tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất

Điềunàyđược sử dụng chophân tíchcủacác dao độngtrong một cấu trúcthời giancủa trận động đất.Kiến trúc sư và kỹ sưchạymô phỏngsử dụng mô hìnhvà bàn rungđể kiểm tratính toàn vẹn củacác tòa

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHÚC

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN PHÚC

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BÀN RUNG PHỤC VỤ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN ĐỨC HUYNH

Tp Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2014

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: NGUYỄN VĂN PHÚC Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 1983 Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 88/15/30, KP Vĩnh Thuận, P.Long Bình, Q9,TP Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0902298133 Fax:

Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Lý thuyết cơ sở (Sức bền vật liệu), lý thuyết chuyên môn (Nguyên lý cắt gọt kim loại)

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:

Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hệ thống điều khiển tự động, Kỹ thuật lập trình PLC, CAD/CAM (proengineer)

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:

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 12 tháng 04 năm 2014

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Phúc

CẢM TẠ

Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng và Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Phan Đức Huynh, dù rất bận rộn với công việc giảng dạy nhưng thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã động viên, khuyến khích trong suốt quá trình nghiên cứu

ABSTRACT

Recent industrial progress and computation technology made it possible to construct more complex structures.Vibration of these structures due to seimic strength must be measured and proved to prevent them from damage when they are subjected to earthquake.However ,the accuracy of estimating the effect of vibrating structures is limited by the mathematical models,which are normally simplified from the actual complex structures

The main purpose of this study is to obtain the design specifications three degree of free hydraulic shaking table with medium loading,which can function primarily as an earthquake simulator and dynamic structural testing apparatus.The project employs a three stage electrohydraulic servovalve actuator system complete with hydraulic system as the power and drive unit.Mathematical model for closed loop control experimentation was presented and used investigate the fluence of various parameters on the overall system

The investigation includes the study on effect of controller gain setting,disturbances and system stability.Time domain analysis using computer simulation was conducted to explain and predict the system of response

MỤC LỤC

TRANG

TRANG TỰA

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

CẢM TẠ iv

TÓM TẮT v

ABSTRACT vi

MỤC LỤC viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG xii

DANH SÁCH CÁC HÌNH xiii

Chương 1:TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 5

Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

2.1.1 Giới thiệu: 7

2.1.2 Độ lớn và cường độ của động đất 8

2.1.3 Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất 9

2.1.4 Phân tích miền thời gian sự vận động mặt đất của động đất 10

2.2 Thiết kế các bước của vòng lặp thủy lực 11

Chương 3:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THỰC TẾ 15

3.1 Giới thiệu 15

3.2 Xác định lực động tác dụng lên bộ dẫn động 16

3.3 Xác định kích thước nhỏ nhất cho đường kính pittong 17

3.4 Xác định lưu lượng tại các tần số khác nhau: 19

3.5 Lựa chọn ống mềm thủy lực linh hoạt (dẻo) 22

3.6 Lựa chọn dung dịch thủy lực 23

3.7 Tính toán công suất lý thuyết của máy bơm 23

3.8 Lựa chọn máy bơm 25

3.9 Lựa chọn motor 26

3.10 Thiết kế bồn chứa nước thủy lực 26

3.11 Lựa chọn bộ dẫn động cho đường hút 27

3.12 Vị trí bộ lọc 27

3.13 Hệ thống làm lạnh 28

3.14 Kết cấu bàn rung và bộ dẫn động 28

3.15 Các thông số kĩ thuật cuối của hệ thống thiết kế 29

3.16 Tóm tắt 30

Chương 4:HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3 BIẾN (TVC) 32

4.1 Hàm truyền của bộ điều khiển 3 biến(TVC): 32

4.1.1Bộ điều khiển 3 biến TVC 32

4.1.2Bộ phát tham chiếu G R : 33

4.1.3Bộ hồi tiếp: 34

4.1.6Bộ lọc lực hồi tiếp thông thấp: 36

4.2.1Hàm truyền mạch kín: 40

Chương 5:TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC 43

5.1 Phân tích tổng quan về van Servo thủy lực: 43

5.1.1 Phương trình lưu lượng tải: 47

5.2Van servo trên hệ thống và tiêu chuẩn về dạng sóng không xác định tối thiểu: ……….52

5.3 Bộ truyền động một đầu: 55

5.4 Mô hình bộ tích trữ: 57

Chương 6:MÔ HÌNH LẮP RÁP 2D CỦA BÀN RUNG 58

6.1 Giới thiệu: 58

6.2 Ma trận khối lượng của mặt phẳng bàn rung: 61

6.3 Lực tác dụng của piston thủy lực: 62

6.4 Lực lò xo đứng: 63

6.5 Lực lò xo theo phương ngang: 65

6.7 Lực ma sát Coulomb: 68

6.8 Phản lực do mẫu thí nghiệm: 70

6.9 Thể hiện chi tiết phương trình chuyển động: 71

6.10 Phương trình chuyển động tuyến tính của hệ thống khung trượt 2 tầng: ……….72

Chương 7 :HỆ THỐNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN RUNG 76

7.1 Hàm truyền tuyến tính của hệ thống mạch hở và mạch kín của bàn rung: ……….76

7.1.1Hàm truyền cho hệ thống mạch hở của bàn rung: 76

7.1.2Hàm truyền mạch kín: 83

7.2Tương tác giữa bộ điều khiển -bàn phẳng- kết cấu: 83

7.2.1Bộ điều khiển ba giá trị: 84 7.3Ảnh hưởng của các hệ số khuếch đại của bộ TVC trên hàm truyền mạch kín: 89

