Thạc Sĩ Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm bằng vật liệu Composite

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Nghiên cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm bằng vật liệu Composite

Trên cơ sở đó, nội dung đề tài gồm các phần sau :
Chương 1 : Đặt vấn đề.
Chương 2 : Phân tích độ bền kết cấu vỏ tàu Composite.
Chương 3 : ứng dụng kết quả nghiên cứu để giải quyết bài toán thực tế.
Chương 4 : Thảo luận kết quả nghiên cứu và đề xuất ý kiến.

CHƯƠNG 1
ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Trong những năm gần đây, vật liệu Composite đã được sử dụng phổ biến
ở nước ta để đóng mới các loại tàu nói chung và tàu đánh cá nói riêng. Do có
nhiều ưu điểm như nhẹ, bền, có khả năng chống thấm, chịu được nhiệt và nước
biển nên loại vật liệu này đáp ứng khá tốt yêu cầu về độ bền kết cấu thân tàu
khi khai thác. Tuy nhiên, do được tính theo công thức Quy phạm nên kết cấu của
đa số các tàu Composite ở nước ta hiện nay thường có xu hướng dư bền, dẫn đến
làm tăng giá thành đóng mới và ảnh hưởng không tốt đến tính năng tàu.
Do đó, một trong những vấn đề đang được quan tâm là bài toán đánh giá
độ bền kết cấu thân tàu, nhất là phần vỏ tàu, vì đây là bộ phận kết cấu quan
trọng có ảnh hưởng lớn đến trọng lượng và tính năng hàng hải của tàu, với mục
đích lựa chọn hợp lý kích thước kết cấu trên cơ sở đảm bảo độ bền với trọng
lượng là nhỏ nhất.
So với các vật liệu kim loại dùng đóng tàu có tính đẳng hướng và đồng
nhất, cùng với phương pháp tính toán độ bền kết cấu thân tàu đã được quan tâm
nghiên cứu kỹ, Composite thuộc vật liệu phi kim loại có tính chất bất đẳng
hướng và không đồng nhất nên phương pháp tính độ bền kết cấu tàu nói chung
và kết cấu vỏ tàu Composite nói riêng có nhiều điểm khác biệt về mô hình tính,
phương pháp giải, sự phân bố ứng suất v v . Đó là lý do đề xuất đề tài “Nghiên
cứu đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu đánh cá làm bằng vật liệu Composite”.
Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần làm cơ sở để xây dựng phương
pháp tính toán và đánh giá độ bền kết cấu vỏ các loại tàu nói chung và tàu đánh
cá chế tạo bằng vật liệu Composite nói riêng. Từ đó, góp phần giải quyết một số
bài toán hiện vẫn còn tồn tại như: thiết kế kết cấu hợp lý tàu Composite trên cơ
sở vừa đảm bảo độ bền vừa tiết kiệm được vật liệu, bước đầu đánh giá việc áp
dụng các công thức của Quy phạm khi tính toán kết cấu các tàu Composite ở
nước ta hiện nay v v
1.2. VẬT LIỆU COMPOSITE
Trong phần này sẽ trình bày những vấn đề liên quan đến vật liệu
Composite, phương pháp tính tấm Composite tổng quát, cơ sở để tính tấm vỏ tàu
Composite.
1.2.1. Khái niệm, phân loại, ưu nhược điểm
1. Khái niệm
Vật liệu Composite là vật liệu được chế tạo từ hai hay nhiều thành phần
khác nhau và vật liệu tạo thành có đặc tính trội hơn đặc tính của từng vật liệu
thành phần khi xét riêng rẽ.
Composite gồmít nhất hai thành phần được giới hạn bởi các mặt phân
cách riêng biệt. Thành phần liên tục trong Composite được gọi là nền (matrix).
