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

Luận văn thạc sĩ
Đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính toán tối ưu kết cấu khung sườn tàu vỏ thép

MỤCLỤC
MỤCLỤC 1
CHƯƠNG 1 : ĐẶTVẤN ĐỀ 4
1.1.TỔNG QUANVỀ ĐỀ TÀI NGHIÊNCỨU. 4
1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊNCỨU ĐỐIVỚIVẤN ĐỀ ĐẶT RA 6
1.3.ĐẶC ĐIỂMKẾTCẤU KHUNGSƯỜN TÀUVỎ THÉP 7
1.3.1.Đặc điểm chungcủakếtcấu tàuvỏ thép. 8
1.3.2.Phân loại cáchệ thốngkếtcấu : .9
1.3.3.Đặc điểmkếtcấu khungsườn tàuvỏ thép : 12
1.4 MỤC TIÊU,NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊNCỨU. 16
1.5.GIỚIHẠNNỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊNCỨU 17
CHƯƠNG 2 :CƠSỞ LÝ THUYẾT 18
2.2 MÔ HÌNH BÀI TOÁNTỐI ƯU HÓAKẾTCẤU 18
2.3 CÁCYẾUTỐCỦA BÀI TOÁNTỐI ƯU HÓAKẾTCẤU. 19
2.3.1.Biến thiếtkế 19
2.3.2.Hàmmục tiêu 19
2.3.3.Hệ ràng buộc 20
2.4 PHÂN LOẠI CÁC BÀI TOÁNTỐI ƯU HÓAKẾTCẤU. 21
2.4.1.Bài toántối ưu hóa tuyến tính có ràng buộc 21
2.4.2.Bài toántối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc. 21
2.4.3.Bài toántối ưu hóa phi tuyến không có ràng buộc 21
2.5.CÁC PHƯƠNG PHÁPCƠBẢN TRONGTỐI ƯU HÓAKẾTCẤU . 22
2.5.1.Phương pháp đồ thị: 22
2.5.2.Phương pháp đơn hình: 24
2
2.5.2.Phương pháp nhântử 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 NGHIÊNCỨU . 28
3.1. XÂYDỰNG MÔ HÌNH TÍNHKẾTCẤU KHUNGSƯỜN TÀU . 29
3.1.1 Mô hìnhtải trọng tácdụng lên khungsườn tàu. 29
3.1.2 Mô hìnhkếtcấu khungsườn tàu 35
3.2. XÂYDỰNG HÀMMỤC TIÊU VÀ CÁC HÀM RÀNG BUỘC. 41
3.2.1 Xâydựng hàmmục tiêu . 41
3.2.2 Xâydựnghệ các hàm ràng buộc 42
3.3.PHƯƠNG PHÁP TÔI ƯU HÓAKẾTCẤU KHUNGSƯỜN TÀUVỎ THÉP.46
3.3.1Lựa chọn các phương pháptối ưu hóakếtcấu khungsườn tàuvỏ thép. 46
3.3.2 Nghiêncứu xâydựng phương pháptối ưu hóakếtcấu khungsườn . 48
3.4. XÂYDỰNG THUẬT TOÁN . 53
3.5. ỨNGDỤNGKẾT QUẢ NGHIÊNCỨU 55
3.5.1 Giới thiệu tàu tính toán 55
3.5.2Rờirạc hóakếtcấu 57
3.5.3 Xác địnhtải trọng 60
3.5.4 Xâydựngbảng tiết diện vàmối quanhệ giữa các đặc trưngcơhọc 64
3.5.5 Chọnhệsố an toàn chokếtcấu khungsườn . 71
3.5.6 Kết quả tínhtối ưu 71
3.5.7Lựa 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
PHỤLỤC . 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 88

LỜI NÓI ĐẦU
Trong nhữngnămgần đây, cùngvớisự phát triểnmạnhcủa nhiều ngànhkỹ thuật
ngành đóng tàucũng đã có nhữngbước tiến nhảyvọt, cảvềmặtsốlượng và chấtlượng.
