Bμi báo đề cập việc áp dụng phần mềm Sap 2000 phương pháp phần tử hữu hạn để đánh giá độ bền thùng toa xe khách 2 tầng - Một phương pháp mới, hiện đại mang tính thời sự hiện nay, vừa có
Trang 1đánh giá kiểm nghiệm độ bền khung xương
thùng toa xe khách hai tầng đường sắt Việt Nam chế tạo
PGS TS lê văn học ThS Kiều Công thành
Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trường ĐHGTVT Tóm tắt: Toa xe khách 2 tầng do Việt Nam chế tạo đang vận dụng trên tuyến đường Hμ
Nội - Hải Phòng, thùng xe lμ bộ phận có kết cấu vμ chịu lực rất phức tạp Hiện nay việc kiểm nghiệm độ bền khung xương thùng toa xe khách 2 tầng lμ nhiệm vụ rất khó khăn, đòi hỏi nhiều công sức
Việc đánh giá chính xác độ bền của thùng toa xe khách 2 tầng đang vận dụng trên đường sắt Việt Nam lμ vấn đề hết sức quan trọng vμ cần thiết phục vụ cho việc thiết kế vμ chế tạo mới toa xe hiện đại, đảm bảo an toμn cao, tiết kiệm nguyên liệu
Bμi báo đề cập việc áp dụng phần mềm Sap 2000 (phương pháp phần tử hữu hạn) để
đánh giá độ bền thùng toa xe khách 2 tầng - Một phương pháp mới, hiện đại mang tính thời sự hiện nay, vừa có ý nghĩa thực tiễn cao vμ ý nghĩa khoa học
Summary: Double - deck carriages which are made in VietNam are working on the
railway route HaNoi - Hai Phong The carriage is a complex force - supported structure Testing the strength of double - deck carriage's frames is now a demanding job
Making exact assessment of the strength of double - deck carriages' frames which are working on VietNam's railways is an important matter and necessary for designing and making new carriages with modernity, high safety and fuel - saving consumption
This paper presents the application of Software Sap 2000 (limited element method) to making assessment of the strength of double - deck carriages A new, modern and update method with high practicality and scientificness
1 Thông số kỹ thuật và lựa chọn sơ đồ tính toán thùng toa xe khách 2 tầng Việt Nam chế tạo
L L K K H H
M M
N N
L L K K H H
M M
N N
L L K K H H
L L K K H H
L L K K
L L K K
L L K
K
L L L L K K K K H H H H
M M
N N
M M M M
N N N N
Chiều cao thùng xe : 2,9 m
Trang 2Chiều rộng thùng xe : 2,9 m
Khoảng cách hai cối chuyển: 17,6 m
Tải trọng trục : 14 tấn/trục
Trọng lượng giá chuyển : 5 tấn
Trọng lượng toàn thể của toa xe : 56 tấn
Trọng lượng thùng xe: 44 tấn
Sơ đồ tính toán thùng xe là một hệ thống khung siêu tĩnh gồm các thanh liên kết cứng với nhau Hai phần đầu toa xe một tầng gồm các thanh đai trên, đai dưới, cột đứng vách ngăn cửa
sổ, cửa ra vào Phần giữa xe hai tầng thêm thanh đai giữa (sàn tầng 2) Tổng số 20 ô kín siêu tĩnh, nếu tính bằng tay với bài toán này 60 ẩn số là không có khả năng
- Các đặc trưng hình học:
+ Mặt cắt A - A
F = 26 cm2; Jx = 3,447.103 cm4; Jy = 5,773.103 cm4
+ Mặt cắt B - B
F = 116 cm2; Jx = 100,0.103 cm4; Jy = 42,37.103 cm4
+ Mặt cắt C - C
F = 232 cm2; Jx = 500,0.103 cm4; Jy = 89,55.103 cm4
+ Mặt cắt D - D ; E - E
F = 92 cm2; Jx = 76,96.103 cm4; Jy = 32,61.103 cm4
+ Mặt cắt F - F
F = 124 cm2; Jx = 100,0.103 cm4; Jy = 45,63.103 cm4
+ Mặt cắt G - G
F = 156 cm2; Jx = 200,0.103 cm4; Jy = 58,64.103 cm4
+ Mặt cắt H - H
F = 26 cm2; Jx = 3,447.103 cm4; Jy = 5,773.103 cm4
+ Mặt cắt K - K