Theo quan điểm thông thường, các đặc tính của nền được cải thiện nhờ sự phối
hợp với thành phần khác để tạo nên vật liệu Composite. Composite có thể có
nền gốm, kim loại hoặc Polymer. Cơ tính của ba loại nền này khác nhau đáng
kể. Các Polymer : bền và môđun đàn hồi thấp; gốm : cứng vững và dòn; kim loại
: bền và môđun đàn hồi trung tính, có tính dễ kéo sợi. Thành phần thứ hai được
7
gọi là cốt (reinfort), có tác dụng làm tăng cơ tính cho vật liệu nền. Thông
thường, cốt cứng hơn và có độ cứng vững cao hơn vật liệu nền. Đặc trưng hình
học của chất gia cường là một trong những thông số chính để xác định tính hiệu
quả của vật liệu gia cường. Nói cách khác, cơ tính của vật liệu Composite là một
hàm của hình dáng và kích thước sợi của vật liệu gia cường. Vật liệu gia cường
thường ở dạng sợi hay hạt.
2. Phân loại
Vật liệu Composite được phân loại theo hình dạng và theo bản chất của
các vật liệu thành phần.
-Theo bản chất vật liệu thành phần : gồm một số dạng sau
+ Composite nền kim loại (hợp kim nhôm, hợp kim Titan).
+ Composite nền khoáng (gốm).
+ Composite nền Polymer (nhựa, cao su ).
-Theo hình dáng vật liệu cốt
Chất gia cường dạng hạt có kích thước xấp xỉ nhau theo mọi hướng. Dạng
của hạt gia cường có thể là cầu, khối hay bất cứ dạng nào khác. Sự sắp xếp các
hạt gia cường có thể là ngẫu nhiên hay theo một hướng định trước. Đa số vật liệu
Composite cốt hạt, hướng của hạt là ngẫu nhiên.
Vật liệu gia cường dạng sợi đặc trưng bởi tỷ lệ giữa chiều dài sợi và diện
tích mặt cắt ngang. Tuy nhiên, tỷ số này (được gọi là tỷ số bề mặt) có thể biến
đổi đáng kể. Vật liệu Composite có lớp sợi dài với tỷ số bề mặtcao được gọi là
Composite có sợi gia cường liên tục, ngược lại Composite sợi không liên tục
được chế tạo từ các sợi ngắn với tỷ số bề mặt thấp. Hướng thường gặp trong
Composite sợi liên tục là dạng đồng phương và hai hướng vuông góc. Dạng hạt,
sợi và hướng sắp xếp được thể hiện trên hình 1.1.


Composite nhiều lớp là thuật ngữ khác của Composite cốt sợi. Loại này
thường ở dạng tấm là những kết cấu phẳng được tạo nên bằng cách sắp xếp các
lớp nối tiếp một cách đặc biệt. Tấm Composite có thể có từ (4 40) lớp và
hướng sợi thay đổi trong từng lớp theo một quy luật xuyên suốt chiều dày tấm.
Hiện nay chỉ có vật liệu Composite với nền là nhựa Polymer và cốt dạng
chất khoáng (cacbon, thủy tinh ) được sử dụng phổ biến nhất (chiếm hơn 90%
Composite đang được sử dụng trên thế giới). Trong kỹ thuật, người ta gọi loại
Composite này là FRP (Fiber Reinforced Plastic). Danh từ vật liệu Composite
nói chung thường được dùng để chỉ về loại này. Do vậy, trong thực tế khi nói
đến từ “Vật liệu Composite” mà không giải thích gì thêm, có thể ngầm hiểu
rằng đó là vật liệu Composite có nền là nhựa Polymer, cốt là chất khoáng.
Composite cốt sợi không liên tục hướng
sắp xếp
Composite cốt sợi không liên tục hướng
ngẫu nhiên
Composite cốt sợi liên tục hai hướng
vuông góc
Composite cốt sợi liên tục
đồng phương
Composite cốt hạt
9
3. Ưu –nhược điểm của vật liệu FRP
* Ưu điểm
- Có khả năng kết hợp với các vật liệu khác như gỗ, thép để tạo ra các kết
cấu mới vừa đảm bảo chất lượng kỹ thuật, vừa có giá thành thấp.
