Ứng xử động lực học kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của hệ nhiều bậc tự do di động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.98 MB, 110 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHAN NHẶT TÂN
ỨNG XỬ ĐÔNG Lưc HOC KẾT CẤU TẤM NỔI
•••
DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA HÊ NHIỀU BẢC Tư DO DI ĐÔNG
••••
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08
LUẬN VĂN THẠC sĩ
Tp. HCM, 6-2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHAN NHẶT TÂN
ỨNG XỬ ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI
DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ NHIỀU BẬC TỰ DO DI ĐỘNG
••••
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 02 08
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Tp. HCM, 6-2019
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học:
Cán bộ hướng dẫn:
PGS. TS. Lương Văn Hải
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Chu Quốc Thắng
Cán bộ chấm nhận xét 2:
TS. Nguyễn Phú Cường
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày 03 tháng 07 năm 2019.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Hiếu -Chủ tịch Hội đồng
2.
TS. Cao Văn Vui
-Thư ký
3. PGS. TS. Chu Quốc Thắng
-ủy viên
4.
TS. Nguyễn Phú Cường -ủy viên
5.
TS. Nguyễn Hồng Ân
CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG
(Phản biện1)
(Phản biện2)
-ủy viên
TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN NHẬT TÂN
MSHV: 1670936
Ngày, tháng, năm sinh: 23/09/1994
Noi sinh: Trà Vinh
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60580208
I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng xử động lực học kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của hệ
nhiều bậc tự do di động
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận cản cho hệ nhiều bậc
tự do và các phần tử kết cấu tấm nổi sử dụng phưcmg pháp MEM - BEM.
2. Phát triển thuật toán, lập trình tính toán bằng chưcmg trình Matlab để giải hệ
phưcmg trĩnh động tổng thể của bài toán.
3. Kiểm tra độ tin cậy của chưcmg trình tính bằng cách so sánh kết quả của chưcmg
trình với kết quả các bài báo tham khảo.
4. Tiến hành thực hiện phân tích số nhằm khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố quan
trọng đến ứng xử động kết cấu tấm và hệ xe, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM vụ
: 06/06/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM vụ : 06/06/2019
V.
HỌ VÀ TÊN CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Lương Văn Hải
Tp. HCM, ngày... tháng... năm 2019
CÁN Bộ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
PGS. TS. Lương Văn Hải
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DựNG
(Họ tên và chữ ký)
1
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống
bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết
cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng. Đó là trách nhiệm
và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Đe hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận
đuợc sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới
tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó.
Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Luơng Văn Hải. Thầy
đã đua ra gợi ý đầu tiên để hĩnh thành nên ý tuởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về
cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu
quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, truờng Đại học
Bách Khoa Tp. HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những
kiến thức không thể thiếu trên con đuờng nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau
này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều
trong quá trĩnh thực hiện Luận văn này.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất tôi xin gửi đến ba mẹ cùng gia đĩnh đã tạo cho tôi niềm tin,
điếm tựa, sức mạnh và ý chí giúp con vuợt qua nhiều khó khăn, thử thách.
Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thòi gian quy định với sụ nỗ lục của bản thân,
tuy nhiên không thế không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm
đế tôi bố sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn.
Xin trân trọng cảm ơn.
