Nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu đáy của tàu pha sông biển chịu tải trọng phức tạp

46
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
NGHIÊN CỨU SỨC BỀN GIỚI HẠN KẾT CẤU ĐÁY CỦA 
TÀU PHA SÔNG BIỂN CHỊU TẢI TRỌNG PHỨC TẠP 
STUDY ON ULTIMATE STRENGTH OF THE BOTTOM 
STRUCTURE OF A RIVER-SEA SHIP UNDER COMBINED LOAD
Vũ Văn Tản, Vũ Hoa Kỳ, Nguyễn Thị Khánh
Email: vutannnn@gmail.com 
Trường Đại học Sao Đỏ 
Ngày nhận bài: 8/3/2018 
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 27/3/2018 
Ngày chấp nhận đăng: 28/3/2018
Tóm tắt 
Kết cấu thân tàu là hệ thống kết cấu không gian ba chiều phức tạp gồm hệ thống tấm liên kết với các 
hệ thống thanh gia cường. Trong phân tích, thiết kế kết cấu tàu, phân tích sức bền giới hạn có ý nghĩa 
rất quan trọng để đánh giá điều kiện an toàn của kết cấu khi làm việc. Trong bài báo này, nhóm tác giả 
dùng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân tích sức bền giới hạn của khung dàn đáy của 
kết cấu tàu chạy tuyến pha sông biển dưới tác dụng của tải trọng phức tạp. Kết quả tính toán sức bền 
giới hạn của kết cấu đáy đã xây dựng được mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của kết cấu làm cơ 
sở để tính toán, thiết kế kết cấu tàu.
Từ khóa: Kết cấu tàu; phần tử hữu hạn; tải trọng phức tạp; sức bền giới hạn.
Abstract 
The ship hull structure is three-dimensional structure with consist of steel plates, stiffened panels system. 
In analysis and design of ship structure, the ultimate strength analysis is a very importand part of ship 
structural analyses to assess the safe condition of the structure. In present paper, the nonlinear finite 
element method to calculate ultimate strength of bottom structure of a river-sea ship under combine 
load. From the results of bottom structure model analyses, it is shown that the relationship between load 
and deformation of ship structural basis for calculation and design of river-sea ship structural
Keywords: Ship structure; finite element; combined load; ultimate strength.
1. GIỚI THIỆU
Thân tàu có kết cấu phức tạp, kết cấu thân tàu 
được cấu thành bởi hệ thống tấm phủ lên hệ 
thống thanh gia cường [1]. Tính toán thiết kế kết 
cấu thân tàu, phân tích sức bền giới hạn là nhiệm 
vụ không thể thiếu để đánh giá điều kiện làm việc 
an toàn của kết cấu. 
Kết cấu tấm có thanh gia cường là hệ thống cơ 
bản trong kết cấu thân tàu như kết cấu đáy, kết 
cấu mạn, kết cấu boong Do đó, phân tích sức 
bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh gia cường 
có ý nghĩa quan trọng trong tính toán sức bền giới 
hạn của thân tàu.
Trong những năm gần đây, sức bền giới hạn của 
hệ thống tấm có thanh gia cường của kết cấu 
thân tàu cũng được nhiều tác giả quan tâm. Beom 
Seon Jang cùng nhóm tác giả [2] đã phân tích 
sức bền giới hạn của kết cấu tàu theo quy phạm. 
Các quy phạm được nhóm tác giả áp dụng là quy 
phạm DNV, IACS.
Park và nhóm tác giả [3, 4] đã nghiên cứu, đánh 
giá về sức bền giới hạn của kết cấu tấm, tấm có 
thanh gia cường. Mô hình tính toán là kết cấu đáy 
ngoài của tàu dầu tải trọng 100000 tấn. Xây dựng 
mối quan hệ giữa giá trị tải trọng và biến dạng của 
kết cấu.
Tác giả Shi Gui Jie [5] đã xây dựng một mô 
hình dầm hộp để tính sức bền giới hạn của mô 
hình dưới tác dụng của tải trọng phức tạp bằng 
phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến và dự 
đoán những vết nứt gãy tại các vị trí nguy hiểm.
