Phân tích động lực học khung 2d chịu tải chu kỳ bằng FEM

-V- TÓM TẮT Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số và cơng nghệ thơng tin, phương pháp phần tử hữu hạn cĩ những áp dụng hiệu quả trong các bài tốn kỹ thuật đặc biệt là bài

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ TRÀ MI

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨTRẦN THỊ TRÀ MI

3

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Trần thị Trà Mi Giới tính: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: lâm Đồng

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 443/106A Lê Văn Sỹ - Phường 10 - Quận 3- HCM Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0902322902

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Nơi học (trường, thành phố):

Ngành học:

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Đào tạo chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 1/ 2005

Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

Ngành học: Thiết Kế Máy

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp:

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:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2005-2010 Công ty TNHH Haimy Nhân Viên phòng kỹ thuật 2011- nay Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải

Tp.HCM

Giáo Viên giảng dạy môn cơ sở

khoa ôtô

4

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 … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

-IV-

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn của mình đến Thầy hướng dẫn là PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, giúp đỡ tôi rất nhiều về cách nhận định đúng trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả cũng như nguồn tài liệu quý báu Thầy hướng dẫn tận tình và luôn động viên Tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn nên luận văn đã đạt được kết quả như mong muốn

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành tới:

-Toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM , những người đã dạy và giúp đỡ Tôi trong thời gian học tập tại trường

- Quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, những người đã nhiệt tình

dạy dỗ, truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ sở cũng như kiến thức chuyên ngành vô cùng quý báu

- Gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để Tôi học tập và trao dồi thêm kiến thức

- Bạn Chương Thiết Tú, Hoàng Trung Hiền đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ Tôi về tài liệu cũng như kiến thức trong suốt thời gian làm đề tài

- Cuối cùng, Xin kính chúc toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM và các bạn luôn dồi dào sức khỏe, thành công và hạnh phúc

TP.HCM , Tháng 04 năm 2013

-V-

TÓM TẮT

Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số và cơng nghệ thơng tin, phương pháp phần tử hữu hạn cĩ những áp dụng hiệu quả trong các bài tốn kỹ thuật đặc biệt là bài tốn cơ học kết cấu Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho bài tốn động lực học kết cấu, tác giả đã xây dựng lời giải xấp xỉ cho bài tốn khung phẳng Ứng dụng phương pháp này để xác định trường vận tốc và biến dạng của vật thể Bài tốn được phân tích trong đề tài là bài tốn khung phẳng chịu tải chu kỳ

Tác giả sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng thành cơng chương trình tích phân số và mơ phỏng tự động trường vận tốc và trường biến dạng Chương trình này cho kết quả tin cậy so với kết quả tính tốn của phẩm mềm Ansys

Hơn nữa, các bài tốn này được phân tích với các thơng số khác nhau để cĩ lời giải tin cậy và hiệu quả

ABSTRACT

Today, basing on the development of digital and information technology, the finite element method is the effective application of mathematical techniques, especially, the problem of structural mechanics Base on the theory of finite element method applied to the problem the flow structural mechanics, the authors have developed approximate solution to the problem the structural mechanics dynamics Application

of this method to analyze flat frame load cycle …

The author uses Matlab programming langguage to build successful programs and simulation analysis of the velocity field and deformation field over the obstacle, this program results in reliable comparison of the calculated results Ansys sotfware

Moreover, this problem is analyzed with different parameters to obtain reliable solution and effect

-VI-

MỤC LỤC

Trang

Quyết định Lý lịch cá nhân I Lời cam đoan II Lời cảm ơn III Tóm tắt IV Mục lục V

1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tính khoa học, thực tiễn của đề tài 2 1.3 Nhiệm vụ của đề tài 2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 2 1.5 Xác định thuật ngữ 3

Chương 2: Tổng quan về kết cấu khung phẳng 4

2.1 Tổng quan về nhà để xe 4 2.1.1 Nhà xe xếp chồng 4 2.1.2 Hệ thống nhà xe nổi 5 2.1.2.1 Hệ thống lưu thông dọc 5

2.1.2.2 Hệ thống lưu thông ngang 6 2.1.3 Hệ thống nhà xe nổi 8 2.2 Tổng quan về kết cấu nhà cao tầng 8 2.2.1 Phân loại hệ thống xây dựng theo vật liệu làm kết cấu 8 2.2.1.1 kết cấu gạch đá 8 2.2.1.2 Kết cấu thép 10