Tp. HCM, ngày 06 tháng 06 năm 2019
Phan Nhật Tân
11
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
••
Vói sự phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu vận chuyển hàng hóa, cũng như con người
ngày càng tăng nhưng diện tích đất trên đất liền có giới hạn, do đó hệ thống đường băng
và đường cao tốc trên tấm nổi được sự quan tâm và nghiên cứu của nhiều nhà khoa học
trên thế giới. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở việc mô phỏng xe di
động trên tấm nổi ở dạng tải trọng di động mà chưa phân tích đến việc mô phỏng xe
thành hệ nhiều bậc tự do di động trên tấm nổi để phân tích cụ thể hơn ứng xử của tấm
nổi và hệ nhiều bậc tự do (thân xe, giá chuyển hướng và bánh xe). Luận văn này tập trung
phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của hệ nhiều bậc tự
do di động sử dụng phương pháp kết họp giữa phần tử chuyển động MEM (Moving
Element Method) và phần tử biên BEM (Boundary Element Method). Các nghiên cứu
trước đây thường chỉ mô hình kết cấu tấm trên nền đàn nhớt chịu tải di động sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống FEM (Finite Element Method). Do đó, ý
tưởng mói của Luận văn nhằm phát triển phương pháp MEM, trong đó các phần tử tấm
sẽ được xem như di chuyển và tải trọng có thể được xem là đứng yên so với tấm. Điều
này hoàn toàn ngược lại với phương pháp phần tử hữu hạn FEM truyền thống và thể hiện
chính xác hơn ứng xử kết cấu tấm bằng phương pháp phần tử chuyển động MEM. Cách
thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho hệ nhiều bậc tự do
và kết cấu tấm nổi sẽ được trình bày trong Luận văn. Ngoài ra, ảnh hưởng của sự tương
tác giữa kết cấu tấm nối và nước cũng được khảo sát và trĩnh bày vĩ đây là một trong
những yếu tố quan trọng đến sự vận hành an toàn của mặt đường thông qua phương pháp
phần tử biên BEM. Các kết quả phân tích số được triển khai nhằm tìm hiểu ảnh hưởng
của những yếu tố quan trọng đến ứng xử của kết cấu tấm nổi, hệ nhiều bậc tự do như vận
tốc, khối lượng, độ cứng và hệ số cản của thân xe, giá chuyển hướng, bánh xe, chiều dày
tấm... Các kết quả nghiên cứu trong Luận văn hy vọng có thể là một trong những tài liệu
tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho công việc thiết kế, thi công và bảo
dưỡng hệ thống tấm nối và hệ thống xe.
Ill
ABSTRACT
With limited land area on the mainland, the system of the very large floating structure
has attracted the attention of many researchers in the world. However, in previous
studies, the models for moving load has been often a concentrated force without
interaction between floating structures and moving loads. In this thesis, the thesis aims
to focus on analyzing the hydroelastic behaviors of floating structures under moving
frames using the hybrid method combined of the moving elements method (MEM) and
the boundary element method (BEM). Namely, the MEM method is developed to
overcome the limitations of the finite element method in solving the moving load
problems. Moreover, the BEM is employed to simulated the fluid domain surrounding
the floating plate structure which defined by the Laplace equation and boundary
conditions. Moreover, the influence of the important factors on hydroelastic behavior of
floating plate structure, multi-degrees of freedom system are studied according to
numerical investigations.
IV
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
Thầy PGS. TS. Lương Văn Hải.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu
khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.
Tp. HCM, ngày 01 tháng 06 năm 2019
Phan Nhật Tân
V
MỤC LỤC
••
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ ............................................................................1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC sĩ ................................................................................ ii
ABSTRACT .................................................................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ iv
MỤC LỤC..................................................................................................................... V
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU ..............................................................................xiii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..................................................................................XV
CHUƠNG1. TÔNG QUAN .......................................................................................... 1
1.1 Giói thiệu ......................................................................................................... 1
1.2 Tình hình nghiên cứu .....................................................................................4
1.2.1 ...................................................................................................
Các công trình nghiên cứu ngoài nước ..........................................................4
1.2.2 ...................................................................................................
