Tính Toán Tải Trọng Sóng Tác Động Lên Công Trình Ngoài Khơi Sử Dụng Mô Hình Sóng Trosman

Luận văn thạc sĩ VNU UET phân tích tải trọng sóng tác động lên công trình ngoài khơi bằng mô hình sóng Trosman, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Tác giả: Lê Thị Việt Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đào Như Mai
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học
• Đề tài: Tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình ngoài khơi sử dụng mô hình sóng Trosman
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
• 2. Mục đích của luận văn
• 3. Phương pháp nghiên cứu
• 4. Nội dung nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH SÓNG VÀ CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG SÓNG HIỆN CÓ
• 1.1. Tổng quan các mô hình sóng
• 1.2. Lý thuyết sóng Airy - lý thuyết sóng tuyến tính
• 1.3. Lý thuyết sóng Stocks
• 1.3.1. Sóng Stocks bậc 2
• 1.3.2. Sóng Stocks bậc 5
• 1.4. Lý thuyết sóng Cnoidal
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH SÓNG CỦA TROSMAN VÀ ĐỘNG HỌC HẠT NƯỚC
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC HẠT NƯỚC VÀ TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN
• Tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Tổng quan về tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình ngoài khơi

Tính toán tải trọng sóng là một phần quan trọng trong thiết kế công trình ngoài khơi. Tải trọng này không chỉ ảnh hưởng đến độ bền của công trình mà còn quyết định đến sự an toàn trong quá trình vận hành. Việc hiểu rõ về các yếu tố tác động và cách thức tính toán là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và an toàn cho các công trình này. Mô hình sóng Trosman đã được phát triển để giải quyết các vấn đề phức tạp trong tính toán tải trọng sóng, giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về tải trọng tác động lên công trình.

1.1. Tầm quan trọng của tải trọng sóng trong thiết kế công trình

Tải trọng sóng là yếu tố chính trong thiết kế công trình ngoài khơi. Nó thường lớn hơn nhiều so với tải trọng do gió hoặc dòng chảy. Việc đánh giá chính xác tải trọng này giúp đảm bảo an toàn cho công trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình hoạt động.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tải trọng sóng

Các yếu tố như chiều cao sóng, chu kỳ sóng, và độ sâu nước biển đều ảnh hưởng đến tải trọng sóng. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình tính toán để đảm bảo độ chính xác.

II. Vấn đề và thách thức trong tính toán tải trọng sóng

Tính toán tải trọng sóng không phải là một nhiệm vụ đơn giản. Các mô hình truyền thống thường gặp khó khăn trong việc mô phỏng chính xác động học của hạt nước. Điều này dẫn đến việc ước lượng tải trọng không chính xác, ảnh hưởng đến thiết kế và an toàn của công trình. Mô hình sóng Trosman ra đời nhằm khắc phục những hạn chế này, cung cấp một phương pháp tiếp cận mới và hiệu quả hơn.

2.1. Những hạn chế của các mô hình truyền thống

Các mô hình như sóng Airy hay sóng Stokes thường không phản ánh chính xác động học của hạt nước trong điều kiện sóng lớn. Điều này có thể dẫn đến sai sót trong việc tính toán tải trọng tác động lên công trình.

2.2. Thách thức trong việc xác định động học hạt nước

Việc xác định vận tốc và gia tốc của hạt nước là rất phức tạp. Các phương trình động học thường khó giải và yêu cầu nhiều tính toán, điều này làm tăng thời gian và chi phí cho quá trình thiết kế.

III. Phương pháp tính toán tải trọng sóng sử dụng mô hình Trosman

Mô hình sóng Trosman cung cấp một phương pháp tiếp cận mới trong việc tính toán tải trọng sóng. Bằng cách sử dụng các phương trình động học chính xác hơn, mô hình này cho phép dự đoán tải trọng tác động lên công trình một cách hiệu quả hơn. Quy trình tính toán bao gồm việc xác định các tham số sóng và áp dụng lý thuyết sóng tương ứng.

3.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình Trosman

Mô hình Trosman dựa trên lý thuyết sóng ngẫu nhiên tuyến tính, cho phép mô phỏng chính xác hơn về mặt sóng và động học của hạt nước. Điều này giúp cải thiện độ chính xác trong việc tính toán tải trọng.

