NGHIÊN cứu, THIẾT kế và mô PHỎNG TÍNH TOÁN bền kết cấu đài TƯỞNG NIỆM TRUÔNG bồn BẰNG PHƯƠNG PHÁP dập tạo HÌNH RESEARCH, DESIGN AND CALCULATE SIMULATION ONTRUONG BON MONUMENT’S STRUCTUREBYSHEET METAL FORMING TECHNOLOGY

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN BỀN KẾT CẤU ĐÀI
TƯỞNG NIỆM TRUÔNG BỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẬP TẠO HÌNH
RESEARCH, DESIGN AND CALCULATE SIMULATION ONTRUONG BON
MONUMENT’S STRUCTUREBYSHEET METAL FORMING TECHNOLOGY
PGS.TS. Phạm Văn Nghệ1a, KS. Hoàng Mạnh Trung1b, KS. Hoàng Văn Thủy2c
1
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
2
Trường Trung cấp Nghề số 14 – Bộ Quốc phòng
a
; ;
TÓM TẮT
Trong báo cáo này, nhóm tác giả đã trình bày kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng đài
tưởng niệm Truông Bồn. Kết quả này được sử dụng là cơ sở để thiết kế tạo hình tấm vỏ và kết
cấu chịu lực cho công trình này, đảm bảo các yêu cầu về mặt mỹ thuật, gia công chế tạo, độ
bền trong các trường hợp gió bão, lốc xoáy, nắng nóng, v.v. Hiện nay, hầu hết các công trình
tượng đài có chủ đề về văn hóa, lịch sử, tín ngưỡng có kích thước không gian lớn hầu hết đều
được làm bằng công nghệ đúc đồng, bê tông cốt thép hoặc điêu khắc đá truyền thống, …
Những công nghệ này tồn tại nhiều nhược điểm như: tốn kém vật liệu, độ bền khó đạt, chất
lượng bề mặt xấu, khó tạo hình sắc nét theo ý tưởng nghệ thuật của tác giả. Nối tiếp theo
thành công từ công trình “Tượng đài Bác Hồ với các dân tộc Tây Nguyên”, chúng tôi đã áp
dụng công nghệ dập tạo hình để thiết kế chế tạo “Đài tưởng niệm Truông Bồn”. Công nghệ
này đã khắc phục được hầu hết các điểm còn hạn chế của các công nghệ nêu trên. Kết quả
nghiên cứu có thể tham khảo để tính toán, thiết kế và tối ưu các công trình tượng đài khác sử
dụng công nghệ dập tạo hình tấm vỏ mỏng tương tự.
Từ khóa: dập tạo hình vỏ mỏng, tượng đài Truông Bồn, mô phỏng tính toán.
ABSTRACT
In this report, the authors present the results of research by simulating about Bon
Truong monument. These results are used as a basis for designing sheet shell and bearing

structures on this construction. At present, almost large monuments are made of casting
technology, reinforced concrete or stone sculpture,…These technologies exist many
drawbacks such as material cost, weak strength, bad surface quality, difficulty forming shape
following the idea of designers. We use sheet metal forming technology for Truong Bon
Monument after the success of Ho Chi Minh statue in Tay Nguyen. This technology has
overcome most of the limitations of the other technologies. The results of research can be
based on calculating, designing and optimizing of other monuments which use sheet metal
forming technology.
Keywords: sheet metal forming, Truong Bon monument, calculate simulation.
1.GIỚI THIỆU
1.1. Khái quát về phương pháp dập tạo hình tấm
Công nghệ tạo hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áp
lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước
mong muốn. Đây là một loại hình công nghệ đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp khác nhau. Sở dĩ công nghệ này được áp dụng rộng rãi như vậy là do nó
có nhiều ưu điểm nổi bật như:
Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị
và khuôn.
629


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Có thể chế tạo những chi tiết rất phức tạp mà các phương pháp gia công kim loại khác
không thể hoặc rất khó khan.
Độ chính xác tương đối cao, đảm bảo lắp dẫn tốt không cần qua gia công cơ.
Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững, bền nhẹ, mức độ hao phí kim loại không lớn.
Tiết kiệm được nguyên vật liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hóa và tự động hóa, do
đó năng suất cao, giá thành sản phẩm hạ.
Quá trình thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao, do đó giảm chi phí đào tạo và
quỹ lương.

Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao.
Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu kim loại mà còn gia công những vật liệu phi
kim như: techtolit, heetinac và các loại chất dẻo.
1.2. Ý nghĩa Đài tưởng niệm Truông Bồn
Trong tiếng Nghệ An “Truông” là danh từ để chỉ một đoạn đèo dốc chạy giữa hai vách
núi hiểm trở. Truông Bồn là một đoạn đèo dốc như thế có chiều dài 5km, độ cao gần 70m trên
dãy núi Thung Nưa có đỉnh cao nhất là 450m so với mực nước biển, nằm trên tuyến đường
chiến lược 15A, hay còn gọi là đường 30, chạy qua địa phận xã Mỹ Sơn, huyện Đô Lương,
tỉnh Nghệ An. Truông Bồn đã trở thành địa danh huyền thoại trong cuộc đấu tranh vệ quốc vĩ
đại của dân tộc ta trong thế kỉ XX, bởi Truông Bồn có vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng, là
“Tuyến đường độc đạo”, nơi kết nối các huyết mạch giao thông từ hậu phương lớn miền Bắc.
Nơi đây có bao chứng tích hào hùng, bất hủ ghi dấu những chiến công oanh liệt của các lực
lượng quân và dân ta, trong đó có 1.500 cán bộ, chiến sĩ của 9 đại đội Thanh niên xung phong
thuộc Tổng đội Thanh niên xung phong chống Mỹ cứu nước, tỉnh Nghệ An. Đặc biệt nơi đây
chứng kiến những chiến công và sự hi sinh oanh liệt của 13 chiến sỹ “Tiểu đội thép”, “Tiểu
đội cảm tử” thuộc đại đội TNXP 317 ngày 31/10/1968 trong khi đang làm nhiệm vụ nối liền
huyết mạch giao thông. Do vậy, Đài tưởng niệm Truông Bồn có ý nghĩa lớn đối với quân dân
trong khu vực cũng như trong cả nước.
2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
2.1. Xử lý Scan 3D mẫu, xây dựng mô hình CAD các tấm ghép vỏ tượng
Từ dữ liệu là các đám mây điểm từ máy Scan 3D, chia vỏ tượng ra các phần phù hợp
với thực tế thi công, tiến hành tái tạo bề mặt.
2.2. Lên phương án dập tạo hình
- Phân chia các phần, các bề mặt sao cho có tính công nghệ dập tạo hình tốt nhất, tính
công nghệ hàn và, đặc biệt, đảm bảo tính mỹ thuật của tác phẩm điêu khắc.
- Thiết kế khuôn dập bằng vật liệu Composit.
Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ đến thuộc tính dẻo và biến dạng
phôi tấm, vật liệu bằng đồng đỏ, chiều dày 5mm. Ta dùng giả thiết là phôi biến dạng đẳng
hướng, đồng nhất, liên tục để mô hình hóa và giải bài toán dễ dàng.

•Năng lượng tạo hình biến dạng tấm
Điều kiện dẻo trong tọa độ bất kỳ:
2
2
2
(𝜎𝜎𝑥𝑥 − 𝜎𝜎𝑦𝑦 ) 2 + (𝜎𝜎𝑦𝑦 − 𝜎𝜎𝑧𝑧 ) 2 + (𝜎𝜎𝑧𝑧 − 𝜎𝜎𝑥𝑥 ) 2 +6(𝜏𝜏𝑥𝑥𝑥𝑥
+𝜏𝜏𝑦𝑦𝑦𝑦
+𝜏𝜏𝑧𝑧𝑧𝑧
) = 2𝜎𝜎𝑆𝑆2
P

P

P

Trong quá trình tạo hình tấm đồng, thực hiện biến dạng dẻo với thế năng biến dạng tổng
A t bằng tổng thế năng thay đổi thể tích A tt và thế năng thay đổi hình dạng A hd .
A t = A tt + A bd
630


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Vậy thế năng thay đổi hình dạng:
A bd = A t – A tt
1

A bd =2𝐸𝐸[(𝜎𝜎12 + 𝜎𝜎22 + 𝜎𝜎32 ) − 2𝜗𝜗(𝜎𝜎1 𝜎𝜎2 + 𝜎𝜎2 𝜎𝜎3 + 𝜎𝜎3 𝜎𝜎1 )] −
-2 𝜗𝜗(𝜎𝜎 1 + 𝜎𝜎 2 + 𝜎𝜎 3 )2]
R

