Mô phỏng quá trình tạo hình ống thép nhồi Bê tông cho cầu vòm.

* Khảo sát sự thay đổi chiều dày ống, bán kính uốn và góc uốn trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống thép trên máy uốn 3 trục từ mô hình máy uốn nhỏ và mô hình máy uốn lớn, trong các

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG CHO CẦU VÒM

CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - 07 / 2011

Footer Page 1 of 126

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐOÀN MINH THUẬN Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 26/07/1979 Nơi sinh : Trà Vinh Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy

Khoá : 2009

1.TÊN ĐỀ TÀI:

Mô phỏng quá trình tạo hình ống thép nhồi Bê tông cho cầu vòm

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

* Tổng quan tình hình nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm

* Khảo sát sự thay đổi chiều dày ống, bán kính uốn và góc uốn trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống thép trên máy uốn 3 trục từ mô hình máy uốn nhỏ và mô hình máy uốn lớn, trong các trường hợp ống thép chưa nhồi bê tông

* Ảnh hưởng của bán kính uốn dẫn đến hiện tượng biến dạng mặt cắt ngang như thay đổi độ dày ống và độ ôvan trong quá trình uốn ống

* Ảnh hưởng của góc uốn đến hiện tượng springback và góc springback trong quá trình uốn ống thép

* Đề xuất qui trình gia công ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm trên máy uốn 3 trục

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14 – 02 – 2011 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01 – 07 – 2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN TƯỜNG LONG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

(Họ tên và chữ ký)

TS Nguyễn Tường Long PGS TS Phạm Ngọc Tuấn

* Tổng quan tình hình nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm

* Khảo sát sự thay đổi chiều dày ống, bán kính uốn và góc uốn trong quá trình gia công biến dạng dẻo ống thép trên máy uốn 3 trục từ mô hình máy uốn nhỏ và mô hình máy uốn lớn

* Ảnh hưởng của bán kính uốn dẫn đến hiện tượng biến dạng mặt cắt ngang như thay đổi độ dày ống và độ ôvan trong quá trình uốn ống

* Ảnh hưởng của góc uốn đến hiện tượng springback và góc springback trong quá trình uốn ống thép

* Đề xuất qui trình gia công ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm trên máy uốn 3 trục

Các kết quả cho thấy trong quá trình uốn ống ở mặt trên (ngoài) của ống chịu ứng suất kéo trong khi đó ở mặt dưới chịu ứng suất nén Nguyên nhân này dẫn đến ống bị mỏng

ở thành trên và dày lên ở thành dưới sau khi uốn Mặt khác, cho thấy ở mặt trên và mặt

dưới của ống tại vị trí uốn có xu hướng tiến dần đến đường trung hòa để giảm độ giãn căng do kéo dẫn đến hiện tượng ôvan

Hơn nữa, hiện tượng springback tăng tuyến tính cùng với bán kính uốn, khi bán kính uốn tăng làm cho biến dạng tối đa trong dầm giảm Do đó, springback gây ra càng lớn

do hiện tượng biến cứng xảy ra nhỏ

Cuối cùng, sự thay đổi độ dày ống từ phân tích phần tử hữu hạn và kết quả thực nghiệm cho kết quả gần giống nhau

Footer Page 3 of 126

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và hỗ trợ em trong quá trình học tập cũng như lúc thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS Nguyễn Tường Long thuộc Bộ môn Cơ

Kỹ Thuật, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường ĐHBK Tp.HCM đã quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành luận văn này

Cũng xin chân thành cảm ơn KS Trần Thái Dương ở phòng Tính toán Cơ học thuộc

Bộ môn Cơ Kỹ Thuật, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường ĐHBK Tp.HCM đã hỗ trợ giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp động viên, giúp

đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận

Trang vi

MỤC LỤC Trang bìa i

Nhiệm vụ luận văn iii

Tóm tắt luận văn iv

Lời cảm ơn v

Mục lục vi

Danh mục hình vẽ và bảng biểu vii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.2 Những hư hỏng trong quá trình uốn ống 4

1.3 Tình hình nghiên cứu trong ngoài nước 10

1.4 Giới thiệu đề tài: 18

1.5 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 19

1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 20

1.7 Kết luận 21

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TOÁN BIẾN DẠNG DẺO ỐNG THÉP 22