Riêng ở Việt nam, ngành đóng tàucũng đã thậtsự cósự thay đổimạnhmẽ khi xuất hiện
nhiều loại tàu đặc biệt và các tàucỡlớn có trọngtải lên đến trên 100.000tấn vàhơnnữa.
Chính vì thế, bài toántối ưu hóakếtcấu nói chung và bài toánkếtcấu thân tàu nói riêng
đã và đang trở thành đề tài nghiêncứuhấpdẫnvới nhiều người, vìmục tiêutối ưu hóa
kếtcấu làmộtmục tiêu kinhtế -kỹ thuật mà người thiếtkế luôn mong muốn đạt được.
Bản thân tôi là cánbộ đang giảngdạytạiBộ mônCơhọccủa Trường Đạihọc Nha trang
nên tôi luônrất mong muốn được thực hiện những đề tài có liên quan đếnvấn đề này,
với ý muốnsẽ được ứngdụng để giảngdạy môn lý thuyếttối ưu trong thiếtkếkếtcấu,
nhất là trong mônhọc thiếtkếkễtcấu thân tàucủa KhoaKỹ thuật tàu thủycủa Trường.
Vì lý do đó nên khi thực hiện luậnvăntốt nghiệp caohọc ngànhKỹ thuật tàu thủy,
chúng tôi đãmạnhdạn đề xuất đề tài Nghiêncứu xâydựng phương pháp tính toántối ưu
kếtcấu khungsườn tàuvỏ thép với 4 chương chính
Chương 1 : Đặtvấn đề
Chương 2 :Cơsở lý thuyết
Chương 3 :Kết quả nghiêncứu
Chương 4 :Kết luận và kiến nghị

Chương 1
ĐẶTVẤN ĐỀ
1.1TỔNG QUANVỀ ĐỀ TÀI NGHIÊNCỨU
Trong nhữngnămgần đây, cùngvớisự phát triểnmạnhmẽcủa ngành đóng tàu,
vấn đề thiếtkếtối ưukếtcấu các công trình biển nói chung vàkếtcấu thân tàu nói riêng
đáp ứng được các hàmmục tiêu đặt ra, có vai trò quan trọng và mang tính chấtcấp thiết,
cho phép xác định kích thướchợp lýcủakếtcấu trêncơsởvừa đảmbảo được độbền,
vừa đảmbảo trọnglượng nhỏ nhất,tương ứngvới chi phí nguyênvật liệu là thấp nhất.
Đặc biệt, việc tính toántối ưukếtcấu thân tàu không chỉ cho phép tiết kiệmvật liệu để
làm giảm giá thànhsản phẩm mà còn ảnhhưởngtốt đến các tínhnăngcủa tàu thiếtkế.
Do đó việc ứngdụng các phương pháptối ưu vào tínhkếtcấu thân tàu làrấtcần thiết,
nhất là khi các yêucầuvềmặttốc độ,sức chở và giá thànhvật liệu ngàymộttăng cao và
đó là lý do đề xuất đề tài Nghiêncứu tính toántối ưukếtcấu khungsườn tàuvỏ thép.
Như đã biết, thiếtkếkếtcấu là bài toán quan trọng trong quá trình thiếtkế tàu thủy,
nhằmlựa chọnmột cáchhợp lý các chi tiếtkếtcấuvề kích thước, cáchbố trí, hình thức
liênkết v v trêncơsở đảmbảo đầy đủ độbềnvới trọnglượng thân tàu là nhỏ nhất.
Tuy nhiên, do tính chất phứctạpcủavấn đề này nên đasố cácnước hiện nay thường
tính toán, thiếtkếkếtcấu thân tàudựa theo các yêucầu trong các Quy phạm đóng tàu.
