Hướng dẫn sử dụng phần mềm ansys trong tính toán kết cấu công trình

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHẦN MỀM ANSYS

ANSYS là phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để giải quyết các bài toán vật lý, toán học, cơ học, kết cấu, truyền nhiệt và điện thế PTHH là phương pháp số gần đúng giúp giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định với hình dạng và điều kiện biên đa dạng, khi mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích Nhờ vào PTHH, ANSYS có khả năng giải quyết dễ dàng các bài toán kỹ thuật với số bậc tự do lớn.

Phần mềm ANSYS được sử dụng rộng rãi trong tính toán và thiết kế kết cấu công trình trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, giao thông, và hàng không vũ trụ ANSYS giúp giải quyết các bài toán về ứng suất - biến dạng, nhiệt độ, tĩnh, dao động, và va chạm cho nhiều loại vật liệu như đàn hồi và dẻo nhớt Nhờ vào những ưu điểm vượt trội, ANSYS thường được áp dụng trong học thuật và nghiên cứu khoa học.

Phần mềm ANSYS hiện đang được nhiều trường đại học và viện nghiên cứu trên thế giới sử dụng trong giảng dạy và nghiên cứu Tại Việt Nam, ANSYS đã được ứng dụng trong phân tích kết cấu cho các ngành như công trình thủy lợi, thủy điện, xây dựng dân dụng, hàng không quốc phòng, và cơ khí chế tạo Xu hướng này cho thấy sự gia tăng ứng dụng ANSYS trong nghiên cứu khoa học tại các trường đại học và đơn vị thiết kế kết cấu công trình trong tương lai Do đó, việc tích hợp phần mềm ANSYS vào chương trình giảng dạy cho sinh viên ngành kỹ thuật công trình tại các trường đại học kỹ thuật là rất cần thiết.

Phần mềm ANSYS, ra đời từ những năm 1970, đã trải qua nhiều cải tiến và hiện đang ở phiên bản ANSYS v19.0 Tài liệu này tập trung vào việc sử dụng ANSYS v16.0 để tính toán các kết cấu công trình cơ bản như dầm liên tục, giàn và khung - khung sàn, cùng với bài toán tấm phẳng Điều này giúp sinh viên ngành kỹ thuật công trình nắm vững kiến thức cơ bản về tính toán kết cấu, phục vụ cho đồ án tốt nghiệp và sự nghiệp sau này.

CÁCH THỨC SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS

Khởi động phần mềm

Sau khi hoàn thành cài đặt phần mềm có thể tiến hành khởi động để sử dụng phần mềm ANSYS theo các cách thức dưới đây:

Dùng chuột nhấn đúp trực tiếp vào biểu tượng phần mềm trên Desktop Mechanical APDL 16.0 để khởi động nhanh phần mềm

- Khởi động có lựa chọn mô-đun của nhà sản xuất:

To launch ANSYS 16.0, navigate to Start > Programs > ANSYS 16.0 > Mechanical APDL Product Launcher Once the selection window appears, choose your working directory and enter the problem name Finally, click Run to start the software.

Hình 1 Cửa sổ khởi động phần mềm

Khi khởi động nhanh, chương trình sẽ tự động lấy thư mục làm việc và tên bài toán mặc định Để tránh tình trạng lưu đè lên bài toán đã có, người dùng cần thay đổi thư mục làm việc và tên bài toán ngay sau khi khởi động.

Đối với người mới sử dụng phần mềm ANSYS, cách khởi động thứ hai là lựa chọn tốt nhất Phương pháp này cho phép người dùng đặt tên cho các bài toán và lưu trữ chúng trong thư mục tự định nghĩa, giúp tránh tình trạng ghi đè lên các bài toán đã có.

Thoát khỏi phần mềm

Để thoát khỏi phần mềm ANSYS có thể thực hiện theo các cách:

- Nhấn trực tiếp vào biểu tượng trên thanh công cụ cửa sổ giao diện phần mềm

Nhấn vào biểu tượng ở góc phía trên bên phải cửa sổ giao diện

Sau khi thực hiện một trong các thao tác trên sẽ xuất hiện cửa sổ như hình 2, lựa chọn một trong bốn gợi ý để lưu/không lưu bài toán

Hình 2 Cửa sổ lựa chọn trước khi thoát khỏi phần mềm

- Hoặc nhập lệnh /EXIT để thoát khỏi hoàn toàn phần mềm

Lưu ý rằng trước khi thoát khỏi phần mềm, bạn cần chọn cách lưu hoặc không lưu bài toán Đối với những người mới bắt đầu, nên ưu tiên sử dụng các phương pháp này để đảm bảo công việc được lưu trữ đúng cách.

Cửa sổ giao diện phần mềm

Sau khi khởi động phần mềm ANSYS 16.0, người dùng sẽ thấy cửa sổ giao diện GUI (Giao diện Đồ họa Người dùng) như hình 3 Cửa sổ này bao gồm 8 bộ phận chính.

