Việt Nam có bờ biển dài, có nhiều công trình biển (CTB) trong các lĩnh vực kinh tế khác nhau: khai thác dầu khí, giao thông vận tải, năng lượng. CTB tại Việt Nam bao gồm: giàn khoan, kho chứa nổi, sà lan dịch vụ thi công, điện gió ngoài biển, phao báo hiệu, bến nổi, ụ nổi v.v... Nhiều loại CTB được cố định vị trí bằng hệ thống neo. Tính toán hệ thống neo là nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế CTB nổi.

Các dây neo CTB nổi trong thực tế đều bố trí theo sơ đồ không gian, mặt khác do các CTB chịu tác động của sóng, gió, dòng chảy nên việc tính toán hệ dây neo CTB cần phải tính theo bài toán động của hệ dây neo theo mô hình không gian. Trên thế giới ở những nước có trình độ khoa học tiên tiến đặc biệt những nước có ngành khai thác dầu khí ngoài biển phát triển như Pháp, Na Uy, Mỹ đã có các phần mềm tính toán được hệ neo vật nổi theo mô hình không gian như: Ariane của Bureau Veritas (Pháp), Sesam của DNV (Na Uy), Mimosa của Bently (Mỹ), ANSYS (Mỹ). Tuy nhiên các phần mềm này đều có bản quyền và giá thành cao, thuật toán không công bố. Các công bố nước ngoài tương đối phong phú: từ dây neo đơn đàn hồi đến dao động hệ dây không gian nhưng chưa có công bố nào phản ánh đầy đủ sự làm việc hệ dây không gian có treo các vật nặng và phao chịu tác dụng của tải trọng động bao gồm: tải trọng vật nổi, tải trọng bản thân, tải trọng sóng và dòng chảy. Trong nước đa số các công ty tư vấn thiết kế khi tính toán hệ dây neo vẫn dùng các chỉ dẫn thiết kế của bài toán tựa tĩnh có kể đến hệ số động dựa trên phương pháp giải tích của dây neo đơn chịu tải trọng bản thân và vật nổi tác dụng vào đầu dây neo. Đã có một số các nghiên cứu trong nước đã công bố tính hệ dây neo nhưng cũng chỉ dừng ở phương pháp giải tích của dây neo đơn chịu tải trọng bản thân và vật nổi theo các chỉ dẫn thiết kế khác nhau.

Để việc tính toán hệ dây neo sát với thực tế, cần giải quyết vấn đề một cách tổng quát khi đó cần áp dụng phương pháp số đa năng đó là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).  Nó cho phép tính toán các hệ cơ học phức tạp tuyến tính và phi tuyến, tính toán được hệ dây neo trong trường hợp tổng quát theo mô hình không gian và chịu tải trọng động phức tạp, trên dây neo có thể có nhiều vật treo như phao và vật nặng. Việc hiện thực hóa áp dụng phương pháp PTHH có thể tiến hành theo hai cách: ứng dụng phần mềm thương mại ANSYS- AQWA hoặc sử dụng chương trình lập theo thuật toán của phương pháp PTHH.

Nhằm xây dựng mô hình tính toán hệ dây neo theo mô hình không gian cho công trình biển chịu tải trọng động của sóng, gió, dòng chảy bằng phương pháp PTHH. Hiện thực hóa bằng sử dụng phần mềm ANSYS-AQWA và lập chương trình bằng ngôn ngữ Mathcad, nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam - Bộ Giao thông Vận tải do PGS. TS. Đào Văn Tuấn đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tính toán hệ thống dây neo công trình biển chịu tải trọng động theo mô hình không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

Đề tài đã tổng nêu được tổng quan các CTB và hệ thống neo, tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Công tác thiết kế trong nước chủ yếu dựa vào các chỉ dẫn trong đó hệ thống dây neo được tính theo phương pháp tựa tĩnh áp dụng lời giải giải tích của dây neo đơn, việc sử dụng các phần mềm mô phỏng chưa phổ biến. Các nghiên cứu toán hệ thống dây neo chùm và neo đầu cuối CTB có thể có vật vật treo trên dây, chịu tác dụng của tải trọng động: sóng, gió và dòng chảy chưa được đề cập đến.

Tổng quan được pháp tính dây neo theo phương pháp giải tích của dây neo không đàn hồi, đàn hồi, phương pháp phần tử dây neo đặc trưng, quy trình thiết kế, nêu được các nhược điểm của phương pháp tựa tĩnh dựa trên lời giải giải tích chỉ ứng dụng cho các trường hợp đơn giản không phù hợp với mô hình không gian trong phân bố lực, chưa tính đến tải trọng dòng chảy tác động lên dây neo và các vật treo trên dây neo và dao động dây neo.

Đề tài đã mô hình hóa được dây neo theo phương pháp phần tử hữu hạn: là hệ thanh có liên kết khớp ở hai đầu, mô hình hóa được hệ dây neo chùm và neo đầu cuối của các CTB có hình dạng trên mặt bằng tương tự hình chữ nhật như: giàn khoan bán chìm, tàu khoan, sà lan phụ vụ thi công v.v... theo mô hình không gian. Nêu được nội dung chủ yếu của phương pháp phần tử hữu hạn: xác định ma trận độ cứng phần tử: độ cứng đàn hồi và độ cứng hình học, ma trận khối lượng, ma trận cản nhớt, tải trọng bản thân, gió, dòng chảy và sóng tác động lên phân tử dây neo, chuyển hệ trục tọa độ, xác định lực căng trong dây neo.

