Fatigue - Bài toán thiết kế mỏi

Dear ACE,
Topic này sẽ giới thiệu và bàn luận những vấn đề liên quan tới thiết kế mỏi, bao gồm và không giới hạn các đầu mục:
1. Các Khái niệm cơ bản về tính toán mỏi kết cấu CTB
2. Tầm quan trọng bài toán phân tích mỏi kết cấu CTB
3. Lý thuyết và phương pháp tính toán thông dụng hiện nay
4. Sử dụng Sacs như thế nào để phân tích bài toán mỏi kết cấu CTB.
5. Tài liệu tham khảo

1. Trước hết xin trình bầy về khái niệm mỏi:
Hiện tượng mỏi là hiện tượng phá huỷ kết cấu dưới tác động lặp lại nhiều lần của ứng suất. Dưới tác dụng lặp của ứng suất kết cấu bắt đầu xuất hiện những vết nứt, các vết nứt phát triển dần tới khi phá huỷ hoàn toàn kết cấu:
Hiện tượng mỏi được phát sinh khi có đủ hai điều kiện cần sau:
Tải trọng tác động có giá trị thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi có chu kì. Chu kì có thể đều hoặc không đều.
Vật liệu kết cấu có tính không đồng nhất.
Hiện tượng mỏi cần có điều kiện đủ sau:
Số chu trình lặp của mức ứng suất phải đủ lớn để gây mỏi. Nếu ứng suất lớn thì cần ít chu trình để gây ra mỏi, nếu ứng suất nhỏ thì cần nhiều chu trình hơn.
To be continuos...

 

Admin mở topic này chắc là muốn kéo anh em quay trở lại vấn đề kỹ thuật. Vấn đề mỏi chắc là các bạn bên NIPI, PVE và một số bạn làm đăng kiểm, tư vấn thiết kế quan tâm vì hình như chỉ có mấy chỗ này người ta mới quan tâm đến vấn đề mỏi, các nơi khác thì để cho biết vậy thôi.

Nghe các thầy viện CTB giới thiệu là đã đào tạo 2 khóa Master và đang đào tạo khóa thứ 3 nhưng tôi thấy qua vấn đề Dao động riêng và đến bây giờ là vấn đề Fatigue hình như chưa có Master nào vào đây viết bài? Họ chưa hiểu rõ vấn đề? Họ quá bận việc? Họ mải nghiên cứu khoa học chăng? Hay là họ không biết có chỗ này nhỉ

 

ông admin nêu ra mục 1,2,3,4,5 rồi đó thôi mr quan52[]---.

to bác Seastar: ae học master ngành CTB thì bác nào làm luận văn đề tài về dao động thì cũng có thể luận ở đây được. Số còn lại thì cũng như ae mình thôi mà.

 

2. Tầm quan trọng bài toán phân tích mỏi kết cấu CTB

2. Tầm quan trọng bài toán phân tích mỏi kết cấu CTB
Hiện tượng mỏi, gây phá hủy kết cấu ngay cả khi kết cấu chưa chịu những điều kiện tải trọng cực hạn.
Sự phá hủy mỏi trong các nút ống, từ lâu đã là mối lo chính cho các kỹ sư thiết kế kết cấu các giàn khoan biển. Trong những năm qua, đã xảy ra nhiều trường hợp phá hủy do mỏi và các vết nứt do mỏi đã được phát hiện trong các giàn khoan ở Biển bắc và vịnh Mexico. Mặc dù đã có một khối lượng lớn các nghiên cứu về vấn đề này, nhưng cho tới nay có thể nói mọi tính toán về mỏi cũng chỉ cho phép đánh giá sơ bộ về khả năng chịu tải của công trình. Do vậy việc tính toán mỏi không phải là một môn khoa học chính xác.
Nó không thể tính chính xác tuổi thọ của một công trình, bởi việc tính toán này đã chứa đựng nhiều yếu tố đầu vào không chính xác bao gồm số liệu sóng, tập trung ứng suất, kỹ thuật hàn, phản ứng của kết cấu và số liệu địa chất nơi xây dựng công trình...
Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển như Bureau Veritas, DNV, Lloyd’s Register và API RP 2A… đòi hỏi kết cấu chân đế dạng Platform đều phải được thiết kế mỏi.
Trong thiết kế thực hành theo các tiêu chuẩn Quy phạm này thường là chọn trước (dự kiến) tuổi thọ kết cấu và sử dụng thiết kế mỏi để đảm bảo tuổi thọ tính toán tại mọi “điểm nóng” – điểm gây nguy hiểm “hot Spot” của kết cấu phải lớn hơn tuổi thọ dự kiến

Nói chung mọi công trình biển bằng thép phải được thiết kế để có khả năng chịu các tải trọng mỏi. Cán bộ thiết kế phải thực hiện tính toán mỏi đối với kết cấu chân đế, các bộ phận khác của kết cấu nếu chịu tác động của tải trọng có chu kỳ.

