tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN PHÚC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BÀN RUNG
PHỤC VỤ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103

S KC 0 0 4 2 4 4

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN VĂN PHÚC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BÀN RUNG
PHỤC VỤ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHÚC

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1983

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Quê quán: Quảng Ngãi

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 88/15/30, KP Vĩnh Thuận, P.Long Bình,
Q9,TP Hồ Chí Minh
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng: 0902298133

Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Cao đẳng:
Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2001 đến 01/2004
Nơi học (trường, thành phố): CĐ CỘNG ĐỒNG QUẢNG NGÃI
Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Lý thuyết cơ sở (Sức bền vật
liệu), lý thuyết chuyên môn (Nguyên lý cắt gọt kim loại).
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Đại học liên thông chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2006 đến
09/2008
Nơi học (trường, thành phố): ĐHSP KỸ THUẬT TPHCM

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

i


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển tự động, Kỹ
thuật lập trình PLC, CAD/CAM (proengineer)
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Nơi công tác

Thời gian
08/2008 đến nay

Công ty TNHH PUNGKOOK SAIGÒN II

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

ii

Công việc đảm
nhiệm
QLSX

Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 04 năm 2014
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Phúc

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

iii


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

CẢM TẠ
Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Xây Dựng và Cơ Học
Ứng Dụng và Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi
hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phan Đức Huynh, dù rất bận

rộn với công việc giảng dạy nhưng thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng
dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.Tôi xin chân
thành cảm ơn gia đình và người thân đã động viên, khuyến khích trong suốt quá
trình nghiên cứu.

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

iv


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

TÓM TẮT
Kỹ thuật xử lý và tính toán kết cấu công trình trong những năm gần đây có
nhiều tiến triển .Dao động của kết cấu chịu ảnh hưởng động đất phải được đo lường
và cải tiến để chống lại các tác hại của động đất.Tuy nhiên việc tính toán dao động
ảnh hưởng của kết cấu chỉ giới hạn ở dạng mô hình toán học,thường đơn giản hơn
so với kết cấu phức tạp thực tế.
Do đó mà bàn rung luôn là công cụ hữu dụng trong nghiên cứu và mô phỏng
động đất cho kết cấu công trình. Và mục đích chính của đề tài là tính toán,thiết kế
và mô phỏng mẫu bàn rung thủy lực hạng trung có 3 bậc tự do để tiến hành mô
phỏng động đất và kiểm tra mô hình cấu trúc phức tạp.
Dự án này được thực hiện với bộ điều khiển ba biến , 2 van servo và 2 bộ
truyền động ,hệ thống bàn rung và hệ thống cung cấp năng lượng.Xây dựng mô
hình toán học của hệ thống và tính toán các thông số ảnh hưởng đến toàn bộ hệ
thống như các thông số điều khiển, độ nhiễu và trạng thái ổn định của hệ thống, mô
phỏng trong miền thời gian để phân tích và dự đoán các đáp ứng của hệ thống.

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

v


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

ABSTRACT
Recent industrial progress and computation technology made it possible to
construct more complex structures.Vibration of these structures due to seimic
strength must be measured and proved to prevent them from damage when they are
subjected to earthquake.However ,the accuracy of estimating the effect of vibrating
structures is limited by the mathematical models,which are normally simplified
from the actual complex structures.
The main purpose of this study is to obtain the design specifications three
degree of free hydraulic shaking table with medium loading,which can function
primarily as an earthquake simulator and dynamic structural testing apparatus.The
project employs a three stage electrohydraulic servovalve actuator system complete
with hydraulic system as the power and drive unit.Mathematical model for closed
loop control experimentation was presented and used investigate the fluence of
various parameters on the overall system.
The investigation includes the study on effect of controller gain
setting,disturbances and system stability.Time domain analysis using computer
simulation was conducted to explain and predict the system of response.

