BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN THỊ THU LÊ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN HỆ DÂY NEO CƠNG TRÌNH BIỂN NỔI ĐẶT TẠI VÙNG BIỂN VIỆT NAM Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Kỹ thuật khí động lực Chuyên ngành: Kỹ thuật tàu thủy Hải Phịng – 2020 Mã số: 9520116 Cơng trình hoàn thành trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hồng Bang PGS.TS Đỗ Quang Khải Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường họp trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi phút ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện trường Đại học Hàng hải Việt Nam MỞ ĐẦU LÝ DO NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay, công trình biển (CTBN) ngày sử dụng rộng rãi Khi trạng thái khai thác, CTBN neo hệ neo, hệ neo kết cấu quan trọng CTBN, địi hỏi tính tốn thiết kế cần có độ xác cao, đảm bảo khả giữ cơng trình điều kiện cực hạn thiết kế, đồng thời tránh tổn thất, lãng phí vật liệu dây neo thường có chiều dài lớn - Quá trình thiết kế hệ neo thường tuân thủ theo quy phạm phân cấp hướng dẫn hành Để thực phương pháp quy trình tính tốn đưa hệ thống quy phạm đòi hỏi nhà thiết kế phải sẵn có chương trình tính tốn chun dụng tính tốn hệ dây neo Các chương trình tính tốn hệ dây neo giới chương trình thương mại có giá đắt, chất học thuật q trình tính tốn hệ dây neo chứa “hộp đen” - Để thiết kế hệ neo CTBN hoạt động vùng biển có điều kiện mơi trường khắc nghiệt u cầu người kỹ sư phải có hiểu biết tính tốn thiết kế CTBN - Trong lĩnh vực nghiên cứu CTBN, cần có cơng trình nghiên cứu chun sâu học thuật, từ góp phần xác hóa kết phân tích, giúp giảm thiểu rủi ro xảy ra, giảm chi phí q trình lắp đặt, vận hành, khai thác cơng trình MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích đề tài xây dựng thuật tốn lập chương trình tính tốn hệ dây neo CTBN với mơ hình sát với điều kiện làm việc thực tế hệ dây neo CTBN hoạt động vùng biển Việt Nam Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI - Mơ hình tốn thuật tốn mà đề tài đưa áp dụng làm sở tính tốn động lực học hệ dây neo CTBN - Chương trình tính tốn lực căng chuyển vị hệ dây neo CTBN theo mơ hình khơng gian đề tài kết mang ý nghĩa thực tiễn tính toán hệ dây neo Việt Nam ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu đề tài: Trọng tâm đề tài tính tốn hệ dây neo võng dạng điểm neo ứng dụng cho CTBN dạng FSO FPSO sử dụng nhiều vùng biển Việt nam Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu thuật tốn tính tốn lực căng dây neo chuyển vị dây neo loại dây neo võng, điểm neo, khơng có vật treo (vật nặng gia tải dây neo), biết giá trị tổ hợp lực tác dụng lên CTBN có dây neo PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng thuật tốn lập chương trình tính, kiểm nghiệm tính tốn cho cơng trình thực tế phần mềm có quyền BỐ CỤC LUẬN ÁN Luận án gồm 150 trang thuyết minh, có 23 bảng, 67 hình đồ thị, tài liệu tham khảo, phần phụ lục NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN HỆ DÂY NEO CƠNG TRÌNH BIỂN NỔI Trong chương tác giả trình bày khái quát CTBN có dây neo, đặc điểm phân loại hệ dây neo CTBN Phân tích cơng trình nghiên cứu tính tốn dây neo giới nước Từ đưa nhận xét định hướng cách tính tốn hệ dây neo CTBN Việt Nam 1.1.Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc Qua phân tích cho thấy giới chủ yếu sử dụng nhóm mơ hình để giải tốn tính tốn tải trọng lên hệ dây neo: Mơ hình thực nghiệm mơ hình lý thuyết Trong mơ hình thực nghiệm sử dụng mơ hình lị xo cho phép điều chỉnh độ cứng dây neo, làm thay đổi độ dãn dài ảnh hưởng đến động học dây neo, trường hợp nước sâu bể thử có chiều dài hạn chế nên không loại trừ hết ảnh hưởng đáy biển đến cơng trình Với mơ hình lý thuyết thường sử dụng mơ hình tốn học thực tính toán lực căng xác định quỹ đạo dây neo Mơ hình tốn học kiểm nghiệm trình nghiên cứu kết áp dụng việc giải tốn tính tốn hệ neo giữ CTBN Trong mơ hình tốn, phương pháp sơ áp dụng tính tốn hệ dây neo, sở để xây dựng phần mềm tính dây neo