Menu tiện ích (Utility Menu) cho phép người dùng thực hiện các chức năng và mở cửa sổ lựa chọn trong suốt quá trình làm việc Menu này bao gồm 10 thẻ chính: Lựa chọn đối tượng (Select), hiển thị dữ liệu dạng bảng (List), hiển thị dữ liệu dạng đồ họa (Plot), khống chế hiển thị (PlotCtrls), mặt phẳng làm việc (Work Plane), tham số (Parameters), lệnh mở rộng (Macro), khống chế menu (MenuCtrl), và trợ giúp (Help).

Cửa sổ nhập lệnh (Command Prompt) trong phần mềm ANSYS cho phép người dùng nhập câu lệnh trực tiếp, bên cạnh việc sử dụng giao diện đồ họa (GUI) thông qua chuột Đối với những người mới bắt đầu, việc kết hợp cả hai phương thức này sẽ giúp tối ưu hóa quá trình làm quen và thao tác hiệu quả hơn trong ANSYS.

Hình 3 Cửa sổ giao diện phần mềm ANSYS 16.0

Trong quá trình sử dụng ANSYS, người dùng có thể gặp nhiều cửa sổ như cửa sổ lựa chọn hay cửa sổ định nghĩa hằng số vật liệu Để hiển thị các cửa sổ đang ẩn, chỉ cần nhấn vào biểu tượng "Hiển thị cửa sổ đang ẩn".

Thanh công cụ (Toolbar) là một phần quan trọng trong giao diện người dùng, bao gồm các lệnh và hàm số thường được sử dụng Người dùng có thể tùy chỉnh các nút công cụ theo nhu cầu của mình, chỉ cần nhấn chuột để thực hiện các thao tác một cách dễ dàng và nhanh chóng.

Menu chính là nơi tập trung tất cả các bước phân tích bài toán kết cấu, được sắp xếp theo trình tự logic như xử lý số liệu, tính toán, và xử lý kết quả Dấu “+” trước các mục trong menu cho thấy có thể có các menu cấp con liên quan.

Nút tiện ích trong phần mềm ANSYS giúp người dùng thực hiện nhanh chóng các thao tác thường xuyên trong quá trình giải bài toán, tối ưu hóa hiệu suất làm việc bằng cách sử dụng chuột để thao tác dễ dàng.

Màn hình hiển thị của phần mềm ANSYS là cửa sổ chính, nơi tập trung mô hình phân tích, lưới, phổ màu và đường đẳng kết quả tính toán, cung cấp thông tin quan trọng trong quá trình giải.

Thanh trạng thái: Hiển thị một vài thông tin trong quá trình thao tác GUI để nhắc nhở người sử dụng

Trong phương thức GUI, có 4 cách để thực hiện một thao tác:

- Sử dụng thanh công cụ;

Tất cả các thao tác trên đều được ghi lại dưới dạng Log File, người sử dụng có thể kiểm tra, chỉnh sửa hoặc lưu.

TRÌNH TỰ GIẢI BÀI TOÁN KẾT CẤU BẰNG PHẦN MỀM ANSYS

Có ba phương thức chính để giải bài toán kết cấu bằng phần mềm ANSYS: giao diện đồ họa người dùng (GUI), lệnh (COMMAND) và ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) Tài liệu này hướng dẫn sinh viên từng bước thao tác tính toán bài toán kết cấu qua phương thức GUI, nhưng cũng kết hợp lệnh COMMAND cho những bài toán mà phần tử không hiển thị trong cửa sổ lựa chọn Kể từ ANSYS v.14.0, một số phần tử cơ bản chỉ có thể truy cập qua thư viện dữ liệu phần mềm Mỗi ví dụ tính toán đều có gợi ý về lệnh APDL tương ứng để sinh viên có thể so sánh và nhận xét về các phương thức thực hiện bài toán trong ANSYS.

Trình tự giải bài toán kết cấu công trình bằng phần mềm ANSYS bao gồm nhiều bước và được phân chia thành ba nhóm chính: xử lý số liệu, tính toán và xử lý kết quả.

(1) Xử lý số liệu (/PREP):

- Đặt tên bài toán; /FILENAME

- Giới hạn phạm vi phân tích;

- Định nghĩa tham số đầu vào;

- Định nghĩa loại phần tử; ET

- Định nghĩa hằng số thực; R

- Định nghĩa mặt cắt phần tử; SECTYPE, SECOFF, SECDATA

- Định nghĩa thuộc tính vật liệu; MP

- Xây dựng mô hình hình học; K, L, A, V

- Chia lưới phần tử; LMESH, AMESH, VMESH

- Gán tải trọng và điều kiện biên; ACEL, D, F, SF

- Lựa chọn loại hình tính toán; ANTYPE, NROPT

- Thiết lập các yêu cầu tính toán; TIME, DELTIME

(3) Xử lý kết quả (/POST):

- Xử lý kết quả thông thường dưới dạng bảng biểu, phổ màu, PLNSOL, PLDISP;

- Xử lý kết quả theo thời gian dạng bảng biểu, đồ thị, PLVAR;

- Xử lý kết quả dẫn xuất;

GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG THỨC NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH THAM SỐ APDL

Mỗi thao tác trong giao diện người dùng (GUI) tương ứng với một câu lệnh, được nhập vào cửa sổ lệnh Trong giải quyết bài toán, có thể kết hợp phương thức GUI và phương thức COMMAND Phương thức giải bài toán kết cấu bằng cách soạn thảo hoàn toàn thông qua các câu lệnh mà không cần dùng chuột, gọi là ngôn ngữ lập trình tham số APDL Các câu lệnh có thể được soạn thảo trên Notepad dưới dạng file.txt hoặc trong Word của Microsoft Office dưới dạng file.docx Dữ liệu đầu vào được tham số hóa, giúp dễ dàng thay đổi cho các bài toán tương tự.