3.2. Quy trình tính toán tải trọng theo phương trình Morison

Phương trình Morison được sử dụng để tính toán tải trọng tác động lên các phần tử nhỏ của công trình. Quy trình này bao gồm việc xác định vận tốc và gia tốc của hạt nước, từ đó tính toán tải trọng tác động lên công trình.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình Trosman trong tính toán tải trọng

Mô hình Trosman đã được áp dụng thành công trong nhiều dự án công trình ngoài khơi. Các kết quả tính toán cho thấy mô hình này cung cấp độ chính xác cao hơn so với các mô hình truyền thống. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu rủi ro trong thiết kế và thi công.

4.1. Ví dụ tính toán tải trọng cho giàn tự nâng

Trong một nghiên cứu, mô hình Trosman đã được sử dụng để tính toán tải trọng cho giàn tự nâng. Kết quả cho thấy tải trọng tính toán gần sát với thực tế, giúp cải thiện thiết kế và an toàn cho công trình.

4.2. Kết quả nghiên cứu từ mô hình Trosman

Nghiên cứu cho thấy mô hình Trosman không chỉ cải thiện độ chính xác trong tính toán tải trọng mà còn giúp các kỹ sư có cái nhìn rõ hơn về động học của hạt nước trong điều kiện sóng lớn.

V. Kết luận và tương lai của mô hình Trosman trong tính toán tải trọng

Mô hình Trosman đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc tính toán tải trọng sóng tác động lên công trình ngoài khơi. Với những ưu điểm vượt trội, mô hình này hứa hẹn sẽ trở thành công cụ quan trọng trong thiết kế và thi công các công trình biển trong tương lai. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển mô hình sẽ giúp cải thiện hơn nữa độ chính xác và hiệu quả trong tính toán tải trọng.

5.1. Triển vọng phát triển mô hình Trosman

Mô hình Trosman có tiềm năng lớn trong việc phát triển thêm các tính năng mới, giúp cải thiện khả năng mô phỏng và tính toán tải trọng trong các điều kiện khác nhau.

5.2. Tác động của mô hình Trosman đến ngành công nghiệp ngoài khơi

Việc áp dụng mô hình Trosman có thể giúp ngành công nghiệp ngoài khơi tiết kiệm chi phí và thời gian, đồng thời nâng cao độ an toàn cho các công trình biển.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong kỹ thuật công trình biển, tải trọng môi trường luôn là yếu tố chi phối trực tiếp đến độ an toàn, độ bền mỏi và tuổi thọ vận hành của kết cấu. Các thống kê thực tế cho thấy tải trọng do sóng biển đóng góp từ 70% đến 80% tổng tải trọng môi trường ngập nước, thường gấp 2 đến 3 lần so với tải trọng do gió bão tác động lên phần thượng tầng. Việc xác định chính xác trường vận tốc và gia tốc của hạt nước là tiền đề bắt buộc để tính toán lực thủy động theo công thức Morison mở rộng. Tuy nhiên, các mô hình sóng điều hòa kinh điển như sóng tuyến tính Airy, sóng Stokes bậc 5 hay sóng Cnoidal bộc lộ hạn chế lớn khi không mô tả được tính ngẫu nhiên của mặt biển và bỏ qua lịch sử tương tác sóng trong miền thời gian. Ngược lại, phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên hoàn toàn trong miền thời gian lại đòi hỏi chi phí tính toán rất lớn, làm chậm tiến độ thiết kế công trình.

Luận văn thạc sĩ tập trung giải quyết bài toán cốt lõi này bằng việc ứng dụng mô hình Sóng mới (New Wave Model) của nhóm tác giả Tromans nhằm xác định trường động học hạt nước và tính toán tải trọng sóng tác động lên các hệ khung giàn ngoài khơi. Mục tiêu cụ thể là xây dựng thuật toán tiền định hóa mặt sóng cực trị dựa trên phổ năng lượng thực tế, thiết lập mô-đun tính toán động học tích hợp vào phần mềm chuyên dụng WF2000, từ đó kiểm chứng trên hai dạng kết cấu thực tế: giàn tự nâng 3 chân hoạt động ở độ sâu nước 62m và giàn cố định DK1 ở độ sâu nước 30m. Nghiên cứu áp dụng cho trạng thái biển bão với chiều cao sóng đáng kể đạt 12m, chu kỳ trung bình cắt không 10s và chiều cao đỉnh sóng thiết kế lên tới 15m. Kết quả nghiên cứu giúp giảm hơn 80% khối lượng tính toán so với mô phỏng ngẫu nhiên truyền thống nhưng vẫn bảo đảm độ tin cậy với độ lệch tải trọng nút dưới 10%, tạo cơ sở khoa học vững chắc cho công tác thiết kế kết cấu thềm lục địa Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự giao thoa của ba khối lý thuyết nền tảng trong động lực học công trình biển:

1. Mô hình Sóng mới của Tromans (New Wave Model): Lý thuyết này xem mặt biển là một quá trình ngẫu nhiên dừng Gauss. Thay vì mô phỏng ngẫu nhiên kéo dài hàng giờ, Tromans chứng minh rằng biên dạng mặt sóng lân cận đỉnh sóng cực trị có xác suất xuất hiện lớn nhất tỷ lệ thuận với hàm tự tương quan của quá trình Gauss. Biên dạng sóng tiền định được xác định thông qua tích phân Fourier ngược của phổ năng lượng sóng, cho phép tổ hợp các thành phần sóng thành phần cùng pha tại thời điểm xuất hiện đỉnh sóng lớn nhất.
2. Phương trình thủy động lực học Morison mở rộng: Áp dụng cho các phần tử kết cấu thanh mảnh có tỷ số đường kính trên chiều dài bước sóng nhỏ hơn 0,2. Lực sóng trên một đơn vị chiều dài ống trụ nghiêng gồm hai thành phần: lực quán tính tỷ lệ với gia tốc hạt nước và lực cản kéo phi tuyến tỷ lệ với bình phương vận tốc tương đối giữa dòng chất lỏng và kết cấu. Trong nghiên cứu, hệ số cản kéo được lựa chọn bằng 0,7 và hệ số quán tính bằng 1,8 theo tiêu chuẩn công trình biển quốc tế.
3. Mô hình phổ sóng năng lượng và kỹ thuật giãn delta: Luận văn ứng dụng phổ Pierson-Moskowitz cho vùng nước sâu và phổ JONSWAP với hệ số đỉnh 3,3 cho vùng nước nông ven bờ. Để khắc phục hiện tượng kỳ dị toán học của lý thuyết sóng tuyến tính tại mực nước tĩnh và vùng sóng dâng, tác giả áp dụng phép giãn delta (delta stretching) với tham số giãn 0,3 và khoảng dịch chuyển quy đổi bằng một nửa chiều cao sóng đáng kể, giúp làm trơn trường vận tốc và gia tốc hạt nước tại vùng mặt tự do.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp giải tích kết hợp mô phỏng số thông qua công cụ lập trình FORTRAN:

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu mô phỏng: Miền tần số sóng được rời rạc hóa với cỡ mẫu gồm 256 thành phần sóng đơn phân bố đều từ tần số 0 đến tần số cắt cực đại 2,81 rad/s. Bước tần số tính toán đạt độ mịn 0,010977 rad/s, bao trọn hơn 99% tổng năng lượng của dải phổ sóng tập trung dưới ngưỡng 1,405 rad/s.
• Phương pháp chọn mẫu và quan hệ tán sắc: Để giải quyết phương trình quan hệ tán sắc phi tuyến giữa tần số và số sóng mà không cần lặp số học phức tạp, tác giả áp dụng công thức xấp xỉ đa thức của Newman cho hai miền nước nông và nước sâu. Việc lựa chọn công thức giải tích Newman giúp tốc độ tính toán số sóng tăng hơn 15 lần so với phương pháp Newton-Raphson truyền thống mà vẫn đảm bảo độ chính xác tuyệt đối đến 4 chữ số thập phân.
• Quy trình phân tích: Mô-đun động học hạt nước Trosman được viết mới và ghép nối hoàn chỉnh vào chương trình kết cấu WF2000 do Viện Cơ học phát triển. Tải trọng thủy động phân bố trên từng thanh dầm ngập nước được quy đổi về các tải trọng nút tương đương dựa trên giả thiết phân bố lực song tuyến tính. Toàn bộ quy trình mô phỏng và kiểm chứng trên hai mô hình kết cấu giàn khoan thực tế được thực hiện liên tục trong lộ trình nghiên cứu 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng số trên hệ thống giàn khoan ngoài khơi mang lại 4 phát hiện quan trọng:

1. Quy luật suy giảm phi tuyến của trường vận tốc hạt nước: Tại vị trí đỉnh sóng thiết kế cao 12m ở độ sâu 62m, vận tốc ngang của hạt nước tại mặt thoáng đạt cực đại 4,82 m/s và suy giảm phi tuyến xuống 0,93 m/s tại đáy biển. Sự biến thiên này phản ánh chính xác tác động tập trung của năng lượng sóng ở tầng mặt.
2. Sự khác biệt tải trọng tại vùng đáy biển trên giàn tự nâng: Trên mô hình giàn tự nâng 3 chân gồm 19 nút và 21 phần tử dầm, tải trọng tác động quy về các nút đáy biển (nút 4, 5, 6) theo mô hình Trosman chênh lệch khoảng 15% so với mô hình sóng Stokes bậc 5. Nguyên nhân là do ở vùng nước sâu với vận tốc nhỏ, sự tham gia của 256 thành phần sóng nhỏ trong phổ năng lượng tạo ra hiệu ứng giao thoa đáng kể mà các sóng điều hòa đơn sắc không thể hiện được.
3. Hiệu chỉnh tải trọng chính xác ở vùng mặt thoáng nhờ phép giãn delta: Tại các nút kết cấu nằm lân cận mặt nước tĩnh (nút 10, 11, 12), mô hình Trosman kết hợp phép giãn delta cho giá trị tải trọng thấp hơn từ 8% đến 12% so với phép ngoại suy tuyến tính kinh điển, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng phóng đại lực ảo quá mức thường gặp trong các tính toán truyền thống.
4. Độ tin cậy cao trên kết cấu giàn cố định DK1 vùng nước nông: Khi thử nghiệm trên mô hình giàn DK1 gồm 20 nút và 40 phần tử dầm tại độ sâu 30m với đỉnh sóng 15m sử dụng phổ JONSWAP, tổng lực cắt đáy và mô-men lật tính theo Trosman đạt mức tương thích cao với mô hình sóng phi tuyến Cnoidal, mức sai lệch tổng tải trọng chỉ dao động trong khoảng 4,5% đến 6,5%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả tính toán có thể được trực quan hóa thông qua hệ thống biểu đồ mặt sóng tức thời trong khoảng thời gian từ -50s đến +50s quanh đỉnh sóng, kết hợp với đồ thị phân bố vận tốc hạt nước theo trục thẳng đứng z và bảng ma trận lực nút không gian. Đồ thị mặt sóng cho thấy sự tập trung năng lượng đối xứng rõ rệt tại thời điểm t = 0s, sau đó suy giảm nhanh chóng về hai phía biên thời gian.

Sự tương đồng về mặt động lực học giữa mô hình Trosman và sóng Stokes bậc 5 tại các vùng vận tốc lớn khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tiếp cận tiền định. Điểm vượt trội của mô hình Trosman nằm ở chỗ nó không coi sóng là một hàm tuần hoàn vô hạn lặp đi lặp lại, mà là một sự kiện cực trị ngẫu nhiên xuất hiện từ phổ năng lượng thực tế của đại dương. Khi so sánh với các nghiên cứu công bố bởi Tromans và Van de Graaf, kết quả của luận văn hoàn toàn đồng nhất về xu hướng phân bố áp lực thủy động. Điều này chứng minh rằng việc tích hợp mô hình Sóng mới vào chương trình WF2000 đã tạo ra một công cụ tính toán có độ tin cậy tương đương các phần mềm thương mại quốc tế nhưng tối ưu hóa vượt bậc về thời gian xử lý dữ liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tiễn trong ngành kỹ thuật dầu khí và xây dựng công trình biển, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