=
=

1+𝜗𝜗
6𝐸𝐸

1+𝜗𝜗
6𝐸𝐸

R

R

1

6𝐸𝐸

[(𝜎𝜎1 + 𝜎𝜎2 + 𝜎𝜎3 ) 2
P

(2𝜎𝜎12 + 2𝜎𝜎22 + 2𝜎𝜎32 − 2𝜎𝜎1 𝜎𝜎2 − 2𝜎𝜎2 𝜎𝜎3 − 2𝜎𝜎3 𝜎𝜎1 )
[(𝜎𝜎1 − 𝜎𝜎2 ) 2 + (𝜎𝜎2 − 𝜎𝜎3 ) 2 + (𝜎𝜎3 − 𝜎𝜎1 ) 2]
P

P

P

Thay vào điều kiện dẻo ta được:
A bd =

1+𝜗𝜗

. 2𝜎𝜎𝑆𝑆2 =
6𝐸𝐸

1+𝜗𝜗
3𝐸𝐸

. 𝜎𝜎𝑆𝑆2 = const

Với 𝜗𝜗là hệ số Poisson.[1]

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính dẻo và trở lực biến dạng
Quan hệ giữa giá trị giới hạn chảy và nhiệt độ được biểu diễn:
P t1 = P t2.𝑒𝑒 ∝(𝑡𝑡1−𝑡𝑡2)

Với: P t1 - giá trị giới hạn chảy ở nhiệt độ t1
P t2 - giá trị giới hạn chảy ở nhiệt độ t2

∝ - hệ số nhiệt độ, trong khoảng nhiệt chưa có biến đổi hóa lý.

Đường đặc tính và biểu đồ quan hệ giữa tính dẻo và nhiệt độ của đồng đỏ:[4]

• Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Đối với vật liệu đồng đỏ, tốc độ biến dạng tạo hình tăng, trở lực biến dạng tăng và tính
dẻo giảm.

Hình 1. Hình ảnh ảnh hưởng của tốc độ biến dạng

Thiết bị:
- Sử dụng máy ép thủy lực 1000 tấn
- Kích thước bàn máy 2500x2000mm
- Hành trình đầu trượt 1600m.

631


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bản thiết kế đài tưởng niệm Truông Bồn gồm 3 cụm hương khói như sau:

Hình 2. Hình ảnh thiết kế Đài tưởng niệm Truông Bồn
2.3.Điều kiện tải trọng tĩnh
Trong điều kiện bình thường, kết cấu chịu lực dưới tác dụng tự trọng bản thân và hệ vỏ
đồng.[4]
Cụm khói hương số 1:
Khối lượng hệ vỏ đồng.
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm).
Tổng khối lượng cụm khói hương số 1.
Cụm khói hương số 2:
Khối lượng hệ vỏ đồng.
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm).
Tổng khối lượng cụm khói hương số 2.
Cụm khói hương số 3:
Khối lượng hệ vỏ đồng.
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm).
Tổng khối lượng cụm khói hương số 3.
2.4. Điều kiện gió bão
Công trình được kiểm nghiệm với cấp độ bão lớn nhất (theo quyết định số
245/2006/QĐ-TTg) của Thủ tướng chính phủ.

632


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Theo đó, bão cấp 17 (thang Beaufort) có vận tốc gió 220km/h(60m/s).
Lực cản của không khí tác động vào bề mặt cứng khi vận tốc gió nhỏ hơn vận tốc âm
thanh (v << 340 m/s).

ξ=

ρ .v 2
2

.sin α .S

Trong đó:

ρ : khối lượng riêng của không khí.

v : vận tốc khối khí.
S: diện tích bề mặt.

α : góc hợp bởi vecto vận tốc gió và bề mặt.

Như vậy, ta tính toán được các lực tác dụng theo các phương vào các cụm hương khói
số 1, số 2,và 3.

Hình 3. Lực tác dụng theo các phương cụm hương khói số 1

Hình 4. Đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương số 1

Tải tác dụng lên dầm chịu lực.