Các công trình nghiên cứu trong nước ...........................................................8
1.3 Mục tiêu và hướng nghiên cứu .......................................................................9
1.4 Cấu trúc Luận văn ......................................................................................... 10
CHUƠNG 2. Cơ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................ 11
2.1 Mô hình kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của hệ 3 bậc tự do di động .......... 11
2.2 Mô hình liên kết giữa bánh xe và kết cấu tấm nổi ........................................ 14
2.3 Lý thuyết tấm Kirchhoff ................................................................................ 15
2.3.1 Giới thiệu tổng quát ........................................................................... 15
2.3.2 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa biến dạng - chuyển vị ........ 16
2.3.3 Biến dạng của tấm và mối quan hệ giữa ứng suất - biến dạng .......... 17
2.3.4 Phương trình năng lượng của tấm nối .................................................19
2.4 Phần tử tấm tứ giác ........................................................................................ 19
2.5 Phép tích phân số - Phép cầu phương Gauss ..................................................26
2.6 Hệ phương trình chuyển động của sóng ........................................................ 26
VI
2.6.1 Phương trình Laplace .........................................................................27
2.6.2 Phương trình điều kiện động lực học trên mặt nước .......................... 27
2.6.3 Phương trình điều kiện động lực học trên mực nước ......................... 28
2.7
Lý thuyết sóng tuyến tính .............................................................................28
2.7.1 Phương trình điều kiện động lực học trên mực nước .........................28
2.7.2 Hàm thế vận tốc .................................................................................29
2.7.3 Phương trình dao động sóng ..............................................................31
2.7.4 Các đặc trưng cơ bản của sóng ...........................................................31
2.7.5 Vận tốc và phương trĩnh quỹ đạo phần tử nước .................................33
2.8
Thiết lập công thức ma trận kết cấu tấm nổi dưói ảnh hưởng của hệ 3 bậc
tự do di động.................................................................................................. 33
2.9
Giải pháp thực hiện ....................................................................................... 37
2.10 Phương pháp Newmark ............................................................................... 39
2.11 Thuật toán sử dụng trongLuận văn .............................................................. 41
2.11.1 Thông số đầu vào.............................................................................. 41
2.11.2 Giải bài toán theo dạng chuyển vị .................................................... 42
2.11.3 Giải bài toán theo dạng gia tốc ......................................................... 43
2.11.4 Độ ổn định và hội tụ của phương pháp Newmark ...........................43
2.12 Lưu đồ tính toán ........................................................................................... 44
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ.................................................................45
3.1
Kiếm chứng chương trĩnh Matlab ................................................................. 47
3.1.1 Bài toán 1: Kiếm chứng chương trĩnh Matlab sử dụng trong Luận
văn với nghiên cứu của Yeung and Kim (2000) ................................47
3.2
Phân tích ứng xử động lực học kết cấu tấm nối dưới ảnh hưởng hệ 3 bậc
tự do di động.................................................................................................. 50
3.2.1 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi hệ số cản thân xe cx thay đổi ...........................50
3.2.2 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi hệ số cản giá chuyển hướng c2 thay đổi ..........54
Vll
3.2.3 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi hệ số cản bánh xe c3 thay đổi ..........................58
3.2.4 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng thân xe kỵ thay đổi .............................62
3.2.5 Bài toán 6: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng giá chuyển hướng k2 thay đổi ............66
3.2.6 Bài toán 7: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi độ cứng bánh xe k3 thay đổi ............................70
3.2.7 Bài toán 8: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng thân xe n\ thay đổi .........................74
3.2.8 Bài toán 9: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng giá chuyển hướng m2 thay đổi ......78
3.2.9 Bài toán 10: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi khối lượng bánh xe m3 thay đổi .......................82
3.2.10 Bài toán 11: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi vận tốc xe V thay đổi .......................................86
3.2.11 Bài toán 12: Khảo sát hình dạng tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3 bậc
tự do di động khi vận tốc xe V thay đổi ..............................................90
3.2.12 Bài toán 13: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi module đàn hồi E thay đổi ...............................95
3.2.13 Bài toán 14: Khảo sát ứng xử động tấm nổi dưới ảnh hưởng hệ 3
bậc tự do di động khi chiều dày tấm h thay đối .................................99
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................ 104
4.1 Kết luận ....................................................................................................... 104
4.2 Kiến nghị ..................................................................................................... 105
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 106
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 111
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG....................................................................................... 113
Vlll
DANH MUC CÁC HÌNH VẼ
•
Hình 1.1. ứng dụng trong sân bay nổi Kansai ở Osaka, Nhật Bản ............................. 1
Hình 1.2. ứng dụng trong Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản ............................... 2
Hình 1.3.
Mô hình hệ nhiều bậc tự do di động và phần tử tấm cố định (FEM) ........ 3
Hình 1.4.
Mô hình hệ nhiều bậc tự do cố định và phần tử tấm di động (MEM) ...... 3
Hình 1.5.
Phản ứng toàn phần của tàu thông thường dưới tác dụng ......................... 5
Hình 1.6.
Phản ứng toàn phần của tấm dưói tác dụng .............................................. 5
Hình 1.7. Sơ đồ phản ứng toàn phần của kết cấu tấm nổi ........................................... 6
Hình 2.1.
