tóm tắt nhgiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san hô

1

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài:
c im ni bt ca cỏc loi cụng trỡnh bin o núi chung l iu
kin thi cụng khú khn, chu cỏc loi ti trng v mụi trng khc
nghit, song cú ý ngha rt ln v mt an ninh quc phũng v kinh t
bin. Do ú, nghiờn cu, la chn trc cỏc gii phỏp ti u cho cỏc
cụng ny phc v cho thi bỡnh, thi chin v c phỏt trin kinh t quc
dõn l vn cp bỏch hin nay.
Trờn c s cỏc kt qu nghiờn cu v vt liu san hụ v nn san hụ
lm s liu u vo cho vic xõy dng mụ hỡnh, phng phỏp tớnh, tỏc
gi la chn vn Nghiờn cu tng tỏc gia ng dn v nn san
hụ lm ni dung nghiờn cu ca lun ỏn.
Mục đích của luận án:
- Nghiờn cu tng quan v san hụ v bi toỏn tng tỏc gia kt cu
cụng trỡnh dng ng dn v nn, xõy dng mụ hỡnh san hụ phc v cho
vic gii bi toỏn tng tỏc gia ng dn v nn san hụ.
- Xõy dng, xut mụ hỡnh, phng phỏp gii bi toỏn tng tỏc
gia ng dn v nn san hụ di tỏc dng ca ti trng: súng xung kớch
do n hoc kt hp ng thi ti trng súng xung kớch v mt s dng
ỏp lc trong ca ng.
- Kho sỏt nh hng ca mt s yu t hỡnh hc, ti trng, vt lý n
s lm vic ca ng dn trong nn san hụ.
- Gúp phn la chn cỏc gii phỏp hp lý tng kh nng lm vic ca
ng dn trong nn san hụ phc v an ninh quc phũng v kinh t bin.
2. Đối tợng, phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Tp hp, phõn tớch nhng kt qu nghiờn cu v tớnh cht c lý ca
vt liu san hụ v nn san hụ mt s o thuc qun o Trng Sa.

- Nghiờn cu gii bi toỏn tng tỏc gia ng dn v nn san hụ theo
mụ hỡnh bi toỏn phng bng phng phỏp phn t hu hn (PTHH).
- Kho sỏt mt s yu t nh hng n s lm vic ca ng dn trong
nn san hụ.
- Nghiờn cu thc nghim trờn mụ hỡnh ng dn trong nn san hụ chu
ti trng do n trong nn v n trong khụng khớ gõy ra.
3. Nội dung luận án:
Lun ỏn bao gm 117 trang thuyt minh, trong ú cú 25 bng, 63
th, hỡnh v, 83 ti liu tham kho, 21 trang ph lc.
M u: Trỡnh by tớnh cp thit ca ti, mc ớch, i tng,
phm vi v phng phỏp nghiờn cu ca lun ỏn.


2

Chng 1: Tng quan tỡnh hỡnh nghiờn cu v san hụ v bi toỏn
tng tỏc gia ng dn v nn.
Chng 2: Tớnh tng tỏc gia ng dn v nn san hụ bng phng
phỏp phn t hu hn.
Chng 3: Kho sỏt mt s yu t nh hng n s lm vic ca
ng dn trong nn san hụ.
Chng 4: Nghiờn cu phn ng ng ca ng dn trong nn san hụ
bng thc nghim.
Kt lun v kin ngh: Trỡnh by cỏc kt qu chớnh, nhng úng gúp
mi ca lun ỏn v cỏc kin ngh xut phỏt t vn nghiờn cu.
4. Phơng pháp nghiên cứu:
Nghiờn cu bng lý thuyt kt hp vi thc nghim. Khi nghiờn cu
lý thuyt tớnh toỏn kt cu, s dng phng phỏp PTHH. Phng
phỏp thc nghim c s dng kim chng cỏc kt qu nghiờn cu
bng lý thuyt v xem xột phn ng ng ca ng dn trong nn san hụ

di tỏc dng ca súng xung kớch (SXK) do n.
5. Cấu trúc luận án:
Phn m u, 4 chng, kt lun chung, ti liu tham kho v ph lc.
Nội dung chính của luận án
Chơng 1: tổng quan tình hình nghiên cứu về san hô
và bài toán tơng tác giữa ống dẫn và nền
Trỡnh by cỏc kt qu nghiờn cu trong nc v trờn th gii v vt
liu san hụ, nn san hụ v cỏc mụ hỡnh, phng phỏp tớnh tng tỏc gia
kt cu ng dn v nn núi chung. T ni dung nghiờn cu, trờn c s
cỏc vn cn c tip tc nghiờn cu v phỏt trin, tỏc gi lun ỏn tp
trung vo vn : Nghiờn cu tng tỏc gia ng dn v nn san
hụ. Theo ú, lun ỏn s tp trung gii quyt cỏc ni dung ch yu sau:
1) Nghiờn cu tng quan v san hụ, nn san hụ v bi toỏn tng tỏc
gia kt cu dng ng dn v nn núi chung v i vi nn san hụ núi
riờng nhm lm rừ tớnh cp thit, phng phỏp nghiờn cu ca lun ỏn.
2) Xõy dng mụ hỡnh, phng phỏp gii bi toỏn tng tỏc gia ng
dn v nn san hụ theo mụ hỡnh bi toỏn phng chu tỏc dng ng thi
ca ỏp lc trong ng v súng xung kớch do bom n n gõy ra.