Chương 8:MÔ PHỎNG BÀN RUNG 95

8.1 Bộ điều khiển 3 biến TVC: 95

8.2 Van Servo: 96

8.3 Bồn chứa: 96

8.4 Bộ truyền động: 97

8.5 Bàn rung: 98

8.6 Hệ thống bàn rung tổng thể: 98

8.7 Các thông số tính toán tiến hành mô phỏng 99

8.8 Kết quả: 102

Chương 9KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 105

9.1 Kết luận: 105

9.2 Hướng phát triển: 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 107

PHỤ LỤC A 107

PHỤ LỤC B 109

PHỤ LỤC B 110

PHỤ LỤC C 111

PHỤ LỤC E 113

PHỤ LỤC F 114

PHỤ LỤC G 115

PHỤ LỤC K 119

PHỤ LỤC L 120

PHỤ LỤC M 121

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Mối quan hê ̣ Gia tốc – đô ̣ lớn 9

Bảng 3.1: Lưu lươ ̣ng cực đa ̣i ta ̣i các hành trình thay đổi và tần số 100 Hz 21

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của bàn rung 30

Bảng 7.1: Các thông số của bộ điều khiển ba biến TVC 93

Bảng 7.2: Các thông số của bộ lọc 93

Bảng 7.3 : Thông số của bộ TVC tiến hành khảo sát sự thay đổi 94

Bảng 8.1: Bảng các thông số khi tiến hành mô phỏng 101

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Sóng địa chấn, sóng P và S [5] 7

Hình 2.2: Thành phần quan trọng sử dụng trong động đất [5] 8

(a) Hình học (b) Truyền sóng 8

Hình 2.3: Đáp ứng phổ của trận động đất El Centro năm 1940 10

Hình 2.4: Mẫu sự chuyển di ̣ch đô ̣ng đất trong miền thời gian được phân tích 11

Hình 3.1: Pha đẩy ra và rút về của bô ̣ dẫn đô ̣ng [8] 13

Hình 3.2: Thể hiện sự vận hành của van xả an toàn[10] 15

Hình 4.1: Mô hình bàn rung 16

Hình 4.3: Hê ̣ thống dao dô ̣ng của lò xo 20

Hình 4.5: Lưu lươ ̣ng và tần số ta ̣i hành trình 10.16 cm 21

Hình 4.6: Xylanh 2 ti tác đô ̣ng kép được cho ̣n 22

Hình 4.8: Vị trí các bộ lọc trong hệ thống [9] 28

Hình 5.1:Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển 3 biến [10] 41

Hình 5.2: Mô phỏng một xung [10] 42

Hình 5.3: Biểu đồ Bode của bộ lọc Notch 42

Hình5.4: Hàm truyền tổng quát của bộ điều khiển 3 biến 43

Hình5.5: Hàm truyền của bộ hồi tiếp 43

Hình :6.1Mô hình van servo 44

Hình 6.2: Quan hệ giữa lực và vận tốc của bộ truyền piston 50

Hình6.3: Quan hệ giữa vị trí, vận tốc và góc pha 51

Hình 6.4:Mô hình lưu lượng chảy qua các lỗ trong quá trình đẩy ra và rút về 53

Hình 6.7:Mô hình của bộ truyền piston 1 đầu 55

Hình 7.1:Sơ đồ khối của bàn rung và mẫu thử 2D 60

Hình 8.5:Biên độ và pha của mô hình van servo-bộ truyền động-bàn rung-mẫu thử 81

Hình 8.1:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung 81

Hình 8.3:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung-mô hình 82

Hình 8.4:Mô hình đơn giản hóa 82

Hình 8.6:Sơ đồ điều khiển khoảng dịch chuyển của van servo -bộ truyền-bàn rung-mẫu với hồi tiếp lực, vận tốc, gia tốc và rung động 82

