Phân Tích Ứng Xử Hydroelastic Của Kết Cấu Nổi Bằng Phương Pháp Kết Hợp BEM-FEM Với Phần Tử Tấm Kirchhoff Và Mindlin

• Tác giả: Ngô Trung Vũ
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lương Văn Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Phân Tích Ứng Xử Hydroelastic Kết Cấu Nổi Bằng Phương Pháp BEM-FEM Sử Dụng Phần Tử Tấm Kirchhoff Và Mindlin
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp.HCM

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lịch sử phát triển
• 1.2. Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu
• 1.3. Lý thuyết Hydroelastic
• 2. CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Tổng quan nghiên cứu

Đại dương chiếm khoảng 70% diện tích bề mặt Trái Đất, tạo điều kiện cho việc phát triển các công trình nổi nhằm giải quyết nhu cầu cấp thiết về đất đai ven biển. Hiện nay, gần 50% dân số công nghiệp hóa toàn cầu sinh sống trong vòng 1 km từ bờ biển, dẫn đến áp lực lớn về không gian và tài nguyên đất. Trước thực trạng này, các kết cấu nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures - VLFS) đã được phát triển như một giải pháp bền vững, thân thiện với môi trường, không làm thay đổi dòng chảy thủy triều hay gây ô nhiễm nguồn nước ven biển.

Luận văn tập trung phân tích ứng xử hydroelastic của kết cấu nổi VLFS loại Pontoon, sử dụng phương pháp kết hợp phần tử biên (BEM) và phần tử hữu hạn (FEM) với mô hình tấm Kirchhoff và Mindlin. Nghiên cứu nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của các tham số như chiều dày tấm, vận tốc tải trọng di động, độ sâu đáy biển, vị trí tải trọng, module đàn hồi và kích thước tấm đến chuyển vị và ứng xử của kết cấu nổi. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình VLFS kích thước từ vài chục mét trở lên, trong môi trường nước ven biển với các điều kiện biên lý tưởng.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích chính xác, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa kết cấu nổi, góp phần phát triển các công trình biển bền vững, giảm thiểu tác động môi trường và chi phí xây dựng. Các kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong thiết kế sân bay nổi, căn cứ cứu hộ khẩn cấp, bến cảng và các công trình công nghiệp trên biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết tấm chính: tấm Kirchhoff và tấm Mindlin. Tấm Kirchhoff áp dụng cho các tấm mỏng, giả định biến dạng cắt nhỏ, trong khi tấm Mindlin phù hợp với tấm dày hơn, tính đến biến dạng cắt và góc xoay độc lập. Cả hai mô hình đều giả định vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính theo định luật Hooke.

Phân tích hydroelastic dựa trên lý thuyết thế năng tuyến tính, mô hình chất lỏng là chất lỏng lý tưởng, không nhớt, không nén được và chuyển động không xoáy. Phương trình Laplace được sử dụng để mô tả chuyển động chất lỏng, kết hợp với các điều kiện biên tại mặt tiếp xúc giữa kết cấu và chất lỏng, đáy biển và vô cực.

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô hình hóa kết cấu tấm, với phần tử chữ nhật 4 nút cho tấm Kirchhoff và phần tử Mindlin cho tấm dày, cho phép tính toán chuyển vị và ứng suất chi tiết. Phương pháp phần tử biên (BEM) được sử dụng để giải bài toán chất lỏng, giảm bậc tự do bằng cách rời rạc hóa chỉ trên biên của miền chất lỏng, thuận tiện cho các miền vô hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các thông số vật liệu, kích thước tấm, vận tốc và vị trí tải trọng, độ sâu đáy biển được lấy từ các mô hình VLFS thực tế và các nghiên cứu trước đây. Cỡ mẫu mô hình tính toán là tấm kích thước 60 m × 30 m, với lưới chia phần tử FEM tối ưu 60 × 30 phần tử, đảm bảo sai số tính toán dưới 2%.