3

3) Xây dựng hệ phương trình, thuật toán và chương trình tính tương
tác giữa ống dẫn và nền san hô theo mô hình bài toán phẳng, trong đó kể
đến sự tách, trượt giữa ống dẫn và nền, giữa lớp đất bù và nền chịu tác
dụng đồng thời của: áp lực trong của ống, tải trọng sóng xung kích do
bom đạn nổ gây ra bằng phương pháp PTHH.
4) Khảo sát số trên kết cấu cụ thể, nghiên cứu ảnh hưởng của một số
yếu tố đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô, đưa ra các kiến
nghị phục vụ tính toán, thiết kế loại kết cấu này.

5) Nghiên cứu thực nghiệm xác định phản ứng động của ống dẫn
trong nền san hô chịu tác dụng của SXK do nổ gây ra nhằm kiểm tra độ
tin cậy của chương trình tính.
Ch¬ng 2: tÝnh T¬ng t¸c gi÷a èng dÉn vµ nÒn san h«
B»ng ph¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n
2.1. Đặt vấn đề
Đặc thù của vật liệu san hô và nền san hô là loại vật liệu dòn, quan hệ
ứng suất – biến dạng gần như tuyến tính và là loại vật liệu làm việc một
chiều (chỉ chịu nén, không chịu kéo), do đó khi tính toán các công trình
làm việc trong nền san hô thì một trong những điểm khó là đưa ra được
mô hình tính thích hợp, thể hiện được tính chất này của nền - đặc biệt
đối với bài toán tương tác động lực học. Điều này sẽ được khắc phục khi
ta đưa vào phần tiếp xúc giữa kết cấu và nền một loại phần tử đặc biệt,
đó là phần tử tiếp xúc. Trong chương này, nghiên cứu tính toán bài toán
tương tác giữa ống dẫn và nền san hô, trong đó tập trung việc xây dựng
mô hình, đề xuất phương pháp giải, xây dựng thuật toán, chương trình
máy tính, tính toán số, kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính đã lập.
2.2. Đặt bài toán, các giả thiết và phương pháp tính toán
Nghiên cứu sự làm việc của ống dẫn trong nền san hô chịu tác dụng
đồng thời của áp lực trong ống và SXK do nổ gây ra. Mô hình tính của
bài toán đặt ra được xây dựng trên các giả thiết sau:
- Vật liệu ống biến dạng đàn hồi tuyến tính. Chỉ nghiên cứu sự làm
việc của ống – nền sau khi ống dẫn đã được hạ ổn định vào nền san hô.
- Mỗi lớp nền là vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính.
Lớp đất bù là đồng nhất.


4

- Hệ ống dẫn và nền làm việc trong điều kiện biến dạng phẳng. Liên

kết giữa ống dẫn và nền san hô, giữa lớp nền gốc và lớp đất bù được
thay thế bằng liên kết nút giữa các phần tử biến dạng phẳng thông qua
liên kết với phần tử tiếp xúc. Liên kết tiếp xúc giữa ống dẫn và nền san
hô, giữa lớp đất bù và lớp nền gốc là liên kết một chiều.
- Bỏ qua ảnh hưởng tốc độ di chuyển dọc trong ống của áp suất.
Để giải bài toán, tác giả luận án sẽ sử dụng phương pháp PTHH.
2.3. ThuËt to¸n PTHH gi¶i bµi to¸n
2.3.1. Mô hình PTHH của bài toán
Tách từ hệ thực bán vô hạn ra một miền hữu hạn bao gồm ống dẫn và
một phần nền gọi là miền nghiên cứu (Hình 2.2), miền nghiên cứu được
xác định thông qua phương pháp lặp. Mô hình PTHH thể hiện như trên
hình 2.2b, trong đó phần ống dẫn và nền được thay thế bởi phần tử biến
dạng phẳng dạng tam giác và tứ giác, còn lớp tiếp xúc giữa bề mặt ống
dẫn, giữa lớp đất bù và lớp nền nguyên thổ được thay thế bởi phần tử
tiếp xúc phẳng 4 điểm nút.

a, Mô hình thực của hệ b, Mô hình tính của hệ
Hình 2.2. Mô hình bài toán và sơ đồ tính