tiếng MIMOSA, OCARFLEX,…tuy nhiên phần mềm thương mại có quyền có giá thành đắt, mà học thuật khơng cơng bố 1.2.Tình hình nghiên cứu nƣớc Đối với tàu biển, hệ thống neo tính chọn theo quy phạm chủ yếu Tính tốn hệ thống neo cho CTBN có kích thước lớn hoạt động khơi chưa đề cập cụ thể quy phạm áp dụng tính tốn Việt Nam Một số phương pháp tính tốn dây neo CTBN lưu hành Việt Nam như: Tính tốn dây neo theo quy trình hướng dẫn thiết kế Nga, tính tốn đường dây neo đơn có khơng kể đến biến dạng đàn hồi vật liệu dây neo, để xác định phân phối lực căng lên cặp dây neo dùng tiêu chuẩn thực hành ARGEMA Pháp Các phương pháp dựa nguyên tắc chung là: - Tách riêng phần tử dây neo; - Xét phương trình cân tĩnh phần tử, từ xét cho dây neo; - Áp đặt điều kiện biên; - Giải phương trình, tính chiều dài tối thiểu dây neo; - Tính lực căng ngang dây neo Với cách tính tốn tồn số hạn chế là: -Đã đơn giản hóa tốn tính hệ dây neo mơ hình tốn phẳng, tức giả thiết cơng trình neo với số lượng dây neo chẵn, đối xứng qua mặt phẳng vng góc với hướng tác dụng mơi trường; Tải trọng tổ hợp môi trường biển tác dụng lên cơng trình có phương khơng đổi trùng với mặt phẳng cặp dây (hình 1.1); - Bỏ qua tải trọng sóng dịng chảy tác dụng trực tiếp lên dây neo mà xét chịu tải trọng từ kết cấu tải trọng trọng lượng thân dây neo (hình 1.2) CTBN CTBN Dây neo Dây neo Hình 1.1 Mơ hình tốn phẳng dây neo q Dây neo Hình 1.2 Dây neo chịu trọng lƣợng thân Ngoài ra, chưa giải tổng qt tốn đường dây neo đơn, xét trường hợp dây neo chùng, chưa xét trường hợp góc căng dây neo có giá trị khác khơng Trong số cơng thức tính bỏ qua độ biến dạng đàn hồi Tính tốn hệ dây neo theo tiêu chuẩn thực hành có độ xác không cao phù hợp điều kiện thiết kế định Nhận xét: Các nghiên cứu tính toán dây neo sử dụng Việt Nam, dừng mơ hình tốn phẳng, tĩnh lực học dây neo, giải phương pháp giải tích Với cách tính tốn khơng phản ánh làm việc hệ dây neo, không xác định giá trị lực căng xuất dây neo dẫn đến thiết kế dây neo khơng đạt độ xác, khơng sát với điều kiện làm việc thực tế hệ dây neo Để giải vấn đề này, luận án tập trung nghiên cứu tính tốn hệ dây neo qua vấn đề sau:  Nghiên cứu điều kiện làm việc hệ dây neo CTBN, loại tải trọng tác dụng lên hệ dây neo;  Xây dựng mơ hình tính tốn sát với điều kiện làm việc hệ dây neo;  Xây dựng thuật toán phương pháp Phần tử hữu hạn (PTHH) lập chương trình máy tính MOORING_2017 tính tốn lực căng chuyển vị toán động lực học dây neo chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên theo miền thời gian;  Kiểm nghiệm độ tin cậy thuật tốn thơng qua phần mềm có  quyền OCARFLEX Orcina Ltd CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, tác giả đưa mơ hình tốn, từ phân tích sở lý thuyết áp dụng để giải tốn, bao gồm phân tích dây neo dây neo chịu tải trọng thân, phân tích lý thuyết sóng, lý thuyết dịng chảy, phương pháp Newmark 2.1 Mơ hình hóa tốn tính hệ dây neo Mơ hình hóa hệ dây neo thành hệ giàn không gian gồm phần tử liên kết với thơng qua khớp (hình 2.1) CTBN Liên kết khớp Dây neo Hình 2.1 Mơ hình khơng gian hệ dây neo CTBN dạng neo điểm 2.1.1 Phân tích tải trọng tác dụng lên dây neo Tải trọng tác dụng lên dây neo bao gồm: tải trọng thân dây neo, tải trọng từ CTBN neo, tải trọng sóng tải trọng dịng chảy tác dụng trực tiếp lên dây neo (hình 2.2) CTBN Sóng Dây neo Dòng chảy Liên kết khớp Nền đất đáy biển Mỏ neo Hình 2.2 Mơ hình hóa dây neo thành phần tử liên kết khớp 2.1.2 Phân tích phần tử dây neo Hệ dây neo hệ mềm, mơ hình hóa liên kết phần tử liên kết khớp, phần tử dây neo đặt vào hệ không gian gọi hệ giàn không gian, hệ gồm chịu kéo nén dọc trục hay nói cách khác chịu biến dạng dọc trục, phần tử giàn khơng gian có liên kết khớp đầu có biến dạng dọc trục, có bậc tự do, nút sẽucó chuyển vị thẳng theo trục (hình 2.3) u6 u2 u5 u1 u4 Hình 2.3 Phần tử giàn không gian hệ tọa độ địa phƣơng Phương phần tử dây neo j xác định cosin phương: cxj, cyj, czj 2.1.3 Điều kiện biên hệ Tại vị trí chân neo liên kết dây neo mỏ neo coi ngàm có