Năm 2018, Bin Yanga, Jia-meng Wu [7] cùng 
nhóm tác giả đã nghiên cứu sức bền giới hạn 
của kết cấu đáy dưới tác dụng của tải trọng dọc, 
ngang, áp lực nước và lực. Nhóm tác giả đã dùng 
phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến để phân 
tích tính phi tuyến của tải trọng tác dụng lên hệ 
thống kết cấu. Tính toán sức bền giới hạn của kết 
cấu và so sánh với kết quả thực nghiệm.
Đối tượng nghiên cứu trong bài báo này là hệ 
thống khung dàn đáy của kết cấu tàu hàng khô 
chạy tuyến pha sông biển. Chiều dài lớn nhất của 
tàu 130 m. Dựa trên các kết quả tính toán sức bền 
giới hạn của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng 
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 47
bên và áp lực nước, tác giả xây dựng các đồ thị 
liên hệ giữa tải trọng và sức bền giới hạn của kết 
cấu làm cơ sở để tính toán thiết kế kết cấu tàu 
đảm bảo an toàn trong quá trình làm việc.
2. PHÂN TÍCH SỨC BỀN GIỚI HẠN CỦA KẾT 
CẤU ĐÁY BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ 
HỮU HẠN PHI TUYẾN
2.1. Kích thước và tính chất vật liệu của mô 
hình tính
Bài báo nghiên cứu kết cấu khung dàn đáy của 
con tàu chạy tuyến pha sông biển có chiều dài 
lớn nhất là 130 m. Kết cấu mặt cắt ngang thân tàu 
được thể hiện trên hình 1. Khoảng cách các nẹp 
dọc của kết cấu đáy là 650 mm. Khoảng cách hai 
sống dọc là 2600 mm, khoảng cách sườn khỏe là 
2800 mm, kích thước và tính chất vật liệu được 
thể hiện trên bảng 1.
Hình 1. Mặt cắt ngang giữa tàu
Bảng 1. Kích thước và tính chất vật liệu của 
mô hình
STT Tên gọi
Ký 
hiệu
Kích thước
1 Chiều dài tấm a 2800 mm
2 Chiều rộng tấm b 2600 mm
3 Chiều dày tấm c 11 mm
4
Chiều cao bản bụng 
thanh gia cường
hw 250 mm
5 Chiều dày bản bụng tw 10 mm
6
Chiều rộng bản cánh 
thanh gia cường
bf 80 mm
7
Khoảng cách các 
nẹp dọc
S 650 mm
8 Chiều dày bản cánh tf 12 mm
9
Khoảng cách các 
thanh gia cường
S 650
10 Modul đàn hồi E 2,06e5 N/mm2
11 Hế số Poisson µ 0,3
12
Ứng suất giới hạn 
của vật liệu tấm
sy1 355 MPa
13
Ứng suất giới hạn 
của vật liệu thanh gia 
cường
sy2 235 MPa
2.2. Điều kiện ban đầu
Trong nghiên cứu này, những điều kiện về độ lệch 
ban đầu của tấm được xem xét. Độ lệch ban đầu 
của mô hình được giả thiết theo công thức kinh 
nghiệm của tác giả Park [3].
.005.0
2000
bbW p == , 05b 
(1)
trong đó: W0
P: độ lệch ban đầu của tấm; b: khoảng 
cách giữa các nẹp gia cường (b = 650 mm).
Hình 2. Độ lệch ban đầu của kết cấu tấm 
có thanh gia cường
.001.0
100000
aaWW SC ===
,001a (2)
trong đó: W0
C: độ lệch ban đầu của các nẹp gia 
cường theo hướng thẳng đứng; W0
S: độ lệch ban 
đầu của nẹp gia cường theo phương ngang; a: 
chiều dài nẹp gia cường (a = 2800 mm). Độ lệch 
ban đầu của tấm và thanh gia cường được thể 
hiện trên hình 2.
2.3. Mô hình phần tử hữu hạn
Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn để 
phân tích. Nhóm tác giả dùng phần mềm FEM 
Abaqus để phân tích, tính toán. Trong bài báo này, 
phần tử tấm S4R trong phần mềm FEA Abaqus 
được sử dụng đối với phần tử tấm và phần tử 
thanh gia cường [1, 3, 4] (hình 2).
Kích thước phần tử hữu hạn của mô hình là 
70 mm x 65 mm, trong đó giữa hai nẹp dọc là 10 
đơn vị phần tử, bản thành của thanh gia cường 
được chia làm 6 đơn vị phần tử, bản mặt 4 đơn vị 
phần tử. Hệ trục toạ độ OXYZ được thể hiện trên 
hình 3.
Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn của kết cấu
48
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
2.3. Điều kiện biên
Để thiết lập điều kiện ràng buộc cho các điểm của 
mô hình, trên phần mềm Abaqus ban đầu ta thiết 
lập một nút chính trên 4 cạnh của mô hình. Nút 
chính sau đó được thiết lập quan hệ ràng buộc với 
các nút khác của cạnh [6]. Chuyển vị của tất cả 
các nút trên mỗi cạnh được xác định bằng chuyển 
vị của nút chính. Cụ thể điều kiện biên đối với mô 
hình nghiên cứu được thiết lập như sau:
Hình 4. Phạm vi mô hình nghiên cứu
- Cạnh AC hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương 
X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Y và Z. 
- Cạnh BD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương 
Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z. 
- Cạnh AB hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương 
X, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục X và Z. 
- Cạnh CD hạn chế chuyển vị tịnh tiến theo phương 
Y, Z và hạn chế chuyển vị quay theo trục Z. 
- Tại sườn ngang EF, MN hạn chế chuyển động 
theo phương Z, các điểm trên thanh gia cường 
hạn chế chuyển động theo phương Y.
- Để đảm bảo cho kết cấu thêm độ cứng, độ ổn 
định ta thiết lập điểm G tại trọng tâm của tấm, 
và tấm được hạn chế chuyển động tịnh tiến theo 
phương Z.
2.4. Tải trọng
Tải trọng tác dụng lên thân tàu thường là những 
tải trọng phức tạp bao gồm: tải trọng hàng hóa, 
tải trọng sóng, gió, áp lực nước Do vậy, trong 
bài báo này tải trọng được nhóm tác giả đưa vào 
phân tích là tải trọng dọc, tải trọng ngang và áp lực 
nước tác dụng lên kết cấu. Áp lực nước được tính 
trong hai trường hợp là P = 0 và P = 0,124 MPa.
2.5. Phân tích kết quả tính toán
Để tính toán sức bền giới hạn của tấm có thanh 
gia cường dưới tác dụng của tải trọng kết hợp. 
Tỷ lệ tải trọng tác dụng theo các hướng được xét 
trong các trường hợp sau: Fx:Fy = 10:0; 9:1; 8:2; 
7:3: 6:4; 5:5; 4:6; 3:7; 2:8; 1:9; 0:10. 
Fx, Fy lần lượt là hai thành phần lực tác dụng theo 
hai hướng X và Y. 
Đối với trường hợp xét đến áp lực nước, nhóm tác 
giả cũng đi phân tích đối với tất cả các trường hợp 
tỷ lệ tải trọng trên.
Kết quả tính toán một số trường hợp được thể 
hiện trên hình 5.
Hình 5. Cột đồ thị bên trái: Đồ thị liên hệ giữa 
ứng suất - biến dạng theo phương X đối với các 
trường hợp tỷ lệ tải trọng khác nhau; Cột đồ thị 
bên phải: Đồ thị liên hệ giữa ứng suất - biến 
dạng theo phương Y đối với các trường hợp tỷ lệ 
tải trọng khác nhau
LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018 49
Trên hình 5 là đồ thị kết quả thể hiện mối quan hệ 
giữa ứng suất và biến dạng trong các điều kiện tải 
trọng khác nhau. Các kết quả tính toán cho các 
trường hợp được thể hiện cụ thể trong bảng 2. 
Bảng 2. Kết quả tính toán ứng suất giới hạn cho các trường hợp tải trọng
Fx:Fy
σx (MPa) σy (MPa)
P = 0 P = 0,124 MPa So sánh P = 0 P = 0,124 MPa So sánh
10:0 227,70 204,42 -10,23% 0,00 0,00 0%
9:1 225,15 199,94 -11,20% 25,02 22,22 -11,20%
8:2 213,32 192,90 -9,57% 53,33 48,23 -9,57%
7:3 202,38 175,00 -13,53% 86,74 75,00 -13,53%
6:4 185,81 141,10 -24,06% 123,87 94,07 -24,06%
5:5 165,22 95,53 -42,18% 165,22 95,53 -42,18%
4:6 109,70 66,92 -39,00% 164,55 100,38 -39,00%
3:7 54,80 42,16 -23,07% 127,86 98,37 -23,07%
2:8 32,37 24,43 -24,54% 129,48 97,71 -24,54%
1:9 12,36 11,06 -10,49% 111,25 99,58 -10,49%
0:10 0,00 0,00 0% 111,39 98,82 -11,28%
Từ bảng 2 xây dựng được đồ thị thể hiện mối liên 
hệ giữa ứng suất giới hạn theo trục X và ứng suất 
giới hạn theo trục Y theo các tỷ lệ tải trọng khác 
nhau như trên hình 6.