- Độ kín nước rất cao.
- Dễ thi công và sửa chữa, rất dễ tạo dáng.
- Rất bền với môi trường biển, ít bị ăn mòn và điện phân, độ bền cơ học cao.
- Chi phí bảo dưỡng thấp.
* Nhược điểm
- Giá thành sản phẩm cao.
- Độ bền va đập kém.
- Chất lượng sản phẩm phụ thuộc vào trình độ tay nghề.
1.2.2. Vật liệu Composite dùng trong đóng tàu
Vật liệu Composite được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong ngành
đóng tàu là Composite với cốt sợi thủy tinh và nền là nhựa Polyester không no,
thường được gọi là GRP (Glassfiber Reinforced Polyester).
1. Vật liệu nền (nhựa)
Hầu hết các loại nhựa dùng ở Việt nam được sử dụng chất gia tốc và chất
xúc tác với hàm lượng thích hợp khoảng (0,5 2)%. Từ đó, trong hỗn hợp sẽ xảy
ra các phản ứng hóa học sinh nhiệt để kích thích các phân tử hoạt động và liên
kết với nhau thành chuỗi để tạo nên chất dẻo ở trạng thái rắn. Quá trình này phụ
thuộc vào hàm lượng chất xúc tác, chất gia tốc, nhiệt độ môi trường và khí hậu.


1.3. GIỚI HẠN VỀ NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Kết cấu phần vỏ tàu Composite được hình thành từ các tấm Composite
liên kết với nhau nên thực chất của bài toán đánh giá độ bền kết cấu vỏ tàu
27
chính là bài toán tính độ bền của các tấm đáy, tấm boong và tấm mạn. Do đó,
việc giải quyết vấn đề đặt ra sẽ được thực hiện dựa trên cơ sở tính tương tự đối
với tàu vỏ thép và kết hợp với phương pháp tính tấm Composite để tính cho mô
hình các tấm đáy, boong và mạn đã được xây dựng phù hợp với đặc điểm kết
cấu. Từ các lý luận trên, có thể tóm tắt các nội dung nghiên cứu chính của đề tài
như sau :
+ Xây dựng mô hình tính tấm đáy, tấm boong và tấm mạn của tàu Composite.
+ Từ mô hình này ứng dụng lý thuyết tính tấm Composite truyền thống để tính
các tấm vỏ tàu.
+ Vận dụng để tính cho một tàu cụ thể nhằm so sánh kết quả tính với thực tế.
Khi tính toán sức bền cục bộ thân tàu, có thể tính các kết cấu chịu tải
trọng nguy hiểm nhất, gồm : kết cấu đáy giữa hai vách ngăn ngang, kết cấu
boong có miệng hầm hàng và kết cấu hông mạn tàu ở mặt cắt ngang giữa tàu vì
tại mặt cắt ngang các kết cấu trên chịu tải trọng tác dụng lớn nhất.
Trên cơ sở bài toán phân tích độ bền kết cấu vỏ tàu thép, đề tài tập trung
giải quyết những điểm khác nhau cơ bản giữa bài toán tính độ bền cục bộ tàu
Composite so với tàu vỏ thép, còn những phần giống nhau như kết quả tính độ
bền chung và mô hình tải trọng tác dụng được tính tương tự như tàu vỏ thép, cụ
thể là các vấn đề sau :
+ Mô hìnhtính kết cấu vỏ tàu Composite.
+ Phương pháp xác định biến dạng -ứng suất.
+ Kiểm tra và đánh giá độ bền.
Phương pháp nghiên cứu trong đề tài chủ yếu dựa trên cơ sở phân tích lý
thuyết để xây dựng mô hình tính kết cấu vỏtàu hợp lý và sử dụng phương pháp
giải tích để tính toán độ bền tấm Composite.
