Xác định trạng thái ứng suất biến dạng của trạm bơm chìm theo mô hình không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Mô hình tính toán ..... ph tùng thay th.

L I C M N

Qua m t th i gian nghiên c u và th c hi n d i s giúp đ ch b o nhi t tình

c a giáo viên h ng d n và các th y cô giáo tác gi đã hoàn thành lu n v n t t nghi p v i đ tài:

“ Xác đ nh tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m chìm theo mô hình không gian b ng ph ng pháp ph n t h u h n”

Tác gi đ c bi t xin bày t lòng c m n t i th y giáo Giáo s , Ti n s Ph m

Ng c Khánh đã t n tình h ng d n, ch b o cho tác gi nhi u v n đ quý báu trong nghiên c u khoa h c nói chung c ng nh trong b n thân lu n v n này

Tác gi xin chân thành c m n các th y giáo, cô giáo trong khoa Công trình,

b môn S c b n - K t c u, phòng ào t o i h c và Sau đ i h c tr ng i h c Thu L i đã t o đi u ki n giúp đ tác gi v các tài li u, thông tin khoa h c k thu t và đóng góp nhi u ý ki n quý báu cho lu n v n

Cu i cùng tác gi xin g i l i c m n chân thành t i gia đình, ban lãnh đ o Công ty C ph n t v n xây d ng Nông nghi p và Phát tri n nông thôn và Công ty TNHH m t thành viên u t phát tri n Th y L i Sông Nhu n i tác gi công tác, các đ ng nghi p và b n bè đã đ ng viên, t o m i đi u ki n thu n l i đ tác gi hoàn thành lu n v n

Tuy nhiên do th i gian nghiên c u c ng nh trình đ còn h n ch nên lu n

v n không th tránh kh i nh ng t n t i và thi u sót, tác gi r t mong nh n đ c m i

ý ki n đóng góp, trao đ i chân thành c a các th y cô và các quý v quan tâm Tác

gi r t mong nh ng v n đ còn t n t i s đ c tác gi phát tri n m c đ nghiên

c u sâu h n góp ph n đ a nh ng ki n th c khoa h c vào ph c v s n xu t

Hà N i, tháng 5 n m 2015

Tác gi

Bùi Anh Tu n

L I CAM OAN Tên tôi là Bùi Anh Tu n, tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên c u c a

riêng tôi Nh ng n i dung và k t qu trình bày trong lu n v n là trung th c và ch a