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

vi

Luận VănTốt Nghiệp

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

vii


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

MỤC LỤC
TRANG

TRANG TỰA
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii
CẢM TẠ ................................................................................................................... iv
TÓM TẮT ..................................................................................................................v
ABSTRACT ............................................................................................................. vi
MỤC LỤC .............................................................................................................. viii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC HÌNH.................................................................................... xiii
Chƣơng 1:TỔNG QUAN ..........................................................................................1
1.1

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ...................................................................1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................5

Chƣơng 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................7
2.1.1

Giới thiệu: .....................................................................................................7

2.1.2

Độ lớn và cƣờng độ của động đất ...............................................................8

2.1.3

Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất .....................................................9

2.1.4

Phân tích miền thời gian sự vận động mặt đất của động đất. ...............10

2.2

Thiết kế các bƣớc của vòng lặp thủy lực .................................................11

Chƣơng 3:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THƢ̣C TẾ .................................................15
3.1

Giới thiệu ....................................................................................................15

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

viii


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

3.2

Xác định lực động tác dụng lên bộ dẫn động ..........................................16

3.3

Xác định kích thƣớc nhỏ nhất cho đƣờng kính pittong .........................17

3.4

Xác định lƣu lƣợng tại các tần số khác nhau:.........................................19

3.5

Lựa chọn ống mềm thủy lực linh hoạt (dẻo) ...........................................22

3.6

Lựa chọn dung dịch thủy lực ....................................................................23

3.7

Tính toán công suất lý thuyết của máy bơm ...........................................23

3.8

Lựa chọn máy bơm ....................................................................................25

3.9

Lựa chọn motor .........................................................................................26

3.10

Thiết kế bồn chứa nƣớc thủy lực .............................................................26

3.11

Lựa chọn bộ dẫn động cho đƣờng hút .....................................................27

3.12

Vị trí bộ lọc .................................................................................................27

3.13

Hệ thống làm lạnh......................................................................................28

3.14

Kết cấu bàn rung và bộ dẫn động ............................................................28

3.15

Các thông số kĩ thuật cuối của hệ thống thiết kế ....................................29

3.16

Tóm tắt........................................................................................................30

Chƣơng 4:HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3 BIẾN (TVC) .......................................32
4.1

Hàm truyền của bộ điều khiển 3 biến(TVC): .........................................32

4.1.1Bộ điều khiển 3 biến TVC ..............................................................................32
4.1.2Bộ phát tham chiếu GR: ..................................................................................33
4.1.3Bộ hồi tiếp: .......................................................................................................34
4.1.6Bộ lọc lực hồi tiếp thông thấp: .......................................................................36
4.2.1Hàm truyền mạch kín: ....................................................................................40
Chƣơng 5:TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC.............................................43
5.1

Phân tích tổng quan về van Servo thủy lực: ...........................................43

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

ix

Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

5.1.1 Phƣơng trình lƣu lƣợng tải: ..........................................................................47
5.2Van servo trên hệ thống và tiêu chuẩn về dạng sóng không xác định tối
thiểu: …………………………………………………………………………….52
5.3

Bộ truyền động một đầu: ...............................................................................55

5.4

Mô hình bộ tích trữ: ......................................................................................57

Chƣơng 6:MÔ HÌNH LẮP RÁP 2D CỦA BÀN RUNG ......................................58
6.1

Giới thiệu: ...................................................................................................58

6.2

Ma trận khối lƣợng của mặt phẳng bàn rung: .......................................61

6.3

Lực tác dụng của piston thủy lực: ............................................................62

6.4

Lực lò xo đứng: ..........................................................................................63

6.5

Lực lò xo theo phƣơng ngang: ..................................................................65

6.7

Lực ma sát Coulomb: ................................................................................68

6.8

Phản lực do mẫu thí nghiệm:....................................................................70

6.9

Thể hiện chi tiết phƣơng trình chuyển động: .........................................71

6.10

Phƣơng trình chuyển động tuyến tính của hệ thống khung trƣợt 2

tầng:

…………………………………………………………………………….72

Chƣơng 7 :HỆ THỐNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN RUNG ..........76
7.1

Hàm truyền tuyến tính của hệ thống mạch hở và mạch kín của bàn

rung:

…………………………………………………………………………….76

7.1.1Hàm truyền cho hệ thống mạch hở của bàn rung: ......................................76
7.1.2Hàm truyền mạch kín: ....................................................................................83
7.2Tƣơng tác giữa bộ điều khiển -bàn phẳng- kết cấu: .......................................83
7.2.1Bộ điều khiển ba giá trị: .................................................................................84
7.3Ảnh hƣởng của các hệ số khuếch đại của bộ TVC trên hàm truyền mạch
kín:

89

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

x


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

Chƣơng 8:MÔ PHỎNG BÀN RUNG ....................................................................95
8.1

Bộ điều khiển 3 biến TVC: .......................................................................95

8.2

Van Servo: ..................................................................................................96

8.3

Bồn chứa: ....................................................................................................96

8.4

Bộ truyền động: .........................................................................................97

8.5

Bàn rung: ....................................................................................................98

8.6

Hệ thống bàn rung tổng thể:.....................................................................98

8.7

Các thông số tính toán tiến hành mô phỏng ...........................................99

8.8

Kết quả: ....................................................................................................102

Chƣơng 9KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................105
9.1

Kết luận: ...................................................................................................105

9.2

Hƣớng phát triển: ...................................................................................105

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................106
PHỤ LỤC ...............................................................................................................107
PHỤ LỤC A ...........................................................................................................107
PHỤ LỤC B ...........................................................................................................109
PHỤ LỤC B ...........................................................................................................110
PHỤ LỤC C ...........................................................................................................111
PHỤ LỤC E ...........................................................................................................113
PHỤ LỤC F ...........................................................................................................114
PHỤ LỤC G ...........................................................................................................115
PHỤ LỤC K ...........................................................................................................119
PHỤ LỤC L ...........................................................................................................120
PHỤ LỤC M ..........................................................................................................121

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

xi


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Mố i quan hê ̣ Gia tố c – đô ̣ lớn. .............................................................................. 9
Bảng 3.1: Lưu lươ ̣ng cực đa ̣i ta ̣i các hành triǹ h thay đổ i và tầ n số 100 Hz. ....................... 21
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của bàn rung.......................................................................... 30
Bảng 7.1: Các thông số của bộ điều khiển ba biến TVC .................................................... 93
Bảng 7.2: Các thông số của bộ lọc ...................................................................................... 93
Bảng 7.3 : Thông số của bộ TVC tiến hành khảo sát sự thay đổi ....................................... 94
Bảng 8.1: Bảng các thông số khi tiến hành mô phỏng ...................................................... 101

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

xii


Luận VănTốt Nghiệp

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Sóng địa chấn, sóng P và S [5] ............................................................................. 7
Hình 2.2: Thành phần quan trọng sử dụng trong động đất [5] ............................................. 8
(a) Hình học (b) Truyền sóng .............................................................................................. 8

Hình 2.3: Đáp ứng phổ của trận động đất El Centro năm 1940 .......................................... 10
Hình 2.4: Mẫu sự chuyể n dich
̣ đô ̣ng đấ t trong miề n thời gian đươ ̣c phân tích ................... 11
Hình 3.1: Pha đẩ y ra và rút về của bô ̣ dẫn đô ̣ng. [8]........................................................... 13
Hình 3.2: Thể hiện sự vận hành của van xả an toàn[10]..................................................... 15
Hình 4.1: Mô hình bàn rung ................................................................................................ 16
Hình 4.3: Hê ̣ thố ng dao dô ̣ng của lò xo .............................................................................. 20
Hình 4.5: Lưu lươ ̣ng và tầ n số ta ̣i hành trình 10.16 cm ...................................................... 21
Hình 4.6: Xylanh 2 ti tác đô ̣ng kép đươ ̣c cho ̣n ................................................................... 22
Hình 4.8: Vị trí các bộ lọc trong hệ thống [9] ..................................................................... 28
Hình 5.1:Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển 3 biến [10] ...................................................... 41
Hình 5.2: Mô phỏng một xung [10] .................................................................................... 42
Hình 5.3: Biểu đồ Bode của bộ lọc Notch .......................................................................... 42
Hình5.4: Hàm truyền tổng quát của bộ điều khiển 3 biến .................................................. 43
Hình5.5: Hàm truyền của bộ hồi tiếp .................................................................................. 43
Hình :6.1Mô hình van servo ............................................................................................... 44
Hình 6.2: Quan hệ giữa lực và vận tốc của bộ truyền piston .............................................. 50
Hình6.3: Quan hệ giữa vị trí, vận tốc và góc pha ............................................................... 51
Hình 6.4:Mô hình lưu lượng chảy qua các lỗ trong quá trình đẩy ra và rút về ................... 53
Hình 6.7:Mô hình của bộ truyền piston 1 đầu .................................................................... 55
Hình 7.1:Sơ đồ khối của bàn rung và mẫu thử 2D ............................................................. 60
Hình 8.5:Biên độ và pha của mô hình van servo-bộ truyền động-bàn rung-mẫu thử......... 81
Hình 8.1:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung ........................................................ 81
Hình 8.3:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung-mô hình .......................................... 82
Hình 8.4:Mô hình đơn giản hóa .......................................................................................... 82
Hình 8.6:Sơ đồ điều khiển khoảng dịch chuyển của van servo -bộ truyền-bàn rung-mẫu
với hồi tiếp lực, vận tốc, gia tốc và rung động..................................................................... 82