khớp, có chuyển vị thẳng bị chặn Tại vị trí đầu dây neo liên kết với giá chặn xích coi ngàm trượt có chuyển vị thẳng theo phương z bị chặn Những vị trí dây neo nằm mặt đất có chuyển vị bị chặn theo phương z 2.2 Công thức Morison Để xác định tải trọng sóng tải trọng dịng chảy tác dụng trực tiếp lên phần tử dây neo, sử dụng công thức Morison Tải trọng phân bố vuông góc dọc trục với trục phần tử thanh: { | | | | | | | | | | | | { (2.1) - khối lượng riêng nước, kg/m ; A - diện tích tiết diện ngang thanh, m2; D - kích thước tiết diện thanh,m; - vận tốc gia tôc phần tử nước; - hệ số lực quán tính; - hệ số lực cản 2.3 Lý thuyết sóng thực Để mơ tả q trình ngẫu nhiên sóng biển, luận án sử dụng phương pháp phổ sóng: coi q trình ngẫu nhiên tung độ sóng q trình ngẫu nhiên dừng Trạng thái trình ngẫu nhiên ( ) phụ thuộc vào thời gian nên mơ tả cách đầy đủ hàm mật độ phổ, ( ) Hai phổ sóng thường dùng phổ Pierson - Moskowitz (Pký hiệu M) phổ Jonswap Phương trình mặt sóng ngẫu nhiên: ( ) ∑ ( )/, (2.2) - biên độ sóng; ki - số sóng; - tần số sóng; - góc lệch pha ngẫu nhiên Từ xác định thơng số động học sóng ngẫu nhiên: ( ) ∑ )- ( )1 , ( (2.3) ( ) ( ) ∑ ( ) ∑ ( ) ∑ ( , ( ) ( ) ( ) )- ( )1 , ( ) -( )1 (2.5) , ( )- ( )1 (2.6) (2.4) d – độ sâu nước, m; N - số sóng 2.4 Sự phân bố vận tốc dịng chảy theo độ sâu nƣớc Dòng chảy gồm dòng chảy gió dịng chảy triều: ( ) ( ) ( ) (2.7) Khi có số liệu dịng chảy mặt dịng chảy đáy, thiết lập quy luật thay đổi vận tốc dòng chảy theo độ sâu sau tính nội suy vận tốc dịng chảy độ sâu z bất kỳ, từ xác định tải trọng dịng chảy 2.5 Phƣơng trình dao động tổng qt hệ Trong tính tốn dao động, hệ phương trình dao động có dạng: , - ̈ , - ̇ , * +, (2.8) - véc tơ chuyển vị nút; , - - ma trận độ cứng hệ; , - - ma trận khối lượng hệ; , - - ma trận cản nhớt hệ; * +-véc tơ tải trọng nút hệ 2.6 Xây dựng ma trận véc tơ tải trọng phần tử Ma trận khối lượng:, - (2.9) [ ] l - chiều dài phần tử xét, m Ma trận độ cứng: Dây neo kết cấu có chuyển vị lớn, ma trận độcứng kết cấu bao gồm ma trận độ cứng đàn hồi ma trận độ , , , - , cứng hình học (2.10) , , [ ] - (2.11) [ E – mô đun đàn hồi vật liệu,kN/m2 ] Nhận thấy , - phụ thuộc vào lực căng T, hệ phương trình cân nút có dạng x=f(x) hệ phương trình phi tuyến, để giải hệ tác giả dùng phương pháp lặp , - tổ hợp tuyến tính , - , - Véc tơ tải trọng nút: { } [ / / / / / /] (2.12) P1 đến P6 theo x,y,z - véc tơ lực nút phần tử khung phẳng có liên kết cứng 2.7 Phƣơng pháp tích phân trực tiếp phƣơng trình vi phân theo Newmark Để giải phương trình vi phân dao động kết cấu theo miền thời gian, luận án sử dụng phương pháp Newmark.Thuật giải tổng quát: -Chuyển phương trình vi phân xuất phát với biến liên tục t hệ phương trình sai phân với biến thời gian t rời rạc hố, t khoảng thời gian cần quan sát phản ứng động hệ; -Giải phương trình vi phân theo phương pháp truy hồi: Thuật toán truy hồi phải giả thiết điều kiện ban đầu chuyển vị, vận tốc, gia tốc; Với số gia lực xác định số gia chuyển vị: * + [ ̂] { ̂ } (2.13) [ ̂ ]- ma trận độ cứng hữu ích hệ Hiệu chỉnh số gia chuyển vị, vận tốc gia tốc: * + * + * + * ̇+ * ̇+ * + * ̈+ * ̈+ Tác giả áp dụng lý thuyết theo sơ đồ sau: * + (2.14) (2.15) Mơ hình kết cấu hệ dây neo CTBN Lý thuyết sóng Lý thuyết dịng chảy Xác định tải trọng lên phần tử dây neo Công thức Morrison Phương pháp PTHH Xác định M, K, C Tải trọng thân Quy tải trọng nút phần tử Xác định tải trọng nút kết cấu Tải trọng lên CTBN Thiết lập phương trình dao động kết cấu hệ dây neo ,𝑀-𝑢̈ ,𝐶-𝑢̇ ,𝐾-𝑢 *𝐹𝑡 + Giải hệ phương trình dao động kết cấu Newmark Kết luận chương: Trong chương tác giả thực được: - Đưa mơ hình tính tốn hệ dây neo mơ hình giàn khơng gian; - Phân tích sở lý thuyết sóng, dịng chảy, công thức Morison; - Xây dựng ma trận phụ trợ, kỹ thuật quy tải trọng nút phần tử giàn khơng gian có liên kết khớp từ phần tử có liên kết cứng; - Phân tích phương pháp Newmark để giải hệ phương trình vi phân dao động kết cấu hệ dây neo theo miền thời gian CHƢƠNG XÂY DỰNG THUẬT