Hình 8.7:TVC TVC Hình8.8:Sơ đồ khối của bộ điều khiển 89

Hình 8.10:(a1),(a2) ảnh hưởng của kp,(b1),(b2) ảnh hưởng của kBD 90

Hình 9.2:Sơ đồ rút gọn của bộ điều khiển 95

Hình 9.3 Sơ đồ mô phỏng của Van servo 96

Hình 9.7 Sơ đồ mô phỏng bộ truyền động 97

Hình 9.9: Sơ đồ mô phỏng mặt bàn rung 98

Hình 9.10 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống bàn rung 98

Hình 9.11 Gia tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz 102

Hình 9.12 Vận tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz 102

Hình 9.13 Vị trí của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz 102

Hình 9.14 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5] 103

Hình 9.15 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5] 103

Hình 9.16 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5] 103

Hình 9.17 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro 104

Hình 9.18 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro 104

Hình 9.18 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu Elcentro 104

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Khám phá cácmối nguy hiểmcủa động đấtvàthiệt hại chocác tòa nhàbằngcáchxây dựngcác tòa nhàmô hìnhvàcho chúng dao độngmặt trênbề mặt của bàn rung Trong nhiều năm qua nhờ bàn rung mà các công trình xây dựngdân dụngvà kỹ thuật công trình được thiết kế đểcó thể chịu được tác động của tảitrọng động vàđiềukiệnmôi trường thay đổi,nhờ vậy mà đảm bảo được tính kinh tế và an toàn của công trình Động đất làmột phần củamôi trường này,không những ảnh hưởng đến cuộc sống vàtàisản con người mà còn có thể gây rahậu quả nghiêm trọnggián tiếp

Mô phỏngchính xácchuyển độngtrận động đấtlàmột thách thứcto lớn chocác nhà nghiên cứu vàchuyên gia.Bàn rungngày càngđược sử dụng nhiều tạicác trungtâm nghiên cứu động đấttrên toàn thế giới, vì nó làphương tiện duy nhấtthực sựtái tạo được gần nhất tác độngcủa hiệu ứngđộng đấtlêntrên các cấu trúc Một hệ thốngtương đốiđơngiảnđã đượclắp ráp thể hiệnđầyđủcác chuyển độngđầuvàocủa hệ thốngbàn rung Từ đóso sánh đáp ứngtín hiệu đầu vàocủa bànrung, trong cả miền thời gian vàmiền tần số, được sử dụng để đưa ra khả năng đo lường củamô phỏnglại trận động đất Báocáonày thảo luận vềcấu tạo, lắp ráp vàcác kết quả về đặc tính riêng của đáp ứng của bàn rung

Một dãy dao động ngẫu nhiên trong quá trình động đất sẽ được hình thành nhờ vào sự kết hợp các chuyển động Ngườitacó thể đưa ra các đáp ứng tương tự trên cơ sởcủa cấu trúc đượcrung độngtrong một môi trườngphòng thí nghiệmbằngcáchsửdụnggia tốc-thờigianđược ghi lạicủa các trậnđộng đất trong lịch

sử Thêm vào đó, phòng thí nghiệm cũng tiến hành mô phỏng mối quan hệ giữa độ

dịch chuyểnvà thời gian trong lịch sử cũng sẽcótác dụng tương tự Đây là cơ sởchoviệc áp dụngcủa bàn rungđể mô phỏngtrận động đất.Thiết kếmột bàn rungtạo radao độngtheo chiều ngang Điềunàyđược sử dụng chophân tíchcủacác dao độngtrong một cấu trúcthời giancủa trận động đất.Kiến trúc sư và kỹ sưchạymô phỏngsử dụng mô hìnhvà bàn rungđể kiểm tratính toàn vẹn củacác tòa nhà và xácđịnhcác gia cốcần thiết vàđể nghiên cứuđặc tính của cấu trúc động.Đây sẽ là thiết bị mô phỏng công trình xây dựng đầu tiên dựa vào sự mô phỏng động đất.Bàn rung là một thiết bị có thể thực hiện mô phỏng động đất hoặc đặt vào các tải động khác để kiểm tra mô hình hoặc các kết cấu Có nhiều loại bàn rung nhưng có thể phân loại theo các phương thức vận hành dao động của nó như điều khiển bàn rung bằng điện, bằng thủy lực, bằng tay Bàn rung có mối liên hệ rất gần với động đất do các thông số của nó được thiết kế tủy chỉnh gần giống với các thông số của động đất như gia tốc, chuyển vị, tần số và hành trình.

Ngoài ra, bàn rung được điều khiển bằng thủy lực thì có nhiều ưu điểm hơn các phương thức vận hành khác Bảng 1.1 liệt kê 1 số ưu điểm của việc sử dụng bàn rung thủy lực

1.Có thể sử dụng cho nhiều kích cỡ tải Giới hạn tải trọng nhỏ và vừa

2 Các thông số như hành trình, vận

tốc, tần số có thể được thay đổi 1 cách

dễ dàng phụ thuộc vào ứng dụng

Hầu hết các lần, các thông số được thiết lập không thể thay đổi

Bảng 1.1: So sánh giữa bàn rung thủy lực và điện

Một số công trình về bàn rung thủy lực đã chế tạo thành công trên thế giới:

1 Hệ thống bàn rung INOVA là một trong những bàn rung hàng đầu hiện nay vì có thể mô phỏng được 6 bậc tự do

Hình 1.1: Mô hình bàn rung INOVA 6 và 3 bậc tự do [1]

Hình 1.2: Mô hình bàn rung INOVA 1 bậc tự do [1]

2.Bàn rung ANCO mô hình 150-142 được dùng tại trường đại học Colombia, được điều khiển theo phương ngang với gia tốc 3g,chịu tải 2 tấn, hành trình 5 inch,diện tích bàn là (5ftx5ft),tần số: 0-100Hz