2.1 Giới thiệu 22

2.2 Kết quả từ nghiên cứu trước [25] 22

2.3 Tính toán các thông số cơ bản của quá trình uốn 24

2.4 Springback 25

2.5 Biến dạng mặt cắt ngang 28

2.6 Phương pháp phần tử hữu hạn 31

2.7 Kết luận 34

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM MÁY UỐN ỐNG THÉP BA TRỤC TẠI TRÀ VINH 35

3.1 Mô hình máy uốn ở Trà Vinh 35

3.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công 35

3.3 Mô hình thí nghiệm 36

3.4 Mô hình mô phỏng 39

3.5 Kết quả đo thí nghiệm 42

3.6 Kết quả mô phỏng và nhận xét 44

3.7 Ứng xử Springback 52

3.8 Kiểm tra đường tên của ống sau khi uốn 55

Footer Page 5 of 126

3.9 Kết luận 55

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHO CẦU VÒM 56

4.1 Mô hình máy uốn thực tế 56

4.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công 57

4.3 Mô hình hóa máy uốn thủ công trong ANSYS/LS-DYNA 57

4.4 Quá trình mô phỏng 65

4.5 Kết luận 76

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

5.1 Kết luận 77

5.2 Kiến nghị 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

Trang viii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 1 Sơ đồ uốn quay.[3] 1

Hình 1 2 Trước và sau khi uốn ép.[3] 2

Hình 1.3 Sơ đồ của phương pháp uốn ấn 3

Hình 1.4 Sơ đồ của phương pháp uốn trên con lăn [4] 4

Hình 1.5 Chiều dày ống thay đổi trong quá trình uốn 4

Hình 1.6 Ống bị nhăn trong quá trình uốn [18] 5

Hình 1.7 Ống bị biến dạng mặt cắt ngang 5

Hình 1.8 Ống bị springback [22] 6

Hình 1.9 a Sơ đồ máy uốn 3 trục 7

Hình 1.9b Quá trình uốn hoàn thành 7

Hình 1.10 Cầu Ông Lớn 10

Hình 1.11 Ống thép nguyên được gia công trên máy uốn 3 trục 16

Hình 1.12 Cầu Công Lý – Nguyễn Văn Trỗi Tp.HCM 18

Hình 2.2 Hiện tượng Springback 23

Hình 2.3 Biểu đồ biến dạng 24

Hình 2.4 Sơ đồ máy uốn 3 trục 25

Hình 2.5 Quá trình uốn quay và Springback sau khi dỡ tải 25

Hình 2.6 Góc Springback ∆ θ và góc uốn θ 26

Hình 2.7 Ảnh hưởng của hệ số bền vào góc Springback 27

Hình 2.8 Ảnh hưởng của hệ số độ cứng vào góc Springback 27

Hình 2.9 Đặc tính của mặt cắt ngang 28

Hình 2.10 Phân bố ứng suất trong quá trình uốn 29

Hình 2.11 Mối liên hệ chiều dày ống thay đổi và góc uốn 30

Hình 2.12 Biến dạng mặt cắt ngang 30

Hình 2.13 Giải thuật Newton-Rhapson 31

Hình 2.14 Vector vị trí và chuyển động của vật thể 32

Hình 2.15 Phân cực của một biến dạng cắt 33

Hình 3.1 Máy uốn 3 trục thủ công ở Trà Vinh 35

Hình 3.2 Máy uốn nguội 3 trục thủ công 36

Hình 3.3 Điều chỉnh khoảng cách giữa 2 con lăn dưới 37

Hình 3.4 Gá đặt chi tiết ống trên máy 37

Hình 3.5 Kiểm tra ban đầu trước khi điều chỉnh con lăn trên 38

Hình 3.6 Điều chỉnh con lăn trên xuống 38

Hình 3.7 Chi tiết ống sau khi uốn 39

Hình 3.8 Mô hình hình học của máy uốn 39

Hình 3.9 Mô hình vật liệu đàn dẻo 40

Hình 3.10 Phần tử SHELL163 41

Hình 3.11 Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận 42

Hình 3.12 Ống được cố định lại để kiểm tra 42

Hình 3.13 Tiến hình kiểm tra đường tên tại mỗi vạch 43

Hình 3.14 Biểu đồ kiểm tra đường tên sau khi đo đạc thực nghiệm 43

Footer Page 7 of 126

Hình 3.15 Mặt cắt ngang của ống 45

Hình 3.16 Mô hình FE cho R = 664 mm và t =1.9 mm 45

Hình 3.17 Mô hình FE cho R = 664 mm và t = 1.9 mm 45

Hình 3.18 Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất với bán kính uốn thay đổi 46