Mô hình kết cấu tấm nổi dưói ảnh hưởng hệ 3 bậc tự do di động .......... 11
Hình 2.2.
Xét cân bằng ở thân xe của hệ 3 bậc tự do di dộng ................................ 12
Hình 2.3. Xét cân bằng ở giá chuyển hướng của hệ 3 bậc tự do di dộng ................... 12
Hình 2.4.
Xét cân bằng ở bánh xe của hệ 3 bậc tự do di dộng................................ 13
Hình 2.5.
Xét cân bằng ở vị trí tiếp xúc của hệ 3 bậc tự do di dộng, tấm nổi......... 13
Hình 2.6.
Mô hình liên kết bánh xe và kết cấu tấm nổi .......................................... 14
Hình 2.7.
Mô hình động học của kết cấu tấm nổi theo lý thuyếtKirchhoff ............ 16
Hình 2.8. Quy ước chiều dương của chuyển vị w và hai chuyển vị xoay px, /3y
của kết cấu tấm nổi theo lý thuyết Kirchhoff ......................................... 17
Hình 2.9. Phần tử tứ giác bốn nút g4 trong hệ tọa độ địa phương ........................... 19
Hình 2.10. Phần tử tứ giác bốn nút Q4 trong hệ tọa độ tự nhiên............................... 23
Hình 2.11. Mô hình sóng .......................................................................................... 27
Hình 2.12. Mô hình MEM ........................................................................................ 34
Hình 2.13. Mô hình cấu trúc chất lỏng và hệ tọa độ ................................................. 34
Hình 2.14. Lưu đồ tính toán ........................................................................................ 44
Hình 3.1.
Mô hình tấm nối dưới ảnh hưởng của hệ 3 bậc tự do di động .............. 48
Hình 3.2.
Hệ số động lực học.................................................................................. 49
Hình 3.3.
Hệ số động lực học khi thay đổi hệ số cản thân xe ................................. 50
Hình 3.4.
Chuyến vị tấm theo phương X khi thay đối hệ số cản thân xe ................. 51
Hình 3.5.
Chuyến vị tấm theo phương y khi thay đối hệ số cản thân xe ................. 51
IX
Hình 3.6.
Chuyển vị thân xe khi thay đổi hệ số cản thân xe .................................. 52
Hình 3.7.
Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản thân xe ................. 52
Hình 3.8.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi hệ số cản thân xe ................................. 52
Hình 3.9.
Hệ số động lực học khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng ............... 54
Hình 3.10. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi hệ số cản giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 55
Hình 3.11. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi hệ số cản giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 55
Hình 3.12. Chuyển vị thân xe khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng .................... 56
Hình 3.13. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng
................................................................................................................ 56
Hình 3.14. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi hệ số cản giá chuyển hướng ................ 56
Hình 3.15. Hệ số động lực học khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............................. 58
Hình 3.16. Chuyển vị tấm theo phương
X
khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............. 59
Hình 3.17. Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi hệ số cản bánh xe ............. 59
Hình 3.18. Chuyển vị thân xe khi thay đổi hệ số cản bánh xe ................................. 60
Hình 3.19. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi hệ số cản bánh xe ................ 60
Hình 3.20. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi hệ số cản bánh xe ................................ 60
Hình 3.21. Hệ số động lực học khi thay đổi độ cứng thân xe ................................. 62
Hình 3.22. Chuyển vị tấm theo phương
X khi
thay đổi độ cứng thân xe ................ 63
Hình 3.23. Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi độ cứng thân xe ................ 63
Hình 3.24. Chuyển vị thân xe khi thay đổi độ cứng thân xe .................................... 64
Hình 3.25. Chuyến vị giá chuyến hướng khi thay đối độ cứng thân xe ................... 64
Hình 3.26. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi độ cứng thân xe ................................... 64
Hình 3.27. Hệ số động lực học khi thay đổi độ cứng giá chuyển hướng ............... 66
Hình 3.28. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi độ cứng giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 67
Hình 3.29. Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi độ cứng giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 67
X
Hình 3.30. Chuyển vị thân xe khi thay đổi độ cứng giá chuyển hướng ..................... 68
Hình 3.31. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi độ cứng giá chuyển hướng
............................................................................................................... 68
Hình 3.32.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi độ cứng giá chuyển hướng.................. 68
Hình 3.33.
