Phân tích tối ưu kết cấu cầu dẫn cho tàu khách hai thân

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 
31 
PHÂN TÍCH TỐI ƯU KẾT CẤU CẦU DẪN 
CHO TÀU KHÁCH HAI THÂN 
OPTIMAL BRIDGE DECK STRUCTURES ANALYSIS 
 OF CATAMARAN PASSENGER FERRY 
Vũ Ngọc Bích, Đỗ Hùng Chiến 
 Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, 
vubich@ut.edu.vn 
Tóm tắt: Kết cấu cầu dẫn tàu hai thân đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền ngang 
thân tàu. Trong thiết kế và tính toán kết cấu, thông thường người thiết kế dựa vào các công thức thực 
nghiệm gần đúng hoặc theo hướng dẫn của quy phạm, tiêu chuẩn quốc gia. Ngày nay, với sự phát triển 
mạnh mẽ của các phương pháp số, phân tích hiện đại với sự trợ giúp của máy tính, các kết cấu phức 
tạp đã dần được tối ưu, giúp thân tàu trở nên nhẹ hơn, tốc độ cải thiện hơn và sức chở tăng lên. Bài báo 
này tập trung nghiên cứu lý thuyết tối ưu áp dụng vào thiết kế kết cấu cầu dẫn cho tàu khách hai thân. 
Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng rộng rãi cho các chủng loại tàu tương tự. 
Từ khóa: Tối ưu, kết cấu cầu dẫn, tàu hai thân, phân tích phần tử hữu hạn, độ bền kết cấu tàu. 
Chỉ số phân loại: 2.1 
Abstract: The bridge deck structures play an important role in transverse strength of ship 
structures. In ship structural design, the designer often bases on experiment formulae or under the 
guider of classification society. Nowadays, with the strong development of numerical method and 
advanced computer analysis technique, the complicated structures are optimal analyzed, reducing the 
hull weight, increasing the ship speed and improving the deadweight. The present paper focuses on 
studying optimal theory in design the bridge deck of catamaran passenger ships. The obtained results 
are widely applied in similar ship types. 
Keywords: Optimization, bridge deck structures, catamaran, finite element analysis, strength of 
ship structures. 
Classification number: 2.1 
1. Giới thiệu 
Tàu hai thân với hình dáng kết cấu đặc 
trưng, được sử dụng rộng rãi trong ngành công 
nghiệp vận tải thủy, đặc biệt là vận tải hành 
khách. Ưu điểm nổi bật của loại tàu này là có 
diện tích mặt boong rộng, giảm sức cản và tăng 
khả năng cân bằng và ổn định ngang. Trên thế 
giới xuất hiện ngày càng nhiều hình thức kết 
cấu khác nhau, tuy nhiên vẫn có nét chung đó 
là hai thân vỏ kích thước giống nhau được nối 
với nhau bởi một cầu nối trên boong (hình 1). 
Chính việc bố trí kết cấu này giúp cho các 
nhà thiết kế giải tỏa những lo âu khi cần không 
gian trên boong nhàm bố trí chỗ ngồi hành 
khách sao cho thật sự thoải mái và rộng rãi. Đi 
kèm với những ưu điểm này là thách thức khi 
phân tích tính toán cho độ bền cục bộ dàn 
boong, trong đó đặc biệt quan tâm đến độ bền 
ngang của kết cấu cầu dẫn hai thân. Đây cũng 
là chủ đề được nhiều nhà khoa học trong lĩnh 
vực phân tích kết cấu tàu quan tâm. 
Hình 1. Bố trí cầu dẫn tàu hai thân. 
 32 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 
Với kết cấu ngang, nối giữa hai thân tàu, 
cầu nối chịu tải trọng boong, thời tiết, nước hắt 
từ phần nằm dưới cấu nối khi chuyển động, tải 
trọng hành khách, hàng hóa trên boong là 
nguyên nhân gây ra uốn tàu. Bên cạnh đó, khi 
thân tàu chạy trên sóng, hai thân khác nhau sẽ 
có mớn nước khác nhau, dẫn tới kết cấu cầu 
nối sẽ bị xoắn. Bài toán phân tích kết cấu cầu 
nối đã được giải quyết bằng cách tính toán theo 
phương pháp cổ điển, trên cơ sở sử dụng lý 
thuyết uốn, xoắn dầm trong các tài liệu về cơ 
học kết cấu tàu thủy và sức bền tàu thủy tồn tại 
đến ngày nay [1 - 3]. 
