Đồ án Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của quy phạm Việt Nam

-i- MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................1 CHƯƠNG I: ĐẶT VẤN ĐỀ..................................................................................3 1.1. TỔNG QUAN..............................................................................................3 1.2. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ THUẬT TOÁN ..........................................4 1.2.1. Khái niệm thuật toán...............................................................................4 1.2.2. Những đặc trưng cơ bản của thuật toán ...................................................6 1.2.3. Phân loại thuật toán ................................................................................6 1.3. KHÁI QUÁT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU .........................................7 1.3.1. Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu ..............................................7 1.3.2. Những yêu cầu chủ yếu đối với thiết kế kết cấu thân tàu.........................9 1.3.3. Thực trạng công tác tính toán thiết kế kết cấu thân tàu ở Việt Nam.......10 1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU..................................................................................................................10 1.4.1. Mục tiêu ...............................................................................................10 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................11 1.4.3. Giới hạn nội dung .................................................................................11 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..................................................................12 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC THUẬT TOÁN...................................12 2.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU THÂN TÀU ........................................................14 2.2.1. Đặc điểm chung....................................................................................14 2.2.2. Đặc điểm, vai trò của các bộ phận kết cấu trong đảm bảo độ bền thân tàu .......................................................................................................................14 2.2.3. Các hệ thống kết cấu thân tàu ...............................................................16 2.2.4. Nguyên tắc lựa chọn hệ thống kết cấu...................................................17 2.2.5. Phân tích các hệ thống kết cấu ..............................................................18 2.3. YÊU CẦU CỦA QUY PHAM VIỆT NAM VỚI VIỆC THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP.......................................................................................20 2.3.1. Vật liệu thép dùng trong đóng tàu .........................................................20 2.3.2. Kích thước, quy cách bố trí kết cấu.......................................................24 2.4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC CÔNG THỨC TÍNH TOÁN KÍCH THỨỚC KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO QUY PHẠM............................26 -ii- 2.4.1. Giới thiệu về Quy phạm Việt Nam........................................................26 2.4.2. Cơ sở lý thuyết của các công thức tính kích thước kết cấu trong Quy phạm ..............................................................................................................27 2.4.3. Một số điểm quan trọng cần lưu ý khi phân tích kết quả tính toán…….38 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO YÊU CẦU CỦA QUY PHẠM ..................42 3.1. DỮ LIỆU ĐẦU VÀO ................................................................................42 3.1.1. Yêu cầu về vật liệu ...............................................................................42 3.1.2. Dữ liệu về cấu hình tàu .........................................................................43 