1. Nâng cấp và chuẩn hóa công cụ phần mềm tính toán: Các viện nghiên cứu cơ học và doanh nghiệp tư vấn thiết kế ngoài khơi cần tiếp tục phát triển mô-đun sóng Trosman trên nền tảng ngôn ngữ lập trình hiện đại, tích hợp giao diện đồ họa 3D và kết nối trực tiếp với các phần mềm phân tích phần tử hữu hạn như SACS, SAP2000 hoặc ANSYS. Mục tiêu là rút ngắn thời gian phân tích mỏi kết cấu xuống dưới 48 giờ cho mỗi dự án giàn khoan, hoàn thành nâng cấp trong lộ trình 6 tháng.
2. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế công trình biển Việt Nam: Khuyến nghị các cơ quan quản lý thuộc Bộ Xây dựng và Bộ Giao thông Vận tải phối hợp cùng Tập đoàn Dầu khí Việt Nam đưa mô hình Sóng mới vào quy chuẩn thiết kế kháng bão thềm lục địa. Cần quy định rõ việc bắt buộc áp dụng phổ JONSWAP kết hợp hệ số cản 0,7 và hệ số quán tính 1,8 cho các vùng nước nông dưới 50m, triển khai áp dụng đồng bộ trong vòng 12 tháng.
3. Mở rộng quan trắc thực địa và hiệu chỉnh tham số: Triển khai lắp đặt trạm đo biến dạng và cảm biến áp lực sóng thực tế trên tối thiểu 5 giàn khoan cố định và giàn tự nâng đang vận hành tại bồn trũng Cửu Long và Nam Côn Sơn. Dữ liệu thực tế thu thập liên tục trong 18 tháng sẽ giúp hiệu chỉnh chính xác tham số giãn delta từ mức 0,3 về giá trị tối ưu phù hợp với điều kiện khí hậu hải văn biển Đông.
4. Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao: Các trường đại học kỹ thuật cần đưa chuyên đề mô hình sóng ngẫu nhiên và công thức Morison mở rộng vào chương trình đào tạo thạc sĩ và kỹ sư công trình biển. Đặt mục tiêu bồi dưỡng chuyên sâu kỹ năng tính toán động lực học phi tuyến cho khoảng 200 kỹ sư kết cấu trong thời gian 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dầu khí ngoài khơi: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác và bộ số liệu tải trọng mẫu để tính toán tối ưu hóa kích thước thanh dầm, chân đế giàn tự nâng 3 chân và giàn khung cố định chịu bão cấp 12.
2. Các nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Công trình Thủy - Thủy khí: Tài liệu tham khảo giá trị về lý thuyết quá trình ngẫu nhiên dừng Gauss, hàm tự tương quan, phổ Pierson-Moskowitz, phổ JONSWAP và thuật toán xấp xỉ tán sắc Newman.
3. Đơn vị quản lý, thẩm định và kiểm định an toàn mỏ: Giúp các kỹ sư kiểm định đánh giá chính xác tuổi thọ mỏi còn lại, xác định mức độ an toàn của hệ thống giàn DK1 và các công trình biển hiện hữu khi tiếp tục khai thác vượt thời hạn thiết kế ban đầu.
4. Học viên cao học và sinh viên ngành Cơ học Kỹ thuật, Xây dựng Biển: Nguồn học liệu trực quan hướng dẫn cách xây dựng thuật toán, kỹ thuật số hóa ma trận phần tử hữu hạn và phương pháp ghép nối mô-đun tính toán thủy động lực học bằng FORTRAN.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình Sóng mới Trosman có ưu điểm gì vượt trội so với mô hình sóng Airy và Stokes bậc 5? Mô hình sóng Airy và Stokes giả định sóng điều hòa tuần hoàn vô hạn, bỏ qua tính ngẫu nhiên và lịch sử tương tác sóng. Ngược lại, mô hình Trosman tổ hợp 256 thành phần sóng từ phổ năng lượng thực, phản ánh chính xác cấu trúc đỉnh sóng cực trị và giảm hơn 80% khối lượng tính toán so với mô phỏng ngẫu nhiên miền thời gian.

Tại sao cần áp dụng phép giãn delta trong tính toán động học hạt nước? Lý thuyết sóng tuyến tính thường gây ra hiện tượng kỳ dị toán học khiến vận tốc hạt nước bị phóng đại quá mức tại mực nước tĩnh. Phép giãn delta với tham số 0,3 giúp nội suy trơn trường vận tốc và gia tốc từ mực nước tĩnh lên đỉnh sóng, loại bỏ sai số lực ảo khoảng 10% tại các nút tầng mặt.

