Chương 7 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích độ bền kết cấu thân tàu 197 1. Thứ tự giải bài toán cơ học kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn 197
5. Phân tích độ bền cục bộ thân tàu 201
Những chương trình tính độ bền kết cấu có ứng dụng trong phân tích kết cấu tàu: ANSYS, ASKA, NASTRAN, PICES, SAP, STARDYNE, STRUDL, SESAM. Những chương trình giành riêng cho kết cấu tàu thủy và giàn khoan còn có MAESTRO, StruCAD * 3D.
Các phần tử thông dụng trong tính toán kết cấu tàu, nhiều nhà nghiên cứu đang sử dụng là phần tử BAR hay TRUSS, BEAM 2D, BEAM 3D, PLATE, SOLID SHELL hay gọi tắt SHELL, SOLID 3D.
Hình 7.3 Các phần tử dùng phân tích độ bền tàu Những phần tử dùng trong SAP16
Hình 7.15 Hệ tọa độ chung và chuyển vị nút
16 Structural Analysis Program – SAP, sản phẩm của Computers and Structures, Inc, Berkeley, California, USA
www.thuvien247.net
Hình 7.17 Tải trọng phân bố phần tử BEAM trong hệ tọa độ cục bộ (1, 2, 3)
Trong phần mềm SAP còn sử dụng những phần tử:
Plane - tương đương phần tử Membrane
Asolid - phần tử phẳng dùng mô hình trong vật thể tròn xoay Solid – phần tử 3D dạng “viên gạch” 8 nút.
Link/Support – phần tử biên dạng lò xo độ cứng hữu hạn.
Sử dụng SAP tính độ bền cục bộ tại ví dụ tiếp theo trình bày khoang hàng khu vực giữa tàu dầu cỡ 150.000DWT. Tải áp đặt cho trường hợp khoang hàng gồm tải do nước ngoài mạn, hàng hoặc ballast theo các chế độ khai thác thực tế.
Hình 7.18 Phần tử SHELL trong SAP
Chữ số cùng mũi tên chỉ mặt phần tử . Mặt số 5 nằm trên, mặt số 6 nằm dưới.
Hình 7.16 BEAM 3D (Frame/Cable) trongSAP
Hình 7.19 Output từ phần tử SHELL củaSAP
www.thuvien247.net
Hình 7.20 Giàn đáy tàu dầu
VS1_CTB - CARGO HOLD USING SHELL ELEMENTS SYSTEM
DOF=UX,UY,UZ,RX,RY FORCE=kgf LENGTH=cm JOINTS
1,5,1,126,5 X=0,1800,0 Y=0,0,2125 Z=0,0,0 ;Z=0 131,135,1 X=0,1800 Y=2300,2300 Z=0,0
136, 140,1, 271,5 X=0,1800,0 Y=2300,2300,2300 Z=176, 176, 2390 276,280,1, 376,5 X=0,1800,0 Y=0,0,1700 Z=280,280,280
381 X=0 Y=1785 Z=280 385 X=1800 Y=1785 Z=280 401 X=0 Y=2040 Z=504 405 X=1800 Y=2040 Z=504 LGEN=381,385,1,401,5
406, 410,1, 511,5 X= 0,1800,0 Y=2040,2040,2040 Z=586,586, 2308 781,785,1,791,5 X=0,1800,0 Y=2040,2040,2125 Z=2390,2390,2390
;;;;;;;;;;;;;;;;;;
RESTRAINTS
ADD=5 275 5 DOF=ALL ; FIXED
ADD=1 271 5 DOF=UX,RY ; SYMMETRY ADD= 2 132 5 DOF=UZ
ADD=3 133 5 DOF=UZ ADD= 4 134 5 DOF=UZ ADD= 137 272 5 DOF=UY ADD=138 273 5 DOF=UY ADD= 139 274 5 DOF=UY MATERIAL
NAME=1 M=7.82E-6 E=2.1E6 U=.3 SHELL SECTION NAME=1
TYPE=SHELL MAT=1 TH=2.5 NAME=2
www.thuvien247.net
TYPE=SHELL MAT=1 TH=1.8 NAME=3
TYPE=SHELL MAT=1 TH=1.3 SHELL
1 J=1,2,6,7 SEC=1
GEN=1 4 1 213 4 JINC=1 5 217 J=276, 277,281,282 SEC=1 GEN=217 220 1 401 4 JINC=1 5 405 J=511,512,781,782 SEC=1 GEN=405 408 1 JINC=1;
409 J=1,2,276,277 SEC=1 PATTERN
NAME=HYD