đ c ai công b trong b t k công trình nghiên c u nào

Hà N i, tháng 5 n m 2015

Tác gi

Bùi Anh Tu n

M C L C

M U 1

CH NG 1: T NG QUAN 3

1.1 T ng quan v tr m b m hi n nay 3

1.2 T ng quan v tr m b m chìm 6

1.3 M t s v n đ th ng g p ph i khi thi t k tr m b m 16

1.4 u, nh c đi m c a các lo i tr m b m 17

1.4.1 Các tr m b m truy n th ng 17

1.4.2 Các tr m b m chìm 17

CH NG 2:CÁC PH NG PHÁP NGHIÊN C U TR NG THÁI NG SU T – BI N D NG C A TR M B M CHÌM 19

2.1 Các ph ng pháp nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng 19

2.1.1 Các ph ng pháp nghiên c u 19

2.1.2 Ph ng pháp ph n t h u h n 19

2.2 Phân tích ng su t – bi n d ng c a công trình b ng ph ng pháp ph n t h u h n 22

2.2.1 C s lý thuy t 22

2.2.2 Tính k t c u theo mô hình t ng thích 23

2.3 Phân tích và l a ch n mô hình n n cho bài toán 29

2.3.1 Khái ni m v mô hình n n 29

2.3.2 Mô hinh n n bi n d ng c c b (mô hình n n Winkler) 30

2.3.3 Mô hình n n n a không gian bi n d ng tuy n tính 32

2.3.4 Mô hình l p không gian bi n d ng t ng th 35

2.4 Gi i thi u ph n m m Ansys 35

2.4.1 L ch s phát tri n 35

2.4.2 Kh n ng c a ph n m m Ansys 36

2.4.3 Các b c gi i bài toán b ng ph n m m Ansys 37

CH NG 3: NG D NG NGHIÊN C U TÍNH TOÁN TR NG THÁI NG SU T – BI N D NG C A TR M B M CHÌM 38

3.1 Gi i thi u chung v công trình tr m b m Xóm Cát, huy n ng Hòa, thành ph

Hà N i 38

3.1.1 M c tiêu đ u t c a d án 38

3.1.2 Quy mô và nhi m v c a d án 38

3.1.3 Các ch tiêu và thông s k thu t ch y u 38

3.1.4 V trí đ a lý và đ c đi m đ a hình vùng d án 41

3.1.5 c đi m đ a ch t vùng d án 41

3.2 S d ng ph n m m Ansys đ tính toán tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m Xóm Cát 44

3.2.1 B n v thi t k c t d c và m t b ng nhà tr m 44

3.2.2 Mô hình tính toán 46

3.2.3 i u ki n đ u vào c a bài toán 48

3.2.4 Tr ng h p tính toán 53

3.2.5 K t qu tính toán 54

3.3 Phân tích và nh n xét k t qu tính toán 61

3.3.1 K t qu tính toán 61

3.3.2 Nh n xét 61

K T LU N VÀ KI N NGH 62

1 K t lu n 62

2 Ki n ngh 63

TÀI LI U THAM KH O 65

DANH M C HÌNH V

Hình 1 1: S đ b trí h th ng các công trình tr m b m 4

Hình 1.2: Hình nh tr m b m Vân ình 5

Hình 1.3: Máy đ c l p đ t trong tr m b m Vân ình 5

Hình 1.4: Máy đ c l p đ t trong tr m b m Ngo i 2 6

Hình 1 5 Máy b m chìm ki u gi ng 11

Hình 1 6: Máy b m chìm tr c ngang 11

Hình 1 7: Máy b m chìm tr c đ ng 12

Hình 1 8: Lát c t máy b m chìm tr c đ ng 12

Hình 1.9: S đ t máy b m chìm l p t do có tr c d n h ng 12

Hình 1 10: S đ t máy b m chìm l p trong ng 12

Hình 1.11: Hình nh l p đ t máy b m c a tr m b m chìm Belmont – Australia 13

Hình 1.12: Hình nh tr m b m chìm 13

Hình 1.13: Hình nh ph i c nh tr m b m Phú M – B c Ninh 14

Hình 1.14: B n v c t d c thi t k tr m b m Phú M – B c Ninh 14

Hình 1.15: Hình nh ph i c nh tr m b m Hoàng Nguyên – Hà N i 15

Hình 1.16: B n v c t d c thi t k tr m b m Hoàng Nguyên – Hà N i 15

Hình 2 1: S đ gi i bài toán k t c u theo ph ng pháp PTHH 28

Hình 2 2: Mô hình n n 29

Hình 2 3: Mô hình n n Winkler 30

Hình 2 4: Bi n d ng c a n n Winkler và th c t 31

Hình 2 5: Phân b ng su t v i móng tuy t đ i c ng 32

Hình 2 6: khi d m tách kh i n n 32

Hình 2 7: Hình d ng lún c a n n là đ ng cong Hypecbol 33

Hình 2 8: Hình d ng lún c a n n là đ ng cong hàm s Logarit 34

Hình 2 9: Thi u xót c a Mô hình n n n a không gian bi n d ng tuy n tính 34

Hình 3 1: B n v thi t k c t d c nhà tr m 44

Hình 3 2: M t b ng nhà tr m 45

46

Hình 3 3: Mô hình không gian 3 chi u tr m b m Xóm Cát 46

Hình 3 4: Mô hình không gian 3 chi u tr m b m Xóm Cát 47

Hình 3 5: Mô hình tính toán và chia l i ph n t 48

Hình 3.6: Ph n t solid187 50

Hình 3.7: Ph n t link180 51

Hình 3.8: i u ki n biên đ i x ng 52

Hình 3.9: Chuy n v theo ph ng Ux (m) 54

Hình 3.10: Chuy n v theo ph ng Uy (m) 55

Hình 3.11: Chuy n v theo ph ng Uz(m) 55

Hình 3 12: Chuy n v t ng U (m) 56

Hình 3 13: ng su t Sx (T/m2) 56

Hình 3 14: ng su t Sy (T/m2) 57

Hình 3 15: ng su t Sz (T/m2) 57

Hình 3 16: ng su t chính S1 (T/m2) 58

Hình 3 17: ng su t chính S3 (T/m2) 58

Hình 3 18: Chuy n v theo ph ng Ux (m) 59

Hình 3 19: Chuy n v theo ph ng Uy (m) 59

Hình 3 20: Chuy n v theo ph ng Uz (m) 60

Hình 3.21: Chuy n v t ng U (m) 60

Hình 3.22: ng su t kéo chính và nén chính S1, S3(T/m2) 61

M t trong các bi n pháp kh c ph c v n đ trên là xây d ng nh ng h th ng công trình thu l i h p lý nh m đi u ti t, b o t n và phát tri n ngu n tài nguyên quý giá này Trên th c t đã xu t hi n các công trình nh các c ng đi u ti t; c ng

Ngày nay, các công trình th y l i không ch đ m b o m c tiêu an toàn và hi u

qu mà còn ph i quan tâm h n đ n v n đ th m m nh t là đ i v i các công trình

đ u m i nh h đ p, th y đi n, tr m b m, c u c ng, vùng đ ng b ng sông

H ng thì công trình đ u m i tr m b m t i, tiêu ngày càng phát tri n m nh, nhi u công trình đ c xây d ng v i quy mô l n và v n đ th m m c a công trình đang

d n đ c quan tâm, các công trình này không ch là m t công trình th y l i thông

th ng mà nó còn là đ a đi m tham quan du l ch, chính vì v y mà các công trình

nh tr m b m chìm đã ra đ i Tuy nhiên vi c nghiên c u v tr m b m chìm còn khá ít d n đ n g p nhi u khó kh n khi thi t k , xây d ng công trình

tài: “ Xác đ nh tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m chìm theo

mô hình không gian b ng ph ng pháp ph n t h u h n” có ý ngh a khoa h c

và th c ti n trong chi n l c phát tri n ngành th y l i và thúc đ y quá trình công nghi p hóa, hi n đ i hóa n n nông nghi p n c nhà