Công thức giải tích của Newman giúp cải thiện quá trình tính toán như thế nào? Thay vì giải lặp phi tuyến từng bước bằng phương pháp Newton-Raphson cho 256 tần số sóng, công thức đa thức Newman tính trực tiếp số sóng kn từ tần số sóng với độ chính xác cao. Kỹ thuật này giúp tăng tốc độ xử lý dữ liệu lên gấp 15 lần, đảm bảo tính ổn định tuyệt đối của thuật toán.

Khi nào nên áp dụng phổ Pierson-Moskowitz và khi nào nên dùng phổ JONSWAP? Phổ Pierson-Moskowitz phù hợp cho trạng thái biển phát triển hoàn toàn ở vùng nước sâu như giàn tự nâng 62m. Phổ JONSWAP với hệ số đỉnh 3,3 thích hợp cho vùng nước nông hoặc vùng biển bị giới hạn đà gió như giàn cố định DK1 ở độ sâu 30m, nơi năng lượng sóng tập trung hẹp hơn.

Mô-đun Trosman tích hợp vào phần mềm WF2000 hoạt động theo cơ chế nào? Chương trình WF2000 tiếp nhận thông số hình học của 19 đến 20 nút kết cấu, sau đó mô-đun Trosman tính toán vận tốc và gia tốc hạt nước tại từng tọa độ ngập nước. Cuối cùng, chương trình áp dụng công thức Morison mở rộng với hệ số cản 0,7 và quán tính 1,8 để quy đổi tải trọng phân bố về các nút khung giàn.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định tải trọng sóng ngẫu nhiên tác động lên công trình biển thông qua các đóng góp khoa học nổi bật:

• Làm chủ và hệ thống hóa hoàn chỉnh cơ sở toán học của mô hình Sóng mới Trosman, kết hợp thành công phổ năng lượng Pierson-Moskowitz và JONSWAP với thuật toán xấp xỉ tán sắc Newman.
• Ứng dụng xuất sắc kỹ thuật giãn delta để giải quyết triệt để bài toán phi tuyến động học hạt nước tại vùng mặt tự do của sóng cực trị.
• Xây dựng thành công mô-đun phần mềm mới tích hợp trực tiếp vào chương trình WF2000, tối ưu hóa hơn 80% thời gian tính toán tải trọng động lực học.
• Kiểm chứng độ chính xác và độ tin cậy của thuật toán trên hai mô hình kết cấu tiêu biểu: giàn tự nâng 3 chân 19 nút và giàn cố định DK1 20 nút trong điều kiện bão lớn.
• Khẳng định tính khả thi của việc thay thế các mô hình sóng điều hòa kinh điển bằng mô hình Sóng mới trong quy trình thiết kế và kiểm định công trình ngoài khơi.

Trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển tiếp theo là mở rộng thuật toán cho bài toán tương tác sóng ba chiều phi tuyến bậc hai và tích hợp trực tiếp vào hệ thống cảm biến giám sát sức khỏe công trình theo thời gian thực. Các đơn vị tư vấn và kỹ sư thiết kế kết cấu công trình biển hãy chủ động ứng dụng mô hình Sóng mới Trosman để nâng cao độ an toàn và tối ưu hóa chi phí đầu tư cho các dự án dầu khí ngoài khơi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan các mô hình sóng và các chương trình tính toán tải trọng sóng hiện có. Chương này trình bày các mô hình sóng điều hòa như sóng Airy, Stocks bậc 5 và sóng Cnoidal. Giới thiệu hai chương trình tính sóng hiện đang sử dụng trong tính toán tải trọng cho công trình biển là chương trình MOLOSH và WF2000. Chương 2: Mô hình sóng của Trosman và động học hạt nước.

Chương này trình bày cơ sở của mô hình sóng mới. Đưa ra phương trình mặt sóng của mô hình sóng Trosman và động học hạt nước tương ứng. Nêu ưu điểm của mô hình sóng mới so với các mô hình khác. Học viên: Lê Thị Việt Anh 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Chương 3: Xây dựng thuật toán tính toán động học hạt nước và tải trọng tác động lên công trình.

Điểm khác biệt về phương pháp xây dựng quy trình thuật toán động học hạt nước theo mô hình sóng mới so với các mô hình trước. Ghép nối với chương trình sóng hiện có để tính toán tải trọng tác động lên công trình. Chương 4: Ví dụ tính toán. Áp dụng chương trình tính toán để tính tải trọng cho một giàn tự nâng và một giàn cố định.

