Nghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYS

Nghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYSNghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYSNghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYSNghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYSNghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYSNghiên cứu dao động của dầm chủ cầu treo nhịp lớn bằng phần mềm ANSYS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA CÔNG TRÌNH

THUYẾT MINH

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA DẦM CHỦ CẦU TREO NHỊP

LỚN BẰNG PHẦN MỀM ANSYS

Chủ nhiệm đề tài: TRẦN NGỌC AN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 6

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu 6

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 6

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 6

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu 7

5 Kết quả đạt được của đề tài 7

GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS 8

CHƯƠNG 1 1.1 Lịch sử phát triển 8

1.2 Cấu trúc đầy đủ của một bài tính trong ANSYS [4] 8

1.2.1 Làm bài tính mới 9

1.2.2 Định nghĩa tên, tiêu đề bài toán (Jobname) 9

1.2.3 Định hướng bài tính (Preferences) 9

1.2.4 Xây dựng mô hình bài toán (Pre-processing phase) 10

1.2.5 Đặt tải trọng, điều kiện biên và tính toán (Processing phase) 10

1.2.6 Giải bài toán (Solution) 10

1.2.7 Khảo sát và xử lý kết quả (Post-Processing phase) 10

1.2.8 Lưu dữ liệu vào đĩa 10

1.2.9 Đọc lại dữ liệu đã lưu 10

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG DẦM CHỦ CHƯƠNG 2 CẦU TREO NHỊP LỚN 11

2.1 Dao động tự do 11

2.2 Dao động cưỡng bức dưới tác dụng của tải trọng di động 11

2.3 Dao động của dầm chủ cầu treo dưới tác dụng của các lực khí động 12

2.3.1 Dao động do xoáy khí (vortex shedding) 13

2.3.2 Dao động do luồng gió rối (buffeting) 13

2.3.3 Dao động uốn xoắn do lực tự kích (flutter) 14

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 15

CHƯƠNG 3 3.1 Giới thiệu cầu Dakrong 15

3.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của cầu [9] 15

3.1.2 Tải trọng thiết kế [9] 15

3.1.3 Vật liệu [9] 16

3.1.4 Số liệu về tháp cầu [9] 16

3.1.5 Số liệu về dây văng [5] 17

3.1.6 Bố trí chung và dạng mặt cắt một số kết cấu chính [9] 17

3.2 Tính toán, mô phỏng dao động cầu Dakrong bằng phần mềm ANSYS 21

3.2.1 Mô hình CAD cẩu Dakrong trong ANSYS 21

3.2.2 Mô hình phần tử hữu hạn cầu Dakrong trong ANSYS 22

3.2.3 Khai báo các đặc trưng vật liệu trong ANSYS 22

3.2.4 Khai báo điều kiện biên trong ANSYS 23

3.2.5 Các mode dao động uốn và dao động xoắn ứng với các tần số thấp nhất 23

3.2.6 Mô phỏng dao động cưỡng bức của cầu Dakrong bằng phần mềm ANSYS 26

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Trang

Hình 2.2 Các dạng dao động tương ứng các vùng vận tốc gió 12

Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm cầu tại vị trí không có dầm dọc phụ 20 Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm cầu tại vị trí có dầm dọc phụ 20 Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm dọc chính và dầm dọc phụ 20 Hình 3.6 Mặt cắt ngang dầm ngang loại 1 và loại 2 20

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Phần mềm ANSYS là một chương trình phần tử hữu hạn lớn với nhiều module khác nhau, cho phép giải quyết các bài toán phi tuyến và tuyến tính trong các lĩnh vực:

cơ học vật rắn, thủy khí động lực học, cơ sinh học, điện, nhiệt, từ trường, truyền âm,

…

Nhằm bước đầu tìm hiểu, nghiên cứu về phần mềm ANSYS, trong nội dung đề tài này, tác giả mạnh dạn trình bày việc sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, mô phỏng dao động cầu treo nhịp lớn