28
Trên cơ sở bài toán độ bền, đề tài cũng dự kiến bước đầu thảo luận một
số bài toán thực tế nảy sinh trong quá trình nghiên cứu như :
- Đánhgiá việc áp dụng một số công thức Quy phạm vào thực tế tính toán
kết cấu các tàu Composite ở nước ta hiện nay.
- Thiết kế hợp lý kết cấu vỏ tàu Composite .v v
Trên cơ sở đó, nội dung đề tài gồm các phần sau :
Chương 1 : Đặt vấn đề.
Chương 2 : Phân tích độ bền kết cấu vỏ tàu Composite.
Chương 3 : ứng dụng kết quả nghiên cứu để giải quyết bài toán thực tế.
Chương 4 : Thảo luận kết quả nghiên cứu và đề xuất ý kiến.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Đức Ân, Nguyễn Bân, Hồ Văn Bính, Hồ Quang Long, Trần Hùng
Nam, Trần Công nghị, Dương Đình Nguyên
Sổ tay kỹ thuật đóng tàu tập 1,2
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
2. Hoàng Anh Dũng, Ngô Cân, Hồ Văn Bính
Phân tích độ bền kết cấu tàu thủy bằng phương pháp phần tử hửu hạn
Nhà xuất bản Giao thông vận tải
3. KS.Nguyễn Thị Hiệp Đoàn
Lý thuyết tàu
Trường Đại học Hàng Hải
4. Quách Đình Liên
Giáo trình cao học: Vật liệu Polyme
Trường Đại học Thủy sản -1995
5. PGS. TSKH Nguyễn Văn Liên
Tấm và dầm nhiều lớp trên nền đàn hồi –Bài toán tiếp xúc
Nhà xuất bản Xây dựng –2002
6. TS.Trần Công Nghị, Trần Cao Vân, Ngô Quý Tiệm
Cơ học kết cấu Tàu thủy
Phần 1 : Cơ học kết cấu thân tàu và công trình nổi
Nhà xuất bản Giao thông vận tải
7. TS.Trần Công Nghị
Độ bền kết cấu vật liệu Composite tập 2
Nhà xuất bản Đại Học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
8. Phạm Thanh Nhựt
169
Nghiên cứu phương pháp tính độ bền cục bộ kết cấu đáy tàu đánh cá vỏ
Composite
Đề tài thạc sỹ –CKTT 2001
9. GS. PTS Ngô Thế Phong
Kết cấu bê tông cốt thép
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật –1998
10. TS.Trần Gia Thái
Giáo trình: Sức bền thân tàu
Nha Trang -2003
11. Quy phạm phân cấp và đóng tàu cá biển cỡ nhỏ
TCVN 7111 : 2002
12. Quy phạm kiểm tra và chế tạocác tàu làm bằng chất dẻo cốt sợi thủy tinh
TCVN 6282 : 1997
13. Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức
Vật liệu Composite –Cơ học và công nghệ
Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật –2001
14. Trần Ích Thịnh
Vật liệu Composite : Cơ học và tính toán kết cấu
Nhà xuất bản Giáo dục - 1994
15. Nguyễn Văn Vượng
Lý thuyết đàn hồi ứng dụng
Nhà xuất bản Giáo dục
16. Tuyển tập công trình nghiên cứu khoa học công nghệ
Ngành Cơ khí và Khai thác thuỷ sản
Trường Đại học Thuỷ sản -1995
17. J. M. Berthelot
170
Composite materials : Mechanical Behaviour and Structural Analysis
Springer, 1999
18. C. S. Smith
Design of Marine Structures in Composite Material
Elsevier Science Publishers LTD, 1990
19.M. W. Hyer
Stress Analysis of Fiber Rienforced Composite Materials
McGraw –Hill, 1998
20. Edward V.Lewis
Principles of Naval Architecture Second Revision –Volume I. Stability and
Strenght 1988. The Society of NavalArchitects and marine Engineers 601Pavonia
Avenue
Jersey City, NJ -1988ã