Hình 1.3: Mô hình bàn rung ANCO [4]

3.Bàn rung NIED-Defense Nhật là bàn rung loại lớn với 3 bậc tự do, chịu tải

1200 tấn,kích thước (20mx15m),hành trình X,Y là 100cm,Z là 50cm

Hình 1.4: Mô hình bàn rung NIED-Defense[5]

Hiện tại đối với vấn đề ứng dụng bàn rung trong nghiên cứu động đất trong nước vẫn còn mới lạ và chưa được ứng dụng, với mong muốn đóng góp vào việc nghiên cứu phát triển các vấn đề về tính toán, thiết kế bàn rung cho nên học viên và

giáo viên hướng dẫn đã chọn đề tài:"Tính toán,thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất"

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu chính:

1 Thiết kế bàn rung rung điều khiển bằng thủy lực cỡ trung để dùng như thiết bị mô phỏng động đất

2 Thực hiên mô phỏng của bàn rung thủy lực sử dụng các kỹ thuật phân tích hệ thống động trong miền thời gian để khảo sát các đặc trưng tuyến tính giữa tín hiệu đầu vào và đầu ra mong muốn

1.3 Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài

1 Khảo sát bản chất và thuộc tính của động đất, sự liên hệ của nó đến các đại lượng được thiết kế cho bàn rung thủy lực

2 Thiết kế vòng thủy lực hoàn chỉnh của mô hình bàn rung đơn giản cỡ trung dựa trên các thông số được chọn

3 Rút ra các phương trình động lực học của hệ thống bàn rung thủy lực và phát triển 1 mô hình toán học cho toàn bộ hệ thống

4 Thực hiện mô phỏng trên máy tính sử dụng phần mềm MATLAB Simulink theo phân tích miền thời gian, thiết kế hệ thống phản hồi và kiểm tra tính ổn định của toàn bộ hệ thống

5 Tất cả mô phỏng được thực hiện trong khoảng giới hạn các thông số được chọn như khoảng tải trọng tối đa,khoảng tần số, trục bàn rung và khoảng gia tốc tối đa

Trong đề tài này, các hoạt động bị ràng buộc trong khoảng tần số 40Hz, gia tốc cực đại 1.5g và tải trọng cực đại là 4000 kg Chương trình mô phỏng sẽ được lập trình bằng Simulink và tín hiệu đầu vào sẽ được gán vào sơ đồ khối Các tín hiệu đầu vào để kiểm tra là tín hiệu bước, tín hiệu sóng và tín hiệu ngẫu nhiên Điều quan trọng của đề tài này là thiết kế sơ bộ của bàn rung thủy lực cỡ trung và để có nhiều thuận lợi để sau này phát triển thiết bị này Các nghiên cứu

trong tương lai thuộc lĩnh vực này sẽ rất lý thú khi nó có thể phát triển nhiều thiết

kế liên quan đến bàn rung thủy lực

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa vào lý thuyết về động đất, hệ thống điều khiển, bộ truyền động thủy lực

và kết cấu bàn rung thông qua nghiên cứu các tài liệu trong nước và nước ngoài

- Dùng Matlab để kiểm tra kết quả tính toán,mô phỏng kết quả

1.5 Kế hoạch thực hiện

- Bước 1: Nghiên cứu tài liệu về động đất,thủy lực,hệ thống điều khiển,matlab

- Bước 2:Tính toán sơ bộ hệ thống thủy lực, lựa chọn thiết bị thủy lực

- Bước 3:Tính toán sơ bộ kích thước bàn rung, xây dựng mô hình vật lý

- Bước 4:Xây dựng mô hình toán học,giải bài toán động lực học

- Bước 5:Xây dựng mô hình điều khiển của bàn rung

- Bước 6:Mô phỏng toàn bộ hệ thống bằng Matlab

- Bước 7:Nhận xét về hệ thống

áp (P), và sóng trượt hay sóng biến dạng (S) như hình 2.1, 2.2 thể hiện các giới hạn hình học dùng trong việc mô tả động đất và đường mà sóng đi qua

Sóng P có thể đi xuyên qua đá và nước nhưng sóng S thì không thể truyền qua Khi sóng P và S bị phản xạ tại bề mặt chung giữa các tảng đá, 1 vài năng lượng sóng có thể bị chuyển thành các loại dạng sóng khác, càng làm cho các sóng địa chấn thêm phức tạp

Hình 2.1: Sóng địa chấn, sóng P và S [5]

xe Thang đo bắt đầu từ 1 đến 12

Mô ̣t cơn động đất có thể kéo dài 1 phút hoặc hơn, với sự tương tác của nhiều loại sóng địa chấn, kết hợp với ảnh hưởng của sự phản xạ tại bề mặt chung giữa các tảng đá sẽ sản sinh ra dạng sóng phức tạp hơn Không chỉ thế, Buchholdts cho thấy,

độ lớn của động đất được tác động bởi các điều kiện về đất và địa hình [5]