 

Đây là một bài toán bắt buộc đối với mọi dự án thiết kế giàn khoan. Bên PTSC & VSP nhiều cao thủ thế mà không thấy ai vào đây viết bài chia sẻ kinh nghiệm với anh em trẻ nhỉ??

 

Các Khái niệm cơ bản về tính toán mỏi kết cấu CTB

Hiện tượng mỏi (fatigue) là quá trình tích lũy dần sự phá hủy trong bản thân vật liệu/kết cấu dưới tác động của ứng suất thay đổi theo thời gian. Ứng suất thay đổi làm xuất hiện các vết nứt mỏi (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng kết cấu/chi tiết (hot-spot – điểm nóng), sau đó các vết nứt mỏi đó phát triển và dẫn tới sự phá hủy của vật liệu, và cuối cùng xảy ra gãy hỏng, phát hủy kết cấu.

Tải trọng mỏi (Fatigue loading): là các tải trọng thay đổi, lặp đi lặp lại có tính chu kỳ gây mỏi. Các tải trọng này có thể sinh ra do tác động của gió, nhiệt độ, dòng chảy và của sóng và các thiết bị máy móc, dao động dòng khí, âm thanh.

Giới hạn mỏi (Fatigue Limitation) của vật liệu/kết cấu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu/kết cấu không bị phá hỏng.

Điểm nóng (hot spot): là những điểm có khả năng xảy ra phá huỷ mỏi. Thông thường đó là những nơi có ứng suất tập trung, tại những nơi thay đổi vật liệu, tiết diện hoặc tại mối các mối hàn nối ống, …

Ứng suất danh nghĩa: là ứng suất được tính toán dựa trên cách tính theo sơ đồ tính toán kết cấu bằng các phương pháp số, phương pháp phần tử hữu hạn.

Ứng suất tập trung (Stress Concentration): là ứng suất lớn hơn ứng suất danh nghĩa tại các điểm tập trung ứng suất. Có giá trị bằng ứng suất danh nghĩa nhân với hệ số tập trung ứng suất (SCF-Stress Concentration Factor). Khi tính toán tuổi thọ mỏi người ta không tính theo ứng suất danh nghĩa mà tính với ứng suất tập trung. Điều này là sự khác biệt so với sức bền vật liệu.

Đường cong mỏi S-N (S-N curve) thể hiện mối quan hệ giữa đặc trưng ứng suất (S) với số chu trình tới phá huỷ (N) được xây dựng dựa trên thí nghiệm với nhiều mẫu thử vật liệu giống nhau ở những mức ứng suất khác nhau. Để xây dựng đường cong mỏi ở một dạng chu kỳ ứng suất nào đó trong một điều kiện nào đó, người ta phải tiến hành từ 25 đến 100 thí nghiệm cho một loại mẫu được quy chuẩn. Đường cong mỏi thực nghiệm nhận được nói chung thường được biểu diễn dưới dạng hàm luỹ thừa.

 

Tầm quan trọng bài toán phân tích mỏi kết cấu CTB

Kiểm tra mỏi kết cấu được thực hiện theo yêu cầu của “Trạng thái giới hạn (TTGH) mỏi” (FLS), đảm bảo cho kết cấu không bị phá huỷ do tác động của tải trọng thường xuyên có tính chu kỳ cho đến cuối thời gian khai thác công trình theo dự kiến (thiết kế). Mục tiêu an toàn của kết cấu được thực hiện theo yêu cầu của các TTGH được quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển cố định điển hình là của API, DNV, ABS, LR ,.. và ISO

Phân tích bền và mỏi là yêu cầu bắt buộc cả trong phân tích, tính toán thiết kế và phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển. Về mặt phương pháp, phân tích bền và mỏi được tiến hành tương đối giống nhau cho cả phân tích thiết kế và phân tích đánh giá lại. Chỉ khác ở chỗ phải kể đến các thay đổi và khuyết tật của công trình đã qua sử dụng khi phân tích đánh giá lại

Kiểm tra bền và mỏi của kết cấu công trình nhằm đảm bảo an toàn cho công trình trong cả đời sống thiết kế công trình. Ngoài ra phân tích mỏi, tính tuổi thọ mỏi còn hỗ trợ phân tích đánh giá rủi ro, độ tin cậy kết cấu công trình, tiến tới quản lý rủi ro cho công trình biển.