Thực hiện bài toán tính toán kết cấu bằng phương thức APDL có nhiều ưu điểm hơn so với phương thức GUI Chẳng hạn như:

Khi sử dụng phương thức GUI trong phần mềm ANSYS, người dùng có thể gặp phải tình trạng thao tác sai do việc sử dụng chuột, và vì phần mềm không có nút quay lại (undo), việc khôi phục trạng thái trước đó trở nên khó khăn, thậm chí cần phải làm lại bài toán từ đầu Ngược lại, với phương thức APDL, người dùng thực hiện bài toán thông qua các câu lệnh, cho phép dễ dàng sửa đổi và chạy lại bài toán một cách nhanh chóng khi có lỗi xảy ra.

- Phương thức APDL dễ dàng thay đổi giá trị các tham số và có thể thực hiện như một ngôn ngữ lập trình FORTRAN

Khi sử dụng phương thức GUI, việc lưu trữ bài toán tiêu tốn nhiều dung lượng bộ nhớ máy tính Ngược lại, với phương thức APDL, người dùng có thể xem lại kết quả bằng cách chạy lại mà không cần lưu bài toán trong phần mềm ANSYS Phương pháp này chỉ yêu cầu lưu file câu lệnh dưới định dạng file.txt hoặc file.docx, giúp tiết kiệm dung lượng lưu trữ.

Mặc dù phương thức APDL trong tính toán kết cấu công trình có nhiều ưu điểm, nhưng người dùng cần chú ý rằng các câu lệnh phải được viết chính xác tuyệt đối; bất kỳ lỗi chính tả hay sai cú pháp nào cũng có thể khiến phần mềm không hiểu và không chạy được Đối với những người đã nắm vững kiến thức cơ bản về ANSYS, việc áp dụng APDL để giải quyết bài toán kết cấu công trình là rất được khuyến khích, vì nó giúp tiết kiệm thời gian thực hiện.

Giới thiệu về quy trình chung thực hiện một bài toán bằng phương thức APDL:

/FILENAME,DAMLIENTUC !DAT TEN BAI TOAN /TITLE,TINH TOAN NOI LUC DAM LIEN TUC !TIEU DE BAI TOAN

B=3; !A,B LA CAC THAM SO DAU VAO

/PREP7 !KHOI DONG KHOI XU LY SO LIEU

ET,1,BEAM3 !PHAN TU DAM 2-D

ET,2,PLANE183 !PHAN TU PHANG 2-D 8 NUT

MP,EX,1,2.1E7 !MODUN DAN HOI

MP,PRXY,1,0.2 !HE SO POISSON

MP,DENS,1,24/9.81 !KHOI LUONG RIENG

LSTR,1,2 !VE DUONG THANG, DIEM DAU, DIEM CUOI

A,1,2,3 !VE MAT QUA CAC DIEM

LSEL,ALL !CHON TAT CA CAC DUONG

LATT,1,1,1 ! LINE ATTRIBUTE,MAT,REAL,TYPE

LMESH,ALL !LINES MESH, ALL-TAT CA THANH

ALLSEL !HIEN TAT CA CAC PHAN TU

ASEL,ALL !CHON TAT CA CAC MAT

AATT,1,,1 ! AREA ATTRIBUTE,MAT,REAL,TYPE

AMESH,ALL !AREA MESH,ALL-TAT CA MAT

FINISH !KET THUC KHOI XU LY SO LIEU

/SOLU !KHOI DONG KHOI TINH TOAN

DK,1,UY,0 !DIEM 1 GOI CO DINH

DK,2,UY,0 !DIEM 2 GOI DI DONG

FK,3,FY,-100 !LUC TAP TRUNG TAI DIEM 3

FINISH !KET THUC KHOI TINH TOAN

PLNSOL,U,SUM !HIEN THI CHUYEN VI TONG

FINISH !KET THUC XEM KET QUA

Những ghi chú phải để dấu chấm than (!) phía trước để phần mềm ANSYS hiểu rằng những kí tự phía sau dấu chấm than (!) là những ghi chú.

MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC CỦA ANSYS

Chương trình ANSYS là một phần mềm mạnh mẽ và linh hoạt, chuyên phân tích và tối ưu thiết kế Nó có khả năng hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm máy tính cá nhân, NT và UNIX.