Mối quan hệ xấp xỉ quan trọng nhất được sử dụng bởi các nhà địa chấn học

để dự đoán sự vận hành của các trận động đất là gia tốc - độ lớn - khoảng cách Trong dự án này, mối quan hệ như bảng 2.1 thường được dùng để đánh giá các tiêu chuẩn thiết kế cho bàn rung

STT Độ Richter Gia tốc xấp xỉ

Bảng 2.1: Mối quan hê ̣ Gia tốc – đô ̣ lớn

2.1.3 Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất

Các vụ động đất được phân loại theo cường độ và gia tốc cực đại, mặc dù những đại lượng này chỉ là thang đo xấp xỉ của khả năng gây thiệt hại Động đất có

sự tập trung năng lượng chính trong tần số tương ứng với tần số riêng của cấu trúc

có thể gây ra nhiều thiệt hại hơn là các vụ động đất với gia tốc cực đại lớn hơn nhưng có tần số thấp hơn tần số riêng của kết cấu

Thông tin về sự dịch chuyển mặt đất có thể được biểu diễn lại qua 2 cách đó

là trong miền thời gian của vận tốc, chuyển vị và gia tốc với biểu đồ gia tốc, và trong dạng của sự hồi tiếp lại hay phổ năng lượng trong miền tần số Phổ phản hồi

được sử dụng rất phổ biến và thuận lợi cho việc thiết lập các đặc tính phù hợp các kết cấu tuyến tính Thuận lợi của việc sử dụng phổ phản hồi là có nhiều hơn 1 sóng địa chấn có thể được đặt lên để lấy tần số tối ưu để có thể đưa ra 1 phản ứng của kết cấu chính xác hơn dưới sự vận chuyển của động đất Hình 2.3 thể hiện Response Spectra mẫu cho động đất El Centro

Hình 2.3:Đáp ứng phổ của trận động đất El Centro năm 1940 2.1.4 Phân tích miền thời gian sự vận động mặt đất của động đất

Việc phân tích miền thời gian được các kỹ sư xây dựng nghiên cứu trong trường hợp kết cấu không tuyến tính Nó được dùng cho việc tính toán sự phản hồi của 1 chủ thể kết cấu do 1 sóng vào địa chấn đơn tác động liên quan đến chuyển vị, vận tốc và gia tốc với thời gian Hình 2.4 cho thấy việc biểu diễn các trận động đất trong việc phân tích miền thời gian Trong các trận động đất thực tế, nó có nhiều sóng địa chấn lan truyền trong 1 trận động đất đơn, như là không có 2 trận động đất giống nhau mặc dù nó cùng vị trí Vì vậy, các kỹ sư xây dựng dự đoán sự phản hồi của kết cấu dựa trên phương thức phân tích là thiết yếu trong việc phát triển các giá trị vào và ra cho bàn rung Ngoài ra, để dự đoán phản hồi thực tế của 1 mô hình hay kết cấu dưới sự vận động động đất được thử nghiệm bởi bàn rung Kiểm tra bằng

bàn rung là 1 sự tiếp cận thực nghiệm của các kỹ sư xây dựng để xác định phản hồi của kết cấu đối vớ i tải trọng động

Hình 2.4: Mẫu sự chuyển di ̣ch đô ̣ng đất trong miền thời gian được phân tích 2.1.5 Tóm tắt

Các thuộc tính cơ bản của động đất đã được bàn luận Một vài đại lượng của động đất được thiết kế có liên quan đến dự án bàn rung:

- Gia tốc cực đại,g

- Biên độ rung tương đương với chiều dài hành trình của bộ dẫn động

- Lựa chọn tần số rung dựa trên bản ghi độ lớn các trận động đất Mối quan hệ

ở bảng 2.1 đã được dùng cho thiết kế cơ bản

- Tổng lực của kết cấu thử nghiệm được lựa chọn Phần lựa chọn này sẽ giới hạn hầu hết việc thiết kế thành phần kích thướcthủy lực

- Loại bàn rung được dùng trong dự án này là hệ thống điều khiển động cơ thủy lực

2.2 Thiết kế các bước của vòng lặp thủy lực

Mục đích của việc thiết kế này để phát triển hệ thống thủy lực có giá thành thấp, hiệu suất, có thể duy trì được và bền Các tiêu chuẩn phải phụ thuộc lẫn nhau

Không chỉ vậy, nó phải được thiết kế 1 cách đơn giản vì vậy nó sẽ sử dụng ít thành phần, do đó lỗi thành phần và khắc phục các thành phần có thể được giảm thiểu như kéo dài tuổi thọ của máy

Các vòng lặp thủy lực được phát triển với các kí hiệu sơ đồ điện cho tất cả các thành phần Jamaludin đã đề nghị các bước để thiết kế hệ thống thủy lực [8], đó là:

- Tính toán lực cần thiết để điều khiển tải trọng và gia tốc cực đại (g), để được chọn Tính toán việc thiết kế áp lực của hệ thống và đề nghị 1 hệ thống áp lực phù hợp được dùng

- Tính toán đường kính tối thiểu của xy lanh bộ dẫn động và ti xylanh, hành trình cực đại của xy lanh Sau đó lựa chọn loại xylanh phù hợp để sử dụng