 

Các giai đoạn phá huỷ mỏi:

Giới thiệu thêm với AE về 03 giai đoạn phá hủy kết cấu do hiện tượng được gọi là "mỏi".
- Giai đoạn 1: Với chu trình N1 đủ lớn, vết nứt kết cấu bắt đầu xuất hiện các vết rạn nhỏ tại các vị trí xung yếu nhất.
- Giai đoạn 2: Quá trình vết nứt được lan truyền chậm sang các vị trí lân cận N2 > N1, thời gian lan truyền các vết nứt là (N2 – N1)Tm. Trong đó Tm là chu kì trung bình của ứng suất.
- Giai đoạn 3: Vết nứt lan truyền rất nhanh và dẫn đến các cấu kiện bị phá huỷ tại mặt cắt.

 

4. Anh admin chỉ giáo thêm về phần SACS để tính mỏi đi ạ
Em đang làm đồ án về mỏi, nhưng dùng SAP2000 để tính ứng suất :-s

5. Tài liệu tham khảo
Phan Văn Khôi, Đào Như Mai - Tính toán tổn thương mỏi của giàn tự nâng trong vùng biển Việt Nam

 

Sử dụng Sacs như thế nào để phân tích bài toán mỏi kết cấu CTB

Bình tĩnh, Topic có hàm lượng học thuật cao. Củ từ mà giải quyết )
Ban hasam có cuốn sách viết về vấn đề "Mỏi" của Thầy Khôi không vậy? mình tìm mãi mà không được
Câu 4: Sử dụng Sacs như thế nào để phân tích bài toán mỏi kết cấu CTB.
(Xem chi tiết ở link đính kèm)
http://offshore.vn/threads/126?han-tich-Moi-bang-Sacs-5-3

 

Em có bản cứng cuốn: Tuổi thọ mỏi của kết cấu thép ngoài biển (xuất bản năm 1997)
(hình như chính thấy Khôi cũng ko còn cuốn nào anh ạ ), thầy cũng ko có bản mềm :-s)

 

Bạn cho mình địa chỉ liên hệ của bạn, để mình có thể mượn photo/scan cuốn sách này giúp nhé. (đây là tài liệu khá hiếm của ngành viết về chủ đề mỏi)

 

3. Có 2 quan điểm trong tính toán mỏi:
- Theo quan điểm tổn thương tích luỹ
Dựa vào lý thuyết tổn thương tích luỹ của Miner - Palmgren và các đường cong mỏi S-N (S-N curves)
Các phương pháp tính toán theo quan điểm này gồm:
+ Phương pháp tiền định
+ Phương pháp ngẫu nhiên (phương pháp phổ)
+ Phương pháp lịch sử thời gian
+ Mô hình sóng mới Tromans (Tromans et al., 1991)
- Theo quan điểm cơ học phá huỷ
Dựa trên lý thuyết về sự hình thành và lan truyền vết nứt
(hình như quan điểm này ít dùng hơn?)

 

3. Lý thuyết và phương pháp tính toán thông dụng hiện nay

Dear ACE,
Với sự tham gia giúp đỡ của members: Noname, StellMan và Hasam119..., Topic đã cơ bản hoàn thành được những nhiệm vụ chính đặt ra ban đầu, hiện topic chỉ còn lại hai vấn đề:
3. Lý thuyết và phương pháp tính toán thông dụng hiện nay
5. Tài liệu tham khảo
Tuy bạn Hasam đã trình bày qua về các mục 3 và 5 nhưng nội dung vẫn còn sơ sài và chưa đáp ứng được yêu cầu về mặt thông tin. Nay tiếp tục cung cấp/bàn luận tới ACE những vấn đề này.