Cùng với sự phát triển của các công cụ 
tính toán hiện đại và khả năng xử lý các bài 
toán cơ học phức tạp, người thiết kế hiện nay 
có thể vừa phân tích kết cấu, vừa có thể kết hợp 
tối ưu hóa kết cấu. Phương pháp phần tử hữu 
hạn ra đời đưa ngành Cơ học phân tích bước 
sang trang mới, bên cạnh đó, các thuật toán tối 
ưu kết cấu như tối ưu hình học Topology, di 
truyền (Genetic Algorimth),  đã hỗ trợ mạnh 
mẽ cho giai đoạn nghiên cứu phát triển các 
hình thái kết cấu sáng tạo, ngoài quy chuẩn, 
quy phạm [4, 5]. 
Bài báo này tập trung giải quyết vấn đề 
phân tích độ bền kết cấu cầu dẫn phà khách hai 
thân, ứng dụng thuật toán tối ưu kết cấu giúp 
người thiết kế có giải pháp gia cường những 
vùng yếu, đảm bảo an toàn trong vận hành khai 
thác về phương diện độ bền ngang và độ bền 
cục bộ. Các kết quả nhận được từ mô hình tính 
toán, trên cơ sở các hướng dẫn của đăng kiểm 
DnV – GL, kết hợp các công cụ phân tích kết 
cấu như ANSYS và công cụ giải bài toán tối 
ưu theo MATLAB [6 - 10]. 
2. Phương pháp nghiên cứu 
Hình 2. Sơ đồ thuật toán tối ưu kết cấu cầu dẫn. 
Trên cơ sở phân tích độ bền kết cấu toàn 
bộ cầu dẫn của phà khách hai thân, kết quả cho 
biết những vùng nguy hiểm, tập trung ứng suất 
hay độ võng lớn, bên cạnh đó lại có những 
vùng kết cấu dư bền nhiều. Tiến hành tối ưu 
vùng kết cấu, với trọng lượng cầu dẫn nhỏ 
nhất nhưng các vùng đảm bảo bền (hình 2). 
3. Phân tích độ bền kết cấu tàu hai 
thân 
Kết cấu thân tàu chịu các trạng thái tải 
trọng phức tạp, theo các tài liệu hướng dẫn 
tính toán hiện hành [4], sơ đồ tính toán bền 
chung được trình bày theo hình 3 dưới đây: 
Hình 3. Tính toán bền chung khi tàu trên đỉnh sóng. 
3.1. Mô hình phân tích 
Bài báo sử dụng mô hình phà khách hai 
thân, với các thông số kết cấu cầu dẫn cơ bản 
được trình bày trong bảng 1. Kết cấu mặt cắt 
ngang cầu dẫn nối hai thân được trình bày chi 
tiết như trong hình 4. Trên cơ sở kết cấu cơ 
bản, tiến hành gán xây dựng mô hình 3D mô 
tả chi tiết kết cấu như hình 5. 
Bảng 1. Thông số cơ bản của cầu dẫn. 
Chiều dài cầu dẫn LCD 55 (m) 
Chiều rộng cầu dẫn BCD 4,1 (m) 
Chiều cao tiết diện dọc tâm HDT 0,98 (m) 
Chiều cao tiết diện biên HB 1,5 (m) 
Chiều dày tấm thành, tấm đáy t 1 6 (mm) 
Chiều dày tấm boong t 2 7 (mm) 
Vật liệu chế tạo Thép A36 
Hình 4. 
Mặt cắt 
ngang 
kết cấu 
cầu dẫn 
hai thân 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 
33 
Hình 5. Mô hình kết cấu cầu dẫn. 
Tất cả các phần tử tấm vỏ được chia dạng 
tấm vỏ chữ nhật SHELL 181, các cơ cấu dầm 
được sử dụng loại phần tử hai nút, sáu bậc tự 
do BEAM 188, được thể hiện trên hình 6. 
Hình 6. Mô hình chia lưới phần tử vùng tính toán. 
3.2. Phân tích điều kiện biên và tải 
trọng 
Điều kiện biên áp dụng cho mô hình mặt 
cắt ngang tàu hai thân nói chung, coi các nút 
kết cấu là các gối đỡ đàn hồi, được thể hiện 
trên hình 7. 
Hình 7. Điều kiện biên tính toán. 