ADD=1 275 1 VZ=-0.001 Z=1600 SETZERO=NEG NAME=BALL1
ADD=1 275 1 VZ=-0.001 Z=1000 SETZERO=NEG NAME=BALL2
ADD=276 405 1 VZ=-0.001 Z=1000 SETZERO=NEG NAME=C1
ADD=276 515 1 VZ=-0.001 Z=2380 SETZERO=NEG NAME=C2
ADD=276 515 1 VZ=-0.001 Z=400 SETZERO=NEG LOADS
NAME=1
TYPE=SURFACE PRESSURE ELEM=SHELL FACE=5 ADD=* P=1 PAT=HYD
NAME=2
TYPE=SURFACE PRESSURE ELEM=SHELL FACE=6 ADD=* P=1 PAT=BALL1
NAME=3
TYPE=SURFACE PRESSURE ELEM=SHELL FACE=5 ADD=* P=1 PAT=BALL2
NAME=4
TYPE=SURFACE PRESSURE ELEM=SHELL FACE=6 ADD=* P=1 PAT=C1
NAME=5
TYPE=SURFACE PRESSURE ELEM=SHELL FACE=6 ADD=* P=1 PAT=C2
COMBO
NAME=1 TYPE=ADD LOAD=1 SF=1
LOAD=2 SF=1
NAME=2 TYPE=ADD ; BALLAST, WITHOUT CAR LOAD=1 SF=1
LOAD=2 SF=1 LOAD=3 SF=1
NAME=3 TYPE=ADD ; BALL+CARG LOAD=1 SF=1
LOAD=2 SF=1 LOAD=3 SF=1
www.thuvien247.net
NAME=4 TYPE=ADD ; CARG LOAD=1 SF=1
LOAD=4 SF=1
OUTPUT
ELEM=JOINT TYPE=DISP,APPL,REAC LOAD=*
ELEM=SHELL TYPE=STRESS LOAD=* COMB=*
Những phần tử tiêu biểu dùng trong SESAM17
Nhóm Tên gọi Giải thích tên gọi (tiếng Anh) Số nút
Bậc tự do
TESS Truss 2 3
BEAM BEAS Straight beam 2 6
TRUSS BTSS Curved beam 3 6
LQUA Linear quadrilateral 4 3
Membrane ILST Isoparametric linear strain triangle 6 3
IQQE
Isoparametric quadratic strain
quadrilateral 8 3
AXCS Axisymmetric membrane element 3 3
AXLQ Axisymmetric membrane element 4 3
AXLS Axisymmetric membrane element 6 3
AXQQ Axisymmetric membrane element 8 3
FTRS Triangular flat thin shell 3 6
FQUS Quadrilateral flat thin shell 4 6
SHELL SCTS Triangular flat thin/thick shell 6 6
LCTS Triangular flat thin/thick layered shell 6 6
SCQS Quadrilateral thin/thick shell 8 6
LCQS Quadrilateral thin/thick layered shell 8 6
TETR Tetrahedron 4 3
TPRI Triangular prism 6 3
LHEX Linear hexahedron 8 3
ITET Isoparametric Tetrahedron 10 3
IPRI Isoparametric Triangular prism 15 3
IHEX Isoparametric hexahedron 20 3
Những phần tử tiêu biểu phục vụ tính độ bền kết cấu trong ANSYS18: LINK8 – phần tử TRUSS 3-D
BEAM4 – phần tử BEAM 3-D, hai nút, mỗi nút 6 bậc tự do
17 DNV, Norways
18 ANSYS, Houston, PA: Swanson Analysis Systems Inc,
www.thuvien247.net
Phần tử có khả năng chịu uốn, cắt, xoắn, kéo, nén. Trong ANSYS còn BEAM44 dùng cho dầm dạng côn, không đối xứng và BEAM24 có tính năng gần với BEAM4.
Phần tử xác định qua 2 nút, diện tích mặt cắt, hai giá trị momen quán tính qua trục y-y và z-z:
IZZ và IYY, hai giá trị chiều dày TKY và TKZ, một góc xoay θ quanh trục x-x, momen quán tính độc cực IXX, và các đặc tính vật liệu. Trường hợp IXX = 0 hoặc người dùng không gán gía trị, IXX được nhận bằng IYY+IZZ.
BEAM23 – phần tử BEAM 2-D, 2 nút, mỗi nút 6 bậc tự do SOLID45 - phần tử SOLID 8 nút, mỗi nút 3 bậc tự do.
Phần tử SOLID45 dùng mô hình hóa kết cấu 3D, thích hợp cho các bài toán đàn hồi, đàn hồi – dẻo, biến dạng lớn. Vật liệu có tính trực hướng.