2 M c đích c a đ tài

Xác đ nh tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m chìm, qua đó đánh giá

đ c tác đ ng c a các b ph n công trình lên nhau Dùng làm tài li u tham kh o khi thi t k tr m b m chìm

3 Cách ti p c n và ph ng pháp nghiên c u

Ti p c n tr c ti p ho c gián ti p thông qua các t ch c, cá nhân khoa h c hay các ph ng ti n thông tin đ i chúng đ n m đ c t ng quan v tr m b m chìm và các ph ng pháp tính toán

T đó nh n th y r ng khi thi t k tr m b m chìm các ph ng pháp tính hi n nay còn t ng đ i đ n gi n, th ng là ch xét bài toán ph ng Vi c ch xét bài toán

ph ng ch a th đánh giá đ c h t tác đ ng c a các b ph n công trình v i nhau nên

th ng gây lãng phí v m t kinh t Vì v y v i đ tài “ Xác đ nh tr ng thái ng su t – bi n d ng c a tr m b m chìm theo mô hình không gian b ng ph ng pháp ph n

t h u h n” tác gi s gi i quy t đ c các nh c đi m v a nêu trên

Thu th p, phân tích đánh giá các tài li u liên quan, các quy ph m h ng d n tính toán k t c u t đó đ a ra ph ng pháp nghiên c u tính toán tr ng thái ng su t

c a tr m b m chìm

Ph ng pháp nghiên c u lý thuy t k t h p v i đúc rút kinh nghi m th c t ,

d a trên ch d n tính toán c a các quy trình quy ph m, s d ng mô hình toán và các

CH NG 1: T NG QUAN 1.1 T ng quan v tr m b m hi n nay

N c có vai trò không th thi u đ i v i cu c s ng c a con ng i, mà s phân b c a n c không đ ng đ u trên b m t trái đ t nên mu n s d ng n c con

ng i luôn ph i tìm cách khai thác n c ta, t đ i x a do yêu c u c p thi t c a

s n xu t và đ i s ng , ông cha ta đã bi t dùng các d ng c đ n gi n đ đ a n c lên

đ ng ru ng, đó là các lo i g u sòng, g u giai, gu ng, xe n c

Ngoài các công c t i t p đ n gi n nh trên thì trong th i k Pháp thu c

m t s n i c ng đã dùng máy b m n c đ t i ru ng Ta có th k đ n tr m b m

S n Tây b t đ u xây d ng t n m 1928 đ n n m 1932 hoàn thành, l p 3 máy b m

ly tâm tr c đ ng ch y b ng đ ng c d u, l u l ng vào kho ng 9m3

/s, ngoài ra n m

r i rác các huy n Nam àn, H ng Nguyên t nh Ngh An và Lâm Thao, S n

C ng, V nh Phúc c ng có các tr m b m t 1 đ n 4 máy nh ng đ u ch y b ng

đ ng c d u Sau Cách m ng Tháng 8, nhi u tr m b m đ c xây d ng và khôi ph c

l i, các máy móc m i đ u nh p t Liên Xô (tr tr m b m S n Tây)

Ngày nay máy b m và các công trình tr m b m đ c dùng r t r ng rãi trong

đ i s ng và các ngành kinh t qu c dân Trong công nghi p, máy b m đ c dùng

đ cung c p n c cho các lò cao, h m m , nhà máy b m d u trong công nghi p khai thác d u m Trong k ngh ch t o máy bay, trong nhà máy đi n nguyên t

và ngay c k ngh ch t o tên l u v tr c ng có dùng các lo i máy b m Trong

đ i s ng máy b m dùng c p n c s ch cho nhu c u n u ng c a con ng i, gia súc Riêng vi c dùng máy b m đ b m t i và tiêu úng ph c v nông nghi p là r t

M t h th ng công trình c a tr m b m th ng bao g m các b ph n nh hình1.1, tùy thu c vào v trí, đ a hình, nhi m v c a t ng h th ng mà s có hay không có m t b ph n nào đó:

d n ho c xi phông Trên công trình d n có th có b l ng cát 3, n u có lu n ch ng

th a đáng;

- B t p trung n c 4 n m tr c nhà máy b m, nó có nhi m v n i ti p

đ ng d n v i công trình nh n n c (B hút) c a nhà máy sao cho thu n dòng;

- Công trình nh n n c 9 (B hút) l y n c t b t p trung và cung c p n c cho ng hút ho c ng t ch y vào máy b m;

- Nhà máy b m 5, đây là n i đ t các t máy b m và các thi t b ph c đi n;

- ng ng áp l c ( ng đ y) 6, đ a n c t máy b m lên công trình tháo 7;

- Công trình tháo 7 (B x ) nh n n c t ng đ y, làm n đ nh m c n c, phân ph i n c cho kênh d n 8 ho c công trình nh n n c