Thựctế nhận thấy, mặc dù công thức Quy phạm được xâydựngdựa trêncơsở lý thuyết
kếthợpvới thực nghiệm và khá nghiêm ngặt nhưngcũng không thể phản ánh đượchết
các điều kiệnnơi tàu hoạt động nên tính theo phương pháp này thường phải chấp nhận
tốn kémvật liệu vàtăng trọnglượng tàu vìbản thânkếtcấu chưa ởdạnghợp lý nhất.
Mặt khác, do hình dáng, yêucầu vàbố trí chung trên các tàu thường không giống nhau,
nhất là đốivới các tàucỡlớn hay tàu có tínhnăng đặc biệt nên các quy phạm đóng tàu
không thể baogồm đượchết nênhầuhết các Quy phạm đều cho phép và khuyến khích
người thiếtkế tính chọnlại kích thướccủa cáckếtcấu thân tàudựa theo lý thuyếttối ưu,
một trong nhữngvấn đề đang được quan tâm trong thời giangần đây nhờsự phát triển
rấtmạnhcủa công nghệ thông tin vàcơsở lý thuyết các phương pháp tính toántối ưu.
5
Ngoài cách tính toán, thiếtkếkếtcấu theo yêucầucủa Quy phạm như đã trình bày,
còn có thể xác định kích thướckếtcấu thân tàudựa trêncơsở đáp ứng yêucầu độbền,
gồm độbền chung và độbềncụcbộ,gọi là thiếtkếkếtcấu tàubằng tính toán lý thuyết.
Vấn đề đặt ra ở đây là trong các điều kiện đã cho trước ở trên, cần tính toán vàlựa chọn
kích thướccủa cáckếtcấu trêncơsở đảmbảo trọnglượngkếtcấu đang xét là nhỏ nhất.
Cách giải này,mặc dù có thể đảmbảo trọnglượngkếtcấu đang tính là nhỏ nhất nhưng
không dùnghếtvật liệu,tức là ứng suất trongkếtcấu không đạt đến giá trị cho phép.
Nếu trong quá trình thiếtkếcần thay đổimộtsố kích thước nào đócủamặtcắt ngang,
vídụ như chiều caomạn,vị trí boong, chiều cao đáy đôi,kểcảvật liệu chếtạo v v .,
sẽnảy sinhvấn đề tìm trọnglượngtối ưudựa trêncơsở đảmbảo tiêu chuẩnbền đã cho.
Bài toán này có thể thiếtlậpvới ý nghĩarộnghơn,tức làtối ưukếtcấu không chỉ theo
trọnglượng mà còn theo các hàmmục tiêu là các chỉ tiêu kinhtế - công nghệ khác như
chi phí lao động khi chếtạokếtcấu, chi phísữa chữa khihưhỏng, tuổi thọkếtcấu v v .
Thựctế cho thấy,vấn đề đặt ra có ý nghĩa quan trọng trong bài toán thiếtkếkếtcấu và
chỉ giải quyết đượcbằng cách dùng lý thuyếttối ưukếthợp tínhkếtcấu trên máy tính.
Tuy nhiên cho đến hiện nay, các nghiêncứuvềvấn đềtối ưu hóakếtcấu thân tàu thủy
vẫn chỉ ở giai đoạn ban đầu nên ít được trình bày trong tài liệu chuyên ngành hiện nay.
Riêng đốivớikếtcấu khungsườn tàu thép, đa phần làkếtcấu siêutĩnh nên khi thiếtkế
thường phải chọn trước các thôngsố hìnhhọccủa nó, sau đómới tiến hành kiểm trabền
Nhưvậy không phải lúc nào người thiếtkếcũng xác định được các thôngsố hìnhhọc
phùhợp, đảmbảokếtcấu đủbền màlại có chi phí, trọnglượngcủavật liệu là thấp nhất.