5

2.3.2. Các phần tử sử dụng
2.3.2.1. Phần tử tiếp xúc (PTTX):
Hình 2.4 biểu diễn mô hình PTTX sử dụng trong luận án. Mô hình hình
học là dạng hình chữ nhật 4 hoặc 6 nút (Hình 2.4a). Khi có ứng suất pháp
 và ứng suất tiếp  theo các phương  và  trong hệ toạ độ cục bộ phần
tử, xuất hiện biến dạng pháp tuyến 

và biến dạng tiếp tuyến 


.

a, b, c,
Hình 2.4. Sơ đồ phần tử tiếp xúc của Goodman (1  6 là ký hiệu các nút)
a, Sơ đồ hình học của phần tử tiếp xúc; b, Quan hệ ứng suất pháp tuyến và biến dạng
pháp tuyến; c, Quan hệ ứng suất tiếp tuyến và biến dạng tiếp tuyến
Quan hệ số gia ứng suất - biến dạng:
 
se
D
 
   

   
 
   
(2.1)
Trường hợp biến dạng phẳng:
 
se
k 0
D
0 k


 

 
 

 
(2.2)
với k

và k

là độ cứng pháp tuyến và phương tiếp tuyến của phần tử.
Quan hệ giữa số gia chuyển vị với các số gia biến dạng:
 
 
se se
B U

 
 
 

 
, (2.8)
Ma trận độ cứng phần tử:
      
T
se se se se
K B D B det J d
 

(2.9)
2.3.2.2. Phần tử biến dạng phẳng:
Phần tử biến dạng phẳng được sử dụng ở đây là loại phần tử tam giác 3
điểm nút và tứ giác 4 điểm nút, mỗi nút có 2 bậc tự do u

i
, v
i
. Các phương
trình quan hệ đối với loại phần tử này đã được trình bày trong các tài liệu
về phương pháp PTHH, ở đây tác giả xin phép không trình bày.
2.3.3. Phương trình giải bài toán tương tác ống dẫn – nền san hô chịu
tải trọng động
Dưới tác dụng của tải trọng động, hệ kết cấu ống dẫn và nền san hô
chuyển động với phương trình có dạng sau:


6















M U C U U K U U R
     

   
 
, (2.31)
với:


M
- ma trận khối lượng,






C U M K U
   
   
   
ma trận cản:
1 2
2

 
  
,
1 2
    
(
1
, 

2
là 2 tần số đầu tiên trong dao động tự
do;  là tỷ số cản kết cấu),




K K U

 
 
là ma trận độ cứng,


R
là véc
tơ ngoại lực nút của hệ. Sau mỗi khoảng thời gian tính, tuỳ thuộc vào
trạng thái nội lực trên PTTX, nếu xuất hiện tách, trượt, ma trận độ cứng
được cập nhật lại, nghĩa là:




K K U

 
 
, do đó





C C U

 
 
, lúc này
(2.31) là phương trình phi tuyến.
2.3.4. Thuật toán PTHH giải bài toán:
Phương trình phi tuyến (2.31) được giải bằng việc kết hợp tích phân trực
tiếp Newmark và lặp Newton – Raphson. Sơ đồ thuật toán như hình 2.8.

Hình 2.8. Sơ đồ thuật toán giải bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền san hô


7

2.5. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình
2.5.1. Giới thiệu chương trình:
Với các thuật toán đã nêu trên, tác giả tiến hành lập trình tính toán bài
toán tương tác ống dẫn – nền san hô chịu tải trọng động. Chương trình
có tên PIPE_CORAL_2011, được viết bằng ngôn ngữ lập trình Matlab.
2.5.2. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình:
Để kiểm tra độ tin cậy của chương trình PIPE_CORAL_2011 đã lập,
tác giả thực hiện theo 2 con đường:
- So sánh kết quả tính bằng chương trình đã lập với kết quả bài toán
tương tự với công trình đã được tác giả nước ngoài công bố (Tín hiệu 1);
- So sánh kết quả tính bằng chương trình đã lập với kết quả nghiên
cứu thực nghiệm (Tín hiệu 2).
Trong phần này, tác giả tính toán so sánh với công trình của Akinola

J. Olarewaju, N.S.V. Kameswara Rao, Md. A. Mannan [25,(2010)] đã
công bố (tín hiệu 1). Đây là công trình được các tác giả tính toán bằng
phương pháp PTHH theo mô hình khối, trong đó không xét đến sự tách,
trượt giữa bề mặt ống dẫn và nền. Việc so sánh với kết quả thí nghiệm,
xác định tín hiệu 2 sẽ được tác giả trình bày trong chương 4 của luận án.
Tác giả giải bài toán với số liệu xuất phát và điều kiện như trong
[25], mô hình bài toán như hình 2.9.