- Tính toán tốc độ bộ dẫn động dựa trên tải trọng cực đại, tần số cực đại và gia tốc cực đại (g) yêu vầu cho việc mô phỏng động đất

- Tính toán lưu lượng cần thiết tại gia tốc cực đại (g) cho hành trình kéo ra và rút lại, phát triển mối quan hệ giữa gia tốc, tần số, hành trình và tốc độ của

bộ dẫn dộng Vẽ ra mối quan hệ đó Thật ra, từ mối quan hệ đó, lựa chọn khoảng tần số phù hợp để sử dụng

- Lựa chọn chất dẫn thích hợp với áp lực và đường hồi hay đường hút Tính toán đường kính tối thiểu của chất dẫn sử dụng cho dự án này Lựa chọn loại lưu chất thủy lực phù hợp và thuộc tính của nó

- Tính toán công suất bơm lý thuy ết Lựa chọn máy bơm để sử dụng và động

cơ chính của máy bơm Thiết kế 1 vòng lặp bơm riêng

- Thiết kế bồn chứa thủy lực cho bàn rung thủy lực Tính toán tổng thể tích của lưu chất thủy lực yêu cầu cho hệ thống

- Tính toán hiệu suất của toàn hệ thống

- Kiểm tra lại toàn bộ hệ thống thủy lực và hiệu chỉnh lại nếu cần

2.3 Bộ điều khiển 3 giá trị (TVC)

Bộ điều khiển TVC là bộ điều khiển số nó được dùng nhiều trong lý thuyết điều khiển như bộ điều khiển trạng thái, nó còn có đặc tính bù thêm độ sai lệch

không chính xác của hệ thống tuyến tính và không tuyến tính cho cả tín hiệu điều hòa và xung( điều khiển biên độ/xung)

Bộ điều khiển 3 giá trị là: khoảng cách, vận tốc, gia tốc.Hệ điều khiển có thể cài đặt theo hệ khoảng cách, vận tốc và gia tốc.Dựa theo sơ đồ điều khiển một trạng thái thì bộ điều khiển sẽ tập trung vào biến đó còn các biến khác thực hiện như tín hiệu bù(tới/ hồi tiếp) nhằm cải thiện độ rung động của hệ thống Hàm truyền giữa tín hiệu vào và ra của bộ điều khiển TVC được cung cấp bởi hệ thống MTS (Thoen,2004) sơ đồ khối TVC được cho trong hình 2.4.Bộ phát tham chiếu lấy tín hiệu tham chiếu đại diện cho khoảng cách, vận tốc và gia tốc dựa vào sơ đồ điều

khiển để tạo ra các trạng thái tham chiếu u ref ,𝑢 ref , 𝑢 ref và 𝑢 ref dùng để làm tín hiệu tới

bộ điều khiển.Tín hiệu hồi tiếp u fbk , 𝑢 fbk ,𝑢 fbk thu được từ bộ phát hồi tiếp kết hợp với cảm biến khoảng cách và gia tốc ( tín hiệu hồi tiếp) với mỗi giới hạn băng thông tương ứng sẽ đưa ra một trạng thái hồi tiếp tương ứng cho chiều rộng băng tần

Hình 2.4.Sơ đồ điều khiển của bộ điều khiển 3 biến[]

2.4 Van servo điều khiển bằng điện thủy lực 4 tầng 3 giai đoạn

Van servo là van được điều khiển bằng điện để đưa lưu chất đến bộ truyền động.Van servo vận hành bằng cách chuyển đổi tín hiệu tương tự hay tín hiệu số

sang chuyển động của chất lỏng trong xi lanh thủy lực.Van servo có thể điều khiển chính xác vị trí, vận tốc, áp suất và lực với điều kiện lưu chất có đặc tính nhớt tốt

- Cho phép lập trình tạo ra những ứng dụng mới

- Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế

- Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu

- Cho phép phát triển, giao tiếp với một số phần mềm khác như C++, Fortran

hệ thống thủy lực vì tất cả các đại lượng liên quan với bàn rung thủy lực như vận tốc, gia tốc, tần số, chuyển vị, tải trọng, lưu lượng cực đại đều có quan hệ với nhau

Có nghĩa là nếu thay đổi mô ̣t đ ại lượng sẽ ảnh hưởng đến các đại lượng khác Bàn rung thủy lực được thiết kế phù hợp với các đại lượng động đất như gia tốc, biên độ, tần số rung và tín hiệu rung Để giảm độ biến thiên, một vài thi ết lập ban đầu của đại lượng phải được gán để thấy được sự phụ thuộc các đại lượng Mô ̣t vài đ ại lượng cơ bản cho việc thiết kế ban đầu được chọn bằng cách lấp đầy các thuộc tính thuộc địa chấn và được đề cập ở phần 2 Việc chọn lựa các đại lượng này là cơ bản cho việc tính toán chi tiết để chọn lựa thành phần hệ thống thủy lực Ngoài ra, một vài đại lượng được thiết lập sẽ thay đổi khi tính toán chi tiết để phù hợp, ví dụ như giá cả, kích thước, và phức tạp việc thiết kế