Đối với riêng lĩnh vực cầu, nếu nắm vững được phần mềm này (tất nhiên đi kèm với việc phải mua bản quyền phần mềm của hãng ANSYS), việc tính toán, mô phỏng ứng xử của kết cấu cầu (không chỉ trong lĩnh vực dao động) trên phần mềm sẽ tiết kiệm được rất nhiều chi phí so với việc phải làm thí nghiệm trên mô hình thu nhỏ

2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài

Với khả năng tính toán mạnh trên nhiều lĩnh vực, tại Việt Nam, phần mềm ANSYS đã nhận được sự quan tâm rất lớn của các trường đại học Ví dụ, tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm phát triển và ứng dụng phần mềm công nghiệp (DASI Center) đã tổ chức các lớp đào tạo phần mềm ANSYS và hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho sinh viên, chủ yếu của hai ngành Cơ điện tử và Kỹ thuật hàng không; tại trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, ANSYS được sử dụng trong việc hỗ trợ cho nghiên cứu khoa học, giảng dạy các lớp chuyên ngành sau đại học và

bổ túc cho các kỹ sư Cơ kỹ thuật, Cơ khí, Xây dựng, Dầu khí, Kỹ thuật giao thông; … Một loạt các sách hướng dẫn về phần mềm ANSYS đã được các tác giả trong nước trình bày nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu về phần mềm này như các tài liệu [2], [3], [4], [8]

3 Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là tính toán, mô phỏng dao động của dầm chủ cầu treo bằng phần mềm ANSYS

4 Phương pháp nghiên cứu, kết cấu của công trình nghiên cứu

Sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, mô phỏng dao động của dầm chủ cầu treo với các bài toán chính: Dao động tự do, dao động cưỡng bức dưới tác dụng của tải trọng di động, dao động dưới tác dụng của các lực khí động

5 Kết quả đạt được của đề tài

- Đối với dao động tự do:

+ Xác định tần số dao động uốn

+ Xác định tần số dao động xoắn

- Đối với dao động cưỡng bức dưới tác dụng của tải trọng di động: Xác định chuyển vị lớn nhất của dầm chủ cầu dưới tác dụng của tải trọng di động tương ứng với một vận tốc di chuyển bất kỳ

- Đối với dao động dưới tác dụng của các lực khí động: Nghiên cứu dao động của dầm chủ trong cầu trong trường hợp dưới tác dụng của lực nâng do xoáy khí

mô phỏng kỹ thuật có trụ sở ở phía nam bang Pennsylvania, Hoa Kỳ

Công ty này bắt đầu được vận hành vào năm 1970, với mục đích là áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) xây dựng nên một phần mềm để giải các bài toán tĩnh học, động học, nhiệt động và truyền nhiệt [13]

Kể từ năm 2000 trở đi, ANSYS liên tục tăng cường sức mạnh bằng việc thâu tóm hàng loạt công ty cạnh tranh như CADOE, CFX (2003), Century Dynamics, Harvard Thermal, Fluent Inc (2006), Ansoft Corporation (2008), Apache Design Solutions (2011), Esterel Technologies (2012), EVEN (2013), Reaction Design (2013) and Spaceclaim Corporation (2014) [13]

Hiện nay, ANSYS là một trong những phần mềm rất mạnh, cho phép giải quyết nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác nhau như: cơ học vật rắn, thủy khí động lực học, cơ sinh học, điện, nhiệt, từ trường, truyền âm, … Chương trình ANSYS được dùng rộng rãi trong kỹ nghệ và được dùng để giảng dạy ở hầu hết các trường đại học kỹ thuật ở Mỹ, châu Âu, châu Á, …

1.2 Cấu trúc đầy đủ của một bài tính trong ANSYS [4]

Cấu trúc đầy đủ của một bài tính trong ANSYS gồm các phần:

- Tính toán mới (Clear & Start New)

- Định nghĩa tên bài tính (Jobname)

- Định nghĩa tiêu đề (Change Title)

- Định hướng bài tính (Preferences)

- Tạo mô hình tính (Preprocessor)

- Tính toán (Solution)

- Xử lý kết quả (Postprocesor)

- Tối ưu trong thiết kế (Design Opt)

- Lưu kết quả vào đĩa (Save_DB)

- Đọc lại kết quả (Resume from)

1.2.1 Làm bài tính mới

Utility Menu>File>Clear & Start New>chọn OK>Yes (bắt đầu soạn thảo

mới)