Phương pháp phân tích kết hợp BEM và FEM được triển khai trong môi trường Matlab, giải hệ phương trình tương tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian. Quá trình nghiên cứu gồm các bước: xây dựng mô hình lý thuyết, phát triển thuật toán giải hệ phương trình, kiểm chứng mô hình với kết quả tham khảo, khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến chuyển vị tấm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, bao gồm giai đoạn phát triển thuật toán, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất kiến nghị.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Kiểm chứng mô hình: Kết quả chuyển vị tấm Kirchhoff và Mindlin so sánh với nghiên cứu của tác giả Ismail cho thấy độ lệch nhỏ, xác nhận độ tin cậy của phương pháp kết hợp BEM-FEM. Ví dụ, chuyển vị tại điểm Z5 đạt giá trị tương đồng với sai số dưới 5%.

2. Ảnh hưởng của lưới chia phần tử: Lưới 60 × 30 phần tử cho sai số chuyển vị dưới 2%, đảm bảo độ chính xác cao trong mô phỏng. Sai số giảm đáng kể khi tăng mật độ lưới từ 10 × 5 lên 60 × 30.

3. Ảnh hưởng vận tốc tải trọng di động: Khi vận tốc tải trọng tăng từ Cg_min đến 2C_min, chuyển vị lớn nhất của tấm giảm rõ rệt. Ví dụ, với tấm Kirchhoff dày h = 1/20, chuyển vị giảm từ 230.73 mm xuống mức thấp hơn khi vận tốc tăng. Tấm mỏng có chuyển vị lớn hơn gấp 230 lần so với tấm dày h = 1/5.

4. Ảnh hưởng chiều sâu đáy biển: Thay đổi chiều sâu từ 6.5 m đến 130 m không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị lớn nhất của tấm, do tải trọng lan truyền nhanh ra biên tấm. Độ lệch chuyển vị giữa tấm Kirchhoff và Mindlin cũng không thay đổi nhiều theo chiều sâu.

5. Ảnh hưởng vị trí tải trọng: Tải trọng đặt gần tâm tấm làm giảm chuyển vị lớn nhất. Ví dụ, chuyển vị giảm khi vị trí tải trọng di chuyển từ mép tấm về trung tâm. Độ lệch chuyển vị giữa hai mô hình giảm khi tấm dày lên.

6. Ảnh hưởng giá trị tải trọng: Chuyển vị tấm tăng tỷ lệ thuận với giá trị tải trọng tập trung. Ví dụ, khi tải trọng tăng từ 2.5 kN lên 7.5 kN, chuyển vị tăng tương ứng, phản ánh tính tuyến tính của hệ.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy mô hình kết hợp BEM-FEM với tấm Kirchhoff và Mindlin phù hợp để mô phỏng ứng xử hydroelastic của VLFS. Sự giảm chuyển vị khi tăng vận tốc tải trọng phù hợp với lý thuyết vật lý về động lực học kết cấu, do lực tác động ngắn hơn và phân bố ứng suất khác biệt.

Ảnh hưởng không đáng kể của chiều sâu đáy biển phản ánh tính chất lan truyền sóng trong chất lỏng lý tưởng, phù hợp với giả thiết không nhớt và không nén được. Vị trí tải trọng ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và chuyển vị, cho thấy tầm quan trọng của việc xác định vị trí tải trọng trong thiết kế.

So sánh giữa tấm Kirchhoff và Mindlin cho thấy tấm Mindlin phù hợp hơn với tấm dày, trong khi tấm Kirchhoff thích hợp cho tấm mỏng. Độ lệch chuyển vị giữa hai mô hình giảm khi tấm dày lên, phù hợp với lý thuyết biến dạng cắt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị theo vận tốc tải trọng, chiều sâu đáy biển và vị trí tải trọng, cũng như bảng so sánh chuyển vị lớn nhất và sai số giữa các mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình kết hợp BEM-FEM trong thiết kế VLFS: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng phương pháp này để phân tích ứng xử hydroelastic, nhằm tối ưu hóa thiết kế kết cấu, giảm thiểu rủi ro và chi phí xây dựng. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ và chi tiết.

2. Tối ưu chiều dày tấm theo yêu cầu chuyển vị: Đề xuất điều chỉnh chiều dày tấm để kiểm soát chuyển vị, đặc biệt với tải trọng di động nhanh. Chủ thể thực hiện là các nhà thiết kế kết cấu, với mục tiêu giảm chuyển vị dưới ngưỡng an toàn trong vòng 6 tháng.