Hệ số động lực học khi thay đổi độ cứng bánh xe ................................. 70
Hình 3.34.
Chuyển vị tấm theo phương
Hình 3.35.
Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi độ cứng bánh xe ............. 71
Hình 3.36.
Chuyển vị thân xe khi thay đổi độ cứng bánh xe................................... 72
Hình 3.37.
Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi độ cứng bánh xe.................. 72
Hình 3.38.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi độ cứng bánh xe .................................. 72
Hình 3.39.
Hệ số động lực học khi thay đổi khối lượng thân xe ............................. 74
Hình 3.40.
Chuyển vị tấm theo phương
Hình 3.41.
Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi khối lượng thân xe ......... 75
Hình 3.42.
Chuyển vị thân xe khi thay đổi khối lượng thân xe ............................... 76
Hình 3.43.
Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi khối lượng thân xe .............. 76
Hình 3.44.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi khối lượng thân xe .............................. 76
Hình 3.45.
Hệ số động lực học khi thay đổi khối lượng giá chuyển hướng ............ 78
X
X
khi thay đổi độ cứng bánh xe ............. 71
khi thay đổi khối lượng thân xe ......... 75
Hình 3.46. Chuyển vị tấm theo phương X khi thay đổi khối lượng giá chuyển
hướng ...................................................................................................... 79
Hình 3.47. Chuyến vị tấm theo phương y khi thay đối khối lượng giá chuyến
hướng ...................................................................................................... 79
Hình 3.48.
Chuyến vị thân xe khi thay đối khối lượng giá chuyến hướng .............. 80
Hình 3.49. Chuyến vị giá chuyến hướng khi thay đối khối lượng giá chuyến
hướng ...................................................................................................... 80
Hình 3.50.
Chuyến vị bánh xe khi thay đối khối lượng giá chuyến hướng ............. 80
Hình 3.51.
Hệ số động lực học khi thay đổi khối lượng bánh xe ............................ 82
Hình 3.52.
Chuyến vị tấm theo phương X khi thay đối khối lượng bánh xe ............ 83
Hình 3.53.
Hình 3.54.
Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi khối lượng bánh xe ............ 83
Chuyến vị thân xe khi thay đối khối lượng bánh xe .............................. 84
XI
Hình 3.55. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi khối lượng bánh xe ............... 84
Hình 3.56.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi khối lượng bánh xe ............................. 84
Hình 3.57.
Hệ số động lực học khi thay đổi vận tốc xe ........................................... 86
Hình 3.58.
Chuyển vị tấm theo phương
Hình 3.59.
Chuyển vị tấm theo phương y khi thay đổi vận tốc xe ......................... 87
Hình 3.60.
Chuyển vị thân xe khi thay đổi vận tốc xe ............................................. 88
Hình 3.61.
Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi vận tốc xe ............................ 88
X
khi thay đổi vận tốc xe ......................... 87
Hình 3.62. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi vận tốc xe .............................................. 88
Hình 3.63.
Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc
xe V - 0.2^,, ......................... 90
Hình 3.64.
Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc
xe V - 0.2^,, ......................... 90
Hình 3.65.
Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V - O.óC^n ......................... 91
Hình 3.66.
Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc xe V - O.óC^n ......................... 91
Hình 3.67.
Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V - l.oc^n ......................... 92
Hình 3.68.
Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc xe V - l.oc^n ......................... 92
Hình 3.69.
Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc xe V -1.4(7^ .............................. 93
Hình 3.70.
Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc xe V -1.4(7^ .............................. 93
Hình 3.71.
Hình dạng 3D của tấm nổi khi vận tốc
xe V - l.sc^n ......................... 94
Hình 3.72.
Hình dạng 2D của tấm nổi khi vận tốc
xe V - l.sc^n ......................... 94
Hình 3.73. Hệ số động lực học khi thay đổi module đàn hồi ..................................... 95
Hình 3.74.
Chuyến vị tấm theo phưcmg
X khi
thay đối module đàn hồi ................. 96
Hình 3.75.
Chuyến vị tấm theo phưcmg y khi thay đối module đàn hồi ................. 96
Hình 3.76.
Chuyển vị thân xe khi thay đổi module đàn hồi .................................... 97
Hình 3.77.