TỐN TÍNH TỐN HỆ DÂY NEO CƠNG TRÌNH BIỂN NỔI THEO MƠ HÌNH KHƠNG GIAN Dựa quan điểm phân tích động lực học kết cấu: Nội lực xác định cân với ngoại lực có xét đến lực qn tính lực cản nhớt Trong luận án áp dụng xây dựng thuật tốn theo trình tự: - Tính tốn động học thơng số sóng ngẫu nhiên; Tính tốn tải tác dụng lên phần tử dây neo; - Quy tải trọng nút theo phương pháp PTHH; Tải trọng cơng trình tác dụng lên hệ dây neo cộng với tải trọng nút đầu dây neo; - Thiết lập hệ số hệ phương trình vi phân dao động; Áp dụng phương pháp Newmark giải hệ phương trình vi phân phi tuyến theo miền thời gian 3.1 Thuật tốn thiết lập mặt sóng ngẫu nhiên tính tốn thơng số động học sóng vùng biển Việt Nam (hình 3.1) Tác giả sử dụng dạng phổ phổ P-M phổ Jonswap -Phổ P-M: thích hợp để xử lý thống kê thơng số sóng biển Việt Nam -Phổ Jonswap: phổ thường sử dụng vùng biển Bắc công ty thiết kế cơng trình biển thường sử dụng BĐ Nhập số liệu d,N,Tm,Hs Thơng số phổ sóng Tz ,TP, 𝜔𝑃 Xác định dải tần số 𝜔𝑠 ÷ 𝜔𝑓 , 𝜔 i=1 Xác định 𝛼𝑖 𝜔𝑖 Tính thơng số sóng ngẫu nhiên 𝑇𝑚𝑖 , 𝜆𝑖 , i = i+1 Phổ sóng 𝑆(𝜔𝑖 ), Biên độ sóng 𝑎𝑠𝑖 Xác định 𝜂(𝑥 𝑡), 𝑣𝑥 𝑣𝑧 ; ax; az 𝑖≤𝑁 S Đ Xuất giá trị 𝜂 𝑣𝑥 𝑣𝑧 ; ax; az KT Hình 3.1 Sơ đồ khối thuật tốn thiết lập mặt sóng ngẫu nhiên Thuật tốn thực qua bước: Từ bảng tần suất phân bố sóng ta có giá trị chiều cao sóng đáng kể Hs chu kì sóng trung bình Tm, số sóng N, chiều sâu nước d; Xác định chu kỳ cắt không Tz; Xác định chu kỳ đỉnh phổ TP; Xác định tần số đỉnh phổ : Phổ sóng lấy khoảng từ đến ; 24 Nếu đạt sai số (Delta_F) cho phép thực dịng tiếp; 25.Xuất kết nội lực, chuyển vị; 26.Kết thúc chương trình BĐ Nhập số liệu g,𝜌,Hs,Tm,d,𝛽, Vm, Vd, FT Số liệu kết cấu, giá trị Tđ, giá trị 𝜀 Tổ hợp tải trọng Fxyz, To, Sai số 𝜀 TD0 T:=Tđ L0, Ke0(TD), Fe0(TD) K0,F0 Delta_F (TD):=F0 u0:=0 Đặt ĐK biên Xác định Delta_u(T,TD) u:=u+Delta u K TD Ke(TD) Le(TD), Te(TD) T(TD), N(TD), F(TD) Delta_F=F(TD)-N(TD) Delta_F≤ 𝜀 S Đ Te,u KT Hình 3.3 Sơ đồ khối thuật tốn tính tĩnh lực học hệ dây neo 3.4.Thuật tốn tính tốn động lực học hệ dây neo mơ hình khơng gian Thuật tốn thực qua bước: Xác định thơng số ban đầu Số liệu môi trường, số phần tử dây neo, số nút, đặc trưng phần tử, thông số thời gian, tải trọng tổ hợp, giá trị , tham số Xác định véc tơ tọa độ nút phần tử TD0, TD=TD0: Từ đặc trưng phần tử, sơ đồ kết cấu xác định véc tơ tọa độ nút phần tử, thực thuật toán tĩnh hệ dây neo vị trí cân ta xác định tọa độ ban đầu TD0; Xác định véc tơ chiều dài phần tử ban đầu phụ thuộc tọa độ nút: l0, l= l0; Xác định ma trận chuyển hệ trục tọa độ Te0: 11 Xác định ma trận khối lượng , - : Giả định lực căng ban đầu, T0: -T0 lấy kết thuật toán tĩnh để toán nhanh hội tụ; Xác định ma trận độ cứng , Xác định ma trận cản nhớt , -: Xác định véc tơ tải trọng nút * + : 10 Xử lý điều kiện biên: 11 Vào số liệu điều kiện ban đầu:* + * ̇ + : * + ,* ̇ + ; 12 Tính * ̈ + theo cơng thức phương trình dao động; 13 Tính hệ số a0 đến a7; 14 Thực vòng lặp theo thời gian t,n bước thời gian, gia số ; Vịng lặp theo bƣớc thời gian 15 Tính n bước thời gian, i=1 đến n; 16 Trong bước thời gian gán * + ; 17 Xác định véc tơ tải trọng nút thời điểm t+ ; 18 Xác định * + , * ̈+ , * ̇+ * + , -* ̈ + , -* ̇ + , -* + 19 Gán { ̂} ; Vịng lặp tìm chuyển vị lực căng 20 Xác định ma trận độ cứng hữu ích: 21 Xác định số gia chuyển vị thời điểm ; 22 Hiệu chỉnh chuyển vị, vận tốc, gia tốc: 23 Xác định tọa độ nút phần tử TD: - Từ chuyển vị xác định vị trí tọa độ phần tử 24 Xác định chiều dài phần tử theo tọa độ l(TD): 25 Xác định lực căng theo tọa độ T(TD,L): - Từ chuyển vị mới, hệ tọa độ nút tính lực căng theo tọa độ 26 Xác định ma trận chuyển hệ trục tọa độ Te(TD) theo tọa độ mới; 27 Xác định véc tơ tải trọng nút * + theo tọa độ mới; 28 Xác định ma trận , -, , - theo tọa độ mới, , -( ), , -( ): 29 Chuyển ma trận , -, , - hệ tọa độ tổng thể kết cấu: 30 Áp đặt điều kiện biên; 31 Xác định ma trận cản nhớt , -( ) theo tọa độ mới; 32 Tính * + theo tọa độ mới; 33 Xác định lại gia số lực hữu ích { ̂ } có