1.2.2 Định nghĩa tên, tiêu đề bài toán (Jobname)

Tên (Name): Tên không quá 8 ký tự

Tiêu đề (Title): tiêu đề để giải thích, ghi chú khi xuất dữ liệu đồ họa

1.2.3 Định hướng bài tính (Preferences)

1.2.3.a Chọn lựa kiểu bài tính

Chọn lựa có thể là: tính toán cấu trúc (Structural), tính toán nhiệt (Thermal), tính toán cơ lưu chất (ANSYS ®

Fluid, FLOTRAN CFD), tính toán từ trường

(Magnetic-Nodal, Magnetic-Edge), tính toán về điện (Electric)

1.2.3.b Phương pháp chia lưới - dạng xấp xỉ:

- Phương pháp “h-Method” là phương pháp chia lưới với bậc đa thức

không đổi Nó thường đòi hỏi sự tạo lưới phần tử phải thật tốt Dùng giải các bài toán cấu trúc, ANSYS® đã mặc định phương pháp này

- Phương pháp “p-Method” là phương pháp chia lưới với bậc đa thức thay đổi Dùng cho tính toán cấu trúc tĩnh-tuyến tính (linear structural static

analyses) Có được lời giải chính khá chính xác ngay trong trường hợp tạo lưới

phần tử thô (coarse mesh)

1.2.3.c Tính toán động lực học:

Có thể chọn dạng tường minh hoặc dạng ẩn (LS-DYNA Explicit/Implicit)

1.2.4 Xây dựng mô hình bài toán (Pre-processing phase)

Để tạo mô hình tính, chúng ta thực hiện các bước sau:

1.2.4.a Định nghĩa kiểu phần tử (Element Type)

1.2.4.b Các hằng số (Real Constants)

1.2.4.c Đặc trưng vật liệu (Material Props)

1.2.4.d Đơn vị do người sử dụng thống nhất và hiểu ngầm

1.2.4.e Tạo mô hình tính (nút và phần tử)

1.2.5 Đặt tải trọng, điều kiện biên và tính toán (Processing phase)

Chúng ta có thể đặt tải trọng và điều kiện biên trong phần

“Pre-processing”

Đặt điều kiện biên và tải trọng (Boundary conditions-Loads)

1.2.6 Giải bài toán (Solution)

Chọn kiểu tính toán, sau đó thực hiện công việc tính toán

1.2.7 Khảo sát và xử lý kết quả (Post-Processing phase)

1.2.7.a Đặt (set) các bước và các bước con, cần thiết cho bài tính theo

thời gian

1.2.7.b Xem kết quả (Preview the Results)

1.2.8 Lưu dữ liệu vào đĩa

Dữ liệu của mô hình tính được lưu trong tập tin có phần mở rộng “*.db” Kết quả của bài tính kết cấu thì lưu trong tập tin có phần mở rộng “.rst” Bài tính nhiệt thì lưu trong tập tin có phần mở rộng “.rth”

1.2.9 Đọc lại dữ liệu đã lưu

Khi có nhu cầu đọc lại dữ liệu đã lưu thì thực hiện các bước:

Utility Menu>File>Resume from …

CHƯƠNG 2

MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG DẦM CHỦ CẦU

TREO NHỊP LỚN 2.1 Dao động tự do

Đối với dầm chủ cầu treo (dây văng, dây võng) các dạng dao động tự do sau đây thường được tính toán mô phỏng số:

- Dao động uốn theo phương đứng

- Dao động uốn theo phương ngang

- Dao động dọc trục của dầm chủ cầu (theo phương xe chạy)

- Dao động xoắn của dầm chủ cầu

Dao động uốn theo phương ngang cầu thường là nhỏ (độ cứng chống uốn theo phương ngang của dầm chủ cầu thường rất lớn) nên có thể bỏ qua trong tính toán dao động cầu Trong 4 loại dao động này, thông thường, dao động uốn theo phương đứng và dao động xoắn của dầm chủ cầu được các kỹ sư cầu đường quan tâm nhất Việc tính toán trước tần số dao động uốn theo phương đứng và tần số dao động xoắn sẽ giúp cho người kỹ sư thiết kế có thể đưa ra các biện pháp thay đổi về mặt kết cấu để tránh trường hợp hai tần số này quá gần nhau, dẫn đến có thể gây ra hiện tượng cộng hưởng uốn-xoắn kết hợp