Độ cứng của gối đỡ đàn hồi thông thường 
được xác định theo công thức (1) như sau: 
( )2,6 1
8 S
EK
n l
A
=
+
 (1) 
Trong đó: 
l: Khoảng cách giữa các vách ngang; 
n: Số nút đặt tải tác dụng dọc theo kết 
cấu; 
AS : Diện tích chịu cắt của kết cấu. 
Đối với các kết cấu khung ngang khỏe, 
khi được liên kết với sống dọc boong, sống 
dọc đáy hay vách dọc, độ cứng của gối đỡ đàn 
hồi được xác định theo công thức (2) sau: 
( ) ( )31 2,6 1
384 8 S
EK
n l n l
I A
=
+ +
+
 (2) 
Trong công thức này, I là mô men quán 
tính tiết diện mặt cắt ngang thực tế ứng với 
trục trung hòa của nó. 
Hình 8. Sơ đồ tải trọng tác dụng lên tàu. 
Tải trọng tác dụng lên mô hình tàu cao tốc 
nói chung bao gồm trọng lượng bản thân, áp 
lực nước ngoài vỏ tàu, áp lực hành khách và 
hàng hóa, các trạng thái tải trọng phân tích 
được thể hiện như trên hình 8. Các trạng thái 
tải theo bảng 2. Như vậy, áp dụng cho tàu hai 
 34 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 
thân, người thiết kế cần phân tích sáu trạng 
thái tải trọng từ LC 1 đến LC 6. 
Bảng 2. Các trạng thái tải áp dụng cho tàu cao tốc. 
Trạng 
thái 
Tên trạng thái tải Áp dụng 
LC 1 Trên nước tĩnh Một thân/ nhiều thân 
LC 2 Uốn tàu khi vồng 
lên 
Một thân/ nhiều thân 
LC 3 Uốn tàu khi võng 
xuống 
Một thân/ nhiều thân 
LC 4 Lực tách ngang Nhiều thân 
LC 5 Xoắn tàu khi chúi Một thân/ nhiều thân 
LC 6 Uốn xoắn đồng thời Nhiều thân 
Bài báo phân tích bài toán cụ thể cho tính 
toán kết cấu cầu dẫn tàu hai thân, tập trung xác 
định vùng nguy hiểm theo tải trọng boong 
(kN/m2) gán như hình 9, được tính toán theo 
công thức sau: 
( )0 0,5v vp H g aρ= + (3) 
Trong đó: 
ρ: Tỷ trọng của nước biển (t/m3); 
H: Chiều cao cột áp (m)p; 
g0 : Gia tốc trọng trường (9,81 m/s2); 
av: Gia tốc chuyển động thẳng đứng của 
tàu (m/s2). 
Hình 9. Gán tải trọng boong tác dụng lên cầu dẫn. 
3.3. Thiết lập bài toán tối ưu kết cấu 
Căn cứ vào giá trị mô men uốn, lực cắt 
nhận được từ mô hình phân tích trên đây, tiến 
hành xây dựng hàm mục tiêu xác định kích 
thước kết cấu mặt cắt ngang của cầu dẫn sao 
cho trọng lượng đạt nhỏ nhất, thỏa mãn điều 
kiện bền và ổn định. Tiết diện mặt cắt ngang 
cầu dẫn có dạng chữ I, được thể hiện cụ thể 
như hình 10. Hàm mục tiêu xác định kích 
thước tối ưu theo công thức (4): 
1 1 minF ht b t= + → (4) 
Hình 10. Tiết diện mặt cắt ngang cầu dẫn. 
Các hàm ràng buộc phi tuyến được thiết 
lập từ các điều kiện phân tích, cụ thể như sau: 
- Tiêu chuẩn bền uốn, hàm g1 : 
1 0all all
M Mg
Z Z
σ σ σ= ≤ ⇒ = − ≤ (5) 
- Tiêu chuẩn bền cắt, hàm g2 : 
2
. . 0
. .all all
S A S Ag
t I t I
τ τ τ= ≤ ⇒ = − ≤ (6) 
- Tiêu chuẩn ổn định, hàm g3 : 
0 3 0 0
h hm g m
t t
≤ ⇒ = − ≤ (7) 
- Tiêu chuẩn công nghệ, hàm g4 : 
0 4 0 0t t g t t≥ ⇒ = − ≤ (8) 
- Tiêu chuẩn ổn định cục bộ, hàm g5 : 
0 5 0
1 1
0b bn g n
t t
≤ ⇒ = − ≤ (9) 
- Độ võng cho phép, hàm g6 : 
0 6 0 0d d g d d≤ ⇒ = − ≤ (10) 
Trong đó: 
σ : Ứng suất pháp; 
τ: Ứng suất tiếp, chỉ số dưới all chỉ giá trị 
cho phép; 
S: Mô men tĩnh diện tích mặt cắt, 
A: Diện tích tiết diện; 
t: Chiều dày bản thành; 
h: Chiều cao bản thành; 
Các chỉ số 0 thể hiện tiêu chuẩn cho phép 
theo kinh nghiệm. 