Học viên: Lê Thị Việt Anh 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH SÓNG VÀ CÁC CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG SÓNG HIỆN CÓ 1. Tổng quan các mô hình sóng Các ký hiệu thường dùng: H - chiều cao sóng d - độ sâu nước biển  - chiều dài bước sóng T - chu kỳ sóng k - số sóng  - tần số sóng c - vận tốc lan truyền sóng g - gia tốc trọng trường CM - hệ số cản quán tính của nước CD - hệ số cản kéo của nước D - đường kính ống  - khối lượng riêng của nước biển Umặt - vận tốc dòng chảy trên bề mặt Uđáy - vận tốc dòng chảy ở đáy z H  x h Hình 1. Hệ tọa độ khi xem xét các mô hình sóng.

Các giả thiết cơ bản (Dawson, T., 1990) Nước biển không nén được, chuyển động của nó là chuyển động có thế, có nghĩa là tồn tại một hàm thế  sao cho vận tốc của chất lỏng v tại toạ độ (x, y, z) tại thời điểm t có thể viết    v    i j k .1) x y z Học viên: Lê Thị Việt Anh 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học Hàm thế  thoả mãn phương trình Laplace  2  2  2    0, (1.2) x 2 y 2 z2 với các điều kiện động học:   Trên bề mặt vật thể khi vật đứng yên trong chất lỏng  0, (1.3) n  Trên bề mặt vật thể khi vật chuyển động trong chất lỏng với vận tốc u   un, (1.4) n  Điều kiên động học trên biên mặt tự do có dạng           0 trª n mÆt z  x, y, t  , (1.5) t x x y y z  Điều kiện động lực trên biên mặt tự do  1         2 2 2    g            0 trª n mÆt z  x, y, t  .6) t 2   x   y   z    Hai điều kiện (1.6) đều là phi tuyến, ta có thể tuyến tính hoá chúng khi đó  Điều kiện động học:    trª n mÆt z  0, (1.7) t z  Điều kiện động lực học:  g  0 trª n mÆt z  0.8) t Kết hợp hai điều kiện trên ta có Học viên: Lê Thị Việt Anh 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học  2  g 0 trª n mÆt z  0.9) t 2 z Khi hàm thế là hàm tuần hoàn theo thời gian với tần số vòng là  thì điều kiện trên có thể viết thành  2   g 0 trª n mÆt z  0 (1.10) z Dưới đây trình bày các lý thuyết sóng khác nhau, chúng là các lời giải gần đúng của bài toán trên, tùy cách lấy các số hạng trong khai triển Taylor. Lời giải gần đúng bậc nhất của bài toán này là lý thuyết sóng Airy, còn các gần đúng bậc cao hơn có các lý thuyết sóng Stokes bậc 2, 5. Lý thuyết sóng Airy - lý thuyết sóng tuyến tính (Airy G., 1986) Trong lý thuyết sóng Airy ta có các giả thiết sau:  bề mặt sóng có dạng hình sin  chiều cao sóng H nhỏ so với bước sóng  và với độ sâu nước biển d. Nếu lấy gốc toạ độ là mặt nước lặng, và trục x hướng theo hướng sóng, trục z hướng từ mặt nước lặng lên ta có thể viết phương trình mặt sóng như sau: cosk x  t  , H  (1.12)  T Các đại lượng này liên quan với nhau qua biểu thức 2  gk tanh kd .13) Từ công thức này ta có phương trình siêu việt để xác định độ dài bước sóng  Học viên: Lê Thị Việt Anh 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học gT 2  2d   tanh  .14) 2    Vận tốc truyền sóng c có dạng   g c   tanh k d .15) k T k Các thành phần ngang và dọc của vận tốc hạt nước có tọa độ (x, z) theo lý thuyết sóng Airy được tìm theo biểu thức H cosh k( d  z) ux  cosk x  t  , 2 sinh k d H sinh k( d  z) uz  sin k x  t  .16) 2 sinh k d Đối với sóng tuyến tính chiều cao sóng nhỏ thì các thành phần gia tốc có thể xác định gần đúng theo công thức u x u y ax  , ay  .17) t t Vậy từ biểu thức của vận tốc ta có các biểu thức về gia tốc 2 H cosh k( d  z) ax  sin k x  t  , 2 sinh k d 2 H sinh k( d  z) az   cosk x  t  .18) 2 sinh k d Áp lực chênh lệch p (hiệu giữa áp lực tác động và áp lực không khí) tại điểm (x, z) tại thời điểm t là tổng của áp lực thuỷ động (liên quan đến độ lệch của mặt sóng) và áp lực thuỷ tĩnh xác định bằng công thức cosk x  t   gd  z .19) 2 coshk d trong đó  - mật độ nước biển.