2.2 Dao động cưỡng bức dưới tác dụng của tải trọng di động

Khi tính toán dao động dầm chủ cầu treo nhịp lớn, thông thường người ta

sẽ sử dụng mô hình phẳng và chỉ tính đến dao động uốn theo phương đứng

Xe được có thể được mô hình hóa dưới hai dạng [5]:

+ Dạng chất điểm mang khối lượng chuyển động êm đềm

+ Dạng chất điểm đặt trên các phần tử đàn hồi và cản chuyển động trên

dầm, ngoài ra xe còn chịu tác dụng của lực Gsin(Ωt+γ) do phần khối lượng

không cân bằng của động cơ gây ra

Hình 2.1 Mô hình xe chuyển động trên cầu [5]

Một số các bộ thông số của mô hình tải trọng di động được sử dụng trong tính toán dao động cầu [5]:

2.3 Dao động của dầm chủ cầu treo dưới tác dụng của các lực khí động

Tùy thuộc vào vùng vận tốc gió, mà đối với mỗi một cầu cụ thể sẽ có các dạng dao động trội như trên hình 2.2

Hình 2.2 Các dạng dao động tương ứng các vùng vận tốc gió

Với vận tốc gió nhỏ, dao động trội sẽ là dao động do xoáy khí (vortex shedding) Với vận tốc gió trung bình, dao động trội sẽ là dao động do luồng gió

rối (buffeting) Với vận tốc gió lớn, dao động trội sẽ là dao động uốn xoắn tự

kích khí động học (flutter)

2.3.1 Dao động do xoáy khí (vortex shedding)

Trong một số trường hợp, vật cản cố định sẽ chịu tác dụng của các xoáy

khí luân phiên có tần số cơ bản f s, tương ứng với số Strouhal [13]

s

f D St

với St phụ thuộc vào dạng hình học của vật cản và số Reynold, được xác định

bằng thực nghiệm (xem bảng 2.1), D là kích thước của vật cản theo phương

vuông góc với hướng gió và U là vận tốc trung bình của luồng gió thổi đều qua

vật cản Hệ áp suất tác dụng lên bề mặt vật cản gây ra thành phần lực đẩy và lực

nâng với các hàm điều hoà cơ bản có các tần số lần lượt là f s và 2f s và một cách

tổng quát là một momen xoắn có tần số chính f S

2.3.2 Dao động do luồng gió rối (buffeting)

Thông thường, luồng gió thổi qua cầu sẽ có sự rối loạn (thay đổi về giá trị

vận tốc gió theo các phương) Sử dụng mô hình lực gió á tĩnh, ta có thể xác định

2.3.3 Dao động uốn xoắn do lực tự kích (flutter)

Khi dầm chủ cầu treo dao động uốn xoắn, sự tương tác giữa chuyển động của dầm chủ cầu và luồng gió thổi sẽ phát sinh ra các thành phần lực khí động học bổ sung (gọi là các lực tự kích) Các thành phần lực này được xem như tỷ lệ bậc nhất với các thành phần chuyển vị và các thành phần vận tốc của dầm chủ cầu treo và có dạng như sau [1]:

CHƯƠNG 3

VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.1 Giới thiệu cầu Dakrong

Cầu Dakrong trên quốc lộ 14 thuộc tỉnh Quảng Trị được Bộ giao thông vận tải chính thức phê duyệt đầu tư bằng quyết định số 895 /QĐ-GTVT

3.1.1 Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của cầu [9]

Cầu dây văng dài 173.9m gồm 4 nhịp: 22.5 m + 42.0 m + 86.9 m + 22.5 m Mặt cầu rộng 9 m bao gồm:

vị trí neo cáp dây văng dùng I910

3.1.2 Tải trọng thiết kế [9]

3.1.2.a Tĩnh tải:

- Trọng lượng riêng bê tông lấy bằng 25 kN/m3

- Trọng lượng riêng thép lấy bằng 78.5 kN/m3

- Trọng lượng riêng lớp phủ lấy bằng 23 kN/m3

+ Giới hạn chảy: f sy = 400 Mpa

+ Modul đàn hồi: E s = 3,1×103 Mpa

- Các loại thép khác:

+ Giới hạn chảy: f sy = 300 Mpa

+ Modul đàn hồi: E s = 2,04×105 Mpa

Modul đàn hồi (Mpa) Cáp dây văng Tao cáp ø 15.2 1900 1600 2,0×105Ứng suất làm việc trong cáp khống chế ở trị số 0.4

- Độ cứng chống uốn: EJ = 1720.01*108 Nm2

3.1.5 Số liệu về dây văng [5]

Bảng 3.3 Số liệu về dây văng

Hình 3.1 Bố trí chung cầu Dakrong Ghi chú: Kích thước trên bản vẽ đơn vị là mm

Hình 3.2 Mặt bằng cầu Dakrong Ghi chú:

+ Kích thước bản vẽ đơn vị là mm

+ Dầm ngang không ghi chú là dầm ngang loại 2

Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm cầu tại vị trí không có dầm dọc phụ

Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm cầu tại vị trí có dầm dọc phụ

Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm dọc chính và dầm dọc phụ

3.2.2 Mô hình phần tử hữu hạn cầu Dakrong trong ANSYS

3.2.3 Khai báo các đặc trưng vật liệu trong ANSYS

3.2.4 Khai báo điều kiện biên trong ANSYS

3.2.5 Các mode dao động uốn và dao động xoắn ứng với các tần số thấp nhất

3.2.6 Mô phỏng dao động cưỡng bức của cầu Dakrong bằng phần mềm ANSYS

Chuyển vị uốn theo phương ngang lớn nhất tại vị trí đỉnh tháp là 2.373 mm Chuyển vị uốn theo phương đứng lớn nhất của dầm chủ là 0.32667 mm

KẾT LUẬN

Trong nội dung đề tài đã trình bày về việc sử dụng phần mềm ANSYS đề tính toán dao động của một mô hình cầu treo cụ thể, đó là cầu Dakrong ở Quảng Trị Các vấn đề dao động cần nghiên cứu gồm:

+ Dao động tự do của dầm chủ cầu (dao động uốn và dao động xoắn) + Dao động uốn cưỡng bức của dầm chủ cầu dưới tác dụng của tải trọng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Ngọc An (2014) Tính toán ổn định khí động flutter của dầm chủ trong

kết cấu cầu hệ dây bằng phương pháp bước lặp Luận án Tiến sĩ, Đại học Bách

Khoa Hà Nội

[2] Vũ Quốc Anh (2012) Tính kết cấu bằng phần mềm ANSYS, version 10.0

NXB Xây dựng

[3] Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng (2012) ANSYS - Phân tích kết cấu

công trình thủy lợi thủy điện NXB Xây dựng

[4] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định

Giang (2006) Giải bài toán cơ kỹ thuật bằng chương trình ANSYS NXB Khoa

học và kỹ thuật

[5] Nguyễn Minh Phương (2009) Tính toán dao động uốn của dầm liên tục và

tấm trực hướng hình chữ nhật chịu tác dụng của nhiều vật thể di động Luận án

Tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội

[6] Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hòa (2001) Cầu dây văng NXB Khoa học và kỹ

thuật

[7] Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà ( 2004) Thiết kế cầu treo dây võng NXB

Xây dựng

[8] Đinh Bá Trụ (2000) Hướng dẫn sử dụng ANSYS – Chương trình phần mềm

thiết kế mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn NXB Khoa học và kỹ

thuật

[9] Tổng công ty TVTK GTVT, Công ty TVTK Cầu lớn – Hầm (1999) Thuyết

minh và bản vẽ thiết kế kỹ thuật cầu Dakrong

[10] Chỉ dẫn tính toán thành phần động của tải trọng gió theo tiêu chuẩn TCVN

2737 – 1995 Tiêu chuẩn xây dựng TCXD 229 – 1999

[11] R.W Clough, Joseph Penzien (1993) Dynamics of structures McGraw-Hill,

New York