- Tr m b m Ngo i 2: Thu c huy n ng Hòa, thành ph Hà N i Tr m

b m g m 05 t máy b m h n l u tr c đ ng, l u l ng m i t máy là 22.000 m3/h

Hình 1.4: Máy đ c l p đ t trong tr m b m Ngo i 2

- Nông nghi p thu l i: ph c v l y n c t i - tiêu, r t c đ ng khi áp d ng

t i các sông ngòi n i có đ chênh l n v m c n c gi a mùa m a và mùa khô

- B m dùng cho các công trình bi n, dàn khoan d u, các c ng bi n; l y n c

bi n vào trong các đ m, tr i nuôi tr ng thu s n và các khu công nghi p s n xu t

mu i do b m đ c ch t o b ng v t li u đ c bi t có các l p áo b o v đ ch ng l i s

n mòn cao trong n c m n, tr c và bánh xe công tác đ c làm b ng thép không r

- L y n c thô t sông, su i, h cho các nhà máy x lý n c s ch, c p n c sinh ho t và c p n c cho các khu vui ch i gi i trí

- i u ti t l v i các tr m b m tiêu có công su t l n

- Tháo khô h móng t i các công tr ng xây d ng c u đ ng, xây d ng nhà máy Tháo khô s a ch a tàu bi n Hút bùn trong đ ng h m tuy-nen, n o vét,

kh i thông lu ng l ch t i các c ng sông, bi n

- Công tác tháo khô t i các m khoáng s n l thiên và h m lò

Nhi u hãng trên th gi i đã đ u t nghiên c u sâu v nâng cao tu i th , đ

b n, kh n ng làm vi c theo nguyên lý t đ ng hóa c a thi t b c ng nh nâng cao

ly tâm, dòng chéo và h ng tr c (k c tr c ngang và tr c đ ng) v i c u t o g i đ

ch u l c, h th ng làm kín c gi i, bôi tr n và làm mát Lý thuy t tính toán đang

đ c hoàn thi n và phát tri n Nói chung lý thuy t tính toán ph n d n dòng máy

b m chìm không có gì quá khác bi t so v i tính toán d n dòng các b m cánh d n thông th ng Tuy nhiên, do đ c đi m đ t chìm trong môi tr ng ch t l ng (có th

là n c s ch, ch t l ng th i, hóa ch t, n c bùn cát v i nhi t đ khác nhau) hay trong đi u ki n th c t khác nhau nh b m t các gi ng khoan sâu vài tr m mét (b m gi ng sâu), b m n c ph c v làm mát các nhà máy đi n nguyên t , b m chìm ph c v cho công tác khai thác d u khí s đòi h i các ph ng pháp tính toán

đ c bi t khác nhau v i nh ng l u ý đ c thù

Các b m chìm ph c v cho nông nghi p và thoát n c th i lo i bình th ng (đ xít th p, kích th c các v t c ng trong n c th i không quá l n ) s cho phép

s d ng lo i b m chìm ki u cánh d n truy n th ng và ph n tính toán lý thuy t s

đ n gi n h n nhi u so v i b m chìm ph c v các m c đích đ c bi t đã nêu

Các n c ASEAN và Châu Á đã có nhi u liên doanh, liên k t v i các Hãng

b m l n trên th gi i trong nghiên c u, thi t k và ch t o các ki u b m chìm v i các lo i công su t khác nhau và đ t k t qu t t Rút kinh nghi m các n c công nghi p phát tri n, các n c ASEAN và Châu Á c ng s d ng r t r ng rãi các máy

b m chìm, đ u t cho nghiên c u, thi t k và ch t o các lo i b m chìm ph c v

n i tiêu và xu t kh u đ t hi u qu cao Nguyên nhân d n đ n tình hình trên là do tính u vi t c a tr m b m chìm: công trình tr m đ n gi n, r t phù h p v i các vùng

có s thay đ i m c n c nhi u, nhanh, đ t ng t và đ c bi t là không gây ti ng n Ngoài ra, b m chìm cho phép s d ng v i m c đ t đ ng hóa cao r t thu n l i khi

l c l ng lao đ ng ít

T i Vi t Nam, máy b m chìm công su t l n, c t áp cao d ng b m gi ng sâu c p n c cho các khu dân c ph c v đ i s ng dân sinh ho c các nhà máy, xí nghi p đã đ c s d ng Vi t Nam t nh ng n m 1960-1970 Các máy b m chìm

ki u gi ng sâu l u l ng nh , c t áp cao th ng nh p n c ngoài (Nga, Bungary,

C ng hòa Séc ) Cho đ n nay, máy b m chìm s d ng Vi t Nam ph c v t i tiêu trong nông nghi p còn quá ít (ch a quá 100 t máy các lo i) v i công su t N = 10-320KW Nguyên nhân chính d n đ n tình tr ng trên là do giá thành các b m chìm quá cao trong khi giá tr s n ph m nông nghi p th p, ngu n v n ngân sách Nhà n c l i h n ch Ngoài ra, b n thân các nhà qu n lý, nh ng ng i khai thác máy b m và tr m b m ch a đ c chu n b đ y đ ki n th c cho vi c ti p nh n lo i máy b m này nh m đ t hi u qu cao B Nông nghi p và Phát tri n nông thôn đã

b t đ u chú ý nh p các b m chìm ki u ly tâm, dòng chéo và h ng tr c m t c p công su t l n Nmax = 320KW, l u l ng l n Qmax = 16.000 m3/h ph c v t i tiêu trong nông nghi p t các n c: Th y i n, c, n , Hàn Qu c, Sau m t s

n m đ a vào s d ng trong th c t , có th rút ra m t s k t lu n v máy b m chìm: các máy b m chìn làm vi c t t, n đ nh; công trình tr m r t đ n gi n, đ c bi t phù

