượt thí nghiệm. 
Tên mẫu 
Chiều 
cao rơi h, 
[m] 
Vận tốc va 
đập v, [m/s] 
Động năng 
va đập w, 
[kJ] 
CSP 0,5 3,130 205,7 
CSP-FB 1,0 4,227 375,2 
CSP-UB 1,0 4,227 375,2 
CSP-LB 1,0 4,227 375,2 
Một số nhận xét đối với kết quả thí 
nghiệm: 
Kết quả thí nghiệm cho thấy tại hai vị trí 
mép ngoài cùng của trọng vật khi tiếp xúc với 
tấm kết cấu có biến dạng lớn nhất (như hai 
điểm được khoanh tròn ở hình 10), giá trị 
biến dạng tại hai điểm này được thể hiện ở 
bảng 4. 
Hình 10. Vị trí tiếp xúc của trọng vật lên tấm kết cấu 
và hai vị trí đo biến dạng (hình khoanh tròn) 
Bảng 4. Giá trị biến dạng của tấm kết cấu 
sau khi bị va đập 
Tên mẫu 
 Biến dạng 
Tại điểm 1 
U1, [mm] 
Tại điểm 2 
U2, [mm] 
Giá trị 
trung bình, 
[mm] 
CSP 13,0 13,7 13,35 
CSP-FB 8,80 8,89 8,845 
CSP-UB 8,52 8,65 8,585 
CSP-LB 11,60 11,65 11,625 
Các tấm kết cấu có độ võng đều ở nhịp 
giữa, và các nẹp gia cường bị ảnh hưởng bởi 
lực va đập của trọng vật nên có các vết nứt, 
gãy tại nhịp giữa của tấm kết cấu. 
Đối với tấm kết cấu CSP-FB, bị biến 
dạng tương đối lớn khi các nẹp đứng không 
chịu được lực tác dụng từ trọng vật và bị rách 
phần mối nối giữa nẹp gia cường và tấm 
phẳng của kết cấu. 
Đối với tấm kết cấu CSP-UB, bị biến 
dạng ít nhất so với hai tấm kết cấu có gắn nẹp 
đứng và nẹp chữ L. Trọng vật tác dụng lên 
tấm kết cấu làm xuất hiện độ võng ở các nẹp 
gia cường, nhưng sau khi cắt bỏ nẹp gia 
cường thì thấy xuất hiện gân gỗ bị gãy ở nhịp 
giữa của tấm kết cấu. Từ đó có thể cho thấy 
do độ cứng vững của gỗ đã làm giảm đi lực 
tác dụng của trọng vật lên tấm kết cấu và 
giảm độ biến dạng của tấm kết cấu. 
Đối với tấm kết cấu CSP-LB, bị biến 
dạng lớn, các nẹp chữ L bị gãy ở nhịp giữa 
của tấm kết cấu. Xuất hiện một nẹp chữ L bị 
gãy ở ngoài khu vực nhịp giữa, có thể nguyên 
nhân do trong khi chế tạo độ dày của nẹp 
không được đồng đều nên ảnh hưởng đến lực 
tác dụng của trọng vật. 
5. Kết quả mô phỏng 
Nghiên cứu này sử dụng phần mềm 
thương mại Abaqus CAE [1] để mô phỏng 
quá trình va đập của trọng vật lên tấm kết cấu 
với các thông số đầu vào như thí nghiệm đã 
trình bày. Điều kiện biên của bài toán là fixed 
(U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0) tất 
cả các cạnh của tấm. Mô hình tính toán của 
bài toán mô phỏng được thể hiện ở hình 11. 
Hình 11. Mô hình tính toán của bài toán mô phỏng 
trong Abaqus 
Kết quả mô phỏng được so sánh với kết 
quả thí nghiệm bằng hình ảnh của tấm kết cấu 
sau khi bị va đập và giá trị biến dạng tại hai 
điểm mép ngoài cùng của trọng vật khi tiếp 
xúc với tấm kết cấu (từ hình 12 đến hình 15). 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 32-05/2019 
17 
U1 = 8,8 
mm, 
U2 = 8,89 
mm 
UMP-FB = 9,2 
 mm 
Hình 13. Tấm có nẹp gia cường phẳng, CSP-FB. 
U1= 8,65 
mm, 
U2= 8,52 
mm 
UMP-FB = 9,18 
 mm 
Hình 14. Tấm có nẹp gia cường hộp, CSP-UB. 