3.1.3. Các công thức tính kích thước và quy cách bố trí kết cấu tàu vỏ thép theo Quy phạm Việt Nam 2003 – TCVN 6259.......................................................43 3.1.4. Yêu cầu về đảm bảo độ bền kết cấu thân tàu.........................................60 3.2. PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN THUẬT TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU VỎ THÉP THEO YÊU CẦU CỦA QUY PHẠM VIỆT NAM .............61 3.2.1. Phân tích công thức tính các kết cấu cơ bản ..........................................61 3.2.2. Thuật toán 1..........................................................................................63 3.2.3. Thuật toán 2..........................................................................................66 3.2.4. Thuật toán 3…………………………………………………………..............69 3.3. HƯỚNG ÁP DỤNG CHƯƠNG TRÌNH VÀO LẬP TRÌNH ..... ……….71 3.3.1. Chương trình Pascal….………………………………………………...71 3.3.2. Chương trình C++……………………………………………………...72 3.3.3. Chương trình Visua Basic.…………………………………………………74 CHƯƠNG IV: THẢO LUẬN KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN…...……..… 76 4.1. THẢO LUÂN KẾT QUẢ..........................................................................76 4.2. ĐỀ XUẤT Ý KIẾN....................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................79 -1- Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1. TỔNG QUAN Hình 1.1: Quy trình thiết kế tàu Như chúng ta đã biết tàu thủy là công trình kỹ thuật phức tạp bao gồm ba hệ thống chính là động cơ, vỏ tàu và chân vịt, trong đó phần vỏ tàu với kết cấu bên trong có nhiệm vụ quan trọng đảm bảo độ cứng vững cho con tàu.Thiết kế kết cấu thân tàu là một trong những bài toán quan trọng trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật của quá trình thiết kế tàu thuỷ. Thiết kế kết cấu nhằm mục đích xác định kích thước, hình dáng, mối liên kết giữa các kết cấu…để có thể tạo nên một hệ thống kết cấu đảm bảo đủ bền và ổn định dưới tác động của các ngoại lực. Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế kết cấu tàu khác nhau như: Thiết kế theo Quy phạm, thiết kế bằng tính toán lý thuyết v.v...Nhưng phổ biến nhất là thiết kế kết cấu thân tàu theo các yêu cầu của Quy phạm. Phương pháp này cho phép người thiết kế tính chọn toàn bộ kết cấu tàu đang xét mà không cần phải thực hiện Nhiệm vụ thư thiết kế Thiết kế thi công Thiết kế công nghệ đóng Thiết kế sơ bộ Thiết kế kỹ thuật -2- mô hình hoá kết cấu hoặc giải những bài toán cơ học kết cấu phức tạp. Việc lựa chọn được thuật toán để ứng dụng lập trình chương trình tính toán kết cấu tàu nhằm đơn giản quá trình tính toán, đạt được kích thước kết cấu tối ưu mong muốn và thỏa mãn các yêu cầu của Quy phạm đang được quan tâm. Các công thức tính kết cấu trong Quy phạm được xây dựng dựa trên cở sở lý thuyết về độ bền, tuy nhiên trong quá trình xây dựng công thức, Quy phạm còn đưa vào những hệ số để hiệu chỉnh công thức về dạng phù hợp với thực tế sử dụng tàu. Cần lưu ý rằng các yêu cầu của Quy phạm thật nghiêm ngặt song nó cũng tồn tại hạn chế như chưa phản ánh đầy đủ các điều kiện của môi trường thiên nhiên và con người hoạt động trong đó nên gây sự tốn kém về vật liệu, công sức thực hiện, không đảm bảo tính kinh tế vì bản thân kết cấu chưa phải ở dạng tối ưu. Việc nghiên cứu và ứng dụng thuật toán vào lập trình tính kết cấu để khắc phục hạn chế của công tác tính kết cấu theo Quy phạm nhằm đưa ra đựợc kết cấu thân tàu ở dạng tối ưu, đủ bền đồng thời thỏa mãn tính kinh tế là mong muốn của những người làm công tác thiết kế. Từ những phân tích trên, em được giao thực hiện đề tài: “Phân tích và lựa chọn thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép theo yêu cầu của Quy phạm Việt nam”. Với mục tiêu lựa chọn được thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép thỏa yêu cầu của Quy phạm Việt Nam và định hướng lập trình chương trình tính kết cấu như một giải pháp khắc phục hạn chế của công tác thiết kế