Nêu được phương pháp và thuật toán, sơ đồ khối giải bài toán dao động dây neo để xác định lực căng, làm cơ sở cho những người nghiên cứu lập trình tính toán hệ dây neo theo mô hình không gian chịu tải trọng động cho hệ dây neo chùm và dây neo đầu cuối.

Để hiện thực hóa nội dung phương pháp phần tử hữu hạn đề tài đã nêu nội dung ứng dụng mô đul ANSYS-AQWA để tính, nêu trình tự thực hiện: khai báo mô hình vật nổi, sơ đồ neo, thiết lập mô hình tính, khai báo tải trọng và lựa chọn kết quả đầu ra phục vụ thiết kế hệ dây neo và lập chương trình tính hệ dây neo theo phương pháp PTHH theo ngôn ngữ Mathcad. Đề tài đã tính toán hệ dây neo chùm của sà lan phục vụ thi công để minh họa cho việc có thể hiện thực hóa việc áp dụng phương pháp PTHH khi tính hệ dây neo chùm và dây neo đầu cuối bằng phần mềm ANSYS-AQWA hoặc chương trình Mathcad. So sánh kết quả tính giữa ANSYS-AQWA và quy trình thiết kế cho thấy kết quả có sự khác nhau, do áp dụng mô hình tính và phương pháp tính khác nhau, tính theo quy trình khi tính đến hệ số động cho thấy kết quả lực căng lớn thiên về an toàn. Trong quy trình đã phản ánh không đúng sự làm việc của hệ dây neo. Trong khi đó ANSYS-AQWA giải quyêt vấn đề sát với sự làm việc thực tế của hệ dây neo.

Kết quả của chương trình Mathcad lập theo thuật toán phương pháp PTHH khi so với kết quả hệ dây neo tính theo ANSYS lực căng là 3,15% sự sai khác này là do ANSYS có thể mô phỏng sà lan là vật di động như trong thực tế. Tuy nhiên nếu không có ANSYS hoàn toàn có thể dùng chương trình của phương pháp PTHH để tính nhưng cần kể đến % chênh lệch.

Về mặt khoa học đề tài đã nêu được phương pháp tính dây neo chịu tải trọng động theo mô hình không gian bằng phương pháp PTHH chi hệ dây neo chùm và dây neo đầu cuối chịu tác dụng của tải trọng động có thể có vật treo trên dây, đóng góp vào phương pháp tính dây neo, là tài liệu tham khảo tốt cho nghiên cứu, giảng dạy, thiết kế.

Sản phẩm của đề tài là nội dung ứng dụng phương pháp PTHH trong tính toán hệ dây neo chùm và dây neo đầu cuối CTB co vật treo trên dây. Hiện thực hóa bằng ứng dụng ANSYS-AQWA và chương trình Mathcad theo thuật toán phương pháp PTHH.

Kết quả nghiên cứu cho phép tăng năng suất lao động trong tính toán thiết kế dây neo, mô hình tính sát với thực tế cho kết quả chính xác hơn trong lựa chọn dây neo.

Sản phẩm đáp ứng nhu cầu cho các công ty tư vấn thiết kế, là tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu về tính toán dây neo chùm và neo đầu cuối bằng phương pháp PTHH.

Việc tính toán hệ dây neo bằng phương pháp giải tích áp dụng cho bài toán phẳng không phù hợp với mô hình làm việc của hệ dây neo và không tính được các trường hợp dây neo chịu tải trọng phức tạp. Phương PTHH cho phép tính toán các hệ cơ học phức tạp tuyến tính và phi tuyến, tính toán được hệ dây neo trong trường hợp tổng quát theo mô hình không gian, có vật treo và chịu tải trọng phức tạp. Chính vì vậy cần áp dụng phương pháp PTHH cho tính toán hệ dây neo. Phần mềm thương mại ANSYS-AQWA có thể thực hiện việc tính toán hệ dây neo chính xác, thuận tiện, nhanh, trực quan cho phép người thiết kế qua sát được sự làm việc của hệ dây neo từ đó có thể đưa ra các điều chỉnh thích hợp. Chính vì vậy cần phổ biến việc tính hệ dây neo CTB dạng chùm và neo đầu cuối một cách rộng rãi. Nếu không có ANSYS-AQWA có thể sử dụng chương trình bằng Mathcad dựa trên thuật toán của phương pháp PTHH để tính.

Sản phẩm của đề tài đáp ứng nhu cầu cho các công ty tư vấn thiết kế trong tính toán hệ dây neo dạng chùm và đầu cuối cho CTB, cho phép tăng năng suất lao động trong tính toán thiết kế dây neo, mô hình tính sát với thực tế cho kết quả chính xác hơn trong lựa chọn dây neo theo phương pháp giải tích.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19486/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)