Học viên: Lê Thị Việt Anh 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học 1. Lý thuyết sóng Stocks (Stokes GG., 1986) Lý thuyết sóng Stocks được phát triển cho sóng có biên độ hữu hạn. Sử dụng khai triển phương trình mặt sóng thành chuỗi và tìm các hệ số của khai triển từ các phương trình thuỷ động lực học của sóng biên độ hữu hạn. Tùy thuộc vào số hạng trong khai triển mà người ta có lý thuyết sóng bậc khác nhau, ở đây chúng tôi xin trình bày hai loại sóng Stocks đó là sóng Stocks bậc 2 và bậc 5.

Sóng Stocks bậc 2 Chấp nhận hệ toạ độ đã nêu, ta có phương trình mặt sóng k H 2 coshk d  cosh2k d  2   cosk x  t    cos2k x  t  .20) 2 16 sinh 3 k d Quan hệ giữa các tham số sóng như tần số, số sóng là 2  gk tanh kd và phương trình để tìm bước sóng  gT 2  2d   tanh  .21) 2    Biểu thức của các thành phần vận tốc có dạng u x  G1 coshk( d  z) coskx  t   G2 cosh2k( d  z) cos2kx  t  (1.22) u z  G1 sinh k( d  z) sin kx  t   G2 sinh 2k( d  z) sin 2kx  t  (1.24) 2 sinh k d 16 sinh 4 k d Các thành phần gia tốc có thể tìm từ các biểu thức của vận tốc qua công thức u x u x u u u u ax   u x  x u z , az  z  z u x  z u z .25) t x z t x z Vậy từ biểu thức của vận tốc ta có các biểu thức về gia tốc Học viên: Lê Thị Việt Anh 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học ax  R1 sin kx  t   R2 sin 2kx  t  , (1.26) az  S1 coskx  t   S2 cos2kx  t  .27) Sóng Stocks bậc 5 Chấp nhận hệ toạ độ đã nêu ở trên, ta có phương trình mặt sóng 1 5   Fn cosnk x  t  , k n 1 (1. Các hệ số F22, F24, F33, F35, F44, F55 là các tham số hình dạng của sóng phụ thuộc vào kd. Tham số chiều cao sóng H, liên quan với các hệ số Fij qua quan hệ  kH  2  a  a3 F33  a5 F35  F55  .29) Giá trị của các hệ số Fij được tính cho các giá trị khác nhau của d /   kd / 2 , và các giá trị đó được cho dưới dạng bảng trong bảng 1. Các giá trị tham số hình dạng của sóng Fij h  F22 F24 F33 F35 F44 F55 0,10 3,892 -28,61 13,09 -138,6 44,99 163,8 0,15 1,539 1,344 2,381 6,935 4,147 7,935 0,20 0,927 1,398 0,996 3,679 1,259 1,734 0,25 0,699 1,064 0,630 2,244 0,676 0,797 0,30 0,599 0,893 0,495 1,685 0,484 0,525 0,35 0,551 0,804 0,435 1,438 0,407 0,420 0,40 0,527 0,759 0,410 1,330 0,371 0,373 0,50 0,507 0,722 0,384 1,230 0,344 0,339 0,60 0,502 0,712 0,377 1,205 0,337 0,329 Quan hệ giữa các tham số sóng như tần số sóng và số sóng   2  gk 1  a 2 C1  a 4 C2 tanh kd , (1.30) Học viên: Lê Thị Việt Anh 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Luận văn thạc sỹ Viện Cơ học trong đó C1, C2 - các tham số tần số sóng.

Giá trị của các tham số này cũng được tính cho các giá trị khác nhau của d  và cho trong bảng 1.