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

Trờn cơ sở cỏc kết quả nghiờn cứu về vật liệu san hụ và nền san hụ làm số liệu đầu vào cho việc xõy dựng mụ hỡnh, phương phỏp tớnh, tỏc giả lựa chọn vấn đề “Nghiờn cứu tương tỏc giữa ống

1

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Đặc điểm nổi bật của cỏc loại cụng trỡnh biển đảo núi chung là điều kiện thi cụng khú khăn, chịu cỏc loại tải trọng và mụi trường khắc nghiệt, song cú ý nghĩa rất lớn về mặt an ninh quốc phũng và kinh tế biển Do đú, nghiờn cứu, lựa chọn trước cỏc giải phỏp tối ưu cho cỏc cụng này phục vụ cho thời bỡnh, thời chiến và cả phỏt triển kinh tế quốc dõn là vấn đề cấp bỏch hiện nay

Trờn cơ sở cỏc kết quả nghiờn cứu về vật liệu san hụ và nền san hụ làm số liệu đầu vào cho việc xõy dựng mụ hỡnh, phương phỏp tớnh, tỏc

giả lựa chọn vấn đề “Nghiờn cứu tương tỏc giữa ống dẫn và nền san

hụ” làm nội dung nghiờn cứu của luận ỏn.

Mục đích của luận án:

- Nghiờn cứu tổng quan về san hụ và bài toỏn tương tỏc giữa kết cấu cụng trỡnh dạng ống dẫn và nền, xõy dựng mụ hỡnh san hụ phục vụ cho việc giải bài toỏn tương tỏc giữa ống dẫn và nền san hụ

- Xõy dựng, đề xuất mụ hỡnh, phương phỏp giải bài toỏn tương tỏc giữa ống dẫn và nền san hụ dưới tỏc dụng của tải trọng: súng xung kớch

do nổ hoặc kết hợp đồng thời tải trọng súng xung kớch và một số dạng

ỏp lực trong của ống

- Khảo sỏt ảnh hưởng của một số yếu tố hỡnh học, tải trọng, vật lý đến

sự làm việc của ống dẫn trong nền san hụ

- Gúp phần lựa chọn cỏc giải phỏp hợp lý tăng khả năng làm việc của ống dẫn trong nền san hụ phục vụ an ninh quốc phũng và kinh tế biển

2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án:

- Tập hợp, phõn tớch những kết quả nghiờn cứu về tớnh chất cơ lý của vật liệu san hụ và nền san hụ ở một số đảo thuộc quần đảo Trường Sa

- Nghiờn cứu giải bài toỏn tương tỏc giữa ống dẫn và nền san hụ theo

mụ hỡnh bài toỏn phẳng bằng phương phỏp phần tử hữu hạn (PTHH)

- Khảo sỏt một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống dẫn trong nền san hụ

- Nghiờn cứu thực nghiệm trờn mụ hỡnh ống dẫn trong nền san hụ chịu

tải trọng do nổ trong nền và nổ trong khụng khớ gõy ra

3 Nội dung luận án:

Luận ỏn bao gồm 117 trang thuyết minh, trong đú cú 25 bảng, 63 đồ

thị, hỡnh vẽ, 83 tài liệu tham khảo, 21 trang phụ lục

Mở đầu: Trỡnh bày tớnh cấp thiết của đề tài, mục đớch, đối tượng,

phạm vi và phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn

Chương 3: Khảo sỏt một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của

ống dẫn trong nền san hụ

Chương 4: Nghiờn cứu phản ứng động của ống dẫn trong nền san hụ

bằng thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị: Trỡnh bày cỏc kết quả chớnh, những đúng gúp

mới của luận ỏn và cỏc kiến nghị xuất phỏt từ vấn đề nghiờn cứu

4 Phương pháp nghiên cứu:

Nghiờn cứu bằng lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Khi nghiờn cứu

lý thuyết để tớnh toỏn kết cấu, sử dụng phương phỏp PTHH Phương phỏp thực nghiệm được sử dụng để kiểm chứng cỏc kết quả nghiờn cứu bằng lý thuyết và xem xột phản ứng động của ống dẫn trong nền san hụ

dưới tỏc dụng của súng xung kớch (SXK) do nổ

5 Cấu trúc luận án:

Phần mở đầu, 4 chương, kết luận chung, tài liệu tham khảo và phụ lục

Nội dung chính của luận án

Chương 1: tổng quan tình hình nghiên cứu về san hô

và bài toán tương tác giữa ống dẫn và nền

Trỡnh bày cỏc kết quả nghiờn cứu trong nước và trờn thế giới về vật liệu san hụ, nền san hụ và cỏc mụ hỡnh, phương phỏp tớnh tương tỏc giữa kết cấu ống dẫn và nền núi chung Từ nội dung nghiờn cứu, trờn cơ sở cỏc vấn đề cần được tiếp tục nghiờn cứu và phỏt triển, tỏc giả luận ỏn tập

trung vào vấn đề: “Nghiờn cứu tương tỏc giữa ống dẫn và nền san

hụ” Theo đú, luận ỏn sẽ tập trung giải quyết cỏc nội dung chủ yếu sau:

1) Nghiờn cứu tổng quan về san hụ, nền san hụ và bài toỏn tương tỏc giữa kết cấu dạng ống dẫn và nền núi chung và đối với nền san hụ núi riờng nhằm làm rừ tớnh cấp thiết, phương phỏp nghiờn cứu của luận ỏn 2) Xõy dựng mụ hỡnh, phương phỏp giải bài toỏn tương tỏc giữa ống dẫn và nền san hụ theo mụ hỡnh bài toỏn phẳng chịu tỏc dụng đồng thời của ỏp lực trong ống và súng xung kớch do bom đạn nổ 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

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

 và ứng suất tiếp  theo các phương  và  trong hệ toạ độ cục bộ phần

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 giữa số gia chuyển vị với các số gia biến dạng:

Phần tử biến dạng phẳng được sử dụng ở đây là loại phần tử tam giác 3

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:

(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,

8 Thông số của ống dẫn: Đường kính D = 1m, chiều dày t = 0,01m,

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

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

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

Chương 3: KHảO SáT MộT Số YếU Tố ảNH HƯởng đến sự

làm việc của ống dẫn trong nền san hô

3.1 Đặt vấn đề

Trờn cơ sở tớnh toỏn vớ dụ số bài toỏn ống dẫn làm việc trong nền san

hụ, trong chương này trỡnh bày kết quả khảo sỏt một số yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của ống dẫn cho phộp lựa chọn cỏc thụng số hợp

lý nhằm nõng cao khả năng làm việc của ống dẫn trong nền san hụ

3.2 Vớ dụ số

3.2.1 Bài toỏn 1: Tương tỏc ống dẫn – nền san hụ chịu tỏc dụng của SXK, khi khụng cú ỏp lực trong ống

Thụng số ống dẫn: d = 1,8m, D = 2m, ống nằm trong nền san hụ ở độ

trọng SXK phõn bố đều lờn bề mặt nền (hỡnh 3.1),  = 0,05s

Thụng số nền: Gồm 4 lớp, đặc trưng cơ lý của vật liệu như bảng 3.1

Điều kiện biờn: Liờn kết gối cố định tại đỏy và gối di động theo phương đứng tại biờn hai bờn

Hỡnh 3.1 Mụ hỡnh bài toỏn Hỡnh 3.2 Hàm tải trọng

-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2

Hình 3.4 Quan hệ chuyển vị Uy- 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

Hình 3.5 Quan hệ chuyển vị Ux- 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

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

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

Hình 3.8 Quan hệ chuyển vị Uy – 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

Hình 3.9 Quan hệ chuyển vị Ux – 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

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/cm2, 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

Hình 3.12 Quan hệ Uy – t (tại điểm A, B)

13

-0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02

Hình 3.13 Quan hệ Ux - 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

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5

Hình 3.16 Quan hệ Umaxy - 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]

500 1000 1500 2000 2500 3000

Hình 3.18 Quan hệ maxx - p tại điểm A và B

0 250 500 750 1000 1250 1500 0

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

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%)

0.5 1 1.5 2 2.5 3

Modun dan hoi Eb[N/cm2]

Diem A Diem B

Hình 3.20 Quan hệ Umaxy - E b tại điểm A và B

x 1060.005

0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

Modun dan hoi Eb[N/cm2]

16

x 106900

950 1000 1050 1100 1150 1200

Modun dan hoi Eb[N/cm2]

Hình 3.22 Quan hệ maxx - E b tại điểm A và B

x 1068700

8750 8800 8850 8900 8950 9000 9050 9100

Modun dan hoi Eb[N/cm2]

Hình 3.23 Quan hệ maxy - 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:

17

0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3

x 1050

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Modun dan hoi Efp[N/cm2]

Hình 3.24 Quan hệ Umaxy – 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 1050.014

0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021

Modun dan hoi Efp[N/cm2]

940 960 980 1000 1020 1040 1060 1080 1100 1120 1140

Modun dan hoi Efp[N/cm2]

Hình 3.26 Quan hệ maxx - 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 1058950

8952 8954 8956 8958 8960 8962 8964 8966 8968 8970

Modun dan hoi Efp[N/cm 2]

Hình 3.27 Quan hệ maxy - E b tại điểm C, D

3.3.4 Ảnh hưởng của vật liệu ống:

x 1071

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8

Modun dan hoi Ep[N/cm2]

Diem A Diem B

0.014 0.015 0.016 0.017 0.018 0.019 0.02 0.021

Modun dan hoi Ep[N/cm2]