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

xiii


Luận VănTốt Nghiệp

Hình 8.7:TVC

GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH

TVC Hình8.8:Sơ đồ khối của bộ điều khiển......................................... 89

Hình 8.10:(a1),(a2) ảnh hưởng của kp,(b1),(b2) ảnh hưởng của kBD .................................. 90
Hình 9.2:Sơ đồ rút gọn của bộ điều khiển .......................................................................... 95
Hình 9.3 Sơ đồ mô phỏng của Van servo ........................................................................... 96
Hình 9.7 Sơ đồ mô phỏng bộ truyền động .......................................................................... 97
Hình 9.9: Sơ đồ mô phỏng mặt bàn rung ............................................................................ 98
Hình 9.10 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống bàn rung ............................................................. 98
Hình 9.11 Gia tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz .... 102
Hình 9.12 Vận tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz.... 102
Hình 9.13 Vị trí của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz........ 102
Hình 9.14 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise
power [0.5] ......................................................................................................................... 103
Hình 9.15 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise
power [0.5] ......................................................................................................................... 103
Hình 9.16 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power
[0.5] .................................................................................................................................... 103
Hình 9.17 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro .............................................................. 104
Hình 9.18 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro ............................................................ 104
Hình 9.18 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu Elcentro ................................................................. 104

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC

xiv


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Chƣơng 1:

TỔNG QUAN
1.1

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Khám phá cácmối nguy hiểmcủa động đấtvàthiệt hại chocác tòa

nhàbằngcáchxây dựngcác tòa nhàmô hìnhvàcho chúng dao độngmặt trênbề mặt của
bàn rung. Trong nhiều năm qua nhờ bàn rung mà các công trình xây dựngdân
dụngvà kỹ thuật công trình được thiết kế đểcó thể chịu được tác động của tảitrọng
động vàđiềukiệnmôi trường thay đổi,nhờ vậy mà đảm bảo được tính kinh tế và an
toàn của công trình. Động đất làmột phần củamôi trường này,không những ảnh
hưởng đến cuộc sống vàtàisản con người mà còn có thể gây rahậu quả nghiêm
trọnggián tiếp.
Mô phỏngchính xácchuyển độngtrận động đấtlàmột thách thứcto lớn chocác
nhà nghiên cứu vàchuyên gia.Bàn rungngày càngđược sử dụng nhiều tạicác
trungtâm nghiên cứu động đấttrên toàn thế giới, vì nó làphương tiện duy nhấtthực
sựtái tạo được gần nhất tác độngcủa hiệu ứngđộng đấtlêntrên các cấu trúc. Một hệ
thốngtương đốiđơngiảnđã đượclắp ráp thể hiệnđầyđủcác chuyển độngđầuvàocủa hệ
thốngbàn rung. Từ đóso sánh đáp ứngtín hiệu đầu vàocủa bànrung, trong cả miền