Chuyến vị giá chuyến hướng khi thay đối module đàn hồi ................... 97
Hình 3.78.
Chuyển vị bánh xe khi thay đổi module đàn hồi ................................... 97
Hình 3.79.
Hệ số động lực học khi thay đổi chiều dày tấm ..................................... 99
Hình 3.80.
Chuyến vị tấm theo phương X khi thay đối chiều dày
tấm ................ 100
Hình 3.81.
Chuyến vị tấm theo phương y khi thay đối chiều dày
tấm ................ 101
Xll
Hình 3.82. Chuyển vị thân xe khi thay đổi chiều dày tấm .....................................101
Hình 3.83. Chuyển vị giá chuyển hướng khi thay đổi chiều dày tấm ..................101
Hình 3.84. Chuyển vị bánh xe khi thay đổi chiều dày tấm ....................................102
Xlll
DANH MUC CÁC BẢNG BIỂU
•
Bảng 2.1. Hệ tọa độ quy chiếu đối vói hàm dạng Hermite ......................................22
Bảng 2.2. Tọa độ và trọng số trong phép phương cầu Gauss ...................................26
Bảng 2.3. Thông số tấm nổi .....................................................................................42
Bảng 2.4. Thông số xe ..............................................................................................42
B ảng 3.1. Thông số tấm nổi dùng để khảo sát .........................................................45
Bảng 3.2. Thông số xe dùng để khảo sát ..................................................................45
Bảng 3.3. Thông số xe và tấm nổi dùng để khảo sát ................................................46
Bảng 3.4. Thông số tấm nổi dùng để kiểm chứng ....................................................48
Bảng 3.5. Thông số xe dùng để kiểm chứng ............................................................48
Bảng 3.6. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng Cj lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị đầu tiên khi thay đổi hệ số cản thân xe ................ 53
Bảng 3.7. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng c2 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị c2 đầu tiên khi thay đổi hệ số cản giá chuyển
hướng ..................................................................................................... 57
Bảng 3.8. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng c3 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị c3 đầu tiên khi thay đổi hệ số cản bánh xe ........... 61
Bảng 3.9. Ket quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng kx lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị kY đầu tiên khi thay đổi độ cứng thân xe ............. 65
Bảng 3.10. Ket quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng k2 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị k2 đầu tiên khi thay đổi độ cứng giá chuyển
hướng ..................................................................................................... 69
Bảng 3.11. Ket quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng k3 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị k3 đầu tiên khi thay đổi độ cứng bánh xe ............. 73
XIV
Bảng 3.12. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng n\ lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị n\ đầu tiên khi thay đổi khối lượng thân xe
............................................................................................................... 77
Bảng 3.13. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng WÍ2 lúc sau
với chuyển vị ứng giá trị m2 đầu tiên khi thay đổi khối lượng giá
chuyển hướng ........................................................................................ 81
Bảng 3.14. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng m3 lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị m3 đầu tiên khi thay đổi khối lượng bánh xe ...... 85
Bảng 3.15. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng V lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị V đầu tiên khi thay đổi vận tốc xe ....................... 89