Hình 3.19 Thành mỏng và thành dày khi bán kính uốn thay đổi 47

Hình 3.20 Kết quả so sánh giữa phương pháp số, FEM và thực nghiệm 48

Hình 3.21 Phân bố độ dày ống trong quá trình uốn 48

Hình 3.22 Độ ôvan khi bán kính uốn thay đổi 49

Hình 3.23 Biến dạng mặt cắt ngang 50

Hình 3.24 So sánh mặt cắt ngang giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm 50

Hình 3.25 Kích thước mặt cắt ngang 51

Hình 3.26 Sự phân bố biến dạng của chiều dày t = 1.9 mm khi góc uốn là 450 51

Hình 3.27 Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất góc uốn thay đổi 52

Hình 3.28a Springback khi góc uốn là 170 52

Hình 3.28b Springback khi góc uốn là 330 53

Hình 3.28c Springback khi góc uốn là 450 53

Hình 3.28d Springback khi góc uốn là 730 53

Hình 3.29 Góc springback thay đổi theo bán kính uốn 54

Hình 3.30 So sánh kiểm tra đường tên giữa kết quả đo thủ công và kết quả mô phỏng 55

Hình 4.1 Máy uốn 3 trục thủ công [25] 56

Hình 4.2 Mô hình ống 57

Hình 4.3 Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 8mm 59

Hình 4.4 Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 10mm 59

Hình 4.5 Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 12mm 60

Hình 4.6 Đồ thị S – e cho thấy ứng suất và độ biến dạng kỹ thuật 61

Hình 4.7 Đồ thị σ – ε cho thấy ứng suất và độ biến dạng thật 62

Hình 4.8 Mô hình vật liệu đàn dẻo 64

Hình 4.9 Phần tử SHELL163 64

Hình 4.10 Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận 65

Hình 4.11 Giai đoạn 1 con lăn số 2 di chuyển xuống h = 100mm 66

Hình 4.12 Giai đoạn 4 con lăn số 2 di chuyển xuống h = 290mm 66

Hình 4.13 Độ dày ống thay đổi theo đường kính ống 68

Hình 4.14 Độ ôvan thay đổi theo đường kính ống 68

Hình 4.15 Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất thay đổi theo đường kính ống 69