3. Lý thuyết và phương pháp tính toán thông dụng hiện nay
Việc tính toán mỏi được thực hiện đối với từng phần tử kết cấu riêng rẽ mà ở đó có thể xảy ra một dạng phá hủy mỏi
Mục đích chính của tính toán mỏi:
Chứng minh được rằng với những kiến thức thiết kế mỏi hiện nay trên thế giới sẽ không có sự phá hủy mỏi xảy ra trong toàn bộ đời sống công trình.
Tính toán một cách chính xác đến mức có thể được tuổi thọ mỏi (hay là tỷ số tổn thất tích lũy) cho mỗi liên kết nút riêng biệt và mỗi phần tử riêng biệt trong kết cấu và từ đó đánh giá được tầm quan trong khả năng chịu mỏi của các liên kết. Điều này cho phép chú ý tới xây dựng một quy trình kiểm tra thực sự có hiệu quả, trong quá trình chế tạo và khai thác kết cấu. Thời gian tuổi thọ mỏi yêu cầu đối với một công trình biển thường không ngắn hơn 20 năm
Tuổi thọ thiết kế mỏi phải lấy ít nhất là lớn gấp hai lần tuổi thọ thực tế yêu cầu, các tiêu chuẩn cụ thể tính toán mỏi phụ thuộc vào phương pháp lựa chọn để tính, trong đó có hai phương pháp:

1.Phương pháp dựa trên các thí nghiệm mỏi
Đây là loại phương pháp dựa trên các đường cong mỏi thực nghiệm S-N là đường cong cho chu trình ứng suất gây phá hủy. Bao gồm hai loại chính:
a) Phương pháp tính đơn giản:
Là phương pháp tính theo khuyến nghị của API RP 2A
b) Phương pháp tính chi tiết:
Là phương pháp dựa trên nguyên tắc Palmgren – Miner để tính tổn thất tích lũy do mỏi. Đây là phương pháp được sử dụng chủ yếu và rộng rãi trong các tiêu chuẩn và quy phạm về công trình biển thép trong tính toán mỏi. Phương pháp này nói chung gồm ba bước chính như sau:
- Xác định sự phân phối ứng suất dài hạn, có kể đến hiện tượng tập trung ứng suất
- Lựa chọn đường cong thực nghiệm S – N (độ bền đặc trưng của vật liệu)
- Xác định tổn thất tích lũy mỏi theo nguyên tắc Palmgren – Miner, từ đó cho phép đánh giá tuổi thọ mỏi. Việc tính toán mỏi thường dựa trên thời hạn cơ bản là một năm, từ đó tuổi thọ kết cấu được xác định ngoại suy tuyến tính các tổn thất mỏi trong một năm xác định theo luật Palmgren – Miner. Bởi hầu hết các tải trọng gây ra mỏi, điển hình là sóng có bản chất ngẫu nhiên nên cần phải được khảo sát thống kê để xác định các hiệu ứng của tải trọng gây ra mỏi đối với kết cấu
Từ đó có hai phương pháp tính mỏi theo quy tắc Palmgren – Miner:
1.1 Tính mỏi theo phương pháp tiền định
Phương pháp này thực hiện dựa trên một số lượng sóng nào đó, trong đó mỗi sóng có một chiều cao và chu kỳ xác định.
1.2 Tính mỏi theo phương pháp phổ
Phương pháp phổ là một phương pháp tính ngẫu nhiên, trong đó môi trường chuyển động của sóng được xác định bởi một loạt phổ biểu diễn các trạng thái biển
2. Phương pháp dựa trên cơ học phá hủy
Loại phương pháp này dựa trên nguyên lý cơ học phá hủy để đánh giá quá trình lan truyền vét nứt do mỏi theo số chu trình tải trọng và từ đó cho phép dự báo tuổi thọ mỏi của công trình. Loại phương pháp này hiện đang được quan tâm nghiên cứu phát triển và áp dụng trong các trường hợp thích hợp

 

Không thấy các bác M.Eng phản hồi về vấn đề này nhỉ?

 