3. Xác định vị trí tải trọng tối ưu: Khuyến nghị nghiên cứu kỹ vị trí tải trọng để giảm chuyển vị và ứng suất tập trung, nâng cao tuổi thọ kết cấu. Thực hiện trong giai đoạn khảo sát hiện trường và thiết kế chi tiết.

4. Phát triển phần mềm mô phỏng chuyên dụng: Đề xuất xây dựng phần mềm tích hợp phương pháp BEM-FEM với giao diện thân thiện, hỗ trợ mô phỏng nhanh và chính xác. Chủ thể là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ, thời gian phát triển dự kiến 1-2 năm.

5. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích hydroelastic cho kỹ sư và nhà nghiên cứu, nhằm phổ biến phương pháp và nâng cao năng lực chuyên môn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu biển: Hỗ trợ trong việc lựa chọn mô hình phân tích phù hợp, tối ưu hóa thiết kế kết cấu nổi, giảm thiểu rủi ro và chi phí.

2. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và thủy lực: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp số hiện đại để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về ứng xử kết cấu nổi và tương tác chất lỏng.

3. Chuyên gia quản lý dự án công trình biển: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả và an toàn công trình, từ đó đưa ra quyết định quản lý phù hợp.

4. Sinh viên cao học và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Là tài liệu tham khảo quý giá cho luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan đến kết cấu nổi và phân tích hydroelastic.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp kết hợp BEM và FEM có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này tận dụng ưu điểm của FEM trong mô hình hóa kết cấu phức tạp và BEM trong xử lý miền chất lỏng vô hạn, giảm bậc tự do và tăng hiệu quả tính toán. Ví dụ, mô hình VLFS lớn có thể được phân tích chính xác với chi phí tính toán hợp lý.

2. Tại sao cần phân tích hydroelastic cho kết cấu nổi VLFS?
   VLFS có kích thước lớn và tỉ số chiều dày/kích thước nhỏ, nên biến dạng đàn hồi ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử tổng thể. Phân tích hydroelastic giúp dự đoán chính xác chuyển vị và ứng suất, đảm bảo an toàn và hiệu quả thiết kế.

3. Ảnh hưởng của vận tốc tải trọng di động đến chuyển vị như thế nào?
   Kết quả cho thấy khi vận tốc tải trọng tăng, chuyển vị lớn nhất giảm do lực tác động ngắn hơn và phân bố ứng suất khác biệt. Điều này phù hợp với tính chất động lực học của kết cấu.

4. Chiều sâu đáy biển có ảnh hưởng lớn đến ứng xử của VLFS không?
   Nghiên cứu cho thấy chiều sâu đáy biển thay đổi trong phạm vi khảo sát không ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị lớn nhất, do tải trọng lan truyền nhanh và giả thiết chất lỏng lý tưởng.

5. Khi nào nên sử dụng mô hình tấm Kirchhoff hoặc Mindlin?
   Mô hình Kirchhoff phù hợp với tấm mỏng, bỏ qua biến dạng cắt, trong khi Mindlin thích hợp cho tấm dày hơn, tính đến biến dạng cắt và góc xoay độc lập. Lựa chọn mô hình dựa trên tỷ lệ chiều dày/kích thước tấm.

Kết luận

• Phương pháp kết hợp BEM và FEM với mô hình tấm Kirchhoff và Mindlin cho kết quả chính xác, tin cậy trong phân tích ứng xử hydroelastic của VLFS.
• Vận tốc tải trọng di động và chiều dày tấm là các yếu tố ảnh hưởng lớn đến chuyển vị và ứng xử kết cấu.
• Chiều sâu đáy biển và vị trí tải trọng có ảnh hưởng nhưng không đáng kể trong phạm vi khảo sát.
• Mô hình Kirchhoff phù hợp với tấm mỏng, Mindlin thích hợp với tấm dày, giúp lựa chọn mô hình phù hợp cho từng trường hợp thiết kế.
• Đề xuất phát triển phần mềm mô phỏng và đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng trong thiết kế VLFS.

Tiếp theo, nghiên cứu có thể mở rộng phân tích trong môi trường sóng biển phức tạp và tải trọng đa hướng, đồng thời phát triển công cụ tính toán tích hợp cho thiết kế công trình nổi. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và hiệu quả các công trình biển trong tương lai.