Hình 4.16 Góc springback thay đổi theo đường kính ống 69

Hình 4.17 Phân bố biến dạng tương đương ở cuối giai đoạn 1(h = 100mm) 70

Hình 4.18 Phân bố biến dạng tương đương ở cuối giai đoạn 4(h = 290mm) 70

Hình 4.19 Thành mỏng và thành dày khi bán kính uốn thay đổi 71

Hình 4.20 Phân bố biến dạng khi bán kính uốn thay đổi 71

Hình 4.21 Phân bố độ dày ống trong quá trình uốn 72

Hình 4.22 Độ ôvan khi bán kính uốn thay đổi 73

Hình 4.23a Góc springback khi bán kính uốn R = 76050mm 74

Hình 4.23b Góc springback khi bán kính uốn R = 47115mm 74

Trang x

Hình 4.23c Góc springback khi bán kính uốn R = 40950mm 74

Hình 4.23d Góc springback khi bán kính uốn R = 34590mm 75

Hình 4.24 Góc springback thay đổi theo bán kính uốn 75

Hình 4.25 Sự thay đổi bán kính uốn theo h 76

Bảng 2.1 Số liệu vật liệu 22

Bảng 2.2 Cấp lực uốn ống 23

Bảng 3.1 Kích thước hình học 36

Bảng 3.2 Thông số vật liệu của ống 40

Bảng 3.3 Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận 41

Bảng 3.4 Kết quả kiểm tra đường tên 43

Bảng 4.1 Kích thước hình học 57

Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm 60

Bảng 4.3 Thông số vật liệu của ống 63

Bảng 4.4 Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận 65

Bảng 4.5 So sánh các hiện tượng cho các đường kính ống khác nhau 67

Bảng 5.1 So sánh các hiện tượng cho các đường kính ống khác nhau 78

Footer Page 9 of 126

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu ống, người ta dùng nhiều phương pháp uốn khác nhau với mục đích chủ yếu là giảm tối thiểu khối lượng vật liệu nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật và đạt độ bền cao [1] Các nghiên cứu về kết cấu ống mỏng qua quá trình uốn Quá trình này được thực hiện trên máy uốn vạn năng, máy uốn bán tự động Có nhiều loại thiết bị uốn nhưng chúng có đặc điểm chung là kết cấu khuôn uốn giống nhau [2] Trong quá trình uốn ống được thực hiện theo bốn phương pháp: Uốn ép, uốn quay, uốn ấn và uốn trên máy uốn 3 trục

1.1.1 Uốn quay

Hình 1 1 Sơ đồ uốn quay.[3]

Trang 2

Uốn quay là phương pháp uốn thông dụng nhất và được sử dụng phổ biến trong

ngành công nghiệp do chi phí dụng cụ thấp Các bộ phận chính của dụng cụ uốn quay

gồm có: Puly uốn 1, Thanh trượt uốn 2, Thanh trượt dọc 3, ống kim loại 4, Thanh đỡ

dọc 5.(Hình 1.1)

Khi gia công, puly 1 quay theo chiều kim đồng hồ, kéo ống quay theo nhờ thanh trượt uốn 2 lắp cố định trên puly Thanh trượt dọc 3 luôn tỳ vào nữa ngoài của ống gia công Ống 4 sẽ biến dạng theo bán kính quay của puly 1 Tuy nhiên, quá trình biến dạng ống sẽ bị thay đổi đường kính bên trong, dẫn đến hiện tượng bị móp ở mặt trên hay nhăn ở mặt dưới Vì thế, để khắc phục hiện tượng này người ta đặt lõi uốn bên trong ống để vuốt lại đường kính trong của ống, đồng thời sửa vết nhăn tại vị trí uốn cong

1.1.2 Uốn ép

Phương pháp uốn ép cũng gần giống như phương pháp uốn quay Các phần chính của uốn ép gồm có: puly uốn, thanh trượt uốn và thanh trượt dọc

Hình 1 2 Trước và sau khi uốn ép.[3]

Sự khác nhau giữa uốn quay và uốn ép là trong phương pháp uốn quay thì puly uốn và thanh trượt dọc quay, trong khi đó phương pháp uốn ép thì puly uốn được giữ

Puly uốn

Thanh đỡ dọc Thanh trượt uốn

Footer Page 11 of 126

được giữ chặt trên hai thanh trượt uốn đặt cố định, khi khuôn uốn di chuyển xuống ống

bị biến dạng theo bán kính của khuôn uốn Quá trình biến dạng kéo xảy ra ở mặt trên của ống lớn hơn ở mặt dưới Tuy nhiên, quá trình uốn ống bằng các phương pháp khác thì biến dạng ở mặt trên của ống là biến dạng kéo và ở mặt dưới là chịu nén Trong ba phương pháp uốn quay, uốn ép và uốn ấn thì bán kính uốn, góc uốn phụ thuộc vào khuôn uốn

Hình 1.3 Sơ đồ của phương pháp uốn ấn

1.1.4 Uốn trên 3 con lăn

Phương pháp uốn này gồm có 3 con lăn với kích thước như nhau được sắp xếp

theo dạng hình tháp (Hình 1.4) Hai con lăn dưới được giữ cố định trên bàn máy và có

thể điều chỉnh theo phương ngang, con lăn trên (giữa) có thể quay nhờ động cơ 3 pha

và di chuyển theo phương thẳng đứng nhờ hệ thống thủy lực Khi gia công, ống kim loại được đặt trên 2 con lăn dưới và con lăn trên chuyển động xuống ép ống nhờ vào một hệ thống thủy lực

Trang 4

Hình 1.4 Sơ đồ của phương pháp uốn trên con lăn [4]