-VII-

2.2.1.3 Kết cấu bê tơng cốt thép 12

2.2.2 Phân loại hệ thống xây dựng theo sự làm việc của kết cấu 2.2.2.1 Kết cấu khung 14 2.2.2.2 Kết cấu tường chống trượt 15 2.2.2.3 Kết cấu khung - Kết cấu tường chống trượt 17 Chương 3 : Cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH cho kết cấu khung phẳng 3.1 Dạng bài tốn cơ học 18

3.2 Thiết lập phương trình vi phân động lực học 21

3.3 Ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích bài tốn khung phẳng 24

3.3.1 Khái niệm về phương pháp PTHH 25

3.3.2 Các bước tiến hành khi giải một bài tốn bằng phương pháp PTHH 26

3.3.3 Các hàm nội suy 27

3.3.3.1 Nội suy Lagrange 27

3.3.3.2 Nội suy Hermit cho phần tử hai nút 28

3.3.4 Phân tích phần tử hữu hạn cho bài tốn khung phẳng 29

3.3.4.1 Xác định ma trận độ cứng cho phần tử khung phẳng 29

3.3.4.2 Xác định ma trận khối lượng cho phần tử khung phẳng 35

3.4 Phân tích mode của hệ khơng giảm chấn 38

3.5 Các phương pháp tích phân số dùng để giải phương trình vi phân chuyển động của kết cấu Cầu Dây Văng 42

3.5.1 Phương pháp sai phân trung tâm 42

3.5.2 Phương pháp Newmark 45 3.5.3 Biến đổi Fourier 49

Chương 4: Thiết kế giao diện với Matlab 56

-VIII-

Chương 5: Bài toán áp dụng 70 5.1 Lưu đồ phân tích các bước cho bài toán dầm – khung 70

Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển 83

Chương I: Tổng quan

Chương I

TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Phương pháp PTHH (FEM-Finite element method) là một trong những phương pháp số rất cĩ hiệu quả để giải các bài tốn bởi các phương trình vi phân cùng các điều kiện biên cụ thể của từng bài tốn, đặc biệt những bài tốn trong

cơ học kết cấu

Trong thời gian đầu phương pháp PTHH cĩ nhiều ứng dụng rộng rãi trong các bài tốn cơ học Những năm gần đây, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của máy tính

số, phương pháp PTHH cĩ những áp dụng hiệu quả trong bài tốn cơ học

Trên tế giới, việc ứng dụng phương pháp PTHH vào tính tốn cho cơ học kết cấu đã trở nên phổ biến từ những năm 1950 Cụ thể nĩ được thể hiện trong “ Early finite element research at berkeley của tác giả Ray W.Clough và Edwark L.Wilson bên cạnh đĩ phương pháp PTHH ngày càng được sử dụng rộng rãi với sự trợ giúp của máy tính thơng qua các chưong trình như : ANSYS, SAP 2000, SAMCEF,…

Ở Việt Nam, một số nghiên cứu thành cơng trong lĩnh vực này cĩ thể kể đến như:

 Chẩn đốn dầm đàn hồi cĩ nhiều vết nứt [15]

 Nhận dạng vết nứt trong kết cấu dầm khung [16]

 Nhận dạng vết nứt trong kết cấu giàn khoan [17]

 Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến tần số dao động của kết cấu dầm khung.[18]

 Nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến đặc trưng động lực học của kết cấu tấm mỏng [19]

 Nghiên cứu sự phát triển vết nứt trên chi tiết cơ khí bằng FEM và Wavelet [20]

1.2 TÍNH KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI:

 Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn - FEA (Finite Element Analysis) kết hợp với ngôn ngữ Matlab viết chương trình tính toán động học, động lực học tìm tần số dao động riêng của các mode dao động, đáp ứng chuyển vị và vận tốc của từng nút

 Mô phỏng động học và động lực học bài toán

 Cuối cùng, tác giả sẽ đưa ra các kết luận về kết quả thực hiện, nêu lên các vấn đề đã giải quyết được, các vấn đề còn tồn đọng chưa được giải quyết và