chuyển vị; 34 Kiểm tra sai số { ̂ } ≤ đạt yêu cầu kết thúc vịng lặp thực bước 35, khơng đạt quay lại thực bước 20; Kết thúc vòng lặp tìm chuyển vị lực căng 35 Để thực vòng lặp, chuyển vị ban đầu bước thời gian 0, * + * ̈+ * ̇+ * ̇+ gán * + ; * ̈+ ; 36 Tăng bước thời gian i = i+1 tức t = t+ ; 37 Nếu i≤ tiếp tục tăng bước thời gian lặp lại bước 15 i >n sang bước 38; Kết thúc vịng lặp theo bƣớc thời gian 38 Xuất giá trị kết quả; 39 Kết thúc chương trình 12 BĐ Nhập số liệu mơi trường, Số liệu kết cấu Thông số thời gian n, 𝑡, Tải trọng FT,T0, 𝜀, 𝛼 𝛿 Xác địnhTD0; l0; Te0; [M](TDo) T:=T0 Xác đinh [K](TD0; [C](TD0); [F]0 Áp đặt điều kiện *𝑢+ biên *𝑢̇ + 𝑇í𝑛 *𝑢̈ + a0,a1,a2,a3,a4,a5a6,a7 i=1 t:=𝑖 𝑡 *𝑢+𝑡 Tính *𝐹+𝑡 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 {𝐹̂ }=*𝐹+𝑡 𝑡 *𝑢+𝑡 𝑡; ,𝑀-*𝑢̈ +𝑡 𝑡 ̂ ; *𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 𝑢+𝑡 Tính 𝐾 *𝑢+𝑡 *𝑢̈ +𝑡 𝑡 𝑡 *𝑢̇ +𝑡 ,𝐶-*𝑢̇ +𝑡 𝑡 𝑡 𝑡 ,𝐾-*𝑢+𝑡 ̂ ] 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 {𝐹̂ } [𝐾 𝑡 𝑡 ; *𝑢̇ +𝑡 𝑡 ; *𝑢̈ +𝑡 𝑡 i = i +1 𝑡 TD l(TD, T(TD,l, 𝐹𝑡 𝑡 (TD); [M](TD); [K](TD) Đặt điều kiện biên [C](TD) Tính {𝐹̂ }𝑡 (TD); 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 {𝐹̂ } 𝑡 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 {𝐹̂ } 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑎 {𝐹̂ } ≤ 𝜀 S Đ *𝑢+𝑡 *𝑢+𝑡 𝑡 *𝑢̇ +𝑡 𝑢̇ 𝑡 𝑡 *𝑢̈ +𝑡 i≤n 𝑡; *𝑢+𝑡 𝑡 Đ S 𝑇𝑡 *𝑢̈ +𝑡 𝑡 KT Hình 3.4 Sơ đồ khối thuật tốn tính động lực học hệ dây neo Kết luận chương: Ở chương này, tác giả thực được: 13 - Phân tích đặc điểm vùng biến Việt Nam, hai dạng phổ P– M Jonswap; - Xây dựng thuật tốn để mơ tả mặt sóng ngẫu nhiên vùng biển mỏ Rạng Đông Việt Nam; - Xây dựng thuật tốn tính tốn tổng qt đường dây neo đơn hai trường hợp dây neo căng dây neo chùng; - Xây dựng thuật tốn tính tốn tĩnh lực học hệ dây neo mơ hình khơng gian, sử dụng phương pháp lặp giải hệ phương trình phi tuyến kết cấu; - Xây dựng thuật toán động lực học hệ dây neo mơ hình khơng gian CHƢƠNG LẬP CHƢƠNG TRÌNH MÁY TÍNH VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TỐN TÍNH TỐN HỆ DÂY NEO THEO MƠ HÌNH KHƠNG GIAN Trên sở thuật tốn trình bày chương 3, tác giả lập chương trình MOORING_2017 máy tính để thực tính tốn; Kiểm nghiệm độ tin cậy thuật tốn cách tính tốn cho cơng trình thực tế FSO Rạng đơng (hình 4.1), sơ đồ neo (hình 4.2) So sánh với kết phần mềm OCARFLEX với phần mềm MOORING_2017 Tháp neo Xích nối với tháp neo RẠNG ĐƠNG FSO Xích trung gian Xích đất Cáp Neo Hình 4.1 Sơ đồ neo FSO Rạng Đơng hệ neo Turret Dây neo 5: Nút 82 đến 101 Dây neo 4: Nút 62 đến 81 1200 Dây neo 6: Nút 102 đến 121 Dây neo 3: Nút 42 đến 61 Dây neo 2: Nút 22 đến 41 Nút Dây neo 7: Nút 122 đến 141 Dây neo 1: Nút đến 21 Dây neo 9: Nút 162 đến 181 Dây neo 8: Nút 142 đến 161 Hình 4.2 Sơ đồ đánh số nút hệ 09 dây neo FSO Rạng Đông 14 4.1 Số liệu chƣơng trình kêl tính tốn thuật tốn thiết lập mặt sóng ngẫu nhiên vùng biển mỏ Rạng Đơng Số liệu: - Độ sâu nước: 56 m; - Chiều cao sóng đáng kể: 8,48 m; - Chu kì sóng: 10 s; - Số sóng tính tốn: 20 Bảng 4.1 Kết tính tốn Hs=8.48 m; Tm=10 s Trạng thái biển Dạng phổ P -M Dải tần số phổ P-M, rad/s Dải chu kỳ tính tốn, s _PMs  0.58 2 Tz  0.396 _PM f  5.1101 2 Tz  3.487 (1,802 ÷ 15,87) Mặt sóng ngẫu nhiên mô tả phổ P-M Kết thông số động học sóng mỏ Rạng Đơng (phổ P-M) Thành phần vận tốc phần tử nước theo phương ngang, m/s Thành phần vận tốc phần tử nước theo phương đứng, m/s Thành phần gia tốc phần tử nước theo phương ngang, m/s Thành phần gia tốc phần tử nước theo phương đứng, m/s 15 Dạng phổ Jonswap Dải tần số phổ Jonswap, rad/s Dải chu kỳ tính tốn, s Mặt sóng ngẫu nhiên mơ tả phổ Jonswap _Jonswap s  0.282 _Jonswap f  2.186 (2,874 ÷ 11,14) Kết thơng số động học sóng mỏ Rạng Đông (phổ Jonswap) Vận tốc phần tử nước theo phương ngang, m/s Vận tốc phần tử nước theo phương đứng, m/s Gia tốc phần tử nước theo phương ngang, m/s Gia tốc phần tử nước theo phương đứng, m/s 4.2 Số liệu chƣơng trình kêl tính tốn thuật tốn tính dây neo mơ hình khơng gian Bảng 4.2 Số liệu chƣơng