thời gian vàmiền tần số, được sử dụng để đưa ra khả năng đo lường củamô phỏnglại
trận động đất. Báocáonày thảo luận vềcấu tạo, lắp ráp vàcác kết quả về đặc tính
riêng của đáp ứng của bàn rung.
Một dãy dao động ngẫu nhiên trong quá trình động đất sẽ được hình thành
nhờ vào sự kết hợp các chuyển động. Ngườitacó thể đưa ra các đáp ứng tương tự
trên cơ sởcủa cấu trúc đượcrung độngtrong một môi trườngphòng thí
nghiệmbằngcáchsửdụnggia tốc-thờigianđược ghi lạicủa các trậnđộng đất trong lịch
sử. Thêm vào đó, phòng thí nghiệm cũng tiến hành mô phỏng mối quan hệ giữa độ

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

1


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

dịch chuyểnvà thời gian trong lịch sử cũng sẽcótác dụng tương tự. Đây là cơ
sởchoviệc áp dụngcủa bàn rungđể mô phỏngtrận động đất.Thiết kếmột bàn rungtạo
radao độngtheo chiều ngang. Điềunàyđược sử dụng chophân tíchcủacác dao
độngtrong một cấu trúcthời giancủa trận động đất.Kiến trúc sư và kỹ sưchạymô
phỏngsử dụng mô hìnhvà bàn rungđể kiểm tratính toàn vẹn củacác tòa nhà và
xácđịnhcác gia cốcần thiết vàđể nghiên cứuđặc tính của cấu trúc động.Đây sẽ là
thiết bị mô phỏng công trình xây dựng đầu tiên dựa vào sự mô phỏng động đất.Bàn
rung là một thiết bị có thể thực hiện mô phỏng động đất hoặc đặt vào các tải động
khác để kiểm tra mô hình hoặc các kết cấu. Có nhiều loại bàn rung nhưng có thể
phân loại theo các phương thức vận hành dao động của nó như điều khiển bàn rung
bằng điện, bằng thủy lực, bằng tay. Bàn rung có mối liên hệ rất gần với động đất do
các thông số của nó được thiết kế tủy chỉnh gần giống với các thông số của động đất

như gia tốc, chuyển vị, tần số và hành trình.
Ngoài ra, bàn rung được điều khiển bằng thủy lực thì có nhiều ưu điểm hơn
các phương thức vận hành khác. Bảng 1.1 liệt kê 1 số ưu điểm của việc sử dụng
bàn rung thủy lực
Bàn rung điện

Bàn rung thủy lực
1.Có thể sử dụng cho nhiều kích cỡ tải
2.

Giới hạn tải trọng nhỏ và vừa

Các thông số như hành trình, vận

Hầu hết các lần, các thông số

tốc, tần số có thể được thay đổi 1 cách

được thiết lập không thể thay

dễ dàng phụ thuộc vào ứng dụng

đổi

Bảng 1.1: So sánh giữa bàn rung thủy lực và điện

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

2

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Một số công trình về bàn rung thủy lực đã chế tạo thành công trên thế giới:
1. Hệ thống bàn rung INOVA là một trong những bàn rung hàng đầu hiện
nay vì có thể mô phỏng được 6 bậc tự do.

Hình 1.1: Mô hình bàn rung INOVA 6 và 3 bậc tự do [1]

Hình 1.2: Mô hình bàn rung INOVA 1 bậc tự do [1]
2.Bàn rung ANCO mô hình 150-142 được dùng tại trường đại học Colombia,
được điều khiển theo phương ngang với gia tốc 3g,chịu tải 2 tấn, hành trình 5
inch,diện tích bàn là (5ftx5ft),tần số: 0-100Hz.