Bảng 3.16. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng E lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị E đầu tiên khi thay đổi module đàn hồi ............... 98
Bảng 3.17. Kết quả chuyển vị cực đại, độ lệch giữa chuyển vị ứng h lúc sau với
chuyển vị ứng giá trị h đầu tiên khi thay đổi chiều dày tấm
............................................................................................................... 10
2
XV
MÔT SỐ KÝ HIÊU VIẾT TẮT
•
m
Chữ viết tắt
BEM
Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method)
DOF
Bậc tự do (Degree of Freedom)
FEM
Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method)
FTM
Phương pháp biến đổi Fourier (Fourier Transform Method)
HH 0
Hilber, Hughes
HHT
Hilber, Hughes và Taylor
MEM Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method)
Q4
Phần tử tứ giác 4 nút (Quadrilateral four-node element)
VLFS
Kết cấu tấm nổi siêu lớn (Very Large Floating Structures)
Ma trận và Vector
K
Vector độ cong
c
c
Ma trận cản tổng thể
d
Vector chuyển vị nút của phần tử
K
Ma trận độ cứng tổng thể
K
Ma trận độ cứng phần tử
Kg
Ma trận độ cứng hiệu dụng
M
Ma trận khối lượng tổng thể
M
Ma trận khối lượng phần tử
Mg
Ma trận khối lượng hiệu dụng
pg
Ma trận tải trọng hiệu dụng
Ma trận cản phần tử
Vector chuyến vị tại một điếm bất kỳ của kết cấu tấm
u
XVI
Ký hiệu
a
Hệ số cản vật liệu
A
Góc xoay của tấm quay quanh trục y
A
Góc xoay của tấm quay quanh trục X
r
Hệ số cản ảo
V
Hệ số Poisson của vật liệu
Pp
Khối luợng riêng của vật liệu tấm
K
Đạo hàm riêng bậc một của hàm ệ theo biến X
ịxx
Đạo hàm riêng bậc hai của hàm ệ theo biến X
ịxy
Đạo hàm riêng bậc hai của hàm ệ theo biến X và y
B
Chiều dài tấm theo phuơng y
Cj , C2 5 Cg
Hệ số cản của thân xe, giá chuyển huớng và bánh xe
D
E
Độ cứng trụ của tấm
Module đàn hồi của vật liệu
H
h
Độ sâu vùng nuớc
Chiều dày tấm
kl,k2,k3
Độ cứng của thân xe, giá chuyển huớng và bánh xe
L
Chiều dài tấm theo phuơng X
Chiều dài miền khảo sát
L
o
Khối luợng của thân xe, giá chuyến huớng và bánh xe
u, V, w
Chuyển vị của tấm theo phuơng I, )’ và z
V
Vận tốc xe
Tồng quan
1
CHƯƠNG 1.
TỔNG QUAN
1.1
Giới thiêu
m
MÔ hình kết cấu tấm nải dưới ảnh hường của hệ nhiều bậc tự do di động được ứng dụng
khá nhiều trong thực tế, như máy bay chuyển động trên sân bay nổi (Hình 1.1), xe chạy
trên đường cao tốc nổi (Hình 1.2). Chính vì tính ứng dụng thực tiễn rộng rãi, nên vấn
đề này đã nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Tuy
nhiên, đề tài này vẫn còn là một lĩnh vực có sức hấp dẫn lớn đối với nhiều nhà nghiên
cứu. Trong một khoảng thời gian ngắn đã cỏ rất nhiều vấn đề liên quan đến bài toán
phân tích kết cấu tấm nổi, đặc biệt là ứng xử của tấm nổi khi chịu hệ nhiều bậc tự do dỉ
động. Thành phần động của hệ nhiều bậc tự do di động bao gầm: lực tác động, hệ số
cản, độ cứng và khối lượng của vật chuyển động (gồm thân xe, giá chuyển hướng và
bánh xe). Để phân tích động lực học bài toán tấm nổi, mô hình hệ nhiều bậc tự do và
tấm nổi đã được áp dụng.
Hình 1.1. ứng dụng trong sân bay nổi Kansaỉ ở Osaka, Nhật Bản
Tồng quan
2
Hình 1.2. ứng dụng trong Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản
Đối với việc thiết kế ô tô hay máy bay thì việc xác định ứng xử động của chúng khỉ
chuyển động trên tấm nải mang ý nghĩa quan trọng. Vật chuyển động được mô phòng
thành hệ nhiều bậc tự do (thân xe, giá chuyển hướng và bánh xe). Bài toán tấm nổi chịu
hệ nhiều bậc tự do di động được giả quyết trong điều kiện ứng xử của vật liệu tấm mỏng
(Tấm Kirchhoff).
Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn truyền
thống (Finite Element Method) với hệ nhiều bậc tự do di động trên tấm nồi nên gặp khó
khăn khỉ hệ nhiều bậc tự do di động tiến đến gần biền của miền hữu hạn phần tử và di
chuyển vượt ra ngoài biên, ngoài ra phương pháp này yêu cầu phải luôn cập nhật vị trí
của vector tải trọng. Do đó, để giải quyết bài toán tấm dài vô hạn sẽ tổn nhiều chi phí
tính toán và mất khá nhiều thời gian.