h p và hi u qu đ i v i vùng sông h có s thay đ i m c n c nhi u và nhanh đ t

ng t Kinh nghi m c ng ch rõ ch t l ng máy c a m i n c có khác nhau Các thi t b máy b m chìm c a Th y i n, Hungary, c đ c đánh giá cao còn các máy b m chìm c a Hàn Qu c có k t c u đ n gi n h n nh ng c n chú ý đ n m t s

nh c đi m khi s d ng

Tuy v y, nh ng n m qua c ng th y rõ nhi u v n đ t n t i đ i v i ngành ch

t o máy b m B m chìm công su t l n, l u l ng l n ph c v nông nghi p và thoát

n c th i còn quá m i m đ i v i Vi t Nam, k c cán b k thu t chuyên ngành máy th y khí đ n cán b qu n lý, l p đ t và s d ng hay công nhân v n hành, s a

ch a, H u nh ch a có tài li u k thu t nào v b m chìm chính th c đ c công

b và ph bi n m t cách bài b n có tính pháp quy, m c dù s l ng và ch ng lo i máy b m chìm đ c nh p kh u và s d ng Vi t Nam là r t đáng k (hàng ngàn t máy các lo i) Nhi u công ty khai thác n c ng m ch y u ch quan tâm đ n tính toán l a ch n các b m gi ng sâu và nh p kh u máy c a n c ngoài

B Nông nghi p và phát tri n nông thôn đã giao cho T ng công ty c đi n nông nhi p và th y l i nghiên c u và ch u trách nhi m l p đ t h u h t các t máy

b m chìm có công su t l n (Nmax=320 KW, Qmax = 16.000 m3/h) do B nh p kh u

c a n c ngoài ph c v t i tiêu trong nông nghi p T ng công ty đã hoàn thành t t nhi m v nghiên c u tài li u v b m chìm, đ ng c chìm và các thi t b đi u khi n kèm theo; đã nghiên c u các quy trình công ngh l p đ t máy b m chìm c l n và

tr c ti p ti n hành l p đ t b m chìm đ t k t qu t t T ng công ty c ng nghiên c u, thi t k , ch t o các ph tùng nh m b o d ng, s a ch a, thay th các chi ti t b m chìm nh p ngo i b h h ng nh m đ m b o cho t t c các máy b m ho t đ ng bình

th ng không c n s can thi o c a chuyên gia n c ngoài

Hi n nay, trong nông nghi p đang s d ng các máy b m h ng tr c, ly tâm và dòng chéo ki u tr c ngang, tr c đ ng và tr c đ t nghiêng v i các thông s công su t

đ ng c đi n r t ph bi n (N = 0,15 - 650KW, s vòng quay n = 300 - 2900v/phút)

V i các máy b m chìm và đ ng c chìm đ c thi t k và ch t o trong n c

ch c ch n s h giá thành s n ph m t máy và cho phép ch đ ng cung c p thi t b ,

ph tùng thay th ây là gi i pháp t i u nh t đ áp d ng r ng rãi các máy b m chìm vào s n xu t ph c v nông nghi p c ng nh các ngành kinh t khác Ngoài ra, đây c ng là bi n pháp c n thi t phát huy n i l c Vi t nam, góp ph n làm gi m kinh phí nh p kh u, t ng ngo i t xu t kh u, nhanh chóng hòa nh p vàp AFTA trong th i gian t i, đ c bi t là tham gia vào vi c th c hi n các D án xây l p các tr m b m chìm theo ngu n v n c a Ngân hàng th gi i WB2, ADB và ODA

V a qua, Trung tâm nghiên c u, t v n c đi n và xây d ng (REMECO) thu c T ng công ty C đi n xây d ng Nông nghi p và Th y l i (AGRIMECO) đã

đ c B Khoa h c và Công ngh giao cho th c hi n 02 đ tài nghiên c u khoa h c

c p Nhà n c theo Ngh đ nh th v i n c ngoài v "H p tác nghiên c u ch t o máy b m chìm công su t l n ph c v t i tiêu trong nông nghi p" (n m 2001-2002) và "H p tác nghiên c u ch t o đ ng c đi n chìm N = 37 KW l p v i máy

b m chìm cho nông nghi p" (n m 2003-2004), 02 d án s n xu t th nghi m c p Nhà n c v thi t k , ch t o các máy b m chìm ki u ly tâm, h n l u và h ng tr c

k c ch t o đ ng c đi n chìm công su t N ≤ 75 KW c ng nh thi t k , xây d ng các tr m l p máy b m chìm Hàng lo t máy b m chìm đã đ c ch t o và áp d ng vào s n xu t đ t k t qu t t