Do đó bài toán thiếtkếtối ưu đặt ra nhằmmục đích tính chọn đượcmộtkếtcấu tàuvừa
đảmbảo đủ yêucầuvề độbền, lạivừa có trọnglượngkếtcấu hay giá thành là nhỏ nhất.
Kết quả nghiêncứucủa đề tài có ý nghĩa quan trọngcảvềmặt lý thuyết và thựctế,
vì không chỉ cho phép tiết kiệmvật liệu,hạ giá thànhsản phẩm mà còn nâng cao được
các tínhnăng hànghảicủa tàu, nhất làvềmặttốc độ nhờ việc giảmbớt trọnglượng tàu,
từ đó giúp cáccơ quan quản lýtưvấn cho các đơnvị thiếtkế và chếtạo tàulựa chọn
kích thướckếtcấu tàu an toàn, kinhtếhơn vàdựa trêncơsở đó để so sánh và hiệu chỉnh
các yêucầu và công thức tínhkếtcấu trong Quy phạm Việt nam TCVN 6282 : 1997.
6
1.2.TÌNH HÌNH NGHIÊNCỨU ĐỐIVỚIVẤN ĐỀ ĐẶT RA
Như đã biết, thiếtkếtối ưu đã và đang trở thànhmột đề tài nghiêncứuhấpdẫn
được nhiều nhà khoahọc quan tâm nghiêncứu và đề nghị ápdụng khi thiếtkếkếtcấu.
Thực chất bài toán là quá trình tìm kiếm giá trịcực trị thỏa mãn các điều kiện cho trước
vàsự tìm kiếm này là khách quan không phụ thuộc trực giác haynănglực người thiếtkế
Ngaytừnăm 1869, nhà khoahọc Maxwell (Mỹ) đề xuấtcơsở lý thuyếttối ưukếtcấu
và ông là người đầu tiên nghiêncứu tronglĩnhvực này. Đếnnăm 1904, Mitchell (Mỹ)
phát triển lý thuyết này và ứngdụng nó vào việc tính toántối ưusơ đồ hìnhhọchệ giàn
nhằm đạt trọnglượng nhỏ nhấtdưới tácdụngcủatải trọng đơn chịu ràng buộc ứng suất.
Đến khoảng đầu thập niên 1950, nhiều nhà khoahọc đã côngbố công trình nghiêncứu
ứngdụng phương pháp quy hoạch toánhọc vàocực tiểu hóa trọnglượngkếtcấu khung,
trong đó các nhà khoahọc như Foulkes (1954), Baker vàcộngsự (1956), Prager (1956)
đã thiếtlập bài toántối ưudẻo trọnglượngbằng phương pháp quy hoạch tuyến tính.
Đến 1960, nhà khoahọc Schmit đưa ra khái niệmtổnghợpkếtcấu (structural synthesis)
trong đókếthợp phương pháp quy hoạch toánhọcvới phương pháp phầntửhữuhạn.
Tiếp sau đó, các nhà khoahọc Moses (1964), Romstad và Wang (1968) đã nghiêncứu
thiếtkếtối ưu đànhồikếtcấuhệ khung và giàn dùng chuỗi các phương trình tuyến tính,
các ràng buộc chuyểnvị và tuyến tính hóa ứng suấtbằng phép khai triển Taylorbậc nhất
Năm 1966, các nhà khoahọc Brown và Ang đã đề xuất ra phương pháp thiếtkếtối ưu
khung thép tiết diện chữ Ibằng phép chiếu độdốc và thiếtlập cácmối quanhệ giữa các
đặc trưng tiết diện mô men quán tính I, mô men khánguốn W và diện tích tiết diện F.
Đếnnăm 70của thếkỷ XX, người ta nhận thấy việc ápdụng phương pháp quy hoạch
toánhọckếthợpvới phương pháp phầntửhữuhạngặp nhiều khó khăn khi khốilượng
biến thiếtkếlớn vì khi đóvấn đề tìm những hàm ràng buộctường minh trở nênrất khó
nên các nghiêncứu đãtập trung vào giải quyết bài toántối ưumột cách hiệu quảhơn.