trính tính tốn hệ dây neo FSO Rạng Đông g:=9.81 Gia tốc trọng trường, m/s2 Khối lượng riêng nước biển, kg/m3 d: =56 Độ sâu nước,m :=180 Góc phương truyền sóng x, độ N :=20 Số sóng Hs := 8.48 Chiều cao sóng đáng kể, m Cd_song:=153.02 Chiều dài sóng, m Tm :=10 Chu kỳ sóng tính tốn, s Dải tần số, chu kỳ sóng tính tốn Bảng 4.1 Vận tốc gia tốc phần tử nước Bảng 4.1 Góc hợp phương dòng chảy 180 trục x, độ 16 Vận tốc dịng chảy với cao trình đáy: Vc mặt: 1,47m/s Vc độ sâu 30 m: 1,43m/s Vc đáy: 1m/s dong_chay  1 30 1.43 56 1.47 Cao độ tháp neo so với mặt nước, m Bán kính neo (tính từ tâm tháp neo đến điểm neo), m Chiều dài đoạn dây: Mỗi dây neo gồm đoạn chiều dài 58,80,194,750 m th_neo:=15.4 R_x:=1056 L_dn  Góc xoay dây neo so với trục x (sơ đồ hệ dây neo FSO Rạng Đơng hình 4.2) goc_xoay 58      80   194   750     1 -5 Mỗi đoạn dây neo chia thành phần tử, dây neo gồm đoạn chia thành 20 phần tử Mỗi dây neo có 20 nút, nút chung tâm Turret, hệ có 181 nút Số chuyển vị: Mỗi nút có chuyển vị, nên hệ có 543 chuyển vị Lực kéo đứt, kN Giá trị điều kiện cân nút 115     5  n_doan  5 5   so_nut:=181 tong_so_cv=543 7100 Vật liệu kết cấu FSO Rạng Đông: Cột 1: mô đun đàn hồi, kN/m2; Cột 2: đường kính dây, m; Cột 3: hệ số CD; Cột 4: hệ số CM; Cột 5: khối lượng riêng, kg/m3 loai_vl  1.13·108 0.095 2.2 7.85·103 1.13·108 0.095 2.2 6.855·103 1.161·108 0.089 2.2 6.855·103 6.142·107 0.089 0.7 4.887·103 Thời gian, bước thời gian, s Điều kiện biên: Tại nút điểm neo có chuyển vị bị chặn; tâm Turret có chuyển vị bị chặn theo z; nút nằm mặt đất có chuyển vị bị chặn theo z Giá trị tải trọng tĩnh FT trạng thái đầy tải FSO, kN (số liệu theo OCARFLEX) Giá trị tải trọng động FT(t) trạng thái đầy tải FSO, kN (số liệu theo OCARFLEX) 17 t=1200s ; dk_bien  1 0 21 1 41 1 61 1 tai_trong_nut  1 -4.281·103 Bảng 4.3 Kết tĩnh lực học hệ dây neo theo mơ hình khơng gian (Trích xuất giá trị lực căng (kN) dây neo 1,2,3 (cụm 1)) 1 kq  1 1.828·103 21 1.918·103 41 1.828·103 1.818·103 22 1.908·103 42 1.818·103 1.809·103 23 1.898·103 43 1.809·103 1.799·103 24 1.889·103 44 1.799·103 1.79·103 25 1.879·103 45 1.79·103 1.779·103 26 1.868·103 46 1.779·103 1.766·103 27 1.856·103 47 1.766·103 1.754·103 28 1.843·103 48 1.754·103 1.742·103 29 1.831·103 49 1.742·103 10 1.73·103 30 1.819·103 11 1.519·103 31 1.596·103 12 1.519·103 32 13 1.519·103 33 14 1.519·103 15 50 1.73·103 51 1.519·103 1.596·103 52 1.519·103 1.596·103 53 1.519·103 34 1.596·103 54 1.519·103 1.519·103 35 1.596·103 55 1.519·103 16 1.519·103 36 1.596·103 56 1.519·103 17 1.519·103 37 1.596·103 57 1.519·103 18 1.519·103 38 1.596·103 58 1.519·103 19 1.519·103 39 1.596·103 59 1.519·103 20 1.519·103 40 1.596·103 60 1.519·103 21 41 61 kq  kq  Lực căng max, kN Tmax  1.918  10 Chuyển vị nút dây neo mơ hình khơng gian chịu tải trọng tĩnh (m) (Trích xuất giá trị kết nút đến nút 61) kq  1 -6.071 22 -0.474 42 -0.033 1.174·10-13 23 7.701 43 -0.178 -3.72 24 2.163 44 -0.025 -0.12 25 -0.405 45 -0.134 2.575 -1.318 26 4.964 46 -0.017 -0.243 27 1.01 47 -0.089 5.227 28 -0.34 48 -8.299·10-3 1.137 29 2.396 49 -0.045 10 -0.369 30 -0.049 50 -3.703 11 7.959 31 -0.28 51 1.163·10-13 12 3.642 32 -0.047 52 2.596 13 -0.497 33 -0.269 53 -1.286 14 10.772 34 -0.046 54 1.152·10-13 15 6.2 35 -0.257 55 5.266 16 -0.628 36 -0.044 56 1.181 17 13.667 37 -0.246 57 1.142·10-13 18 4.757 38 -0.043 58 8.012 19 -0.549 39 -0.234 59 3.696 20 10.603 40 -0.041 60 1.131·10-13 21 3.412 41 -0.223 61 10.835 22 42 62 kq Chuyển vị tâm Turret, m  u1  6.071 18 kq  Bảng 4.4 Kết động lực học lực căng dây neo chuyển vị tâm Turret theo mơ hình khơng gian (sử dụng phổ P-M) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 3) Dây neo (Cụm 3) Dây neo (Cụm 3) Chuyển vị tâm Turret 19 Bảng 4.4 Kết động lực học lực căng dây neo chuyển vị tâm Turret theo mơ hình khơng gian (sử dụng phổ Jonswap) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 3) Dây neo (Cụm 3) Dây neo (Cụm 3) Chuyển vị tâm Turret, m 20 4.3 Đánh giá kết tính toán lực căng chuyển vị dây neo