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

3


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Hình 1.3: Mô hình bàn rung ANCO [4]
3.Bàn rung NIED-Defense Nhật là bàn rung loại lớn với 3 bậc tự do, chịu tải
1200 tấn,kích thước (20mx15m),hành trình X,Y là 100cm,Z là 50cm

Hình 1.4: Mô hình bàn rung NIED-Defense[5]

Hiện tại đối với vấn đề ứng dụng bàn rung trong nghiên cứu động đất trong
nước vẫn còn mới lạ và chưa được ứng dụng, với mong muốn đóng góp vào việc
nghiên cứu phát triển các vấn đề về tính toán, thiết kế bàn rung cho nên học viên và

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

4


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

giáo viên hướng dẫn đã chọn đề tài:"Tính toán,thiết kế và mô phỏng bàn rung
phục vụ trong nghiên cứu động đất"
1.2

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính:
1. Thiết kế bàn rung rung điều khiển bằng thủy lực cỡ trung để dùng như
thiết bị mô phỏng động đất.
2. Thực hiên mô phỏng của bàn rung thủy lực sử dụng các kỹ thuật phân
tích hệ thống động trong miền thời gian để khảo sát các đặc trưng tuyến
tính giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra mong muốn.

1.3

Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài
1. Khảo sát bản chất và thuộc tính của động đất, sự liên hệ của nó đến các đại
lượng được thiết kế cho bàn rung thủy lực.

2. Thiết kế vòng thủy lực hoàn chỉnh của mô hình bàn rung đơn giản cỡ
trung dựa trên các thông số được chọn.
3. Rút ra các phương trình động lực học của hệ thống bàn rung thủy lực và
phát triển 1 mô hình toán học cho toàn bộ hệ thống.
4. Thực hiện mô phỏng trên máy tính sử dụng phần mềm MATLAB
Simulink theo phân tích miền thời gian, thiết kế hệ thống phản hồi và
kiểm tra tính ổn định của toàn bộ hệ thống.
5. Tất cả mô phỏng được thực hiện trong khoảng giới hạn các thông số được
chọn như khoảng tải trọng tối đa,khoảng tần số, trục bàn rung và khoảng
gia tốc tối đa.
Trong đề tài này, các hoạt động bị ràng buộc trong khoảng tần số 40Hz, gia

tốc cực đại 1.5g và tải trọng cực đại là 4000 kg. Chương trình mô phỏng sẽ được
lập trình bằng Simulink và tín hiệu đầu vào sẽ được gán vào sơ đồ khối. Các tín
hiệu đầu vào để kiểm tra là tín hiệu bước, tín hiệu sóng và tín hiệu ngẫu nhiên.
Điều quan trọng của đề tài này là thiết kế sơ bộ của bàn rung thủy lực cỡ
trung và để có nhiều thuận lợi để sau này phát triển thiết bị này. Các nghiên cứu

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

5


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

trong tương lai thuộc lĩnh vực này sẽ rất lý thú khi nó có thể phát triển nhiều thiết
kế liên quan đến bàn rung thủy lực.
Phƣơng pháp nghiên cứu

1.4
-

Dựa vào lý thuyết về động đất, hệ thống điều khiển, bộ truyền động thủy lực
và kết cấu bàn rung thông qua nghiên cứu các tài liệu trong nước và nước
ngoài.

1.5

Dùng Matlab để kiểm tra kết quả tính toán,mô phỏng kết quả.
Kế hoạch thực hiện

-

Bước 1: Nghiên cứu tài liệu về động đất,thủy lực,hệ thống điều khiển,matlab.

-

Bước 2:Tính toán sơ bộ hệ thống thủy lực, lựa chọn thiết bị thủy lực.

-

Bước 3:Tính toán sơ bộ kích thước bàn rung, xây dựng mô hình vật lý

-

Bước 4:Xây dựng mô hình toán học,giải bài toán động lực học

-

Bước 5:Xây dựng mô hình điều khiển của bàn rung

-

Bước 6:Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng Matlab

-

Bước 7:Nhận xét về hệ thống

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

6


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Chƣơng 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1

Tìm hiểu về động đất

2.1.1 Giới thiệu:
Động đất được hình thành 1 cách bình thường như là kết quả của chuỗi vận
động của bề mặt trái đất từ các lỗi của lớp vỏ trái đất. Nguồn của năng lượng động