F = 232 cm2; Jx = 89,55.103 cm4; Jy = 500,0.103 cm4
+ Mặt cắt L - L
F = 74 cm2; Jx = 25,29.103 cm4; Jy = 49,67.103 cm4
+ Mặt cắt M - M
F = 144 cm2; Jx = 57,01.103 cm4; Jy = 200,0.103 cm4
+ Mặt cắt N - N
F = 152 cm2; Jx = 53,76.103 cm4; Jy = 200,0.103 cm4
50
A – A
500
B – B
380
D – D ; E – E
1080
C – C
540
F – F
700
G – G
10 100
N – N
100
10
M – M
100
10
L – L
10 100
K – K
100
H – H
50
A – A
500
B – B
50
A – A
50
A – A
500
B – B
500
B – B
380
D – D ; E – E
1080
C – C
380
D – D ; E – E
380
D – D ; E – E
1080
C – C
1080
C – C
540
F – F
700
G – G
540
F – F
540
F – F
700
G – G
700
G – G
10 100
N – N
100
10
M – M
100
10
L – L
10 100
K – K
100
H – H
10 100
N – N
10 100
N – N
100
10
M – M
100
10
10
M – M
100
10
L – L
100
10
L – L
10 100
K – K
10 100
10 100
K – K
100
H – H
100
H – H
Trang 32 Tính toán độ bền khung xương thùng xe bằng phương pháp phần tử hữu hạn
a Nguyên tắc chung tính độ bền kết cấu thùng toa xe 2 tầng bằng phương pháp PTHH
b Sơ đồ thuật toán tính kết cấu thùng xe 2 tầng bằng phần mềm máy tính SAP 2000
3 ứng dụng SAP 2000 - Phương pháp phần tử hữu hạn để giải các bài toán kết cấu thùng toa xe khách 2 tầng
* Bước 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính
Bao gồm các đường trục tâm hình của các thanh đai trên, đai dưới, đai giữa và các cột
đứng liên kết cứng với nhau
Mô hình toán học được mô tả bằng phương trình vi phân với giả thiết:
- Hình học
- Động học
- Trạng thái ứng suất của vật liệu
- Tải trọng
- Điều kiện biên
Lời giải bằng phần tử hữu hạn Chọn:
- Phần tử mẫu thích ứng
- Tạo lưới phần tử thích hợp
- Các thông số điều khiển khai báo:
- Hình học
- Tải trọng tác dụng
- Điều kiện biên
Đánh giá độ chính xác của bμi toán vμ mô
hình toán học
Thay đổi phần tử, các thông số
điều khiển VD:Độ chính xác yêu cầu
Phân tích vμ biểu diễn kết quả
Cải tiến thiết kế,tối ưu hoá kết cấu
Hoμn thiện quá trình phân tích
bμi toán
Cải tiến mô hình toán học
Thay đổi bμi toán thùng xe Bμi toán thùng xe
Mô hình toán học được mô tả bằng phương trình vi phân với giả thiết:
- Hình học
- Động học
- Trạng thái ứng suất của vật liệu
- Tải trọng
- Điều kiện biên
Lời giải bằng phần tử hữu hạn Chọn:
- Phần tử mẫu thích ứng
- Tạo lưới phần tử thích hợp
- Các thông số điều khiển khai báo:
- Hình học
- Tải trọng tác dụng
- Điều kiện biên
Đánh giá độ chính xác của bμi toán vμ mô
hình toán học
Thay đổi phần tử, các thông số
điều khiển VD:Độ chính xác yêu cầu
Phân tích vμ biểu diễn kết quả
Cải tiến thiết kế,tối ưu hoá kết cấu
Hoμn thiện quá trình phân tích
bμi toán
Cải tiến mô hình toán học
Thay đổi bμi toán thùng xe Bμi toán thùng xe Thay đổi bμi toán
thùng xe Bμi toán thùng xe
Kết cấu thùng xe 2 tầng thực tế
Mô hình tính toán
Rời rạc hoá kếtcấu
Trọn phần tử mẫu
Kết quả
GiảI bμI toán
đặc trưng hình
Nội lực
Quan hệ chuyển vị tảI trọng
V= ⎨u 1 u 2 u 3 …u 11 u 12⎬ Hệ Phương trình vi phân đạo hμm riêng
Kết cấu thùng xe 2 tầng thực tế
Mô hình tính toán
Rời rạc hoá kếtcấu
đặc trưng hình học
Quan hệ chuyển vị tảI trọng
V= ⎨u 1 u 2 u 3 …u 11 u 12⎬ Hệ Phương trình vi phân đạo hμm riêng
K u =f u= n u
GiảI bμI toán
Kết quả
Trang 4+ Yêu cầu tìm ứng suất vμ kiểm tra độ bền của thùng xe khi chịu tải trọng
+ Dạng kết cấu của bμi toán:
6,91KN/cm
+ Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thùng xe : chia theo tỷ lệ độ cứng
- Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai dưới q1 = 16,94 KN/cm
- Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai giữa q2 = 6,91 KN/cm
- Tải trọng tập trung tại đầu mút của thanh đai dưới T = 1000 KN
* Bước 2: Rời rạc hoá kết cấu
- Đánh số điểm nút các phần tử
Chia kết cấu thành 222 phần tử và điểm nút trên các phần tử như hình vẽ
- Phân chia các phương án tải trọng:
+ Tải trọng q1 và q2 phân bố rải đều lên kết cấu thùng xe (ký hiệu trong SAP: Q)
+ Lực đấm kéo T tập trung tại các đầu mút của thanh đai dưới (ký hiệu SAP: DAM)
16,94KN/cm
6,91KN/cm
16,94KN/cm
37 36 35 34 33 32 31 30
71
39
69 68
66
82
98 209 210
99 100
101 102
103 104
105 106
107 108
109
204
205 206
207 208
201
202 211
212
213 214
215 216
217 218
219 220
221 222
37 36 35 34 33 32 31 30
71
39
69 68
66
82
98 209 210
99 100
101 102
103 104
105 106
107 108
109
204
205 206
207 208
201
202 211
212
213 214
215 216
217 218
219 220
221 222
6,91KN/cm
16,94KN/cm 6,91KN/cm
16,94KN/cm 6,91KN/cm
16,94KN/cm
Trang 5* Bước 3: Giải bμi toán
- Thực hiện giải bài toán
- Kiểm tra độ chính xác của kết quả
- Hiệu chính dữ liệu ban đầu nếu cần thiết
* Bước 4: Biểu diễn kết quả
- Biểu diễn kết quả bằng hình vẽ
+ Biểu đồ mômen uốn M uốn trên kết cấu thùng xe (KNcm)
+ Biểu đồ lực dọc trục N trên kết cấu thùng xe (KN)
+ Biểu đồ lực cắt Q trên kết cấu thùng xe (KN)
- Xử lý các kết quả nếu cần
- Sử dụng kết quả
Trang 6Bảng giá trị tính toán độ bền thùng toa xe 2 tầng bằng SAP 2000
Mặt cắt Muốn (KNm) Q (KN) N (KN) Σσ (KN/m 2 )
4 Kết luận
Nếu dùng phương pháp lực thông thường để tính toán độ bền khung xương thùng xe khách
2 tầng là bài toán kết cấu siêu tĩnh bậc cao (60 ẩn số) không thể tính bằng tay và các phép giải thông thường vì độ chính xác kém, phải đưa vào các giả thiết nhằm đơn giản kết cấu, độ tin cậy không cao, do vậy phải lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán
ứng dụng Phương pháp phần tử hữu hạn thì sơ đồ tính gồm các thanh đai dưới, thanh đai giữa, thanh đai trên, các vách ngăn và cột đứng góc liên kết cứng với nhau Sơ đồ này rất phức tạp và chính xác hơn sơ đồ tính của phương pháp lực Kết quả tính cho thấy ứng suất lớn nhất tại các vị trí mặt cắt 42, 43, 44, 45, 46, 47 (của thanh đai giữa) vượt quá giá trị ứng suất cho phép [σ] = 1900 KN/m2 Thanh đai giữa thực chất là sàn của tầng 2 xe khách, trong sơ đồ tính
bỏ qua sàn thép bọc do đó độ cứng của thanh đai giữa nhỏ hơn thực tế nhiều; Ngoài ra để đánh giá thật đầy đủ độ bền của thanh đai giữa cần tính toán thêm bằng một phương pháp khác, tính toán độ võng của thanh đai giữa từ đó mới có thể có kết luận cuối cùng về khả năng làm việc lâu dài của khung xương thùng xe Các nội dung này sẽ được đăng trong số báo gần đây
Tài liệu tham khảo
[1] Kiều Công Thμnh Luận văn thạc sỹ KHKT Đại học GTVT, 2003
[2] Bùi Đức Vinh Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mền SAP 2000 Đại học Bách Khoa TP HCM -
NXB thống kê
[3] Lê Xuân Thọ Sử dụng Micro FEAP & SAP 90 trong tính toán kết cấu NXB Đồng Nai
[4] I M SMITH vμ D V GRIFITHS Lập chương trình tính toán công trình xây dựng bằng Phương pháp
phần tử hữu hạn Trường Đại học Tổng hợp Manchester NXB Xây dựng♦