ANSYS có khả năng trao đổi dữ liệu với nhiều phần mềm CAD như Pro Engineer, SolidWorks, NASTRAN, Alogor, I-DEAS và AutoCAD Việc này giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình xây dựng mô hình và nâng cao hiệu quả làm việc.

Với các phần mềm CAD có thể tạo file có cách thức: Pro/E, Unigraphics, CADDS, IGES, SAT và Parasolid, phần mềm ANSYS đều đủ khả năng tiếp nhận.

PHÂN TÍCH KẾT CẤU DẦM LIÊN TỤC

KẾT CẤU DẦM LIÊN TỤC

Kết cấu dầm liên tục là một yếu tố quan trọng trong xây dựng và giao thông, thường bao gồm hai hoặc nhiều nhịp được hỗ trợ bởi các gối di động, gối cố định hoặc ngàm Trong phần mềm ANSYS, dầm liên tục thường được mô phỏng bằng phần tử thanh, với nhiều thanh thẳng kết nối tại các nút ở hai đầu Các nút này liên kết với nền công trình thông qua các gối di động, gối cố định hoặc ngàm, và phần tử thanh có thể có tiết diện không đổi hoặc thay đổi.

Hình 1.1 Ví dụ về hệ dầm liên tục

Phần mềm ANSYS cung cấp nhiều loại phần tử thanh để mô phỏng kết cấu dầm liên tục, bao gồm phần tử thanh đàn hồi làm việc phẳng (BEAM3), phần tử thanh có tính dẻo làm việc phẳng (BEAM23) và phần tử thanh trên nền đàn hồi làm việc phẳng (BEAM54) Từ phiên bản ANSYS v14.0 trở đi, các phần tử thanh 2-D được lưu trữ trong thư viện dữ liệu và chỉ có thể được sử dụng qua lệnh COMMAND hoặc APDL; trong giao diện GUI, người dùng chỉ có thể lựa chọn các phần tử thanh 3-D Một số phần tử thanh cơ bản như BEAM3 và BEAM54 được trình bày chi tiết trong bảng 1.1.

Bảng 1.1 Các phần tử thanh thường dùng để mô phỏng kết cấu dầm liên tục

Lo ạ i Ph ầ n t ử thanh Hình d ạ ng

BEAM3 - Phần tử thanh 2 nút 2-D

BEAM54 - Phần tử thanh 2 nút đặt trên nền đàn hồi

CÁC PHẦN TỬ THANH LÀM VIỆC PHẲNG 2-D

1.2.1 Phần tử thanh làm việc phẳng BEAM3

BEAM3 là phần tử cơ bản nhất trong mô phỏng kết cấu dầm liên tục và khung phẳng, với khả năng chịu kéo, nén dọc trục và uốn Phần tử này có hai nút ở hai đầu, mỗi nút sở hữu ba bậc tự do: chuyển vị theo phương X, Y và xoay quanh trục Z.

Số liệu đầu vào của phần tử BEAM3 cho ở bảng 1.2

Bảng 1.2 Số liệu đầu vào của phần tử BEAM3

Bậc tự do UX, UY, ROTZ

Hằng số thực AREA, IZZ, HEIGHT,SHEARZ, ADDMAS

Tải trọng khối Nhiệt độ: T1, T2, T3, T4

Tải trọng bề mặt Áp lực:

Mặt 4 (J) (phương dọc trục -X) Đặc tính Ứng suất cứng hóa, biến dạng lớn, phần tử hoạt động - không hoạt động

Lực và mômen đầu ra:

0 - Không xuất lực và mômen;

1 - Xuất lực và mômen trong hệ tọa độ phần tử

KEYOPT(9) Xuất kết quả số điểm N giữa nút I và J (N = 0, 1, 3, 5, 7, 9)

Dùng lệnh SFBEAM gán vị trí tải trọng cùng với khoảng cách từ đầu I tới tải trọng phân bố:

0 - Giá trị chiều dài đoạn này có đơn vị là độ dài;

1 - Giá trị chiều dài đoạn này có đơn vị là tỷ số độ dài (0 ÷ 1.0)

Dữ liệu đầu ra cho phần tử BEAM3 bao gồm các thuộc tính hình học và các yếu tố dẫn xuất như thể tích, tọa độ trọng tâm, ứng suất, biến dạng và nội lực Mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử BEAM3 được trình bày trong Bảng 1.3.

Bảng 1.3 Mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử BEAM3

Tên g ọ i Gi ả i thích Mã Nút

SDIR Ứng suất dọc trục LS 1 4

SBYT Ứng suất do uốn tại cạnh +Y của thanh LS 2 5

SBYB Ứng suất do uốn tại cạnh -Y của thanh LS 3 6

SMAX Ứng suất lớn nhất (ứng suất dọc + ứng suất uốn) NMISC 1 3

SMIN Ứng suất nhỏ nhất (ứng suất dọc - ứng suất uốn) NMISC 2 4

EPELDIR Biến dạng đàn hồi dọc trục ở cuối LEPEL 1 4

EPELBYT Biến dạng đàn hồi uốn tại cạnh +Y của thanh LEPEL 2 5

EPELBYB Biến dạng đàn hồi uốn tại cạnh -Y của thanh LEPEL 3 6

MFORX Lực trong phần tử theo phương trục X SMISC 1 7

MFORY Lực trong phần tử theo phương trục Y SMISC 2 8

MMOMZ Mômen trong phần tử theo phương trục Z SMISC 6 12

1.2.2 Phần tử thanh đặt trên nền đàn hồi làm việc phẳng BEAM54

Phần tử BEAM54 là một thanh trên nền đàn hồi có khả năng chịu kéo, nén dọc trục và uốn Nó có hai nút ở hai đầu, mỗi nút sở hữu ba bậc tự do: hai chuyển vị thẳng theo các phương X và Y, cùng một chuyển vị xoay quanh trục Z.