đất là kết quảcủa sự giải phóng năng lượng biến dạng tích lũy từ lỗi vận hành đột
ngột, bao gồm sự dịch chuyển của đường biên của các khối đá lớn được gọi là sự
hình thành bề mặt trái đất thông qua các tầng đá qua hàng chục, hàng trăm kilomet
dưới lớp vỏ trái đất. Lỗi của lớp vỏ làm tăng sự truyền của 2 loại sóng gọi là sóng
áp (P), và sóng trượt hay sóng biến dạng (S) như hình 2.1, 2.2 thể hiện các giới hạn
hình học dùng trong việc mô tả động đất và đường mà sóng đi qua.
Sóng P có thể đi xuyên qua đá và nước nhưng sóng S thì không thể truyền
qua. Khi sóng P và S bị phản xạ tại bề mặt chung giữa các tảng đá, 1 vài năng lượng
sóng có thể bị chuyển thành các loại dạng sóng khác, càng làm cho các sóng địa
chấn thêm phức tạp.

Hình 2.1: Sóng địa chấn, sóng P và S [5]

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

7


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Hình 2.2:Thành phần quan trọng sử dụng trong động đất [5]
(a) Hình học (b) Truyền sóng
2.1.2 Độ lớn và cƣờng độ của động đất
Sự nhiễu loạn động đất được đo bằng độ richter, khoảng từ 0 đến 8,9. Sự tính
toán độ lớn được dựa trên địa chấn kế và nó là 1 phép đo của sự giải phóng biến
dạng tại nguồn của nó. Đối với kỹ sư và các nhà địa chấn, động đất dưới 5 độ
Richter thì được xem là không gây hại đến các kết cấu. Ảnh hưởng của động đất
giảm theo khoảng cách, vì vậy ảnh hưởng tại 1 địa điểm đặc biệt thì không được

định nghĩa bằng độ lớn. Trường hợp này được đo liên quan đến cường độ, gọi là
Modified Mercalli Scale (MMI). Thang đo này không chính xác bởi vì nó được dựa
trên các nhân tố chủ quan như thiệt hại nhà cửa, cảm giác bị sốc của người ngồi trên
xe. Thang đo bắt đầu từ 1 đến 12.
Mô ̣t cơn động đất có thể kéo dài 1 phút hoặc hơn, với sự tương tác của nhiều
loại sóng địa chấn, kết hợp với ảnh hưởng của sự phản xạ tại bề mặt chung giữa các
tảng đá sẽ sản sinh ra dạng sóng phức tạp hơn. Không chỉ thế, Buchholdts cho thấy,
độ lớn của động đất được tác động bởi các điều kiện về đất và địa hình [5].

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

8


Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH

Mối quan hệ xấp xỉ quan trọng nhất được sử dụng bởi các nhà địa chấn học
để dự đoán sự vận hành của các trận động đất là gia tốc - độ lớn - khoảng cách.
Trong dự án này, mối quan hệ như bảng 2.1 thường được dùng để đánh giá các tiêu
chuẩn thiết kế cho bàn rung.
Độ Richter

Gia tố c xấ p xỉ

1

3

-

2

3-4

0.001 - 0.003g

3

4

0.003 - 0.005g

4

5

0.005 - 0.01g

5

6

0.01 - 0.025g

6

6-7

0.025 - 0.05g

7

7

0.05 - 0.1g

8

7-8

0.1 - 0.25g

9

8

0.25 - 0.5g

STT

Bảng 2.1: Mố i quan hê ̣ Gia tố c – đô ̣ lớn.
2.1.3 Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất
Các vụ động đất được phân loại theo cường độ và gia tốc cực đại, mặc dù
những đại lượng này chỉ là thang đo xấp xỉ của khả năng gây thiệt hại. Động đất có
sự tập trung năng lượng chính trong tần số tương ứng với tần số riêng của cấu trúc
có thể gây ra nhiều thiệt hại hơn là các vụ động đất với gia tốc cực đại lớn hơn
nhưng có tần số thấp hơn tần số riêng của kết cấu.
Thông tin về sự dịch chuyển mặt đất có thể được biểu diễn lại qua 2 cách đó

là trong miền thời gian của vận tốc, chuyển vị và gia tốc với biểu đồ gia tốc, và
trong dạng của sự hồi tiếp lại hay phổ năng lượng trong miền tần số. Phổ phản hồi

HVTH: NGUYỄN VĂN PHÚC

9