Tóm l i, máy b m chìm là thi t b c đi n thu c lo i công ngh cao đã đ c

s d ng v i s l ng không nh và đang có nhu c u r t l n đ i v i nhi u ngành,

đ c bi t đ i v i nông nghi p và thoát n c th i Tuy nhiên, có th kh ng đ nh r ng,

v l nh v c máy b m chìm, Vi t Nam đã b t t h u khá xa so v i các n c trong khu v c (Singapor, Thái Lan, Malayxia, Indônêxia) v hi u bi t chuyên sâu trong lý thuy t tính toán thi t k , công ngh ch t o, quy trình công ngh v l p đ t, v n hành khai thác qu n lý và s a ch a máy b m chìm, các ki n th c v k t c u các lo i máy b m chìm và các ki u công trình tr m l p đ t máy b m chìm, có quá ít các tài

li u thông tin, các tài li u k thu t; ch a quan tâm đ y đ đ n công tác b i d ng đào t o chuyên ngành v b m và tr m l p b m chìm đ i v i các cán b k thu t,

qu n lý, công nhân lành ngh v ch t o, l p đ t, s a ch a b m chìm

* M t vài hình nh v máy b m chìm và s đ tr m b m chìm:

Hình 1 5 Máy b m chìm ki u gi ng

Hình 1 6: Máy b m chìm tr c ngang

Belmont – Australia

- Tr m b m Phú M – B c Ninh: Thu c huy n Thu n Thành, t nh B c Ninh

công trình đang đ c đ u t xây d ng Tr m b m g m 05 t máy b m chìm tr c

đ ng L u l ng m i t máy là 9.500 m3/h, c t n c b m 7,15m

Hình 1.13: Hình nh ph i c nh tr m b m Phú M – B c Ninh

Hình 1.14: B n v c t d c thi t k tr m b m Phú M – B c Ninh

- Tr m b m Hoàng Nguyờn – Hà N i: Thu c huy n Phỳ Xuyờn, thành ph Hà

N i Tr m b m g m 03 t mỏy b m chỡm tr c đ ng L u l ng m i t mỏy là

2.165 m3/h

Hỡnh 1.15: Hỡnh nh ph i c nh tr m b m Hoàng Nguyờn – Hà N i

3 4 5

5 5

1 2 3 4 5

ký hiệu địa chất

5 1

2

3 4

5

5 4

4 3

3 2

2

Hỡnh 1.16: B n v c t d c thi t k tr m b m Hoàng Nguyờn – Hà N i

- Nh ng nguyên nhân gây ra:

+ i u tra, thu th p thi u tài li u v th y v n công trình

+ Tính toán sai ch đ th y l c dòng ch y

+ Thiên nhiên di n bi n ngày càng ph c t p không theo quy lu t, lu ng l ch

d n n c thay đ i theo th i gian

+ Khi thi t k các tr m b m không tính lún, khi x y ra lún m i tính ki m tra

ho c ch tính lún c a tr m b m không tính lún c a b hút, b x Gian t đi n, gian

đi u hành là nh ng b ph n không x lý n n ho c x lý n n ch b ng đ m cát nh t

là các tr m b m có đ a ch t r t x u không x lý n n tri t đ

+ Ch a tính đ n nh h ng c a l p đ t đ p sau t ng bên c a b x

+ Không x lý b ng cùng m t bi n pháp t ng x ng ho c do s c k t c a ph n

đ t ti p xúc v i b ph n công trình làm phát sinh l c nén tác đ ng vào công trình

+ Thi t k bi n pháp tiêu n c h móng không thích h p

+ Thi công bi n pháp tiêu n c h móng không t t, làm h ng s c k t c a đ t

n n công trình

+ Thi công bi n pháp x lý n n ch a đ m b o ch t l ng và không theo đúng

đ án thi t, đ ch i ch a đ t đ ch i thi t k

+ c bi t, không gian ki n trúc khu đ u m i ch t h p, xây d ng tr m b m

m i đ s bên c nh tr m b m c và gi ng nhau v ki n trúc là không phù h p c nh quan;

- u đi m:

+ K t c u nhà tr m ch có 01 t ng b m nên g n nh và có tính n đ nh cao

h n trên n n đ a ch t y u, đ c bi t t o đ c m t b ng không gian ki n trúc cho khu

v c đ u m i Di n tích dành xây d ng nhà tr m nh (ho c không có), cho nên kinh phí xây d ng và l p đ t cho lo i b m chìm gi m đáng k : vì b m đ c th chìm

xu ng n c, không c n nhà tr m, ch y u ch là xây b hút, d n đ n ti t ki m khá nhi u ti n v n đ u t cho xây l p (kho ng 40-60% so v i các tr m b m tr c ngang,

tr c đ ng l p đ t khô thông th ng khác)

+ Tr m b m chìm không c n các thi t b ph tr nh van, đ ng h đo áp l c

đ ng ng, h th ng đ ng ng đ y ph c t p

th so v i các lo i b m thông th ng khác

+ Tu i th c a máy b m chìm cao, vì tr c ng n, không có hi n t ng rung,

l c và h n n a đ đ ng tâm hoàn toàn chính xác gi a tr c đ ng c , tr c truy n và bánh xe công tác d n đ n các vòng bi c a máy b m b n, th i gian s d ng vòng bi thông th ng là 10.000 gi t i 15.000 gi Ví d , m t tr m b m t i, hay l y n c thô v n hành kho ng 1.500 t i 2.000 gi /n m thì sau kho ng 7 - 8 n m m i ph i thay vòng bi