Hình 2.9. Mô hình bài toán [25]
Thông số nền: Gồm 3 lớp giống nhau, vật liệu đồng nhất, đẳng hướng,
môđun đàn hồi biến dạng dài E
s
= 104Mpa, hệ số Poisson  = 0,3, khối
lượng riêng vật liệu 
s
= 4600kg/m
3
.


8

Thông số của ống dẫn: Đường kính D = 1m, chiều dày t = 0,01m,
môđun đàn hồi biến dạng dài E
p
= 106Gpa, hệ số Poisson 
p
= 0,2, khối
lượng riêng 
p

= 7800kg/m
3
.
Thông số tải trọng: Ngoài tải trọng bản thân, ống chịu áp lực sóng nổ
dạng sóng xung kích phân bố đều mặt trong của ống, hàm tải trọng:
 
 
max
t
p t p 1 khi0 t
p t 0 khi t

 
   

 

 


 

, với p
max
= 30Mpa,  = 0,025s.
Tính toán với 3 độ sâu khác nhau của ống dẫn, tương ứng với các tỷ
số: H/D = 1, H/D = 2, H/D = 3. Kết quả chuyển vị đứng lớn nhất
max
y
U [cm] theo phương đứng của ống dẫn (điểm đỉnh, mặt ngoài ống)

được so sánh giữa 2 phương pháp thể hiện như trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Kết quả so sánh kiểm tra chương trình tính
max
y
U [cm]
Phương pháp
H/D = 1 H/D = 2 H/D = 3
Olarewaju, Rao, Mannan [25]
4,08 3,46 2,76
PIPE_CORAL_2011
3,96 3,39 2,71
Sai số (%)
2,94 2,02 1,81
Với sai số từ 1,81% đến 2,94% như kết quả so sánh trên, có thể nhận
thấy đây là một tín hiệu khẳng định sự tin cậy của chương trình
PIPE_CORAL_2011 đã lập (Tín hiệu 1).
2.6. Kết luận chương 2
Trong chương này đã đạt được các nội dung chính sau:
- Xây dựng, đề xuất mô hình và phương pháp giải bài toán tương tác
giữa ống dẫn và nền san hô bằng phương pháp PTHH trong đó sử dụng
phần tử biến dạng phẳng kết hợp phần tử tiếp xúc mô tả sự tách, trượt
giữa kết cấu và nền, giữa phần đất bù với phần nền nguyên thuỷ.
- Xây dựng thuật toán, chương trình tính giải bài toán tương tác động
lực học giữa ống dẫn và nền san hô.
- Tính toán trên ví dụ cụ thể, so sánh kết quả tính với kết quả của tác
giả khác trên thế giới, xác định tính tin cậy của chương trình đã lập.


9

Chơng 3: KHảO SáT MộT Số YếU Tố ảNH HƯởng đến sự
làm việc của ống dẫn trong nền san hô
3.1. t vn
Trờn c s tớnh toỏn vớ d s bi toỏn ng dn lm vic trong nn san
hụ, trong chng ny trỡnh by kt qu kho sỏt mt s yu t nh
hng n s lm vic ca ng dn cho phộp la chn cỏc thụng s hp
lý nhm nõng cao kh nng lm vic ca ng dn trong nn san hụ.
3.2. Vớ d s
3.2.1. Bi toỏn 1: Tng tỏc ng dn nn san hụ chu tỏc dng ca
SXK, khi khụng cú ỏp lc trong ng
Thụng s ng dn: d = 1,8m, D = 2m, ng nm trong nn san hụ
sõu 4m, vt liu E
p
= 2,110
7
N/cm
2
,
p
= 0,3 v
p
= 7,810
3
kg/m
3
. Ti
trng SXK phõn b u lờn b mt nn (hỡnh 3.1), = 0,05s.
Thụng s nn: Gm 4 lp, c trng c lý ca vt liu nh bng 3.1.
Gúc m phn t o = 60
0

, chiu dy lp m h = 0,2m.
iu kin biờn: Liờn kt gi c nh ti ỏy v gi di ng theo
phng ng ti biờn hai bờn.
Thi gian tớnh toỏn t
cal
= 4, sai s biờn min nghiờn cu = 0,5%, sai
s tớnh toỏn
D
= 0,25%.

Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh bi toỏn Hỡnh 3.2. Hm ti trng


10

Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu nền san hô
Lớp

Độ sâu (m) E
f
(N/cm
2
)

f

f
(kg/m
3
)

f
ms

Tỷ số cản


1 2
0,2810
5

0,22

2,510
3

0,21
2 6
2,1010
5

0,25

2,810
3

0,32
3 10
20,010
5

0,25

2,910
3

0,41
4 16
2,6010
5

0,25

2,010
3

0,47
Đất bù
25,010
5

0,25

3,210
3

0,45
0,05
Lớp đệm
40,010
5

0,24

4,810
3

0,45
Kết quả đáp ứng chuyển vị, ứng suất tại các điểm tính thể hiện như
trên các hình 3.4, 3.5, 3.6 và 3.7 sau.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-2
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Thoi gian t[s]
Chuyen vi U
y
[cm]


Diem A
Diem B

Hình 3.4. Quan hệ chuyển vị
y
U
- t (tại A, B)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Thoi gian t[s]
Chuyen vi U
x
[cm]


Diem C
Diem D

Hình 3.5. Quan hệ chuyển vị
x
U
- t (tại C, D)

11

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Thoi gian t[s]
Ung suat xicmax[N/cm2]
Diem A
Diem B

Hình 3.6. Quan hệ ứng suất 
x
- t (tại A, B)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-12000
-10000
-8000
-6000
-4000
-2000
0

2000
Thoi gian t[s]
Xicmay[N/cm2]
Diem C
Diem D

Hình 3.7. Quan hệ ứng suất 
y
– t (tại C, D)
3.2.2. Bài toán 2: Tương tác ống dẫn – nền san hô chịu SXK, p = p
0
= 5N/cm
2

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Thoi gian t[s]
Chuyen vi dung U
y
[cm]

Diem A:p=0
Diem A:p=5
Diem B:p=0
Diem B:P=5

Hình 3.8. Quan hệ chuyển vị U
y
– t (tại A, B)


12

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Thoi gian t[s]
Chuyen vi ngang U
x
[cm]


Diem C:p=0

Diem C:p=5
Diem D:p=0
Diem D:p=5

Hình 3.9. Quan hệ chuyển vị U
x
– t (tại C, D)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
Thoi gian t[s]
Xicmax[N/cm2]
Diem A:p=0
Diem A:p=5
Diem B:p=0
Diem B:p=5

Hình 3.10. Quan hệ ứng suất 
x
– t (tại A, B)
3.2.3. Bài toán 3: Ống dẫn – nền san hô chịu SXK, p(t) = pcos2

ft
Giải bài toán như trên, biên độ p = 5N/cm

2
, tần số f = 20Hz.
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-1.6
-1.4
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Thoi gian t[s]
Chuyen vi dung U
y
[cm]


Diem A:p=0
Diem A:p=5
Diem A:p=pcos(2pift)
Diem B:p=0
Diem B:p=5
Diem B:p=pcos(2pift)

Hình 3.12. Quan hệ U
y
– t (tại điểm A, B)

13

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-0.02
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
0.02
Thoi gian t[s]
Chuyen vi ngang U
x
[cm]


Diem C:p=0
Diem C:p=5
Diem C:p=pcos(2pift)
Diem D:p=0
Diem D:p=5
Diem D:p=pcos(2pift)

Hình 3.13. Quan hệ U
x
- t (tại C, D)
3.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống

Để khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến sự làm việc của ống dẫn
trong nền san hô, đối với bài toán xuất phát tác giả xét là trường hợp bài
toán 2 (mục 3.2.2) đã trình bày ở trên.
3.3.1. Ảnh hưởng của cường độ áp suất trong ống:
Giải bài toán với trường hợp áp suất trong p của ống thay đổi từ 0
N/cm
2
đến 100N/cm
2
. Kết quả thể hiện như trên các hình 3.16 đến 3.19:
0 250 500 750 1000 1250 1500
0
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Ap suat trong ong p[N/cm
2
]
C hu y e n v i d un g U y
ma x
[ c m ]


Diem A
Diem B

Hình 3.16. Quan hệ

max
y
U - p tại điểm A và B


14

0 250 500 750 1000 1250 1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
Ap suat trong ong p[N/cm2]
Chuyen vi Ux
max
[cm]

Hình 3.17. Quan hệ
max
x
U - p tại điểm C
0 250 500 750 1000 1250 1500
0

500
1000
1500
2000
2500
3000
Ap suat trong ong p[N/cm
2
]
Ung suat (Xicmax)
max
[N/cm
2
]


Diem A
Diem B

Hình 3.18. Quan hệ
max
x
 - p tại điểm A và B
0 250 500 750 1000 1250 1500
0
1000
2000
3000
4000
5000

6000
7000
8000
9000
10000
Ap suat trong ong p[N/cm
2
]
Ung suat (Xicmay)
max
[N/cm
2
]

Hình 3.19. Quan hệ
max
y
 - p tại điểm C


15

Nhận xét: Cường độ áp suất trong của ống ảnh hưởng đến chuyển vị
và ứng suất tại các điểm tính thuộc ống là không đáng kể.
- Chuyển vị đứng tại điểm A giảm, tại điểm B tăng, song mức độ thay
đổi không đáng kể (3,6% - tại A, 2,7% - tại B). Trong khi đó chuyển vị
ngang tại các điểm C, D tăng với mức độ lớn hơn (2,96 lần).
- Ứng suất tại điểm A và B đều có xu hướng tăng, song cũng không
nhiều (2,5 lần). Tại điểm C và D, ứng suất giảm không nhiều (27,3%)
3.3.2. Ảnh hưởng của độ cứng lớp đệm:

Sự thay đổi độ cứng lớp đệm đàn hồi được xem xét trên cơ sở thay đổi
môđun đàn hồi E
b
từ 2510
5
N/cm
2
đến 5010
5
N/cm
2
.
2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
6
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Modun dan hoi Eb[N/cm2]
Chuyen vi lon nhat (U
y
)
max
[cm]

Diem A
Diem B

Hình 3.20. Quan hệ
max
y
U - E
b
tại điểm A và B
2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
6
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
Modun dan hoi Eb[N/cm2]
Chuyen vi lon nhat (U
x
)
max
[cm]

Hình 3.21. Quan hệ
max
x
U

- E
b
tại điểm C và D


16

2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10
6
900
950
1000
1050
1100
1150
1200
Modun dan hoi Eb[N/cm2]
Ung suat (xicmax)max[N/cm2]
Diem A
Diem B

Hình 3.22. Quan hệ
max
x
 - E
b
tại điểm A và B
2.5 3 3.5 4 4.5 5
x 10

6
8700
8750
8800
8850
8900
8950
9000
9050
9100
Modun dan hoi Eb[N/cm2]
Ung suat lon nhat (xicmay)max[N/cm2]

Hình 3.23. Quan hệ
max
y
 - E
b
tại điểm C
Nhận xét: Khi môđun đàn hồi lớp đệm thay đổi như trên, chuyển vị
tại A và B đều giảm với mức độ lớn (50,4%  51%), chuyển vị ngang tại
các điểm C, D tăng với mức độ cũng lớn (55,6%). Ứng suất tại A giảm,
tại điểm B tăng với mức độ bé (0,47%), ứng suất tại điểm C, D tăng.
3.3.3. Ảnh hưởng của lớp nền chứa ống dẫn:
Môđun đàn hồi E
fp
của lớp nền chứa ống dẫn biến thiên từ 0,910
5
[N/cm
2

]
đến 2,710
5
[N/cm
2
]. Kết quả:


17

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
x 10
5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
Modun dan hoi Efp[N/cm2]
Chuyen vi (U
y
)
max
[cm]

Diem A
Diem B

Hình 3.24. Quan hệ
max
y
U
– E
fp
tại điểm A và B
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
x 10
5
0.014
0.015
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
0.021
Modun dan hoi Efp[N/cm2]
Chuyen vi ngang (U
x
)
max
[cm]

Hình 3.25. Quan hệ
max

x
U – E
fp
tại điểm C, D
0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
x 10
5
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
1140
Modun dan hoi Efp[N/cm2]
Ung suat xicmax[N/cm2]
Diem A
Diem B

Hình 3.26. Quan hệ
max
x
 - E
fp
tại điểm A và B

18

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3
x 10
5
8950
8952
8954
8956
8958
8960
8962
8964
8966
8968
8970
Modun dan hoi Efp[N/cm2]
Ung suat xicmay[N/cm2]

Hình 3.27. Quan hệ
max
y
 - E
b
tại điểm C, D
3.3.4. Ảnh hưởng của vật liệu ống:
Môđun đàn hồi vật liệu ống E
p

biến thiên [0,052,1]10
7
N/cm
2
.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10
7
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
Modun dan hoi Ep[N/cm2]
Chuyen vi dung (U
y
)
max
[cm]


Diem A
Diem B

Hình 3.28. Quan hệ
max

y
U
– E
p
tại điểm A và B
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10
7
0.013
0.014
0.015
0.016
0.017
0.018
0.019
0.02
0.021
Modun dan hoi Ep[N/cm2]
Chuyen vij ngang (U
x
)
max
[cm]

Hình 3.29. Quan hệ
max
x
U
– E
p

tại điểm C


19

0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10
7
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Modun dan hoi Ep[N/cm2]
Ungs suat (xicmax)max[N/cm2]
Diem A
Diem B

Hình 3.30. Quan hệ
max
x

- E
p
tại điểm A và B
0 0.5 1 1.5 2 2.5
x 10

7
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Modun dan hoi Ep[N/cm2]
Ung suat (xicmay)max[N/cm2]

Hình 3.31. Quan hệ
max
y
 - E
p
tại điểm C và D
Nhận xét: Chuyển vị đứng tại điểm A và chuyển vị ngang tại điểm C,
D giảm với mức độ giảm khá lớn (11,87% - điểm A và 6,22% - điểm C,
D), tại điểm B chuyển vị đứng tăng nhẹ khi môđun đàn hồi ống tăng
(2,26%). Ứng suất pháp tại điểm A và B đều có xu hướng tăng.
3.3.5. Ảnh hưởng của lớp nền trên cùng:
Giải bài toán với môđun đàn hồi E
f1
của lớp nền số 1 (Hình 3.1) biến
thiên từ 0,0810
5
N/cm
2
đến 1,0810