(a) (b)
Hình 6. Đường cong mối quan hệ ứng suất giới hạn trong các điều kiện tải trọng khác nhau.
a) Sức bền giới hạn dọc; b) Sức bền giới hạn ngang
Trong trường hợp có xét đến áp lực nước, rõ 
ràng ảnh hưởng của áp lực nước đến biến 
dạng cũng như sức bền giới hạn của kết 
cấu (6a; 6b). Áp lực nước làm giảm giá trị 
sức bền giới hạn của kết cấu tấm có thanh 
gia cường.
50
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 1(60).2018
Hình 7. Phân bố ứng suất trong kết cấu (Fx:Fy = 6:4)
Khi tỷ lệ tải trọng Fx:Fy = 5:5 thì sự ảnh hưởng 
của áp lực nước đến giá trị sức bền giới hạn của 
kết cấu lớn nhất so với trường hợp không có áp 
lực nước (42,18%). Trong trường hợp tỷ lệ tải 
trọng Fx:Fy < 6:4, giá trị ứng suất giới hạn σy thay 
đổi nhỏ hơn so với các trường hợp còn lại (hình 
6b). Biến dạng và sự phân bố ứng suất trong kết 
cấu tấm có thanh gia cường trong trường hợp 
Fx:Fy = 6:4 được thể hiện trên hình 7.
3. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, tác giả đã tính toán, phân tích 
sức bền giới hạn của mô hình tấm có thanh gia 
cường của kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô 
chạy tuyến pha sông biển. Thông qua các kết quả 
nghiên cứu có thể đưa ra các kết luận sau:
- Bài báo dùng phương pháp phần tử hữu hạn 
phi tuyến để tính toán sức bền giới hạn cho mô 
hình kết cấu khung dàn đáy tàu hàng khô. Nghiên 
cứu xét điều kiện biến dạng ban đầu theo công 
thức thực nghiệm, nghiên cứu nhiều trường hợp 
tải trọng khác nhau, áp lực nước như trường 
hợp kết cấu làm việc trong môi trường thực tế. 
Xây dựng được mối quan hệ giữa tải trọng tác 
dụng, áp lực nước với giá trị ứng suất giới hạn của 
kết cấu.
- Kết quả nghiên cứu sức bền giới hạn của kết cấu 
tấm có thanh gia cường có ý nghĩa quan trọng để 
đánh giá sức bền thân tàu, làm cơ sở cho việc thiết 
kế kết cấu tàu đảm bảo độ bền, độ cứng và độ ổn 
định trong quá trình làm việc. Kết quả nghiên cứu 
góp phần đưa ra những lựa chọn tối ưu đối với 
việc lựa chọn quy cách và kích thước kết cấu khi 
thiết kế kết cấu tàu.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. IACS (2012). Common Structural Rules for Bulk 
Carriers. [S].
[2]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for 
ultimate limit state assessment of ships and 
ship-shaped offshore structures: Part II 
stiffened panels [J]. Ocean Engineering, 35(2): 
271-280.
[3]. Paik J K, Kim B J, Seo J K (2008). Methods for 
ultimate limit state assessment of ships and 
ship-shaped offshore structures: Part III 
hull girders [J]. Ocean Engineering, 35(2): 
281-286.
[4]. Shi, G.j and Wang D, Y (2012). Residual ultimate 
strength of open box girders with cracked damage. 
Ocean Engineering, 43, pp.90-101.
[5]. Shi, G. J and Wang D, Y (2012). Residual ultimate 
strength of cracked box girders under torsional 
loading. Ocean Engineering, 43, pp.102-112.
[6]. Liu Bin, Wu Weiguo (2013). Standardized nonlinear 
finite element analysys of the ultimate strength 
of bulk carriers. Journal of Wuhan University of 
Technology Transportation Science.
[7]. Bin Yang, Jia-meng Wu, C. Guedes Soares (2018). 
Dynamic ultimate strength of outer bottom stiffened 
plates under in-plane compression and lateral 
pressure. Ocean Engineering, 157 , pp. 44-53.