Tải áp đặt lên phần tử dưới dạng tải nút (Node Loads) và tải phần tử (Element Loads). Áp lực có thể áp đặt lên mặt phần tử như tải bề mặt. Nhiệt độ áp đặt lên phần tử dạng lực khối phân bố tại nút.
Sử dụng phần tử SOLID45 có thể như sau:
ET,1,PLANE42 ET,2,SOLID45 MP,EX,1,2.1E5 MP,NUXY,1,0.3 K,1
K,2,2000 K,3,2300,200 K,4,1900,450 K,5,1,250 LSTR,1,2 LSTR,5,1
BSPLINE,2,3,4,5,,,-1,,,,-1,-0.25 AL,1,3,2
AL,ALL ESIZE,50 AMESH,ALL
Những phần tử có tính năng gần với SOLID45 gồm SOLID64 giành cho vật liệu không đẳng hướng, SOLID95 phần tử bậc cao.
SOLID186 - phần tử SOLID 20 nút, thường dùng trong các đồ án liên quan CAD/CAM SHELL63 – phần tử SHELL, 4 nút, mỗi nút 6 bậc tự do.
SHELL63 mang đủ tính chất hai kiểu tấm mỏng: tấm chịu uốn và màng mỏng (both bending and membrane capacities). Tấm có khả nămng chịu tải trong mặt phẳng (in-plane) và tải pháp tuyến. Mỗi nút có 6 bậc tự do: 3 bậc dọc hướng trục, 3 bậc quanh hướng trục.
SHELL63 mô tả đặc trưng tấm từ vật liệu trực hướng, chiều dày thay đổi, cụ thể chiều dày 4 nút tại góc không nhất thiết bằng nhau. Trường hợp chiều dày là đại lượng const chỉ cần nhập dư liệu TK(I).
Nếu chiều dày thay đổi người dùng phải nhập bốn giá trị chiều dày tại 4 nút.
Tải áp đặt lên phần tử ghi dưới dạng tải lên nút (Node Loads) và tải phần tử (Element Loads).
Áp lực có thể áp đặt lên mặt phần tử như tải bề mặt. Áp lực lên các cạnh đưa vào dưới dạng tải trên đơn vị chiều dài.
Tài liệu hướng dẫn sử dụng các phần tử của ANSYS nhập dữ liệu cần tiến hành theo cách sau:
Các nút: I, J, K, L
www.thuvien247.net
Bậc tự do: UX,UY,UZ,ROTX, ROTY, ROTZ
Các hằng số thực: TK(I), TK(J), TK(K), TK(L), EFS, THETA, RMI, CTOP, CBOT, …
Tính chất vật liệu: EX, EY, EZ, (PRXY, PRYZ, PRXZ hoặc NUXY,NUYZ, NUXZ), ALPX, ALPZ, DENS, GXY, DAMP
Tải bề mặt (áp lực): mặt 1 (I-J-K-L) (đáy, hướng + trục Z), MẶT 2 (I-J-K-L)(mặt trên, hướng – trục Z), mặt 3 (J-I), mặt 4 (K-J), mặt 5 (L-K), mặt 6 (I-L)
Tải khối (Nhiệt độ): T1, T2, T3, T4, T5, T6,T7, T8 Khai báo SHELL 63 có thể như sau:
ET,1,SHELL63 MP,EX,1,2.1E11 MP,NUXY,1,0.3 MP,DENS,1,7800.
R,1,0.02 K,1,-0.42,-0.35
Các phần tử có tính năng gần với SHELL63 là SHELL41, SHELL43 và SHELL181.
PLANE25 – phần tử 4 cạnh, miêu tả mặt tròn xoay. Phần tử dùng mô hình hóa kết cấu của vật tròn xoay, chịu uốn, cắt, xoắn.
Phần tử có tính năng gần PLANE42.
Ví dụ nêu tiếp trình bày cách dùng phần tử 42 kết hợp phần tử 45 tạo lươi 3D tấm có nẹp gia cường khi tìm hiểu chiều rộng hữu hiệu tấm chịu tải. Những đòi hỏi liên quan kích cỡ phần tử dùng tại đõy là kớch thước phần tử khụng quỏ ẵ chiều dày tấm, hỡnh 7.22. Kết quả tớnh cho thấy nửa chiều rộng hữu hiệu tấm không quá 25 chiều dày tấm. Kết quả này minh chứng những công thức tính chiều rộng hữu hiệu nêu tại chương 2, hình 2.8 và công thức (2.8), (2.9) là hoàn toàn thỏa đáng.
Hình 7.22a Chiều rông hữu hiệu Hình 7.22b Nhìn từ dưới
Hình 7.22c Nhìn từ phía có nẹp Hình 7.22c Sau thay đổi điều kiện
www.thuvien247.net