Dữ liệu đầu vào cho phần tử BEAM54 được trình bày trong bảng 1.4 Khi khai báo hằng số thực cho phần tử BEAM54, ngoài các đặc trưng hình học của tiết diện tương tự như phần tử BEAM3, cần phải khai báo thêm hằng số thực về hệ số nền ks Ví dụ, câu lệnh khai báo có thể được thực hiện như sau:

RMODIF,1,16,6E4 !1-Hằng số thực thứ 1 , 16-Số thứ tự vị trí nhập hệ số nền, 6E6-Giá trị hệ số nền k s

Bảng 1.4 Số liệu đầu vào của phần tử BEAM54

S ố li ệ u vào BEAM54 Điểm nút I, J

Bậc tự do UX, UY, ROTZ

Hằng số thực AREA, IZ, HYT, HYB, AREA, AREAS, , EFS, ISTRN, ADDMAS Vật liệu EX, ALPX, DENS, GXY, DAMP

Tải trọng bề mặt Áp lực:

Tải trọng khối Nhiệt độ: T1, T2, T3, T4 Đặc tính Ứng suất cứng hóa, biến dạng lớn, phần tử hoạt động - không hoạt động

Lựa chọn ứng suất cứng hóa:

0 - Khi mở NLGEOM, sử dụng ma trận độ cứng hướng cắt chính 1- Khi mở NLGEOM và SOLCONTROL, sử dụng cùng ma trận độ cứng hướng cắt

2 - Khi đóng SOLCONTROL, không sử dụng cùng ma trận độ cứng hướng cắt

Lực và mômen đầu ra:

0 - Không xuất lực và mômen;

1 - Xuất lực và mômen trong hệ tọa độ phần tử

Dùng lệnh SFBEAM gán tải trọng bề mặt:

0 - Số liệu gán có đơn vị là độ dài;

1 - Số liệu gán có đơn vị là tỷ số độ dài

Số liệu đầu ra: Bảng 1.5 thể hiện mã xuất nội lực của phần tử BEAM54

Bảng 1.5 Mã xuất nội lực của phần tử BEAM54

Tên g ọ i Gi ả i thích Mã Nút

MFORX Lực trong phần tử theo phương trục X SMISC 1 7 MFORY Lực trong phần tử theo phương trục Y SMISC 2 8 MMOMZ Mômen trong phần tử theo phương trục Z SMISC 6 12

VÍ DỤ PHÂN TÍCH KẾT CẤU DẦM LIÊN TỤC

Ví dụ 1.1: Dầm liên tục ba nhịp

Dầm liên tục ba nhịp có kích thước và tải trọng như hình 1.4, với môđun đàn hồi của bê tông mác M250 là E = 2.6×10^7 kN/m^2, hệ số Poisson μ = 0.2 và khối lượng riêng ρ = 25 kN/m^3 Dầm có tiết diện chữ nhật kích thước b×h = 0.3×0.6m Cần tính toán chuyển vị và nội lực trong dầm để đảm bảo tính ổn định và an toàn cho công trình.

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán kết cấu dầm liên tục ba nhịp H ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c GUI:

(2) Đặt tên bài toán: Utility Menu  File  Change Jobname  DAMLIENTUC

(3) Đặt tiêu đề bài toán: Utility Menu  File  Change Title  TINH TOAN NOI LUC DAM LIEN TUC BA NHIP

In ANSYS software versions 14.0 and above, the BEAM3 element is not readily available in the Element Type selection window To access this element, users must navigate through the Main Menu to Preprocessor, then Element Type, and finally Add/Edit/Delete Since BEAM3 is stored in the data library, it is necessary to input a command in the COMMAND window to retrieve this element and declare the required real constants for it.