5
N/cm
2
. Kết quả như sau:


20

0 2 4 6 8 10 12
x 10
4
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Modun dan hoi Ef1[N/cm2]
Chuyen vi dung (U
y
)
max
[cm]


Diem A

Diem B

Hình 3.32. Quan hệ
max
y
U – E
f1
tại điểm A và B
0 2 4 6 8 10 12
x 10
4
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Modun dan hoi Ef1[N/cm2]
Chuyen vi (U
x
)
max
[cm]

Hình 3.33. Quan hệ
max
x
U
– E
f1

tại điểm C và D
3.3.6. Ảnh hưởng của độ dốc taluy phần đất đào:
Góc mở độ dốc taluy phần đất đào biến thiên từ 0
0
đến 70
0
, kết quả:
0 10 20 30 40 50 60 70
1
1.05
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
1.35
1.4
1.45
Goc mo beta[do]
Chuyen vi (U
y
)
max
[cm]


Diem A
Diem B

Hình 3.36. Quan hệ

max
y
U
–  tại điểm A và B


21

0 10 20 30 40 50 60 70
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
Goc mo beta[do]
Chuyen vi (U
x
)
max
[cm]

Hỡnh 3.37. Quan h
max
x
U
ti im C v D
3.4. Kt lun chng 3
- Tớnh toỏn s vi vớ d c th cỏc lp bi toỏn khỏc nhau (khụng cú

ỏp sut trong ng, ỏp sut trong l hng s, ỏp sut trong bin i iu
ho) chu tỏc dng ca SXK vi cỏc s liu thc ca nn san hụ.
- Kho sỏt cỏc yu t nh hng n chuyn v, ng sut ca ng dn
nhm nõng cao hiu qu lm vic ca ng dn trong nn san hụ.
Chơng 4: Nghiên cứu phản ứng động của ống dẫn
trong nền san hô bằng thực nghiệm
4.1. Mc ớch thớ nghim
- Xỏc nh phn ng ng (bin dng ti cỏc im thuc ng dn) ca
ng dn nm trong nn san hụ di tỏc dng ca ti trng n dng SXK.
- Kim tra tớnh ỳng n ca b chng trỡnh PIPE_CORAL_2011 ó lp.

4.2. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm
4.1.1. Mô hình thí nghiệm
ng dn dy t = 5,5mm, vt liu thộp,
d 109mm

, L = 1500mm
.

Hỡnh 4.3. Mu thớ nghim
4.1.2. Các thiết bị thí nghiệm
- Cảm biến điện trở đo biến dạng:120, 2cm của hãng TML (Nhật).
- Máy đo động đa năng MGC-Plus: 16 kênh, cấp chính xác 0,0025%,
độ phân giải ADC 16bit, tốc độ trích mẫu 19,2kHz. Kết quả thí nghiệm
đợc hiển thị và xử lý bằng chơng trình phần mềm chuyên dụng.


22

- Ngun gõy ti trng l ngun n, vi loi thuc n TNT. Khi tin

hnh thớ nghim, xỏc nh c lng n ti u, cú c tớn hiu n
cỏc u o rừ rng, ngoi vic nghiờn cu lý thuyt n, tỏc gi ó phi
tin hnh n th, vi quy lut thay i lng n t bộ n ln.

Hỡnh 4.4. Mỏy o ng MGC16/64 v hin th kt qu trờn mn hỡnh ca mỏy
4.3. Phơng pháp xác định kết quả thí nghiệm
T kt qu o bin dng , so sỏnh, i chng vi tớnh toỏn lý thuyt.
4.4. Kết quả thí nghiệm
4.4.5. Trng hp n trong nn:
Tin hnh o cho 6 trng hp gúc lch trc: 0
0
, 15
0
,30
0
,45
0
,60
0
,75
0
.
Xỏc nh bin dng theo phng tip tuyn ng ti im gn, xa tõm n.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
-4
-2
0
2
4
6

8
10
x 10
-5
Thoi gian t[s]
Bien dang ty doi efxilonfi
Diem gan-LT
Diem gan-TN
Diem xa-LT
Diem xa-TN

Hỡnh 4.9. Quan h bin dng

v thi gian t (Gúc lch trc = 0
0
)
Bng 4.1. So sỏnh kt qu giỏ tr bin dng ln nht ca 2 phng phỏp
max

(10
-4
)
max

(10
-4
)
im gn tõm n im xa tõm n
Lý thuyt Thớ nghim Sai s[%]

Lý thuyt Thớ nghim Sai s[%]
0,863 0,729 18,38 0,652 0,538 21,19


23

4.4.6. Trường hợp nổ trên không: Bố trí đồng thời 3 lượng nổ ở độ cao
1,4m so với mặt nền, do đó bài toán gần đúng với mô hình phẳng. Kết
quả đáp ứng biến dạng tại các điểm đo theo thời gian như hình 4.12.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10
-4
Thoi gian [s]
Bien dang ty doi efxilonfi
Diem xa-LT
Diem xa-TN
Diem gan-LT
Diem gan-TN