4. Kết quả và thảo luận 
4.1. Ứng suất 
Kết quả theo tính toán với trường hợp tải 
trọng boong tác dụng lên kết cấu cầu dẫn ở 
trang thái nguy hiểm nhất, giá trị nhận được 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 30-11/2018 
35 
lớn nhất σEQV = 42,93 MPa, như hình 11, 
trong khi đó ứng suất pháp σ = 27,25 MPa 
(hình 12) và ứng suất tiếp τ = 7,65 MPa (hình 
13). 
Hình 11.Ứng suất von Mises trên mặt cầu dẫn. 
Hình 12.Ứng suất pháp trên mặt cầu dẫn. 
Hình 13.Ứng suất tiếp trên mặt cầu dẫn. 
4.2. Chuyển vị 
Giá trị chuyển vị lớn nhất được xác định 
khi phân tích mô hình, dmax = 2,27 mm là nhỏ 
so với kết cấu chung toàn cầu dẫn (hình 14). 
Các giá trị nội lực và chuyển vị là dữ liệu 
đầu vào cho bài toán tối ưu, trên cơ sở các hàm 
đã thiết lập từ g1 đến g6 (công thức (5) đến 
(10)), dùng hàm ràng buộc tối thiểu Fmincon 
trong MATLAB, chúng ta nhận được kết quả 
tối ưu. 
Hình 14.Chuyển vị trên mặt cầu dẫn 
5. Kết luận 
Bài báo này tập trung phân tích độ bền kết 
cấu cầu dẫn, xây dựng mô hình tính toán tối 
ưu kết cấu dựa trên các công cụ hỗ trợ hiện 
đại. Sử dụng ANSYS để phân tích kết cấu và 
MATLAB để chạy thuật toán tối ưu có sử 
dụng hàm Fmincon. Phương pháp nghiên cứu 
này có thể mở rộng áp dụng cho kết cấu các 
công trình tương tự, giúp người thiết kế và 
phân tích kết cấu nhanh chóng đưa ra giải 
pháp tối ưu, giảm trọng lượng con tàu, nâng 
cao hiệu quả kinh tế  
Tài liệu tham khảo 
[1] Trần Công Nghị, 2009, “Sức bền tàu thủy”, ĐHQG 
Tp.HCM 
[2] Alaa Mansour, Donald Liu, (2008), “Strength of 
Ships and Ocean Structures”, SNAME 
[3] Mohamed Shama, 2013,”Buckling of Ship 
Strutures”, Springer 
[4] DnV, 1996, “Strength Analysis of Hull Structure of 
High Speed and Light Craft” 
[5] Owen F.Hughes and Jeom Kee Paik, 2010, “Ship 
Structural Analysis and Design”, SNAME 
[6] ANSYS Inc., 2013, “ANSYS Mechanical APDL Basic 
Analysis Guide” 2013. 
[7] Vũ Quốc Anh, 2006, ”Tính kết cấu bằng phần mềm 
Ansys”, NXB Xây Dựng 
[8] ZbigniewSekulski, 2009,” Least-weight topology and 
size optimization of high speed vehicle-passenger 
catamaran structure by genetic algorithm”, Marine 
Structures Volume 22, Issue 4, Pages 691-711 
[9] ZbigniewSekulski, 2010. “Multi-objective topology and 
size optimization of high-speed vehicle-passenger 
catamaran structure by genetic algorithm”, Volume 23, 
Issue 4, Pages 405-433. 
 36 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 30, Nov 2018 
[10] ISSC, 1988, 1991, 1994, 1997, 2000, 2003, 2006, 2009, 
2012, 2015. “ISSC committee IV.1: Design Principles 
and Criteria”. In: Proceedings of the International Ship 
ad Offshore Structures Congress 
 Ngày nhận bài: 15/10/2018 
 Ngày chuyển phản biện: 18/10/2018 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 8/11/2018 
 Ngày chấp nhận đăng: 15/11/2018