Bảng 4.7 Bảng so sánh kết tính tốn tĩnh lực học hệ dây neo Giá trị Phần mềm Phần mềm Sai số tương đối xác định MOORING_2017 OCARFLEX (1) (%) (1) (2) Giá trị Anchor Fairlead Anchor Fairlead Anchor lực căng Fairlead max, kN 1918 1596 1981 1678 3,28 5,14 Chuyển vị tâm turret, m 6,09354 6,071 0,37 Bảng 4.6 Bảng so sánh kết tính tốn động lực học hệ dây neo Dây neo Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 3) Dây neo (cụm 3) Dây neo (cụm 3) Chuyển vị lớn tâm Turret, m Tmax(kN) MOORING_2017 OCARFLEX (1) (2) (3) Sai số (%) (4) (5) 5101 5112 5225 2,43 2,22 5125 5134 5250 2,44 2,25 5110 5121 5226 2,27 2.21 2743 2754 2830 3,17 2,76 2702 2718 2795 3,44 2,83 2480 2499 2578 3,95 3,16 2462 2480 2560 3,98 3,22 2658 2672 2750 3,46 2,92 2738 2748 2825 3,18 2,80 6,624 6,689 6,9755 5,31 4,28 Chú thích bảng 4.6: (1) - Kết MOORING_2017 sử dụng phổ P-M; (2) - Kết MOORING_2017 sử dụng phổ Jonswap; (3) - Kết OCARFLEX sử dụng phổ Jonswap; (4 ) - Sai số tương đối (1) so với (3); (5 ) - Sai số tương đối (2) với (3) 21 Kết luận chương: Trong chương tác giả thực hiện: - Lập chương trình MOORING_2017 đưa kết giá trị lực căng dây neo kết chuyển vị tâm Turret, kết tính theo hai dạng phổ Pierson-Moskowitz Jonswap; - Để kiểm nghiệm độ tin cậy thuật tốn tính tốn hệ dây neo CTBN, kết chạy phần mềm MOORING_2017 đánh giá so sánh với kết chạy phần mềm OCARFLEX Công ty cổ phần đầu tư kỹ thuật phát triển cơng nghệ Cơng trình biển VIMARTEC thực KẾT LUẬN Kết đóng góp luận án Kết luận án giải toán động lực học chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên theo miền thời gian kết cấu hệ dây neo cơng trình biển với mơ hình khơng gian, cụ thể sau: 1.1.Thiết lập phương trình mặt sóng xây dựng thuật tốn mơ tả mặt sóng theo quan điểm sóng ngẫu nhiên theo phổ sóng Trong luận án sử dụng hai loại phổ thường dùng phổ Pierson-Moskowitz Jonswap để mơ tả mặt sóng vùng biển nam Việt Nam Kết cho phép tính tốn động lực học cơng trình biển phương pháp nghiên cứu mơ q trình thực cơng trình hay gọi phương pháp thực nghiệm thống kê, với cách làm tính tốn kết cấu cơng trình biển cách tổng qt 1.2 Giải toán dây neo đơn chịu tải trọng thân trường hợp tổng quát, xét trường hợp dây neo chùng dây neo căng Kết cho phép tính tốn độ bền dây neo trạng thái dây neo căng, xác định giá trị góc hợp phương dây neo mặt đất, từ xác định tọa độ điểm dây neo để mô tả quỹ đạo đường dây neo 1.3 Luận án áp dụng phương pháp PTHH để giải toán hệ dây neo theo mơ hình khơng gian; Xác định tải trọng tác dụng lên dây neo bao gồm: tải trọng từ cơng trình truyền vào dây neo, tải trọng thân dây neo, tải trọng sóng ngẫu nhiên tải trọng dòng chảy tác động trực tiếp lên dây neo; Xây dựng ma trận phụ trợ, thuật toán quy tải trọng nút phần tử giàn khơng gian có liên kết khớp từ phần tử có liên kết cứng Từ thiết lập hệ phương trình vi phân dao động hệ dây neo cơng trình biển Đây hệ phương trình phi tuyến điển hình mà hàm chưa biết xuất biến đa thức 1.4 Vấn đề đặt toán động lực học dây neo cần phải giải hệ phương trình vi phân phi tuyến theo miền thời gian Việc sử dụng phương pháp giải tích để giải hệ phương trình có nhiều khó khăn số bậc tự hệ lớn Để giải phương trình áp dụng 22 phương pháp tính gần mà kết thu đạt sai số cho phép Tuy nhiên tốn khơng phải phương pháp cho lời giải hiệu Kết toán thu hẹp dần khoảng chứa nghiệm để hội tụ đến giá trị gần với độ xác giới hạn cho phép Trong luận án sử dụng phương pháp lặp, thuật giải Newmark để giải vấn đề 1.5 Xây dựng thuật toán lập chương trình MOORING_2017 sở thuật tốn để tính tốn hệ dây neo theo mơ hình khơng gian, phân tích động lực học theo miền thời gian miền khảo sát dao động kết cấu dây neo cho cơng trình biển phù hợp với điều kiện Việt Nam 1.6 Để đánh giá độ tin cậy thuật toán, kết giá trị lực căng chuyển vị tính tốn theo chương trình MOORING_2017 so sánh với kết cung cấp phần mềm OCARFLEX, Công ty cổ phần đầu tư kỹ thuật phát triển công nghệ biển Việt Nam VIMARTEC thực Đóng góp luận án thuật tốn chương trình tính