đề xuất hướng phát triển của đề tài

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Để đề tài đạt được kết quả như mong muốn, tác giả phải nghiên cứu các kiến thức về cơ học lý thuyết có liên quan kết hợp với các phần mềm tính toán và mô phỏng, cụ thể như sau:

- Tìm hiểu về lý thuyết khung phẳng

- Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn cho kết cấu khung phẳng

- Tìm hiểu về phần mềm Matlab để sử dụng nó như một công cụ hỗ trợ trong quá trình tính toán Đặc biệt là tìm hiểu về cấu trúc và sơ đồ phần tử hữu hạn với Matlab

- Tìm hiểu về chương trình Ansys để tiến hành mô phỏng các bài toán, từ đó

có cơ sở để kiểm tra kết quả tính toán

Chương I: Tổng quan

Bên cạnh nội dung trên, việc nghiên cứu về phương pháp tính và cơ học kết cấu

là rất cần thiết vì những kiến thức đó là một phần công cụ hỗ trợ trong quá trình thực hiện đề tài

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

SVTH 4

CHƯƠNG II

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG

Nhà thép cĩ mặt tại thị trường Việt Nam từ đầu những năm 90- thế kỷ XX, đến nay ngày càng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các loại nhà cơng nghiệp và dân dụng ở nước ta Ưu điểm vượt trội của nhà kết cấu thép là vượt khơng gian lớn, tiến độ xây dựng nhanh, khơng ồn, khơng bụi và rất kinh tế…Đặc biêt đáp ứng độ vững bền về mọi yêu cầu vẻ đẹp kiến trúc của cơng trình

Mặc dù kết cấu thép ở Việt Nam mới phát triển nhưng chắc chắn sẽ được phổ cập trong tương lai gần Vì những ưu điểm cĩ thể khắc phục những hạn chế so với khi sử dụng kết cấu bê tơng cốt thép, tường gạch trong xây dựng nhà cao tầng Các cơng trình kiến trúc, xây dựng, kệ kho cơng nghiệp, thang nâng, cầu trục, nhà ga, sân bay… đều sử dụng khung thép

2.1 Tổng quan về nhà để xe :

Nhà để xe tự động dành cho ơtơ là một hệ thống đỗ xe tự động dưới sự kiểm

sốt của máy tính cùng các thiết bị hỗ trợ khác như: cảm biến, camera, máy mĩc…

Xe ơ tơ được lái vào khu vực vào ra của hệ thống Sau khi đã đỗ xe đúng vị trí, người lái xe tắt máy, phanh an tồn khi đỗ xe và bước ra khỏi xe Trong quá trình đĩ, hệ thống sensor phân tích kích thước xe và lựa chọn được vị trí đỗ xe thích hợp Khi người lái xe đã ra phía ngồi, hệ thống cơ điện sẽ chuyển động và đưa xe đến vị trí thích hợp

Ngồi ra, nhà đỗ xe đặc biệt này cịn cĩ thể được xây dựng ở những khu đất trống, ở giữa khoảng trống của các tịa nhà và thậm chí cĩ thể được xây dựng ngầm dưới đất, tùy thuộc vào khơng gian và kiến trúc của từng thành phố Bên cạnh đĩ, xây dựng hệ thống đỗ xe kiểu này cĩ thể giúp giảm lượng khí thải và lượng tiêu thụ nhiên liệu do người lái khơng phải lái xe loanh quanh để tìm chỗ

2.1.1 Nhà xe xếp chồng: có 2 kiểu

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Hình 2.2 Mẫu 2 tầng truyền động bằng cơ khí

Cả hai đều có 1 mâm chứa xe ở tầng trên, và di chuyển lên xuống để xe

chạy vào, ra Đây là hình thức đơn giản,dễ lắp đặt, dễ sử dụng, bảo trì đơn giản

2.1.2 Hệ thống nhà xe nổi

2.1.2.1 Hệ thống lưu thơng dọc (dạng tháp)

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

SVTH 6

Là hệ thống đỗ xe tự động dạng tháp nhiều tầng Có thể là tháp nằm bên ngoài hoặc nằm bên trong tòa nhà, vận hành êm và an toàn Điều khiển đơn giản với màn hình cảm ứng