Hình 1.5 Cửa sổ nhập câu lệnh Chú ý : Chọn hệ đơn vị là kN, m

!R-Hằng số thực, 1-Hằng số thực thứ 1, 0.18-Diện tích tiết diện (B*H),0.0054-Momen quán tính (B*H 3 /12), 0.6-Chiều cao tiết diện (H)

(5) Định nghĩa vật liệu: Main Menu  Preprocessor  Material Props  Material Models  Structural  Linear  Elastic  Isotropic  EX = 2.6E7  PRXY = 0.2

 OK Tiếp tục thực hiện Structural  Density  DENS = 0 (bằng 0 khi không xét đến trọng lượng bản thân dầm, bằng 25/9.81 khi có xét đến trọng lượng bản thân dầm)

Hình 1.6 Cửa sổ khai báo thuộc tính vật liệu

(6) Xây dựng mô hình hình học:

Hình 1.7 Cửa sổ tạo điểm trong hệ tọa độ tổng thể

- Tạo điểm đặc trưng: Main Menu  Preprocessor  Modeling  Create  Keypoints  In Active CS  Trong cửa sổ Create Keypoints in Active CS (hình 1.7)

 Lần lượt nhập các giá trị NPT = 1, X = 0, Y = 0, Z = 0  Apply  Tương tự nhập các điểm từ 2 đến 6 cho ở bảng dưới đây:

3 6 0 0 6 22 0 0 Kết quả tạo 6 điểm trong hệ tọa độ tổng thể cho ở hình 1.8

- Tạo đường: Main Menu  Preprocessor  Modeling  Create  Lines  Straight Line  Dùng chuột nhấn vào hai điểm 1 và 2, tương tự 2 và 3, 3 và 4, 4 và 5,

5 và 6  OK Kết quả cho ở hình 1.9

(7) Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn:

- Định nghĩa kích thước phần tử: Main Menu  Preprocessor  Meshing  Size Cntrls  ManualSize  Global  Size  Xuất hiện cửa sổ Global Element Sizes như hình 1.10  SIZE = 0.5  OK

Hình 1.10 Định nghĩa kích thước phần tử

- Chia phần tử: Main Menu  Preprocessor  Meshing  Mesh  Lines  Pick all Main Menu  Finish

(8) Gán điều kiện biên và tải trọng:

- Chọn kiểu phân tích: Main Menu  Solution  Analysis Type  New Analysis

 Xuất hiện bản New Analysis  Chọn  Static  OK

- Gán gia tốc trọng trường:

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply Structural  Inertia  Gravity  Global  ACELY = 10  OK

- Gán điều kiện biên gối đỡ:

Utility Menu  PlotCtrls  Numbering  Chọn Keypoint numbers

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Structural  Displacement

 On Keypoints  Dùng chuột chọn điểm 1  Apply  Chọn All DOF, VALUE 0  Apply  Tiếp tục dùng chuột chọn điểm 3, 4 và 6  OK  Chọn UY, VALUE

- Gán tải trọng tập trung:

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Structural  Force/Moment

 On Keypoints  Dùng chuột chọn điểm 2  Apply  Lab = FY, VALUE = -45  Apply  Tiếp tục dùng chuột chọn điểm 5  OK  Lab = FY, VALUE = -40  OK

Hình 1.11 Gán điều kiện biên

Hình 1.12 Gán tải trọng tập trung

- Gán tải trọng phân bố nhịp giữa dầm:

Utility Menu  PlotCtrls  Numbering  Chọn Line numbers

Utility Menu  Select  Entities  Trong cửa sổ Select Entities  Lines  By Num/Pick  From Full  OK  Dùng chuột lựa chọn đường L3  OK

Utility Menu  Select  Entities  Trong cửa sổ Select Entities  Elements  Attached to  Lines  Reselect  Pick all  OK

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Structural  Pressure  On Beams  Pick all  LKEY = 1  VALI = 15  OK

Main Menu  Solution  Solve  Current LS  Xuất hiện thông báo việc giải bài toán đã hoàn thành “Solution is done”  Nhấn Close và khai thác kết quả

Hình 1.13 Gán tải trọng phân bố lên dầm

- Xuất biểu đồ nội lực:

To define additional items in the Element Table, navigate to General Postproc, select Element Table, and click on Define Table After adding the necessary elements, the Define Additional Element Table Items window will appear, as shown in Figure 1.14 Set Lab to QI and arrange by sequence number, followed by SMISC and SMISC,2 After applying these settings, repeat the process for Lab = QJ, ensuring the sequence number is maintained along with SMISC.

 SMISC,8  Apply  Lab = MI  By sequence num  SMISC  SMISC,6  Apply  Lab = MJ  By sequence num  SMISC  SMISC,12  OK

Hình 1.14 Cửa sổ định nghĩa xuất kết quả phần tử

General Postproc  Contour Plot  Line Element Result  Xuất hiện bảng Plot Line-Element Results  LabI = QI, LabJ = QJ  Fact = 1  OK, được biểu đồ lực cắt như hình 1.15

Hình 1.15 Biểu đồ lực cắt trong dầm

General Postproc  Contour Plot  Line Element Result  Xuất hiện bảng Plot Line-Element Results  LabI = MI, LabJ = MJ  Fact = -1  OK, được biểu đồ mô men uốn như hình 1.16

Hình 1.16 Biểu đồ mômen uốn trong dầm

- Kiểm tra kết quả góc xoay:

Utility Menu  PlotCtrls  Numbering  Chọn Keypoint numbers

Utility Menu  Select  Entities  Trong cửa sổ Select Entities  Keypoints 

By Num/Pick  From Full  OK  Dùng chuột lựa chọn điểm 1, 3, 4, 6  OK Utility Menu  Select  Entities  Trong cửa sổ Select Entities  Nodes  Attached to  Keypoints  Reselect  OK