hiện nay và nâng cao hiệu quả thiết kế kết cấu theo Quy phạm. 1.2. TÌM HIỂU KHÁI QUÁT VỀ THUẬT TOÁN 1.2.1. Khái niệm thuật toán Chúng ta đã làm quen với khái niệm về thuật toán trong giáo trình toán học và các giáo trình khác như thuật toán giải phương trình bậc hai, hệ phưong trình. Ví dụ như thuật toán giải phương trình bậc nhất: P(x): ax + b = c (a, b, c là các số thực) -3- trong tập hợp các số thực có thể là một bộ các bước giải như sau: Bước 1: nếu a = 0 - b = c thì P(x) có nghiệm bất kì - b # c thì P(x) vô nghiệm Bước 2: nếu a # 0 thì P(x) có duy nhất một nghiệm x = (c-b)/a Có nhiều quan điểm về thuật toán, nôm na thuật toán là một thủ tục tính toán được định nghĩa kỹ, sử dụng một giá trị hoặc một tập hợp giá trị nào đó làm đầu vào và cho ra một giá trị hoặc tập hợp giá trị nào đó làm kết xuất. Do đó, một thuật toán là một trình tự các bước tính toán biến đổi đầu vào thành kết xuất. Cũng có thể xem một thuật toán như một công cụ để giải quyết một bài toán thật cụ thể. Phát biểu của bài toán sẽ chỉ định tổng quát mối quan hệ nhập/xuất cần thiết. Thuật toán mô tả một thủ tục tính toán cụ thể để đạt được mối quan hệ nhập/xuất đó. Khái niệm thuật toán đầu tiên do nhà toán học Ả Rập Kharezmi nêu ra từ cuối thế kỷ thứ 8 đầu thế kỷ thứ 9 khi đưa ra các quy tắc đầu tiên về tính số học. Con người với các hoạt động của mình thường phải sử dụng những thuật toán để giải quyết các công việc cụ thể. Bất kỳ một hình thức lao động chân tay nào cũng gồm một số thao tác cụ thể theo một trật tự nhất định, ta gọi lao động chân tay là hoạt động theo thuật toán. Tóm lại có thể nói thuật toán hay còn gọi là thuật giải là một tập hợp hữu hạn các chỉ thị hay các phương cách được định nghĩa rõ ràng cho việc hoàn tất một sự việc từ một trạng thái ban đầu cho trước, khi các chỉ thị này được áp dụng triệt để thì sẽ dẫn đến kết quả sau cùng đã dự đoán. Nói cách khác, thuật toán là một bộ các quy tắc hay quy trình cụ thể nhằm giải quyết một vấn đề trong một số bước hữu hạn, nhằm cung cấp một kết quả từ một tập hợp của các dữ kiện đưa vào. Lưu ý: Khi một thuật toán đã hình thành thì ta không xét đến việc chứng minh thuật toán đó mà chỉ chú trọng đến việc áp dụng các bước theo sự hướng dẫn sẽ có kết quả đúng. Việc chứng minh tính đúng và tính đầy đủ của các thuật toán phải đựơc tiến hành xong trước khi có thuật toán. Nói rõ hơn, thuật toán có thể chỉ là -4- việc áp dụng các công thức hay quy tắc, quy trình đã được công nhận là đúng hay đã được chứng minh về mặt toán học. 1.2.2. Những đặc trưng cơ bản của thuật toán - Tính chính xác: Để đảm bảo kết quả tính hay các thao tác mà máy tính thực hiện được là chính xác. - Tính tổng quát: Thuật toán không đề cập chỉ một bài toán riêng lẻ mà bao hàm một lớp bài toán cùng một kiểu, có đầu vào tương tự nhau. - Có giới hạn: Thuật toán phải gồm một số hữu hạn các bước tính toán, quá trình biến đổi từ thông tin ban đầu đến kết quả cuối cùng qua một số giới hạn các biến đổi. - Tính duy nhất: Toàn bộ quá trình biến đổi, cũng như trật tự thực hiện phải được xác định là duy nhất. Như vậy khi dùng thuật toán cùng một thông tin ban đầu phải cho cùng một kết quả. Thuật toán ở mỗi giai đoạn phải nêu chính xác các bước tiếp theo, có nghĩa là thứ tự thực hiện, các thao tác và quyết định phải được quy định rõ ràng. - Tính rõ ràng: Thuật toán phải được thể hiện bằng các câu lệnh minh bạch, các câu lệnh được sắp xếp theo một thứ tự nhất định. 1.2.3. Phân loại thuật toán Theo cấu trúc có thể phân loại thuật toán như sau: - Thuật toán không phân nhánh. - Thuật toán có phân nhánh. - Thuật toán theo chu trình có bước lặp xác định. - Thuật toán theo chu trình có bước lặp không xác định. Thuật toán không phân nhánh là thuật toán đơn giản nhất. Trong thực tế thường gặp thuật toán phân nhánh theo các điều kiện so sánh đúng hoặc sai. Phổ biến nhất trong các bài toán thực tế là thuật toán gồm nhiều chu trình, theo nhiều nhánh, đó là đặc trưng của thuật toán giải các bài toán khoa học kỹ thuật. -5- 1.3. KHÁI QUÁT VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU TÀU 1.3.1. Các phương pháp thiết kế kết cấu thân tàu  Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm: Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp được những kinh nghiệm trong thiết kế kết cấu, trong chế tạo, sửa chữa và sử dụng. Ngày nay, kiến thức về cơ học kết cấu ngày càng được mở rộng Quy phạm kết cấu thân tàu càng được hoàn chỉnh. Thiết kế kết cấu theo Quy phạm là phương pháp thiết kế tương đối đơn giản và thực dụng thường đảm bảo được sức bề thân tàu. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong thiết kế tàu dân dụng, tuy nhiên đối với tàu có kích thước và tính năng đặc biệt vẫn phải xét riêng. Điều kiện cần thiết để có thể áp dụng phương pháp này là kích thước chính của tàu, tỷ lệ kích thước, các đặc trưng kỹ thuật, loại tàu… nằm trong phạm vi mà Quy phạm đóng tàu chấp nhận. Hình 1.2: Quy trình thiết kế kết cấu tàu theo Quy phạm. Tàu mẫu Yêu cầu kỹ thuật của tàu thiết kế Mặt cắt ngang giữa tàu Độ bền thân tàu Mô hình tính kết cấu Quy phạm Bố chí chung Các kết cấu chính Bố trí kết cấu Kích thước các kết cấu tàu -6-  Thiết kế kết cấu thân tàu theo tính toán lý thuyết: Do hình dáng thân tàu, các loại máy và bố trí trên tàu …không giống nhau đặc biệt đối với tàu cỡ lớn, các loại tàu đặc biệt, Quy phạm không thể bao gồm tất cả các đặc trưng đó. Do đó phải vận dụng kiến thức và cơ học kết cấu, dùng phương pháp tính toán sức bền để thiết kế kết cấu thân tàu. Theo đà phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay, nhất là nhờ có máy tính điện tử cho phép giải những bài toán lớn, và việc ứng dụng phương pháp tính toán sức bền trong thiết kế kết cấu thân tàu đang ngày một hoàn thiện. Dựa vào tính toán độ bền thân tàu chọn kết cấu chịu được độ bền chung và tải trọng cục bộ. Trước khi thiết kế kết cấu tàu, người thiết kế phải giải đáp các vấn đề liên quan về sức bền thân tàu: - Tải trọng bên ngoài cần để tính sức bền chung và tải trọng cục bộ. - Ứng suất cho phép của vật liệu tạo nên các chi tiết thân. - Điều kiện môi trường và làm việc của kết cấu. Kết quả tính toán phải nêu rõ được giá trị ứng suất lớn nhất trong các kết cấu và tỷ lệ giữa chúng với ứng suất cho phép. Trong tất cả các trường hợp tính toán nhất thiết tính đến ổn định kết cấu nhằm đạt yêu cầu không một chi tiết nào mất ổn định khi làm việc. Ngoài các phép tính thuần túy cơ học trên, độ tin cậy kết cấu là việc không tránh được khi thiết kế kết cấu tàu. Thông thường, bằng cách này người thiết kế có thể chọn được kết cấu vừa đủ bền đồng thời đạt giá trị tối ưu về kinh tế. Tính toán thiết kế kết cấu tàu là quá trình cân nhắc, đối chiếu, so sánh nhằm tìm phương án tốt nhất cho kết cấu, thỏa mãn yêu cầu bền, ổn định phù hợp với môi trường làm việc và điều kiện làm việc. Nhìn chung, đối với tàu dân dụng thông thường dựa vào Quy phạm để thiết kế kết cấu thân tàu, khi cần thiết dùng phương pháp tính toán sức bền để nghiệm lại, nhằm bổ sung những chỗ chưa hoàn hảo của Quy phạm. Quy phạm kết cấu thân tàu tập hợp đựợc những kinh nghiệm trong thiết kế kết cấu, trong chế tạo, trong sửa chữa và sử dụng. Thiết kế kết cấu thân tàu theo Quy phạm là phương pháp thiết kế tương đối đơn giản, thực dụng, thường đảm bảo được sức bền. Phương pháp này cho phép người thiết kế tính chọn toàn bộ kết cấu tàu đang xét mà không cần phải -7- thực hiện mô hình hoá kết cấu hoặc giải những bài toán cơ học kết cấu phức tạp. 1.3.2. Những yêu cầu chủ yếu đối với thiết kế kết cấu thân tàu - Tính an toàn: Thiết kế kết cấu phải đảm bảo dưới tác dụng của ngoại lực, tàu có một sức bền nhất định, tính ổn định và độ cứng cần thiết. Không vì sức bền không đủ hoặc kết cấu mất ổn định mà gây lên sự phá hủy kết cấu hoặc biến dạng vượt quá phạm vi cho phép. - Tính năng sử dụng: Việc bố trí và lựa chọn kích thước kết cấu phải phù hợp với yêu cầu kinh doanh. Ví như đối với khoang chở hàng đảm bảo kết cấu được bố trí sao cho thuận tiện xếp dỡ hàng, buồng ở của hành khách và thuyền