Mỗi tầng 2 mâm chứa xe nằm hai bên thang Đây là loại hệ thống có thể lấy

xe nhanh nhất kể cả số lượng xe nhiều

Hệ thống đỗ xe tự động này tiết kiệm diện tích đất hẹp, phía sau hoặc bên hông nhà cao tầng Lắp đặt nhanh chóng và có thể tháo dỡ di chuyển khi cần

Hình 2.3 Mẫu nhà xe dạng tháp

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

SVTH 7

2.1.2.2 Hệ thống lưu thông ngang:

Là hệ thống đỗ xe tự động mà số xe chứa ở mỗi tầng nhiều nhất

Nếu nhà xe chỉ có 1 vị trí để xe vào và ra thì mỗi tầng không cần khoảng trắng vì có cụm cơ cấu đảm nhận công việc này

Nếu nhà xe chỉ có nhiều vị trí xe vào và xe ra thì mỗi tầng cần một khoảng trắng để sàn xe như trò chơi xếp hình

Số xe mỗi tầng phụ thuộc vào diện tích nhà xe Và nó có thể đặt ngoài trời hoặc trong nhà

Hình 2.4 Mẫu nhà xe dạng sàn ngang

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

Hệ thống nhà xe ngầm là sự kết hợp giữa lưu thông dọc (đưa xe xuống hầm) và

lưu thông ngang (đưa xe đến vị trí đậu xe)

Điều khiển bằng màn hình cảm ứng, dễ vận hành

Phụ thuộc diện tích, mỗi tầng chứa số lượng xe khác nhau

2.2 Toång quan veà kết cấu nhà cao tầng :

Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D

SVTH 9

Việc lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng, việc lựa chọn vật liệu làm kết cấu, loại hình kết cấu và phương pháp thi công để thực hiện kết cấu chủ thể của ngôi nhà nhằm làm nó trở thành một sản phẩm xây dựng có công năng sử dụng nhất định, có chiều cao và hình khối phù hợp và thoả mãn những điều kiện công trình được thiết kế ra

Những nhà làm việc, cửa hàng thương nghiệp cao tầng hoặc các nhà cao tầng đa năng, yêu cầu nhưng không gian lớn để hoạt động, có thể bố trí một cách linh hoạt Đối với những nhà hành chính, văn phòng làm việc, lớp học, phòng bệnh, các loại phòng hội thảo khoa học, nghiên cứu lại yêu cầu những không gian hoạt động thích hợp

Những nhà cao tầng dùng làm nhà máy công nghiệp, kho tàng yêu cầu những không gian lớn rộng rãi

Những yêu cầu khác nhau đối với những sản phẩm xây dựng có các công năng sử dụng khác nhau trên một mức độ rất lớn - quyết định sự lựa chọn hệ xây dựng nhà cao tầng

Chiều cao của nhà cao tầng cũng có ảnh hưởng rất lớn tới việc lựa chọn hệ thống xây dựng Do chuyển vị nằm ngang của các tầng sàn sinh ra dưới tác dụng của tải trọng nằm ngang của ngôi nhà tỷ lệ thuận với luỹ thừa bậc 4 của chiều cao ngôi nhà, nên khi lựa chọn hệ thống xây dựng của những ngôi nhà cao tầng, ta phải xem xét một cách chu đáo và tỉ mỉ yêu cầu thoả mãn độ cứng

Điều kiện thiên nhiên và điều kiện thi công khác nhau cũng ảnh hưởng tới sự lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng Khi xây dựng ở những vùng có động đất, lại càng phải nhấn mạnh tính tổng thể toàn khối của kết cấu nhà Ngoài ra, các điều kiện hiện trường cụ thể của công trình, phương pháp và công nghệ thi công quen thuộc của địa phương cũng như trình độ trang bị của đơn vị nhà thầu cũng có tác động đến sự lựa chọn hệ thống xây dựng nhà cao tầng

2.2.1 Phân loại hệ thống xây dựng theo vật liệu làm kết cấu

2.2.1.1 Kết cấu gạch đá