General Postproc  List Results  Nodal Solution  Xuất hiện cửa sổ List Nodal Solution  Chọn Nodal Solution  DOF Solution  Z-Component of rotation 

OK, được kết quả góc xoay tại các điểm nút như hình 1.17

Hình 1.17 Chuyển vị góc xoay tại các điểm nút

- Kiểm tra kết quả mômen uốn:

Utility Menu  PlotCtrls  Numbering  Chọn Element numbers

Utility Menu  Select  Entities  Trong cửa sổ Select Entities  Elements 

To select specific points, use the commands Num/Pick followed by Full and click OK Then, use the mouse to choose points 1, 13, and 29, and click OK again Next, navigate to General Postproc, select Element Table, and then List Elem Table In the List Elem Table window, choose MI and MJ, and click OK to obtain the results as shown in Figure 1.18.

Hình 1.18 Giá trị mômen uốn tại các phần tử cạnh gối Tham kh ả o h ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c APDL d ướ i đ ây:

/TITLE,TINH TOAN NOI LUC DAM LIEN TUC BA NHIP

G=0 !NHAP GIA TRI BANG 0 KHI KHONG KE DEN TLBT DAM

ET,1,BEAM3 !PHAN TU THANH 2-D

R,1,B*H,B*H*H*H/12,H !HANG SO THUC PHAN TU

MP,EX,1,E !MODUN DAN HOI

MP,PRXY,1,MUY !HE SO POISSON

MP,DENS,1,G/10 !KHOI LUONG RIENG

!MO HINH DAM LIEN TUC

LSEL,ALL !CHON TAT CA CAC DUONG

LATT,1,1,1 ! LINE ATTRIBUTE,MAT,REAL,TYPE

LMESH,ALL !LINES MESH, ALL-MOI THANH

ACEL,0,10,0 !GAN GIA TOC TRONG TRUONG

DK,1,ALL,0 !DIEM 1 LA NGAM

DK,3,UY,0 !DIEM 3 LA GOI DI DONG

FK,2,FY,-F1 !LUC TAP TRUNG TAI DIEM 2

FK,5,FY,-F2 !LUC TAP TRUNG TAI DIEM 5

ESLL,R !CHON CAC PHAN TU TREN DAM L3

SFBEAM,ALL,1,PRES,Q !GAN TAI TRONG PHAN BO LEN DAM L3

!DINH NGHIA NOI LUC PHAN TU

ETABLE,QI,SMISC,2 $ETABLE,QJ,SMISC,8

ETABLE,MI,SMISC,6 $ETABLE,MJ,SMISC,12

!VE BIEU DO NOI LUC

PLLS,QI,QJ,1,0,0 !BIEU DO LUC CAT

PLLS,MI,MJ,-1,0,0 !BIEU DO MOMEN UON

!XUAT LIST KET QUA GOC XOAY TAI VI TRI GOI

NSLK,R !CHON NUT TU CAC DIEM VUA CHON

PRNSOL,ROT,Z !XUAT CHUYEN VI GOC XOAY

!XUAT LIST KET QUA MOMEN TAI VI TRI GOI

PRETAB,MI,MJ !XUAT KET QUA PHAN TU CANH GOI

Ví dụ 1.2: Dầm đặt trên nền đàn hồi

Để xác định biểu đồ mômen uốn và lực cắt của dầm trên nền đàn hồi, chúng ta cần tham khảo sơ đồ tính toán được trình bày trong hình 1.19 Dầm có tiết diện hình chữ nhật với kích thước b×h = 1.0×0.8m.

A = 0.8m 2 , Iz = 0.04266m 4 Cho biết P = 300kN, M = 90kNm, q = 20kNm Vật liệu bê tông có môđun đàn hồi Eb = 1.94×10 7 kN/m 2 , hệ số Poisson μ = 0.2, hệ số nền ks = 610 4 kN/m 3

Hình 1.19 Sơ đồ tính toán dầm trên nền đàn hồi

H ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c GUI:

Utility Menu  File  Change Jobname  DAMTRENNENDANHOI

(3) Đặt tiêu đề bài toán:

Utility Menu > File > Change Title > TINH TOAN NOI LUC DAM TREN NEN DAN HOI

(4) Định nghĩa phần tử và hằng số thực:

Khi giải bài toán dầm đặt trên nền đàn hồi, cần sử dụng phần tử BEAM54, tuy nhiên phần tử này không có sẵn trong giao diện chọn phần tử của ANSYS từ phiên bản v14.0 trở lên Do đó, người dùng cần nhập lệnh để truy xuất phần tử từ thư viện dữ liệu và khai báo hằng số thực cho phần tử Hệ đơn vị được khuyến nghị là kN và m.