viên phải có lối đi thuận tiện và độ cao thích đáng. - Tính hoàn chỉnh: Tàu thủy là một công trình kiến trúc nổi trên mặt nước bố trí phức tạp, trên tàu có nhiều loại máy móc, thiết bị, dụng cụ sinh hoạt và các hệ thống…Các bộ phận liên kết mật thiết với bố trí kết cấu và việc lựa chọn kích thước kết cấu.Thiết kế kết cấu phải phối hợp chặt chẽ với thiết kế tổng thể và thiết kế các hệ thống tạo nên một cấu trúc hoàn chỉnh, đảm bảo sự hoạt động bình thường của tất cả các bộ phận trên tàu. - Tính công nghệ: Việc lựa chọn hình thức kết cấu, hình thức liên kết các bộ phận kết cấu của thân tàu phải đảm bảo thi công dễ dàng, giảm nhẹ cường độ lao động và nâng cao năng suất lao động. Mặt khác, khi lựa chọn vật liệu phải chú ý đến vật tư có thể khai thác trong nước, giảm bớt quy cách vật liệu một cách thích đáng, tiện cho việc mua, dự trữ vật liệu và quy trình công nghệ của nhà máy. Phải căn cứ vào đặc điểm của nhà máy, tình hình thiết bị của nhà máy để chọn phương án công nghệ hợp lý, áp dụng những biện pháp công nghệ tiên tiến. - Tính kinh tế: Trên cơ sở đảm bảo sức bền cần thiết của kết cấu, cân nhắc kỹ đến độ dư ăn mòn của vật liệu, yêu cầu sử dụng và sửa chữa bảo dưỡng…Phải cố gắng giảm nhẹ khối lượng kết cấu, tiết kiệm vật liệu, bố trí và lựa chọn vật liệu thỏa đáng, đảm bảo tính kinh tế cao nhất trong sử dụng kết cấu. -8- 1.3.3. Thực trạng công tác tính toán thiết kế kết cấu thân tàu ở Việt Nam Qua việc tìm hiểu thực tế, chúng tôi nhận thấy vấn đề thiết kết cấu thân tàu ở nước ta hiện nay thường được thực hiện như sau: Từ những thông số hình học của tàu cụ thể như: Chiều dài, chiều rộng, chiều cao, mớn nước v.v… người thiết kế tiến hành tính toán kích thước các kết cấu thân tàu theo những yêu cầu của Quy phạm Việt Nam, Quy phạm LR, Quy phạm DNV … để xác định giá trị tối thiểu cần phải đạt được trong mọi trường hợp. Từ kết quả kích thước tối thiểu vừa xác định, người thiết kế sẽ tiến hành chọn kích thước thực tế cho kết cấu đang tính, thường là có giá trị lớn hơn so với kết quả tính theo Quy phạm tuỳ theo ý kiến chủ quan của người thiết kế hoặc theo kết cấu tiêu chuẩn nhằm tạo lượng dự trữ bền mà chưa có cơ sở nào rõ ràng, có nghĩa là lượng dư ấy bao nhiêu là đủ thì vẫn chưa xác định được. Việc tính toán trên nhằm để kiểm tra lại kích thước, quy cách bố trí kết cấu thỏa mãn theo yêu cầu của các Quy phạm còn toàn bộ hồ sơ kỹ thuật của phần lớn những con tàu đóng ở nước ta được mua của nước ngoài. Vấn đề đặt ra ở đây là việc lựa chọn kích thước như vậy liệu có dư bền quá không? kết cấu có quá nặng nề và có kinh tế không? Từ đó nảy sinh vấn đề cần thiết phải phân tích, đánh giá, tìm ra các thuật toán tính toán thiết kế kết cấu tàu thỏa mãn các yêu cầu của Quy phạm nhằm đảm bảo cho việc thiết kế kết cấu thân tàu chính xác hơn, đảm bảo kết cấu được tính chọn đủ bền và độ ổn định và thoả mãn tiêu chuẩn kinh tế - kỹ thuật. 1.4. MỤC TIÊU, PHƯƠNG PHÁP VÀ GIỚI HẠN NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.4.1. Mục tiêu Như đã trình bày, mục tiêu của đề tài nhằm phân tích và lựa chọn được thuật toán thiết kế kết cấu tàu vỏ thép, cũng như tìm hiểu cách thức xây dựng của Quy phạm Việt Nam. Trên cơ sở đó, có thể đánh giá hoặc hiệu chỉnh được các yêu cầu của Quy phạm nước ta hiện nay. Xa hơn, có thể áp dụng thuật toán để lập trình -9- chương trình tính toán thiết kế kết cấu tàu theo Quy phạm trên máy tính. 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nội dung đề tài, tôi sẽ tiến hành phân tích cơ sở lý thuyết của các thuật toán và nghiên cứu thực tế khi xây dựng các công thức tính kết cấu tàu vỏ thép, yêu cầu của Quy phạm Việt Nam và từ đó chọn lựa được thuật toán tính kết cấu thỏa mãn yêu cầu Quy phạm. 1.4.3. Giới hạn nội dung Nội dung Quy phạm rất rộng, tính toán rất nhiều kết cấu tàu khác nhau. Vì vậy trong đề tài này, chúng ta chỉ áp dụng lựa chọn thuật toán thiết kế một số kết cấu cơ bản: Khoảng cách sườn, sườn thường, sống chính, đà ngang đáy đặc, tôn vỏ, xà ngang boong, vách hầm hàng…