Kết quả này được sử dụng là cơ sở để thiết kế tạo hình tấm vỏ và kết cấu chịu lực cho công trình này, đảm bảo các yêu cầu về mặt mỹ thuật, gia công chế tạo, độ bền trong các trường hợp g
Trang 1NGHIÊN C ỨU, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN BỀN KẾT CẤU ĐÀI TƯỞNG NIỆM TRUÔNG BỒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẬP TẠO HÌNH
RESEARCH, DESIGN AND CALCULATE SIMULATION ONTRUONG BON MONUMENT’S STRUCTUREBYSHEET METAL FORMING TECHNOLOGY
PGS.TS Phạm Văn Nghệ 1a , KS Hoàng M ạnh Trung 1b , KS Hoàng Văn Thủy 2c
1Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
2Trường Trung cấp Nghề số 14 – Bộ Quốc phòng
a nghepv.gcal@gmail.com; b manhtrung89@gmail.com; c hoangthuy030@gmail.com
TÓM TẮT
Trong báo cáo này, nhóm tác giả đã trình bày kết quả nghiên cứu bằng mô phỏng đài tưởng niệm Truông Bồn Kết quả này được sử dụng là cơ sở để thiết kế tạo hình tấm vỏ và kết cấu chịu lực cho công trình này, đảm bảo các yêu cầu về mặt mỹ thuật, gia công chế tạo, độ bền trong các trường hợp gió bão, lốc xoáy, nắng nóng, v.v Hiện nay, hầu hết các công trình tượng đài có chủ đề về văn hóa, lịch sử, tín ngưỡng có kích thước không gian lớn hầu hết đều được làm bằng công nghệ đúc đồng, bê tông cốt thép hoặc điêu khắc đá truyền thống, …
Những công nghệ này tồn tại nhiều nhược điểm như: tốn kém vật liệu, độ bền khó đạt, chất lượng bề mặt xấu, khó tạo hình sắc nét theo ý tưởng nghệ thuật của tác giả Nối tiếp theo thành công từ công trình “Tượng đài Bác Hồ với các dân tộc Tây Nguyên”, chúng tôi đã áp
dụng công nghệ dập tạo hình để thiết kế chế tạo “Đài tưởng niệm Truông Bồn” Công nghệ này đã khắc phục được hầu hết các điểm còn hạn chế của các công nghệ nêu trên Kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để tính toán, thiết kế và tối ưu các công trình tượng đài khác sử dụng công nghệ dập tạo hình tấm vỏ mỏng tương tự
Từ khóa: dập tạo hình vỏ mỏng, tượng đài Truông Bồn, mô phỏng tính toán
ABSTRACT
In this report, the authors present the results of research by simulating about Bon Truong monument These results are used as a basis for designing sheet shell and bearing structures on this construction At present, almost large monuments are made of casting technology, reinforced concrete or stone sculpture,…These technologies exist many drawbacks such as material cost, weak strength, bad surface quality, difficulty forming shape following the idea of designers We use sheet metal forming technology for Truong Bon Monument after the success of Ho Chi Minh statue in Tay Nguyen This technology has overcome most of the limitations of the other technologies The results of research can be based on calculating, designing and optimizing of other monuments which use sheet metal forming technology
Keywords: sheet metal forming, Truong Bon monument, calculate simulation
1.GI ỚI THIỆU
1.1 Khái quát v ề phương pháp dập tạo hình tấm
Công nghệ tạo hình kim loại tấm là một phần của công nghệ gia công kim loại bằng áp
lực nhằm làm biến dạng kim loại tấm để nhận được các chi tiết có hình dạng và kích thước mong muốn Đây là một loại hình công nghệ đang được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Sở dĩ công nghệ này được áp dụng rộng rãi như vậy là do nó
có nhiều ưu điểm nổi bật như:
Có thể thực hiện những công việc phức tạp bằng những động tác đơn giản của thiết bị