Hình 4.12. Đáp ứng biến dạng 

theo thời gian t

Bảng 4.3. So sánh kết quả giá trị biến dạng lớn nhất của 2 phương pháp
max

 (10
-4
)
max

 (10
-4
)
Điểm xa tâm nổ Điểm gần tâm nổ
Lý thuyết

Th. nghiệm

Sai số[%]

Lý thuyết Th.nghiệm Sai số[%]
1,4800 1,3104 12,94 1,9500 1,6426 18,71
Nhận xét:
- Kết quả tính toán bằng lý thuyết và thí nghiệm khá đồng dạng và phù
hợp với quy luật cơ học.
- Sai số về giá trị biến dạng 

lớn nhất tại điểm tính giữa 2 phương
pháp từ 12,94% đến 21,19% là có thể chấp nhận được, điều này một lần
nữa khẳng định sự phù hợp và tin cậy của bộ chương trình phần mềm
PIPE_CORAL_2011 đã lập (Tín hiệu 2).
4.5. KÕt luËn ch¬ng 4

- Xây dựng quy trình, phương pháp thí nghiệm tương tác giữa kết cấu
ống dẫn và nền san hô chịu tải trọng sóng xung kích do nổ gây ra.
- Thí nghiệm 2 trường hợp: nổ trong nền và nổ trong không khí. Kết
quả thí nghiệm được so sánh với tính toán lý thuyết bằng chương trình
tính đã lập, cho thấy mức độ tin cậy của chương trình tính.


24

kÕt luËn vµ kiÕn nghÞ
1/ Những đóng góp mới của luận án:
- Đề xuất mô hình và phương pháp giải bài toán tương tác động lực
học phi tuyến do kể đến tính tách và trượt giữa bề mặt ống dẫn với nền
san hô, giữa lớp đất bù và lớp nền nguyên thổ bằng phương pháp phần
tử hữu hạn. Nội dung được thể hiện ở các công trình [1], [2].
- Xây dựng các phương trình, thuật toán và bộ chương trình tính tương
ứng PIPE_CORAL_2011 nghiên cứu tương tác giữa ống dẫn và nền san
hô chịu tác dụng của tải trọng phức tạp là sóng xung kích do nổ gây ra
và các dạng áp lực trong của ống. Sử dụng bộ chương trình đã lập, tiến
hành tính toán và nghiên cứu bằng số với các số liệu thực về nền san hô.
Nội dung được thể hiện ở các công trình [3], [4], [7].
- Đã giải hàng loạt bài toán, khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như
vật liệu, tải trọng, kích thước hình học và đặc trưng của lớp đệm đáy
ống, lớp nền, … đến chuyển vị, biến dạng và ứng suất của ống dẫn làm
việc trong nền san hô. Nội dung được thể hiện ở các công trình [5].
- Nghiên cứu thực nghiệm tương tác giữa kết cấu ống dẫn và nền san hô
dưới tác dụng của tải trọng sóng xung kích theo 2 trường hợp tạo tải trọng:
nổ trong nền và nổ trong không khí. Xác định được ứng suất, biến dạng của
một số điểm thuộc ống, kiểm tra sự ảnh hưởng của góc lệch trục ống đối với
phương truyền sóng nén (trường hợp nổ trong nền) đến phản ứng động của

ống và góp phần kiểm tra độ tin cậy của bộ chương trình tính
PIPE_CORAL_2011 đã lập. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm phù hợp
với các kết quả nghiên cứu lý thuyết và khẳng định độ tin cậy của bộ
chương trình đã lập, ngoài ra các số liệu có ý nghĩa làm tài liệu tham khảo
trong tính toán tương tác giữa kết cấu và nền san hô. Nội dung được thể
hiện trong công trình [6].
2/ Kiến nghị:
- Ảnh hưởng của lớp nền bề mặt (lớp trên cùng) đến sự làm việc của
ống dẫn là khá lớn. Với phương pháp đào hở, lớp đệm đáy ống không nên
cứng quá vì ứng suất, biến dạng tại điểm thuộc đáy của ống tăng nhanh.
- Hiện tượng tách, trượt cục giữa ống dẫn và nền san hô, giữa lớp đất
bù và lớp nền có ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của ống dẫn.
- Luận án có thể tiếp tục phát triển theo các hướng sau:
+ Tính toán tương tác giữa ống dẫn và nền đàn nhớt, môi trường chất
lỏng có kể đến ảnh hưởng của dòng chảy.
+ Tính toán độ bền, độ ổn định của ống dẫn chịu tác dụng của tải
trọng di động trong ống.