I. Phân tích ứng xử hydroelastic
Phân tích ứng xử hydroelastic là một phương pháp quan trọng để đánh giá ứng xử của kết cấu nổi trong môi trường chất lỏng. Khi kết cấu nổi có kích thước lớn so với chiều dày, nó có xu hướng biến dạng đàn hồi dưới tác động của áp lực chất lỏng. Sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng được gọi là tương tác hydroelastic. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc thiết kế các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS), nơi mà sự biến dạng đàn hồi đóng vai trò chủ đạo. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng phân tích hydroelastic giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn cho các công trình nổi.
1.1. Lý thuyết hydroelastic
Lý thuyết hydroelastic tập trung vào việc mô hình hóa sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng. Khi kết cấu nổi có kích thước lớn, nó không chỉ chịu tác động của lực nổi mà còn bị ảnh hưởng bởi sự biến dạng đàn hồi. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp tính toán phức tạp như phương pháp BEM-FEM để mô phỏng chính xác ứng xử của kết cấu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng lý thuyết hydroelastic là cần thiết để đánh giá hiệu quả của các kết cấu nổi trong môi trường sóng biển.
II. Phương pháp BEM FEM
Phương pháp BEM-FEM là sự kết hợp giữa phương pháp phần tử biên (BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Phương pháp này được sử dụng để phân tích ứng xử của kết cấu nổi trong môi trường chất lỏng. BEM được áp dụng để mô hình hóa chất lỏng, trong khi FEM được sử dụng để mô hình hóa kết cấu. Sự kết hợp này cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng, đặc biệt là trong các bài toán phân tích hydroelastic. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp BEM-FEM là một công cụ hiệu quả trong việc thiết kế và đánh giá kết cấu nổi.
2.1. Ứng dụng của BEM FEM
Phương pháp BEM-FEM được ứng dụng rộng rãi trong việc phân tích kết cấu nổi siêu lớn (VLFS). Nó cho phép mô phỏng chính xác sự tương tác giữa kết cấu và chất lỏng, đặc biệt là trong các bài toán phân tích động lực học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp này giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn cho các công trình nổi. BEM-FEM cũng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố như chiều dày tấm, vận tốc tải trọng, và độ sâu đáy biển lên ứng xử của kết cấu.
III. Phần tử tấm Kirchhoff và Mindlin
Phần tử tấm Kirchhoff và phần tử tấm Mindlin là hai mô hình phổ biến được sử dụng để mô hình hóa kết cấu nổi. Phần tử tấm Kirchhoff dựa trên giả định rằng biến dạng cắt bằng không, phù hợp cho các tấm mỏng. Trong khi đó, phần tử tấm Mindlin xem xét cả biến dạng cắt, phù hợp cho các tấm dày. Cả hai mô hình đều được sử dụng trong phân tích hydroelastic để đánh giá ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải trọng và áp lực chất lỏng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào chiều dày và tính chất của kết cấu.
3.1. So sánh Kirchhoff và Mindlin
Phần tử tấm Kirchhoff và phần tử tấm Mindlin có những ưu điểm và hạn chế khác nhau. Kirchhoff phù hợp cho các tấm mỏng với biến dạng nhỏ, trong khi Mindlin phù hợp cho các tấm dày với biến dạng lớn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng Mindlin cho kết quả chính xác hơn trong các bài toán phân tích động lực học, đặc biệt là khi xem xét ảnh hưởng của biến dạng cắt. Tuy nhiên, Kirchhoff vẫn được sử dụng rộng rãi do tính đơn giản và hiệu quả trong các bài toán tĩnh học.
IV. Ứng dụng trong kỹ thuật
Phân tích ứng xử hydroelastic và phương pháp BEM-FEM có nhiều ứng dụng trong kỹ thuật, đặc biệt là trong thiết kế các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS). Các công trình như sân bay nổi, cầu cảng, và căn cứ lưu trữ dầu đều được hưởng lợi từ các phương pháp này. Phân tích hydroelastic giúp đảm bảo rằng các kết cấu nổi có thể chịu được tác động của sóng biển và tải trọng động. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng BEM-FEM và phần tử tấm Kirchhoff/Mindlin giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro trong các công trình nổi.
4.1. Các công trình nổi tiêu biểu
Các kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) đã được ứng dụng rộng rãi trong thực tế. Ví dụ, Mega-Float tại vịnh Tokyo là một sân bay nổi được thiết kế để giải quyết vấn đề thiếu đất. Các căn cứ lưu trữ dầu nổi như ở Shirashima và Kamigoto cũng là những ứng dụng tiêu biểu của kết cấu nổi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phân tích hydroelastic và phương pháp BEM-FEM giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình này.