Các đại lượng ban đầu thiết lập là:

3.2 Xác định lực động tác dụng lên bộ dẫn động

Bàn rung sẽ chịu tải với 1 khối m và bộ dẫn động sẽ đẩy lại 1 tải theo chiều ngang về phía trước trong khoảng chu kì và tần số đã biết Biểu đồ khối độc lập được thể hiện trong hình 4.1

Hình 3.1:Mô hình bàn rung

Lựa chọn giá trị các đại lượng ban đầu:

 Gia tốc cực đại : 1.5g

 Khối lượng cực đại của khối bao gồm bàn : 4000kg

 Áp suất làm việc của máy bơm : 200 bar

 Lực động trên tải : Fact (N)

 Khoảng tần số cực đại : 0-100 Hz

 Hành trình tối đa : ±5 inch=0.0127m

Theo định luật 2 Newton theo phương x:

Fact-Fspr-Fdamp-Fcoul=Ma

trong đó:

 Fact: Là lực tác động của bộ dẫn động(N)

 Fspr: Lực tác động của lò xo theo phương ngang (N)

 Fdamp:lực giảm chấn của bộ dẫn động (N)

 Fcoul: Lực ma sát của ụ đỡ(N)

F=Fact =Ma+Fspr+Fcoul

Fspr=Ke∆x=1.266x106x0.0127=16080 N

với Ke là độ cứng của thanh giằng nâng,

Ke=2𝑝0 𝐴

𝑕 , po:áp suất bên trong buồng thanh giằng nâng, A:diện tích mặt cắt ngang, h:chiều cao của thanh nâng, chọn Ke=1.266MN/m

Bỏ qua lực giảm chấn trên bộ truyền động

Fcoul=6x0.89x103=5300N,chọn theo mô hình MTS 270 style [13]

   Vớ i A là diện tích mặt cắt ngang pittong:

Do ta sử dụng 2 bộ truyền động nên tính diện tích mặt cắt của pittong ta phải chia 2 lực F

Xác định đường kính tối thiểu của ti xy lanh

Chọn xi lanh trung gian với chiều dài của trục L=l=0.3m, khi có gắn tải thì

nó sẽ phát sinh ứng suất uốn.Do đó dựa vào lý thuyết về ứng suất uốn của Eurle ta tìm được tải trọng lớn nhất mà trục chịu được K

L 2(3.4)

- E: hằng số Young của trục, đối với thép E=210 Gpa

- I:moment quán tính của trục(I=ᴨd2/4)

- L:chiều dài của trục

Do xét tính an toàn, nên F được áp dụng xác định tải trọng tối đa theo 1 hệ

số an toàn

K F S



(3.5) Trong đó S là hệ số an toàn,S 3.5 Tính đường kính tối thiểu của ti xy lanh

Lực động thực tế phát triển dựa trên kích thước mới chọn của bộ dẫn động là

Fstatic=200x105x2.1x10-3=41966NTheo định luật 2 Newton theo phương x:

Fact-Fsp-Fcoul=Ma

M=2xFact −Fsp −Fcoul

a =2x41966−16080−5300

3.4 Xác định lưu lượng tại các tần số khác nhau:

Trong dự án này, bộ dẫn động được xét là 1 lò xo gắn với 1 tải, trong trường hợp này, tải là mô hình và bàn rung Bàn rung sẽ dao động như hệ thống dao động

lò xo Hành trình tối đa của bộ dẫn dộng có thể được mô tả như biên độ dao dộng của lò xo Giải thích được tóm tắt trong hình 4.3 Do đó, phương trình thể hiện mối quan hệ của tốc độ và tần số bộ dẫn động kết hợp với hành trình và lưu lượng bộ dẫn động là:

Lưu lượng theo khối lượng, QAv (3.7)

Trong đó Adiện tích mặt cắt ngang của piston

vvận tốc của ti xy lanh gắn với tải

D

(3.11) Ảnh hưởng của sự biến thiên lưu lượng với tần số có thể được vẽ ra như hành trình cực đại, và đường kính piston ( dùng cùng loại xy lanh) là hằng số Do

đó, yêu cầu lưu lượng thích hợp cho bàn rung thủy lực dựa trên bảng 3.1 có thể được chọn Code matlab cho việc vẽ biểu đồ được thể hiện trong hình 3.4

Hình 3.3: Hê ̣ thống dao dô ̣ng của lò xo

clear all

for i=1:100

D=0.063; %duong kinh xy lanh

s=0.127; %hamh trinh cuc dai

Hình 3.5: Lưu lươ ̣ng và tần số ta ̣i hành trình 10.16 cm

Kết quả hình 3.6 cho thấy rằng tần số tăng từ 0 đến 100Hz, với bước không đổi, x 101.6mmvà đường kính xy lanh không đổi D=63mm, lưu lượng tăng lên Biểu đồ tuyến tính thu được từ phương trình (3.11)

Chương trình cũng được dùng để khảo sát sự biến thiên lưu lượng tại mỗi giá trị tần

số tăng với đường kính xy lanh không đổi D=63mm, nhưng tại độ dài hành trình tăng từ 1 đến 5 inch Kết quả được thể hiện trong dạng của giá trị lưu lượng cực đại tại mỗi độ dài hành trình liên tục như hình trong bảng 3.1