và khuôn
Trang 2Có thể chế tạo những chi tiết rất phức tạp mà các phương pháp gia công kim loại khác không thể hoặc rất khó khan
Độ chính xác tương đối cao, đảm bảo lắp dẫn tốt không cần qua gia công cơ
Kết cấu của chi tiết dập tấm cứng vững, bền nhẹ, mức độ hao phí kim loại không lớn
Tiết kiệm được nguyên vật liệu, thuận lợi cho quá trình cơ khí hóa và tự động hóa, do
đó năng suất cao, giá thành sản phẩm hạ
Quá trình thao tác đơn giản, không cần thợ bậc cao, do đó giảm chi phí đào tạo và
quỹ lương
Tận dụng được phế liệu, hệ số sử dụng vật liệu cao
Dập tấm không chỉ gia công những vật liệu kim loại mà còn gia công những vật liệu phi kim như: techtolit, heetinac và các loại chất dẻo
1.2 Ý nghĩa Đài tưởng niệm Truông Bồn
Trong tiếng Nghệ An “Truông” là danh từ để chỉ một đoạn đèo dốc chạy giữa hai vách núi hiểm trở Truông Bồn là một đoạn đèo dốc như thế có chiều dài 5km, độ cao gần 70m trên dãy núi Thung Nưa có đỉnh cao nhất là 450m so với mực nước biển, nằm trên tuyến đường chiến lược 15A, hay còn gọi là đường 30, chạy qua địa phận xã Mỹ Sơn, huyện Đô Lương,
tỉnh Nghệ An Truông Bồn đã trở thành địa danh huyền thoại trong cuộc đấu tranh vệ quốc vĩ đại của dân tộc ta trong thế kỉ XX, bởi Truông Bồn có vị trí chiến lược đặc biệt quan trọng, là
“Tuyến đường độc đạo”, nơi kết nối các huyết mạch giao thông từ hậu phương lớn miền Bắc Nơi đây có bao chứng tích hào hùng, bất hủ ghi dấu những chiến công oanh liệt của các lực lượng quân và dân ta, trong đó có 1.500 cán bộ, chiến sĩ của 9 đại đội Thanh niên xung phong thuộc Tổng đội Thanh niên xung phong chống Mỹ cứu nước, tỉnh Nghệ An Đặc biệt nơi đây
chứng kiến những chiến công và sự hi sinh oanh liệt của 13 chiến sỹ “Tiểu đội thép”, “Tiểu đội cảm tử” thuộc đại đội TNXP 317 ngày 31/10/1968 trong khi đang làm nhiệm vụ nối liền huyết mạch giao thông Do vậy, Đài tưởng niệm Truông Bồn có ý nghĩa lớn đối với quân dân trong khu vực cũng như trong cả nước
2 TÍNH TOÁN THI ẾT KẾ
2.1 X ử lý Scan 3D mẫu, xây dựng mô hình CAD các tấm ghép vỏ tượng
Từ dữ liệu là các đám mây điểm từ máy Scan 3D, chia vỏ tượng ra các phần phù hợp
với thực tế thi công, tiến hành tái tạo bề mặt
2.2 Lên phương án dập tạo hình
- Phân chia các phần, các bề mặt sao cho có tính công nghệ dập tạo hình tốt nhất, tính công nghệ hàn và, đặc biệt, đảm bảo tính mỹ thuật của tác phẩm điêu khắc
- Thiết kế khuôn dập bằng vật liệu Composit
Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ biến dạng và nhiệt độ đến thuộc tính dẻo và biến dạng phôi tấm, vật liệu bằng đồng đỏ, chiều dày 5mm Ta dùng giả thiết là phôi biến dạng đẳng hướng, đồng nhất, liên tục để mô hình hóa và giải bài toán dễ dàng
•Năng lượng tạo hình biến dạng tấm
Điều kiện dẻo trong tọa độ bất kỳ:
(𝜎𝜎𝑥𝑥− 𝜎𝜎𝑦𝑦)P
2 + (𝜎𝜎𝑦𝑦− 𝜎𝜎𝑧𝑧) P
2 + (𝜎𝜎𝑧𝑧− 𝜎𝜎𝑥𝑥) P
2 +6(𝜏𝜏𝑥𝑥𝑦𝑦2 +𝜏𝜏𝑦𝑦𝑧𝑧2 +𝜏𝜏𝑧𝑧𝑥𝑥2 ) = 2𝜎𝜎𝑆𝑆2 Trong quá trình tạo hình tấm đồng, thực hiện biến dạng dẻo với thế năng biến dạng tổng
At bằng tổng thế năng thay đổi thể tích Att và thế năng thay đổi hình dạng Ahd
Trang 3Vậy thế năng thay đổi hình dạng:
Abd = At – Att
Abd=1
2𝐸𝐸[(𝜎𝜎12+ 𝜎𝜎22+ 𝜎𝜎32) − 2𝜗𝜗(𝜎𝜎1𝜎𝜎2+ 𝜎𝜎2𝜎𝜎3 + 𝜎𝜎3𝜎𝜎1)] − 6𝐸𝐸1 [(𝜎𝜎1+ 𝜎𝜎2+ 𝜎𝜎3)P
2
-2 𝜗𝜗(𝜎𝜎R 1 + 𝜎𝜎R 2 + 𝜎𝜎R 3)2]
= 1+𝜗𝜗
6𝐸𝐸(2𝜎𝜎12+ 2𝜎𝜎22+ 2𝜎𝜎32− 2𝜎𝜎1𝜎𝜎2− 2𝜎𝜎2𝜎𝜎3− 2𝜎𝜎3𝜎𝜎1)
= 1+𝜗𝜗
6𝐸𝐸[(𝜎𝜎1− 𝜎𝜎2)P
2 + (𝜎𝜎2− 𝜎𝜎3)P
2 + (𝜎𝜎3− 𝜎𝜎1)P
2] Thay vào điều kiện dẻo ta được:
Abd = 1+𝜗𝜗
6𝐸𝐸 2𝜎𝜎𝑆𝑆2 = 1+𝜗𝜗3𝐸𝐸 𝜎𝜎𝑆𝑆2 = const
Với 𝜗𝜗là hệ số Poisson.[1]
• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính dẻo và trở lực biến dạng
Quan hệ giữa giá trị giới hạn chảy và nhiệt độ được biểu diễn:
Pt1 = Pt2.𝑒𝑒∝(𝑡𝑡1−𝑡𝑡2) Với: Pt1 - giá trị giới hạn chảy ở nhiệt độ t1
Pt2 - giá trị giới hạn chảy ở nhiệt độ t2
∝ - hệ số nhiệt độ, trong khoảng nhiệt chưa có biến đổi hóa lý
Đường đặc tính và biểu đồ quan hệ giữa tính dẻo và nhiệt độ của đồng đỏ:[4]
• Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
Đối với vật liệu đồng đỏ, tốc độ biến dạng tạo hình tăng, trở lực biến dạng tăng và tính dẻo giảm
Hình 1 Hình ảnh ảnh hưởng của tốc độ biến dạng
Thiết bị:
- Sử dụng máy ép thủy lực 1000 tấn
- Kích thước bàn máy 2500x2000mm
- Hành trình đầu trượt 1600m
Trang 4Bản thiết kế đài tưởng niệm Truông Bồn gồm 3 cụm hương khói như sau:
Hình 2 Hình ảnh thiết kế Đài tưởng niệm Truông Bồn 2.3 Điều kiện tải trọng tĩnh
Trong điều kiện bình thường, kết cấu chịu lực dưới tác dụng tự trọng bản thân và hệ vỏ đồng.[4]
C ụm khói hương số 1:
Khối lượng hệ vỏ đồng
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm)
Tổng khối lượng cụm khói hương số 1
C ụm khói hương số 2:
Khối lượng hệ vỏ đồng
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm)
Tổng khối lượng cụm khói hương số 2
Cụm khói hương số 3:
Khối lượng hệ vỏ đồng
Khối lượng kết cấu khung chịu lực (bao gồm dưỡng đồng dày 5mm)
Tổng khối lượng cụm khói hương số 3
2.4 Điều kiện gió bão
Công trình được kiểm nghiệm với cấp độ bão lớn nhất (theo quyết định số 245/2006/QĐ-TTg) của Thủ tướng chính phủ
Trang 5Theo đó, bão cấp 17 (thang Beaufort) có vận tốc gió 220km/h(60m/s)
Lực cản của không khí tác động vào bề mặt cứng khi vận tốc gió nhỏ hơn vận tốc âm thanh (v << 340 m/s)
2
.sin 2
v
S
ρ
Trong đó:
ρ : khối lượng riêng của không khí
v : vận tốc khối khí
S: diện tích bề mặt
α : góc hợp bởi vecto vận tốc gió và bề mặt
Như vậy, ta tính toán được các lực tác dụng theo các phương vào các cụm hương khói
số 1, số 2,và 3
Hình 3 L ực tác dụng theo các phương cụm hương khói số 1
Hình 4 Đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương số 1
Tải tác dụng lên dầm chịu lực
•Trường hợp gió bão thổi ngang Tải tác dụng lên tổ hợp dầm cụm 1 gồm trọng lượng
vỏ đồng, trọng lượng kết cấu chịu lực và tải trọng gió bão
Trang 6Hình 5 Phân b ố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm số 1
Ứng suất lớn nhất tập trung tại tổ hợp dầm của cụm khói hương số 1 là 78,3MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400Mpa Chuyển vị lớn nhất tại đầu dầm là 0,658mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu
Trường hợp gió bão giật cụm khói hương theo hướng từ dưới lên Tải tác dụng lên tổ
hợp dầm gồm có trọng lượng vỏ đồng, tự trọng kết cấu và tải trọng gây ra do gió giật Ứng
suất tập trung lớn nhất tác dụng lên hệ dầm là 23,6 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật
liệu SS400 là 400 MPa
Hình 6 Phân b ố áp suất và đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương
trên c ụm khói hương số 2
Tải tác dụng lên dầm chịu lực
ố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm khói hương số 2
Trang 7Ứng suất tập trung lớn nhất tác dụng lên hệ dầm là 9,78 MPa Nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400 Mpa
Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,03mm Nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu Trường hợp gió giật theo phương thẳng đứng từ dưới lên: Ứng suất tập trung lớn nhất trên hệ dầm là 29,5 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400 MPa Chuyển
vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,222mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu
Hình 8 Phân bố áp suất và đường dòng của luồng khí đi qua cụm khói hương
trên c ụm khói hương số 2
Tải tác dụng lên dầm chịu lực
Hình 9 Phân b ố ứng suất tác dụng lên hệ dầm H250 của cụm khói hương số 3
Ứng suất tập trung lớn nhất trên hệ dầm là 38,2 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của
vật liệu SS400 là 400 MPa Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,725mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu
Trường hợp gió thổi theo phương thẳng đứng từ dưới lên: Ứng suất tập trung lớn nhất trên hệ dầm là 43,2 MPa, nhỏ hơn ứng suất cho phép của vật liệu SS400 là 400 MPa
Chuyển vị lớn nhất tại hệ dầm là 0,642mm, nằm trong giới hạn cho phép của kết cấu
Trong điều kiện gió bão cấp 17, hệ kết cấu dầm chịu lực đủ bền [5]
2.6 Tính toán phân b ố trường nhiệt độ trên bề mặt vỏ đồng, dưới điều kiện nắng nóng ở
mi ền Trung
Trường hợp giả định, thời tiết nắng nóng liên tục, nhiệt độ ngoài trời 400,hiệu ứng tích
tụ nhiệt khiến nhiệt độ vỏ đồng lên tới 1000C Bất ngờ xảy ra mưa lớn, nhiệt độ một phần vỏ đồng sụt giảm nhanh chóng xuống 300
Trang 8Mô ph ỏng tính toán truyền nhiệt trên phần mềm Catia:[2]
Hình 10 Phân b ố truyền nhiệt trên các cụm hương khói
Các kết quả trong quá trình mô phỏng cho thấy giãn nở nhiệt của vỏ đồng nằm trong
giới hạn cho phép
K ẾT LUẬN
Thành công trong việc ứng dụng công nghệ dập tạo hình chi tiết vỏ mỏng vào thiết kế
và xây dựng Đài tưởng niệm các liệt sỹ thanh niên xung phong Truông Bồn tại Nghệ An đã góp phần khẳng định tính ưu việt của công nghệ, đồng thời mở ra một hướng mới cho ngành xây dựng mỹ thuật trong việc chế tác các tượng cỡ lớn bằng công nghệ ép dập từ đồng tấm
Việc chế tác thành công tượng đài này đã khẳng định Việt Nam hoàn toàn làm chủ về kỹ thuật
và công nghệ này Kết quả nghiên cứu có thể tham khảo để tính toán, thiết kế các công trình tượng đài khác sử dụng công nghệ dập tạo hình tấm vỏ mỏng tương tự
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Mậu Đằng (2006), Công nghệ dập tạo hình kim loại tấm, NXB ĐHBK Hà Nội,
Hà Nội
[2] Nguyễn Đắc Trung, Lê Thái Hùng, Nguyễn Như Huynh, Nguyễn Trung Kiên (2011), Mô
ph ỏng số quá trình biến dạng, NXB ĐHBK Hà Nội
[3] Nghiêm Hùng, V ật liệu học cơ sở, NXB Khoa học - Kĩ thuật, Hà Nội
[4] M Li Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA S J ZinkleOak Ridge National
Laboratory, Oak Ridge, TN, USA (2012)Physical and Mechanical Properties of Copper
and Copper Alloys, Published by Elsevier Ltd
[5] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vượng(2007), Sức bền vật liệu tập 2, NXB Giáo dục
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1 PGS.TS Phạm Văn Nghệ, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Email: nghepv.gcal@gmail.com, 0903408978
2 KS Hoàng Mạnh Trung, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Email: manhtrung89@gmail.com, 0904673354
3 KS Hoàng Văn Thủy, Trường Trung cấp Nghề số 14 – Bộ Quốc phòng
Email: hoangthuy030@gmail.com, 0976110086