+ D l p đ t và v n hành, công tác b o d ng đ n gi n, th i gian b o d ng máy đ nh k th ng 2 - 3 n m m t l n, do v y c ng ti t ki m đ c kho ng 75 % chi phí trong công tác qu n lý (ti t ki m th i gian do máy móc hi n đ i, h s an toàn c a tr m b m cao), v n hành, thao tác đ n gi n, gi m s công nhân v n hành -

d n đ n ti t ki m nhân công

+ Khi v n hành máy b m không ph i m i n c B m đ c phép ch y 24/24

gi liên t c vì là b m chìm trong n c nên đ c làm mát b i chính môi tr ng

n c Khi b m ch y không gây ra ti ng n

+ R t an toàn trong các công trình tr ng đi m, mang tính qu c gia

- Nh c đi m

+ Giá thi t b thay th khá cao so v i các dòng b m khác s n xu t trong n c + B o d ng đòi h i công nhân ph i có trình đ tay ngh cao

CH NG 2: CÁC PH NG PHÁP NGHIÊN C U TR NG THÁI NG SU T –

BI N D NG C A TR M B M CHÌM 2.1 Các ph ng pháp nghiên c u tr ng thái ng su t – bi n d ng

đ c s d ng vì công c toán h c còn ch a phát tri n Vào cu i nh ng n m 1960,

ph ng pháp này đ c bi t phát tri n nh vào s phát tri n nhanh chóng và d d ng

r ng rãi c a máy tính đi n t n nay có th nói r ng ph ng pháp ph n t h u

h n đ c coi là ph ng pháp có hi u qu nh t đ gi i các bài toán c h c v t r n nói riêng và các bài toán c h c môi tr ng liên t c nói chung nh các bài toán th y khí l c h c, bài toán v t tr ng và đi n tr ng v.v

M t trong nh ng u đi m n i b t c a ph ng pháp ph n t h u h n là d

dàng l p ch ng trình đ gi i trên máy tính, t o đi u ki n thu n l i cho vi c t đ ng hóa tính toán hàng lo t k t c u v i nh ng kích th c, hình d ng, mô hình v t li u

và đi u ki n biên khác nhau

Ph ng pháp ph n t h u h n c ng là ph ng pháp s b i l nó không tìm nghi m d i d ng các bi u th c gi i tích đóng mà l các t p h p s t i m t s đi m trong mi n nghiên c u

Ph ng pháp ph n t h u h n c ng thu c lo i bài toán bi n phân, song nó khác v i các ph ng pháp bi n phân c đi n nh ph ng pháp Ritz, ph ng pháp Galerkin… ch nó không tìm d ng hàm x p x c a hàm c n tìm trong toàn mi n nghiên c u mà ch ch trong t ng mi n con thu c mi n nghiên c u đó i u này đ c

bi t thu n l i đ i v i nh ng bài toán mà mi n nghiên c u g m nhi u mi n con có

nh ng đ c tính c lý khác nhau, ví d nh bài toán phân tích ng su t trong đ p, trong n n không đ ng ch t, bài toán th m qua đ p v t li u đ a ph ng…

Trình t gi i bài toán b ng ph ng pháp ph n t h u h n:

 B c 1:

Chia mi n tính toán thành các mi n nh g i là các ph n t Các ph n t này

đ c n i v i nhau b i m t s h u h n các đi m nút Các đi m nút này có th là đ nh

c a các ph n t , c ng có th là m t s đi m đ c quy c trên m t (c nh) c a ph n t

Thông th ng các hàm này đ c gi thi t là nh ng đa th c nguyên mà các

h s c a đa th c đ c g i là các thông s Trong ph ng pháp ph n t h u h n, các thông s này đ c bi u di n qua các tr s c a hàm và có th là c các tr s c a các đ o hàm c a nó t i các đi m nút c a ph n t

Tùy theo ý ngh a c a hàm x p x mà trong các bài toán k t c u ta th ng chia

ra làm 3 lo i mô hình:

- Mô hình t ng thích: ng v i mô hình này ta bi u di n g n đúng d ng

phân b c a chuy n v trong ph n t H ph ng trình c b n c a bài toán s d ng

mô hình này đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Lagrange

- Mô hình cân b ng: ng v i mô hình này ta bi u di n g n đúng d ng phân

b ng su t ho c n i l c trong ph n t H ph ng trình c b n c a bài toán s

d ng mô hình này đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Castigliano

- Mô hình h n h p: ng v i mô hình này bi u di n g n đúng d ng phân b

c a c chuy n v l n ng su t trong ph n t Ta coi chuy n v và ng su t là hai y u

t đ c l p riêng bi t H ph ng trình c b n c a bài toán s d ng mô hình này

đ c thi t l p trên c s nguyên lý bi n phân Reissner-Hellinger

Nh đã nêu trên, các hàm x p x th ng đ c ch n d i d ng đa th c nguyên D ng c a đa th c này đ c ch n nh th nào đó đ bài toán h i t , có ngh a là đa th c c n ph i ch n nh th nào đó đ khi t ng ph n t lên khá l n thì

k t qu tính toán s ti m c n t i k t qu chính xác

Hi n nay, mô hình t ng thích đ c s d ng r ng rãi h n so v i hai mô hình còn l i

 B c 3:

Thi t l p h ph ng trình c b n c a bài toán

thi t l p h ph ng trình c b n c a bài toán gi i b ng ph ng pháp ph n

t h u h n ta d a vào các nguyên lý bi n phân T các nguyên lý bi n phân ta rút ra

đ c h ph ng trình đ i s tuy n tính d ng:

tr ng nh lý thuy t truy n nhi t, c h c ch t l ng

+ Có kh n ng gi i đ c bài toán có xét đ n nh h ng bi n d ng ban đ u, tính d h ng c a n n, xét đ n n n có xét t i các l p xen k p, đ t g y, các bài toán

Ph ng pháp ph n t h u h n thu c lo i bài toán bi n phân, song nó khác

v i các ph ng pháp bi n phân c đi n nh ph ng pháp Ritz, ph ng pháp Galerkin… ch nó không tìm d ng hàm x p x c a hàm c n tìm trong toàn mi n xác đ nh mà ch trong t ng mi n con thu c mi n xác đ nh đó i u này đ c bi t

thu n l i đ i v i nh ng bài toán mà mi n xác đ nh g m nhi u mi n con có nh ng

Gi thi t t i m t đi m nào đó trong ph n t e có chuy n v đ c bi u di n

b ng hàm f(x,y), ta x p x hàm này b ng đa th c nguyên:

T (2-4) gi i ra ta đ c : αe = Ae-1 x Ue (2-5) Thay (2-5) vào (2-2) đ c:

v nút c a ph n t ph i n m trong các thành ph n c a véc t chuy n v nút c a toàn

k t c u Nói cách khác, ta có th bi u di n m i quan h này b ng m t bi u th c toán

h c nh sau :

Ue = Le x ∆ (2-9) trong đó : Le - Là ma tr n đ nh v c a các ph n t e có kích th c ndxn, nó cho ta hình nh cách s p x p các thành ph n c a Ue vào trong ∆

Các ph n t Le ch nh n hai tr s là 0 và 1:

Lij=0 n u Uei ≠ ∆j

Lij=1 n u Uei = ∆j

Nh v y, s d ng ma tr n Le có th s p x p các thành ph n véc t chuy n v nút c a ph n t (chuy n v cá th ) vào véc t chuy n v nút c a toàn k t c u (chuy n v toàn th ) Nói cách khác là s d ng ma tr n đ nh v ta có th bi u di n véc t chuy n v cá th qua véc t chuy n v toàn th

 B c 4: M i liên h gi a bi n d ng và chuy n v

G i ε là véc t bi n d ng, thì ta có m i liên h gi a bi n d ng và chuy n v

nh sau :

ε = ∂f (2-10) trong đó : ∂ là ma tr n toán t vi phân

Theo nguyên lý c c ti u th n ng, gi s v t th có th tích V cân b ng d i

tác d ng c a các l c th tích P và l c b m t q trên b m t S, khi đó th n ng toàn

ph n c a k t c u có d ng:

T T

V

qdS U PdV U dV

σε

e e T e e

T e V

2

1

S

e T e T e V

e T e T e e

e T e T e V

T e V

e

e e T e T ne

e

1 1

1π

e e e e

=

=∑ - là ma tr n c ng c a toàn k t c u

e

ne e

T

e F L

gi i h ph ng trình trên thì m t yêu c u r t quan tr ng là ma tr n đ

c ng K không đ c suy bi n, ngh a là det(K) ≠ 0 đáp ng đ c yêu c u này khi

gi i ta có th x lý b ng đi u ki n biên V i bài toán tính toán k t c u, khi đã x lý

đi u ki n biên thì đi u ki n trên đ ng nhiên th a mãn

Hình 2 1: S đ gi i bài toán k t c u theo ph ng pháp PTHH

Gi thi t f=Me*α = Ne*Ue

F = ∑ Le*Fe

Ue = Le*∆

e S

e V

e

e pdV N qdS N

Fe

e e

∫

=

e e V

T

e DB dV B

Ke e

2.3 Phân tích và l a ch n mô hình n n cho bài toán

Ta xét m t móng d m nh hình sau, d i tác d ng c a t i tr ng ngoài q(x) móng d m b u n và đ võng c a móng w(x) đ c xác đ nh b ng ph ng trình vi phân trong môn s c b n v t li u :

EJ 4

4)(

dx

x w d

= q(x) –p(x) x

x

p(x) (x)

Hình 2 2: Mô hình n n

Ph ng trình ch a hai hàm s ch a bi t là w(x) và p(x) Ch riêng m t ph ng trình đó thì bài toán không th gi i đ c i u đó có ngh a là bi n d ng c a d m và

n i l c c a nó không ch ph thu c vào t i tr ng ngoài và đ c ng c a b n thân

d m mà còn ph thu c vào bi n d ng c a n n n a

gi i đ c ph ng trình trên c n d a vào đi u ki n móng và n n cùng làm vi c, chúng luôn ti p xúc v i nhau, ngh a là đ võng c a d m b ng đ lún c a n n w(x)=s(x)

ng th i ng i ta ph i dùng m t mô hình c h c nào đó đ mô t tính bi n d ng c a

n n, trên c s mô hình y rút ra m i quan h gi a ph n l c n n p(x) và đ võng c a

d m w(x) ho c đ lún c a n n s(x) Mô hình c h c nh v y g i là mô hình n n

Trong th c t tính toán th ng hay s d ng nh ng mô hình n n nh sau :

- Mô hình n n bi n d ng c c b (mô hình n n Winkler)