tốn hệ dây neo cơng trình biển đặt vùng biển Việt Nam theo mơ hình khơng gian, chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên Thứ nhất, giúp cho cán thiết kế, nghiên cứu hiểu rõ thuật tốn tính động lực học dây neo Thứ hai, sử dụng chương trình tính tính tốn thiết kế dây neo Từ góp phần bước làm chủ công nghệ thiết kế công trình biển, dần tăng tỉ lệ nội địa hóa cơng nghệ thiết kế cơng trình biển Việt Nam phục vụ thăm dị khai thác dầu khí thềm lục địa Việt Nam Ngồi chương trình thiết lập mặt sóng ngẫu nhiên đóng góp quan trọng hướng nghiên cứu tính tốn động lực học cơng trình biển phương pháp thực nghiệm thống kê Nhận xét kiến nghị 2.1 Tính tốn hệ dây neo theo mơ hình khơng gian giải toán động lực học hệ dây neo chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên vấn đề phức tạp, qua luận án làm chủ phương pháp chương trình tính Đây điều kiện tốt cho hướng nghiên cứu kết cấu cơng trình biển 2.2 Chương trình tính MOORING_2017 chương trình mã code tính tốn lực căng dây neo chuyển vị công trình neo Chương trình trở thành công cụ dùng cho nhà thiết kế công trình biển Việt Nam sau kỹ sư công nghệ thông tin tạo nên giao diện dễ sử dụng người máy tính 2.3 Nội dung nghiên cứu luận án áp dụng vào nghiên cứu theo hướng tính tốn loại hệ thống neo khác cơng trình như: -Hệ dây neo võng có thêm vật treo; -Hệ dây neo võng có thêm xích gia tải; -Hệ dây neo nhiều điểm neo 23 2.4 Từ thuật tốn xác định phản lực gối chân neo để từ giải tốn tính neo: lực bám neo, khối lượng neo 2.5 Cũng dựa phương pháp tính tốn luận án thực hiên, với việc xây dựng mặt sóng ngẫu nhiên tiếp tục nghiên tính tốn động lực học kết cấu cơng trình kết cấu làm việc ngồi khơi chịu tác động sóng biển ngẫu nhiên Như giải tổng thể tốn động lực học từ kết cấu đến dây neo neo 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CƠNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN Bài báo khoa học Nguyễn Thị Thu Lê, Lê Hồng Bang, Đỗ Quang Khải (2016) Áp dụng phương pháp tích phân trực tiếp sơ đồ sai phân trung tâm xây dựng thuật tốn tính tốn động học dây neo cơng trình biển Tạp chí khoa học - công nghệ Hàng hải, số 46, tr 66 - 69 Nguyễn Thị Thu Lê, Lê Hồng Bang, Đỗ Quang Khải (2016) Xác định tải trọng ngẫu nhiên lên phần tử dây neo cơng trình biển Tạp chí Giao thông vận tải, số 10, tr 53 - 55 Nguyen Thi Thu Le, Le Hong Bang, Do Quang Khai (2016) Establish random wave surface by a suitable spectrum in the Vietnam’s seas The international conference on marine science and technology 2016, pp 246 - 250 Nguyễn Thị Thu Lê (2018) Ứng dụng phương pháp NEWMARK tính tốn động lực học dây neo cơng trình biển Tạp chí Giao thơng vận tải, số 1/2018, tr 75 - 77 Nguyễn Thị Thu Lê (2018) Xác định véc tơ tải trọng nút phần tử dây neo cơng trình biển chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên phương pháp phần tử hữu hạn Tạp chí Giao thơng vận tải, số 3/2018, tr 74 - 76 Đề tài khoa học cấp Đề tài khoa học cấp trường: “Xây dựng thuật tốn lập chương trình mơ tả mặt sóng ngẫu nhiên ứng dụng tính tải trọng sóng lên cơng trình ngồi khơi” Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Thu Lê – Tháng 5/2017 Đề tài khoa học cấp trường: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán, lập chương trình tính tốn dây neo cơng trình theo mơ hình 2D” Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Thu Lê – Tháng 4/2018 ... tốn động lực học hệ dây neo Dây neo Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 1) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 2) Dây neo (cụm 3) Dây neo (cụm 3) Dây neo (cụm 3) Chuyển vị lớn... dây neo chuyển vị tâm Turret theo mơ hình khơng gian (sử dụng phổ P-M) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 1) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 2) Dây neo (Cụm 3) Dây neo. .. Dây neo 5: Nút 82 đến 101 Dây neo 4: Nút 62 đến 81 1200 Dây neo 6: Nút 102 đến 121 Dây neo 3: Nút 42 đến 61 Dây neo 2: Nút 22 đến 41 Nút Dây neo 7: Nút 122 đến 141 Dây neo 1: Nút đến 21 Dây neo