Các nhà khoahọc Schmit và Farshi (1974), Schmit và Miura (1976) xâydựng khái niệm
xấpxỉ nhằmtăng hiệu quả phương pháp quy hoạch toánhọcvớikỹ thuật như liênkết
các biến thiếtkế, xóabỏ ràng buộc, tuyến tính hàm ràng buộc và hàmmục tiêubằng
khai triển Taylor v v đã được ápdụng để giảmbớt khốilượng tính toáncủa máy tính.
7
Trong nhữngnăm cuối thếkỷ XX, xuất hiện thuật toán tínhtối ưumới có tên là
thuật toán di truyền xâydựng trêncơsở mô phỏng cácbướclặp trong quá trình thiếtkế
tối ưu theo quá trình di truyềncủatự nhiên, tuy nhiên phương pháp nàylạigặp khó khăn
bởi thuật toán quácồngkềnh và thời gian giảirấtlớn sovới những phương pháp khác.
Mặt khác nólại táchrời khỏi ý nghĩavật lý, cơhọccủa bài toán, đồng thời các thôngsố
tính toán như ứng suất, chuyểnvịcủakếtcấulại được mã hóa thành những bit nhị phân
nên làm cho người thiếtkế không thể hình dung đượcsựtối ưu trong quá trình tính toán.
Trong nhữngnămgần đây, cùngvớisự bùngnổcủa công nghệ thông tin vàsự xuất hiện
các máy tính có khảnăng tínhlớn đãtạo thuậnlợi cho việc giải bài toán thiếtkếtối ưu.
Do đó xuất hiện xuhướng thay các phương pháp quy hoạch toánhọcvới phépxấpxỉ
bằng cách cho máy tính tìm kiếm trực tiếp nghiệmtối ưu trên không gian biến thiếtkế.
Phương pháp nàytỏ rarất thuậnlợi vì lúc này các hàm ràng buộcvề ứng suất, chuyểnvị
khôngcần là các hàmtường minh nhưng có nhược điểm là khốilương tính toánrấtlớn,
tuy nhiênsẽ được giải quyết nhờ việclập trình tính toán trên những máy tính hiện đại.
Riêng bài toán thiếtkếtối ưukếtcấu đã được ápdụngtừrấtsớm nhưng chủyếu
chỉ ứngdụng trong tính toán, thiếtkếkếtcấu thépcủa ngành Xâydựng [1], [3], [6],[7]
vớikếtcấu được tínhtối ưu đầu tiên làkếtcấu giàn vì kèo [1, tr.65-78], [7, tr.99-109] và
mônhọc Thiếtkếtối ưukếtcấucũng được đưa vào giảngdạy ởmộtsố trường đạihọc.
Ởnước ta hiện naycũng có khá nhiều công trình nghiêncứuvềvấn đề thiếtkếtối ưu
kếtcấu nhưng chủyếucũng chỉtập trung vào tính toán cáckếtcấucủa ngành xâydựng.
Riêng đốivớivấn đề thiếtkếtối ưukếtcấu thân tàu nói chung và thiếtkếtối ưukếtcấu
các khungsườn tàuvỏ thép nói riênghầu như chưa được nghiêncứu và ít được côngbố.
Không chỉ ở Việt Nam mà ở cácnước cónền công nghiệp đóng tàu phát triển hiện nay
chúng tôicũng chưa tìm thấy các tài liệu hoặc công trình nào nghiêncứuvềvấn đề này.
Trong cáctổ chức nghiêncứukếtcấu thân tàu có uy tín hiện nay thì Ủy bankếtcấu tàu
củaMỹ (Ship Structure Committee)với trang web http://shipstructure.org/ đã đăngtải
các nghiêncứucủa mình vàcủa các nhà khoahọc trên thế giớitừnăm 1945 đến nay
cũng không thấy nghiêncứu nào đốivớivấn đề thiếtkếtối ưukếtcấu khungsườn tàu,
Do đó có thể thấyvấn đề đặt ra trong luậnvăn hiệnvẫn cònrấtmới.

TÀILIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. GS.TSKH Võ NhưCầu (2003), Tínhkếtcấu theo phương pháptối ưu, Nhà xuất
bản xâydựng, HàNội
2. GS.TSKH Võ NhưCầu (2005), Tínhkếtcấu theo phương pháp phầntửhữuhạn,
Nhà xuấtbản xâydựng, HàNội
3. Lưu Đức Duy (2003), Phân tích và tính toán thiếtkếtối ưumộtsốkếtcấu thép
dạng thanh thànhmỏngmặtcắthở, Luậnvăn Thạcsĩ khoahọc ngành Xâydựng
dândụng và công nghiệp, Trường Đạihọc Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh.
4. Hoàng AnhDũng, Ngô Cân,HồVăn Bính (1987), Phân tích độbềnkếtcấu tàu
thủybằng phương pháp phầntửhữuhạn, Nhà xuấtbản giao thôngvậntải.
5. LaVăn Hiển (2003), Nhập môn MAT LAP, Nhà xuấtbản Đạihọc quốc gia TP.
Hồ Chí Minh, TPHồ Chí Minh
6. Trần Chí Hoàng (2003), Phân tích thiếtkếtối ưu khung thép phẳng có liênkết
nửacứngvới tiết diện chữ I, Luậnvăn Thạcsĩ khoahọc ngành Xâydựng dân
dụng và công nghiệp, Trường Đạihọc Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh.
7. PGS.TS. Lê Xuân Huỳnh (2005), Tính toánkếtcấu theo lý thuyếttối ưu, Nhà
xuấtbản khoahọckỹ thuật, HàNội.
8. Trần Công Nghị (2006), Kếtcấu thân tàu, Nhà xuấtbản Đạihọc quốc gia TP.Hồ
Chí Minh 2006.
9. Nguyễn HoàiSơn, Đỗ Thanh Việt, Bùi Xuân Lâm (2002), Ứngdụng MATLAB
trong tính toánkỹ thuật, Nhà xuấtbản Đạihọc quốc gia TP.Hồ Chí Minh, TP.
Hồ Chí Minh.
10. Nguyễn HoàiSơn,Vũ Như Phan Thiện, Đỗ Thanh Việt (2002), Phương pháp
phầntửhữuhạnvới MATLAB, Nhà xuấtbản Đạihọc quốc gia TP.Hồ Chí Minh,
TP.Hồ Chí Minh
11. ThS. Phan Thanh Tao (2005), Giáo trình MATLAB, Nhà xuấtbản ĐàNẵng, Đà
Nẵng
12. TS Trần Gia Thái, Tính toán thiếtkếkếtcấu thân tàu, Trường Đạihọc Nha
Trang
13. TS. Trần Gia Thái, Kếtcấu thân tàu, Trường Đạihọc Nha Trang
14. TS. Trần Gia Thái, Sứcbền thân tàu, Trường Đạihọc Nha Trang
15. PGS.TS Nguyễn Viết Trung, Thiếtkếtối ưu, Nhà xuấtbản xâydựng 2003
16. Trường ĐH Giao thôngvậntải – TP.Hồ Chí Minh, Khoa Đóng tàu, Tính toán
thiếtkếkếtcấu tàu – Phần thứ hai: Thiếtkếkếtcấu tàu theo quy phạm,
89
Tiếng Anh
17. URI KIRSCH (1981), Optimum Structural Design, McGraw Hill Book
Company.
18. GARRET N. VANDERPLAATS (1984), Numerical optimization techniques for
engineering design, McGraw Hill Book Company.
19. GARRET N. VANDERPLAATS (1984), Numerical optimization techniques for
engineering design, McGraw Hill Book Company.