Từ bảng 3.1, mọi giá trị lưu lượng đều khá cao cho ứng dụng này nếu bàn rung được vận hành ở tần số cực đại 100Hz Do đó, giới hạn tần số phải được giảm xuống do không có sẵn kích thước và giá cả mắc của áp suất hay đường lưu lượng

bộ dẫn động Không chỉ vậy, cuộc nghiên cứu về các tần số nổi trội bởi Prasad và Towhata kết luận rằng tần số cực đại nằm trong khoảng 0 đến 5 Hz, và biên độ cưc đại là 25 mm [2]

Sau khi ước lượng tính toán cho yêu cầu lưu lượng thích hợp, khoảng tần số thiết kế cho bàn rung thủy lực là từ 0 đến 20 Hz Bộ dẫn động được sử dụng sẽ là loại xy lanh 2 ti tác động kép Là vì bộ dẫn động sẽ thực hiện cùng 1 nhiệm vụ tại 1 tần số nào đó để đẩy ra và rút vào Nó cũng giúp đơn giản điều khiển quá trình của

hệ thống, từ cả 2 giai đoạn kéo ra và rút vào mà chỉ sử dụng 1 giá trị lưu lượng Bản

vẽ 2D được thể hiện trong hình 3.6

Hình 4.6: Xylanh 2 ti tác đô ̣ng kép được cho ̣n

Tại bước cực đại, x=0.0508m, vận tốc cực đại, v maks  f

Qmax=2.1x10-3x4.064=8.5344x10-3m3/s

3.5 Lựa chọn ống mềm thủy lực linh hoạt (dẻo)

Để lựa chọn ống mềm thủy lực, cần xét đến 2 yếu tố quan trọng nhất là sự vỡ

ra và áp suất làm việc an toàn cho phép khi vận hành ống mềm thủy lực Ống mềm thủy lực được chọn phải không vượt quá áp suất làm việc và phải bằng hoặc nhỏ hơn đường kính đầu ra của máy bơm ( đường áp lực) Áp suất làm việc thiết kế là 20Mpa Do đó, các tiêu chuẩn lựa chọn ống mềm thủy lực là:Kiểu : ống áp suất cao Parker mẫu 520N-8

 Đường kính ngoài : 20.6 mm

 Đường kính trong : 12.7 mm

 Áp suất làm việc cực đại : 24 Mpa

 Áp suất burst : 96 Mpa

 Trọng lượng : 0.2 kg/m

 Lưu chất thủy lực : dầu Mobil DTE 25

 Kích thước ống mềm thủy lực là từ nhà sản xuất, Parker Hydro- Line Co được thể hiện trong phụ lục B

3.6 Lựa chọn dung dịch thủy lực

Sử dụng dầu làm dung dịch làm việc cho loại ứng dụng này để có các lợi ích

1 Giá thành thấp và dễ tìm

2 Thường dùng cho các ứng dụng trung bình và nhẹ Trong thực tiễn, dung dịch thủy lực có mô đun khối = 0.7 GN/m2 thường được sử dụng

3.7Tính toán công suất lý thuyết của máy bơm

Nếu bộ dẫn động được vận hành ở tần số cực đại 20 Hz, thì chu kì làm việc của bộ dẫn động xét ở giai đoạn đẩy ra là:

Xy lanh đẩy ra hết hành trình với giới hạn thời gian là 0.0125 s với lưu lượng 0.01707 m3/s và áp suất 200 bar như hình 3.7 (a)

Áp suất hệ thống thực tế P=Fmax

ATrong đó F maks F Dynamicma

Adiện tích mặt cắt ngang của xy lanh tác động 2 chiều 2 ti

2.1x10 −3 =19039884.4 Pa

P = 190.4 bar

Xy lanh rút về hết hành trình với giới hạn thời gian là 0.0125 s với lưu lượng

và 8.5344x10-3m3/s áp suất 0 bar như hình 3.7 (a)

Nếu máy bơm tuần hoàn đơn được dùng thì 1 lượng lưu chất thủy lực tác động ở tần số 20 Hz với lưu lượng cực đại 8.5344x10-3

m3/s sẽ được bơm vào từ van xả an toàn tại áp suất 200 bar

Tổng thể tích của dung dịch thủy lực cần để khởi động bộ dẫn động đẩy ra và rút vào là:

Đối với giai đoạn đẩy ra, thể tích V Qt

V=(8.5344x10-3m3)x0.0125=0.10668x 10-3 m3V=0.10668 (L)

Đối với giai đoạn rút vào, thể tích V Qt

V=(8.5344x10-3m3)x0.0125=0.10668 x 10-3 m3V=0.10668(L)

 Tổng thể tích dung dịch sử dụng cho chu kì thủy lực là:

Đổi đơn vị lưu lượng từ m3

/s thành L/min 8.5344x10-3m3/s=(8.5344x10−3

(601) =512.06 L/minCông suất lý thuyết của máy bơm =512.06 x 200