•Trường hợp gió bão thổi ngang. Tải tác dụng lên tổ hợp dầm cụm 1 gồm trọng lượng
vỏ đồng, trọng lượng kết cấu chịu lực và tải trọng gió bão.
633


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5. Phân bố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm số 1
Ứng suất lớn nhất tập trung tại tổ hợp dầm của cụm khói hương số 1 là 78,3MPa, nhỏ
hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400Mpa. Chuyển vị lớn nhất tại đầu dầm là
0,658mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu.
Trường hợp gió bão giật cụm khói hương theo hướng từ dưới lên. Tải tác dụng lên tổ
hợp dầm gồm có trọng lượng vỏ đồng, tự trọng kết cấu và tải trọng gây ra do gió giật. Ứng
suất tập trung lớn nhất tác dụng lên hệ dầm là 23,6 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật
liệu SS400 là 400 MPa.

Hình 6. Phân bố áp suất và đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương
trên cụm khói hương số 2
Tải tác dụng lên dầm chịu lực.

Hình 7. Phân bố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm khói hương số 2
634


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Ứng suất tập trung lớn nhất tác dụng lên hệ dầm là 9,78 MPa. Nhỏ hơn ứng suất cho
phép của vật liệu SS400 là 400 Mpa.
Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,03mm. Nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu.

Trường hợp gió giật theo phương thẳng đứng từ dưới lên: Ứng suất tập trung lớn nhất
trên hệ dầm là 29,5 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400 MPa. Chuyển
vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,222mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu.

Hình 8. Phân bố áp suất và đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương
trên cụm khói hương số 2
Tải tác dụng lên dầm chịu lực.

Hình 9. Phân bố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm khói hương số 3
Ứng suất tập trung lớn nhất trên hệ dầm là 38,2 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của
vật liệu SS400 là 400 MPa. Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,725mm, nằm trong giới hạn
cho phép của kết cấu.
Trường hợp gió thổi theo phương thẳng đứng từ dưới lên: Ứng suất tập trung lớn nhất
trên hệ dầm là 43,2 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400 MPa.
Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,642mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu.
 Trong điều kiện gió bão cấp 17, hệ kết cấu dầm chịu lực đủ bền. [5]
2.6. Tính toán phân bố trường nhiệt độ trên bề mặt vỏ đồng, dưới điều kiện nắng nóng ở
miền Trung
Trường hợp giả định, thời tiết nắng nóng liên tục, nhiệt độ ngoài trời 400,hiệu ứng tích
tụ nhiệt khiến nhiệt độ vỏ đồng lên tới 1000C. Bất ngờ xảy ra mưa lớn, nhiệt độ một phần vỏ
đồng sụt giảm nhanh chóng xuống 300
635


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Mô phỏng tính toán truyền nhiệt trên phần mềm Catia:[2]

Hình 10. Phân bố truyền nhiệt trên các cụm hương khói
Các kết quả trong quá trình mô phỏng cho thấy giãn nở nhiệt của vỏ đồng nằm trong
giới hạn cho phép.

KẾT LUẬN
Thành công trong việc ứng dụng công nghệ dập tạo hình chi tiết vỏ mỏng vào thiết kế
và xây dựng Đài tưởng niệm các liệt sỹ thanh niên xung phong Truông Bồn tại Nghệ An đã
góp phần khẳng định tính ưu việt của công nghệ, đồng thời mở ra một hướng mới cho ngành
xây dựng mỹ thuật trong việc chế tác các tượng cỡ lớn bằng công nghệ ép dập từ đồng tấm.
Việc chế tác thành công tượng đài này đã khẳng định Việt Nam hoàn toàn làm chủ về kỹ thuật
và công nghệ này. Kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để tính toán, thiết kế các công trình
tượng đài khác sử dụng công nghệ dập tạo hình tấm vỏ mỏng tương tự.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mậu Đằng (2006), Công nghệ dập tạo hình kim loại tấm, NXB ĐHBK Hà Nội,
Hà Nội.
[2] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mô
phỏng số quá trình biến dạng, NXB ĐHBK Hà Nội.
[3] Nghiêm Hùng, Vật liệu học cơ sở, NXB Khoa học - Kĩ thuật, Hà Nội.
[4] M. Li Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA S. J. ZinkleOak Ridge National
Laboratory, Oak Ridge, TN, USA (2012)Physical and Mechanical Properties of Copper
and Copper Alloys, Published by Elsevier Ltd.
[5] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng(2007), Sức bền vật liệu tập 2, NXB Giáo dục.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

PGS.TS. Phạm Văn Nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Email: , 0903408978

2.

KS. Hoàng Mạnh Trung, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Email: , 0904673354

3.

KS. Hoàng Văn Thủy, Trường Trung cấp Nghề số 14 – Bộ Quốc phòng.
Email: , 0976110086

636