1.2 Những hư hỏng trong quá trình uốn ống Trong quá trình uốn, chi tiết ống chịu sự biến dạng lớn trên bề mặt ống và dẫn đến một vài hiện tượng hư hỏng như chiều dày ống thay đổi sau khi uốn, ống bị nhăn tại vị

trí uốn, biến dạng mặt cắt ngang và hiện tượng Springback

1.2.1 Chiều dày ống biến đổi

Trong quá trình uốn mômen uốn gây ra lực dọc ở mặt dưới và mặt trên, các mặt này chịu ứng suất kéo, ứng suất nén dẫn đến chiều dày ống bị mỏng ở mặt trên (ngoài)

và dày lên ở mặt dưới (trong) (Hình 1.5)

Hình 1.5 Chiều dày ống thay đổi trong quá trình uốn

Con lăn

Ống

Footer Page 13 of 126

1.2.2 Ống bị nhăn

Khi uốn những ống có chiều dày thành ống mỏng ứng suất nén sinh ra ở mặt trong (dưới) ống Nếu ứng suất này lớn dẫn đến việc phân bố không ổn định ở mặt dưới ống hoặc nhăn ống Những vết nhăn dạng sóng xuất hiện trên bề mặt ống ở vị trí

uốn (Hình 1.6) làm ảnh hưởng đến việc lắp ráp với các chi tiết khác Hơn nữa, những

vết nhăn này làm mất đi tính thẩm mỹ của chi tiết ống uốn

Hình 1.6 Ống bị nhăn trong quá trình uốn [18]

1.2.3 Biến dạng mặt cắt ngang

Như đã phân tích ở trên, ứng suất kéo sinh ra ở mặt ngoài của ống trong khi đó

ứng suất nén sinh ra ở mặt trong của ống, làm cho mặt trong và mặt ngoài của ống có

xu hướng di chuyển đến đường trung hòa Khi đó mặt ngoài của ống tiến đến mặt phẳng trung hòa để giảm lực căng do kéo dẫn đến mặt cắt ngang của ống không tròn

trở thành hình ôvan (Hình 1.7)

Hình 1.7 Ống bị biến dạng mặt cắt ngang

Trang 6

1.2.4 Hiện tượng Springback

Sau khi quá trình gia công uốn ống hoàn thành và dỡ tải ra thì Springback xảy ra

do tính chất đàn hồi của vật liệu Đây được gọi là hiện tượng Springback hoặc sự hồi phục đàn hồi của ống Trong quá trình uốn ứng suất nội sinh ra trong ống và khi ngừng tải thì ứng suất này không triệt tiêu nhau làm cho mặt trên của ống chịu ứng suất kéo

dư và mặt dưới chịu ứng suất nén dư dẫn đến tăng bán kính cong và giảm góc uốn của chi tiết uốn Hơn nữa, làm cho kích thước hình học của chi tiết không chính xác theo thiết kế gây khó khăn khi lắp ráp với các chi tiết khác

Hình 1.8 Ống bị springback [22]

Như vậy, những trường hợp hư hỏng trên đã được nghiên cứu nhiều cho những

ống có đường kính nhỏ và chiều dày thành ống mỏng bằng phương pháp uốn quay,

uốn ép và uốn ấn Tuy nhiên, những nghiên cứu về hiện tượng hư hỏng cho ống có

đường kính lớn bằng phương pháp uốn trên con lăn còn hạn chế

Hơn nữa qua bốn phương pháp trên, thì phương pháp uốn quay và uốn ép nguyên

lý làm việc gần giống nhau như có thể uốn được loại ống có chiều dày thành mỏng và bán kính uốn nhỏ Còn phương pháp uốn ấn có thể uốn ống đạt được bán kính uốn lớn nhưng chiều dài cung thì lại ngắn Như vậy, trong ba phương pháp này có một vài hạn chế như: ống uốn có bán kính uốn thay đổi thì cần phải thay đổi khuôn uốn; Bán kính uốn và góc uốn nhỏ; chi tiết ống có đường kính nhỏ Do đó phương pháp uốn trên 3 con lăn được chọn làm mô hình nghiên cứu trong đề tài này Vì có những đặc điểm nổi bậc như sau:

Footer Page 15 of 126