U1 = 11,65 
mm, 
 U2 = 11,6 
mm 
UMP-UB = 12,34 
 mm 
Hình 15. Tấm có nẹp gia cường chữ L, CSP-LB. 
Kết quả biến dạng tại hai điểm mép 
ngoài cùng của trọng vật giữa mô phỏng và 
thí nghiệm được tổng hợp ở bảng 5. 
Kết quả mô phỏng tất cả các tấm kết cấu 
đều có biến dạng, đều ở hai đầu vị trí tiếp xúc 
của trọng vật và ở đây cũng chịu lực tác dụng 
lớn nhất. Tuy nhiên hình dạng mô phỏng của 
tấm kết cấu không chính xác như thí nghiệm. 
Điều này là do dữ liệu về thuộc tính vật 
liệu composite của mô phỏng và thí nghiệm 
chưa giống nhau, các điều kiện ngẫu nhiên 
trong quá trình chế tạo mẫu và thí nghiệm 
chưa được đưa trọn vẹn vào bài toán mô 
phỏng. Nhưng rõ ràng kết quả mô phỏng đã 
thể hiện được bản chất của quá trình va đập, 
điều này giúp thực hiện được nhiều kết quả 
đánh giá độ bền va đập của tấm kết cấu tàu 
vỏ composite dựa trên mô phỏng mà không 
cần phải thí nghiệm mất nhiều thời gian và 
kinh phí. 
 18 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 32, May 2019 
Bảng 5. Giá trị biến dạng của tấm kết cấu sau khi bị 
va đập tại hai điểm đang xét. 
Tên mẫu 
 Biến dạng 
Thí 
nghiệm, 
[mm] 
Mô phỏng, 
[mm] 
Sai số, 
[%] 
CSP 
13,0 12,34 5,1 
13,7 12,34 9,9 
CSP-FB 
8,80 9,2 4,5 
8,89 9,2 3,0 
CSP-UB 
8,65 9,18 6,1 
8,50 9,18 7,7 
CSP-LB 
11,65 12,34 5,9 
11,60 12,34 6,0 
6. Kết luận 
Bài báo đã nghiên cứu độ bền của bốn 
dạng tấm kết cấu tàu vỏ composite dưới tác 
dụng va đập do rơi tự do của trọng vật ở độ 
cao khác nhau trong điều kiện thí nghiệm. 
Kết quả thí nghiệm cho biến dạng lớn nhất 
xảy ra tại hai điểm mép ngoài cùng của trọng 
vật tiếp xúc với tấm kết cấu khi va đập, nghĩa 
là động năng va đập tại vị trí này là lớn nhất. 
Ngoài ra, nghiên cứu cũng cho thấy độ bền 
va đập của tấm kết cấu không có nẹp gia 
cường là thấp nhất, của tấm kết cấu có nẹp 
gia cường dạng hộp là cao nhất, như vậy rõ 
ràng độ bền của tấm kết cấu được quyết định 
bởi hình dạng và kích thước của nẹp gia 
cường. Đồng thời nghiên cứu cũng đã mô 
phỏng được kết quả thí nghiệm va đập này 
bằng phần mềm Abaqus, điều này giúp các 
nguyên cứu về sau có được nhiều kết quả về 
quá trình va đập do trọng vật rơi tự do lên tấm 
kết cấu tàu vỏ composite mà không cần phải 
thí nghiệm mất nhiều thời gian và kinh phí 
Tài liệu tham khảo 
[1] Abaqus CAE 2010 Manual 
[2] Hayashi, T. & Tanaka, Y. (1988). Impact 
Engineering. Nikkan Kogyo Simbunsha, Tokyo. 
[3] Johnson, W. (1972). Impact strength of materials. 
Edward Arnold, London and Crane Rissak, New 
York. 
[4] Jones, N. (1997). Structural Impact. Paperback 
Edition, Cambridge University Press. 
[5] Paik, J.K. & Chung, J.Y. (1999). A basic study on 
static and dynamic crushing behavior of a 
stiffened tube. KSAE Transactions. 
[6] Paik, J.K. (2003). Ultimate Limit State Design of 
Steel-plated Structures. Impact mechanics and 
Design for Accidents. Wiley Publisher. 
[7] Young W. Kwon & David H. Allen (2008). 
Multiscale Modeling and Simulation of 
Composite Materials and Structures. 
 Ngày nhận bài: 8/4/2019 
 Ngày chuyển phản biện: 11/4/2019 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 2/5/2019 
 Ngày chấp nhận đăng: 9/5/2019