Trong thực hành tính toán mỏi kết cấu chân đế giàn khoan cố định bằng thép chịu tải trọng sóng chúng ta thường tính theo 2 phương pháp như sau:
1. Deterministic fatigue analysis
2. Spectral fatigue analysis
Phương pháp 1 chỉ được phép áp dụng khi chu kỳ dao động riêng cơ bản của giàn < 3s vì vẫn đạt được kết khá tin cậy. Nói như vậy có nghĩa là khi chu kỳ dao động riêng thứ nhất của giàn < 3s thi hoàn toàn có thể tính theo phương pháp 1 mà không ông đăng kiểm nào phàn nàn gì. Tuy nhiên, hiện nay do năng lực của các phần mềm đã tăng lên đáng kể nên phương pháp 2 được áp dụng phổ biến trong các bài toán mỏi kết cấu chân đế chịu tải trọng sóng. Phương pháp 1 đễ thực hiện hơn nhưng ít được áp dụng trong thực hành hiện nay.
Tôi xin phép các pro giới thiệu các bước cơ bản để thực hiện tính toán mỏi chân đế giàn khoan bằng thép sử dụng phần mềm SACS theo phương pháp 2 như sau:
1. Xử lý số liệu thông kê để có bảng thống kê các trạng thái biển (seastate) và tần số xuất hiện (probability of occurence) trong đời sống công trình. Chú ý là mỗi một trạng thái biển được đại diện bằng 1 cặp số liệu là chiều cao sóng đáng kể Hs & chu kỳ trung bình cắt không Tz.
2. Từ bảng số liệu thống kê sóng xác định giá trị chiều cao và chu kỳ sóng gọi là "centre of damage wave" (Hc, Tc), tạm dịch là sóng trung tâm phá hủy. Bác nào có từ nào hay hơn xin chỉ giáo. Centre of damage wave có thể xác định dựa trên nguyên lý là nó là con sóng mà tổn thương tích lũy là như nhau (50%) đối với các trạng thái biển có chiều cao Hs > Hc và Hs < Hc, tương tự tổn thương tích lũy là như nhau (50%) với các trạng thái biển cho chu kỳ cắt không Tz > Tc & Tz < Tc. Diễn giải bằng lời thì hơi phức tạp một chút, các bạn có thể tham khảo một số tài liệu đã upload lên trong diễn đàn này để tìm hiểu công thức xác định Hc & Tc. Theo tìm hiểu của tôi thì chưa có một công trình nghiên cứu nào chứng minh là bắt buộc phải sử dụng Hc & Tc tính theo nguyên lý trên để xác định centre of damage wave. Nhưng nó là 1 bước thực hành mà bất cứ một công ty engieneering nào cũng thực hiện.
3. Sử dụng Hc & Tc ở trên để tạo superelement để thay thế toàn bộ hệ pile-soil interaction bằng một equivalent pile head spring stiffness matrix. Nôm na gọi tắt là ma trận độ cứng đầu cọc.
4. Thực hiện tính toán dao động riêng của giàn (còn gọi là eigen value analysis) sử dụng đầu ra của bước 3 ở trên.
5. Lựa chọn 1 dải các tần số để phân tích vẽ ra đường cong hàm truyền tĩnh (static wave transfer function curve). Sử dụng mô đun Seastate để thực hiện bước này. Cần xem xét kỹ lưỡng kết quả đầu ra của bước này để có thể phải điều chình bước 4 bằng cách điều chỉnh độ cứng tổng thể của giàn hoặc điều chình khối lượng của giàn để ra kết quả an toàn nhất theo quy định của API. Các yếu tố như cancellation effect, leg spacing effect cần phải được xem xét trong bước này.
6. Từ kết quả của bước 4 và 5 kết hợp với bộ số liệu khảo sát các trạng thái biển để chọn ra một dải các tần số để phân tích tìm ra các đường cong hàm truyền động (dynamic wave transfer function curves). Sử dụng mô đun wave response cho bước tính toán này.
7. Sử dụng kết quả đầu ra của các bước trên và fatigue input file tổng hợp toàn bộ các trạng thái biển, đường cong mỏi S-N, phương pháp tính hệ số tập trung ứng suất, v.v.. để tính ra tuổi thọ mỏi cho các nút.
8. Sử dụng mô đun interactive fatigue để xử lý kết quả.
Viết hơi vội, có thể có thiếu sót, mong các pro tiếp tục đóng góp ý kiến.

 

Việc phân tích bằng phần mềm Sacs bài toán mỏi kết cấu CTB, có thể thực hiện theo sơ đồ hình khối sau, không biết có đúng với những gì mà bác BriaNg mô tả không?
Hình 1:

Hình 2:

Hình 3:

Hình 4:

Hình 5:

Hình 6:

Hình 7:

 

Slide mà Admin up lên trên đây có lẽ có nguồn gốc từ một tài liệu training nào đó của EDI/Bentley. Tài liệu trên là flow chart cho tính toán mỏi bằng phần mềm SACS nhưng đang gộp cả 2 phương pháp 1 & 2 mà mình đề cập ở lần post trước làm một. Điều này có thể làm anh em lẫn lộn về trình tự giữa 2 phương pháp.

 

Không thấy bác nào nói về mỏi của Jack up nhỉ?

 

Về nguyên lý thì tính mỏi cho công trình biển thép nào cũng giống nhau vì xuất phát từ cùng một hiện tượng vật lý. Tuy nhiên Jackup không làm việc tại một vị trí cố định như các công trình cố định vì vậy quy trình tính toán & số liệu đầu vào sẽ khác. Theo tôi nên có một chủ đề cho tính mỏi jackup, tương tự cho semi-sub, floating vessel, spar, TLP, etc.