Trong Luận văn này, bài toán tấm nổi dài vô hạn sẽ được giải quyết nhanh hơn và
ít tốn kém hơn bằng phương pháp phần tử chuyển động MEM. Phương phảp này có
những thuận lợi sau: hệ nhiều bậc tự do dỉ động sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử
được đề xuất luôn chuyển động. Điểm thuận lợi thứ hai là hệ nhiều bậc tự do di động
sẽ không phải di chuyển từ phần tử này đến phần tử khảc, do đó tránh được việc cập
nhật vector tải trọng. Điểm thuận lợi thứ ba là phương pháp này cho phép phần tử hữu
hạn cố kích thước không bằng nhau và điều này cố thể hữu ích khi các hệ nhiều bậc tự
do di động tác dụng tại các điểm tùy ý. Nghiên cứu này cho tháy MEM là phương pháp
thích hợp để phân tích các bài toán động lực học cho kết cấu tấm nổi dài vô hạn.
Tổng quan
3
Hệ gổm uhiều bậc tự do đi động
Đáy biển
Hình 1.3. Mô hình hệ nhiều bậc tự do di động và phần tử tấm cố định (FEM)
Hệ gồm nhiều bậc tự do cô' định
Đáy biển
Hình 1.4. Mô hình hệ nhiêu bậc tự do cô định và phân tử tâm dỉ động (MEM)
Tổng quan
1.2
4
Tình hình nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp số được thiết lập để
tính toán và phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi dưói ảnh hưởng của hệ
nhiều bậc tự do di động.
1.2.1
Các công trình nghiên cứu ngoài nuởc
Một kết cấu tấm nổi siêu lớn (VLFS - Very Large Floating Structures) điển hình có kích
thước ngang lớn từ vài trăm mét đến vài kilômét mà độ dày của VLFS chỉ vài mét do
đó cần phải tính toán độ uốn của một VLFS khi thiết kế.
Mặt khác, nếu áp lực chất lỏng thay đổi thì chuyển động của kết cấu tấm nổi cũng bị
ảnh hưởng. Mối quan hệ tương hỗ này được gọi là sự tương tác của cấu trúc chất lỏng.
Nếu chuyển động của kết cấu tấm nổi bao gồm các biến dạng đàn hồi, tương tác kết cấu
và chất lỏng được gọi là hydroelastic.
Vói tỷ số giữa chiều dày và kích thước theo phương ngang nhỏ và kích thước lớn hơn
nhiều so với bước sóng của sóng biển, ứng xử của VLFS tác động đáng kể đến áp lực
chất lỏng xung quanh. Do đó, phân tích hydroelastic là cần thiết để đánh giá ứng xử của
một VLFS.
Khác với những con tàu và kết cấu tấm nổi ngoài khơi, kết cấu VLFS có ứng xử
hydroelastic là chủ yếu. Sự so sánh ứng xử này khi chịu hệ nhiều bậc tự do được minh
họa theo sơ đồ trong các hĩnh sau đây như là một biện pháp hợp lý để phân biệt VLFS
với các tàu thuyền thông thường dưới dạng ứng xử toàn phần, một chiều dài đặc trưng
là Ẳc =2ĩĩ[EI / kc )ĩ với kc = r X g là hằng số đàn hồi của lực hồi phục thủy tĩnh, r là dung
trọng riêng của nước, g là gia tốc trọng trường, Ảr tương ứng với chiều dài vùng tấm
nổi bị uốn cục bộ bởi hệ nhiều bậc tự do di động. Điều này cho thấy ảnh hưởng của hệ
nhiều bậc tự do di động tác dụng vào kết cấu tấm nổi và sự biến dạng được giới hạn
trong vùng có độ dài Ảc.
Theo đó nếu chiều dài của kết cấu nhỏ hơn chiều dài đặc trưng thì ứng xử của kết cấu
tấm nổi là chuyển động cứng tuyệt đối, nếu nó lớn hơn chiều dài đặc trưng như trong
VLFS thì phản ứng của kết cấu tấm nối là biến dạng đàn hồi.
Tồng quan
5
TTTTl
Tầu Thông thường
Hình 1.5. Phản ứng toàn phần của tàu thông thường dưới tác dụng
của hệ nhiều bậc tự do di động
Hình 1.6. Phản ứng toàn phần của tấm dưới tác dụng
của hệ nhiều bậc tự do di động