R,1,0.8,0.04266,0.8 !HANG SO THUC TIET DIEN PHAN TU

RMODIF,1,16,6E4 !HANG SO THUC VE HE SO NEN

Main Menu  Preprocessor  Material Props  Material Models  Structural  Linear  Elastic  Isotropic  EX = 1.94E7  PRXY = 0.2  OK  Đóng cửa sổ

(6) Xây dựng mô hình hình học:

- Tạo điểm đặc trưng: Main Menu  Preprocessor  Modeling  Create  Keypoints  In Active CS  Trong cửa sổ Create Keypoints in Active CS  Tạo nút

1 với tọa độ NPT = 1, X = 0, Y = 0, Z = 0  OK

To create additional keypoints in the modeling process, navigate to the Main Menu and select Preprocessor, followed by Modeling and Copy Click on Keypoint, select point 1, and then hit Apply This will bring up the Copy Keypoints dialog box Enter ITIME = 4 to include the original point, and set the copy distance in the X direction to DX = 4 After clicking Apply, you will generate keypoints 1, 2, 3, and 4.

- Tạo đường: Main Menu  Preprocessor  Modeling  Create  Lines  Straight Line  Dùng chuột nhấn vào hai điểm 1 và 2, tương tự 2 và 3, 3 và 4  OK

To define element sizes in your project, navigate to Main Menu > Preprocessor > Meshing > Size Controls > Manual Size > Lines > All Lines This will bring up the Element Sizes table for all selected lines, where you can input the desired length by entering SIZE = 0.4 and then click OK.

- Chia phần tử: Main Menu  Preprocessor  Meshing  Mesh  Lines  Pick all Main Menu  Finish

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Displacement  On Keypoints  Chọn điểm 1  OK  Apply U, ROT on KPs như ở hình 1.20  Chọn

Để đảm bảo kết cấu không bị biến hình, cần thiết lập giá trị UX bằng 0 Ngoài các liên kết đứng, cần bổ sung thêm một liên kết ngang có thể đặt ở bất kỳ vị trí nào trên dầm, nhằm ngăn chặn sự suy biến trong quá trình giải do thiếu liên kết.

Hình 1.20 Gán liên kết ngang vào điểm 1

- Gán tải trọng phân bố đều q vào đoạn 2 và 3 của dầm:

To define loads in the structural analysis, navigate to the Main Menu and select Solution, then Define Loads and Apply Choose the elements in beams 2 and 3, specifically elements 11 to 30 as shown in Figure 1.21 Click OK to bring up the Apply PRES on Beams dialog Enter the uniform distributed load value of q = 20 kN/m at node I VALI = 20, leaving node J VALJ blank, as illustrated in Figure 1.22, and click OK to finalize the application of the load.

Hình 1.21 Mã phần tử Beam

Hình 1.22 Gán tải trọng phân bố đều vào dầm

- Gán tải trọng tập trung P:

Để thực hiện thao tác, nhấn chuột vào điểm 1 và 3, sau đó nhấn OK để hiển thị Bảng Apply F/M trên các điểm chính (KPs) Tiếp theo, chọn FY và nhập giá trị lực là VALUE = -300 với dấu âm (), do chiều của lực P ngược với chiều dương của trục Y Cuối cùng, nhấn Apply để hoàn tất.

Hình 1.23 Gán tải trọng tập trung vào dầm

Chọn điểm 2 và gán mômen M = 90kNm với VALUE = 90 và dấu (+) do vectơ mômen M cùng chiều dương trục Z Tương tự, chọn điểm 4 và gán mômen M = -90kNm với VALUE = -90 và dấu (-) do vectơ mômen M này ngược chiều dương trục Z.

Hình 1.24 Gán mômen tập trung M vào điểm 2 trên dầm

Main Menu  Solution  Solve  Current LS

- Độ võng của dầm: General Postproc  Plot Results  Deformed Shape  Thông báo phía góc trên phải hình 1.25 cho biết chuyển vị lớn nhất tại đầu trái dầm DMX = -0.03526m

Hình 1.25 Hình dạng biến dạng của dầm

- Biểu đồ mômen uốn, lực cắt:

General Postprocessor  Element Table  Define Table  Define Adđitional Element Table Items  Với đối tượng xuất là biểu đồ mômen uốn, nhập mã đầu I là

Để thực hiện quy trình với MI và SMISC, đầu tiên, nhập mã đầu J là MJ với SMISC,6 và nhấn Apply Tiếp theo, đối với biểu đồ lực cắt, nhập mã đầu I là QI với SMISC,2 và nhấn Apply; sau đó, nhập mã đầu J là QJ với SMISC,8.

General Postproc  Contour Plot  Line Element Result  Xuất hiện bảng Plot Line-Element Results  LabI = MI, LabJ = MJ  Fact = -1  OK, được biểu đồ mô men uốn như hình 1.26

Hình 1.26 Biểu đồ mômen uốn

General Postproc  Contour Plot  Line Element Result  Xuất hiện bảng Plot Line-Element Results  LabI = QI, LabJ = QJ  Fact = 1  OK, được biểu đồ lực cắt ở hình 1.27

Hình 1.27 Biểu đồ lực cắt Tham kh ả o h ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c APDL:

/TITLE,TINH TOAN NOI LUC DAM TREN NEN DAN HOI

ET,1,BEAM54 !PHAN TU THANH 2-D TREN NEN DAN HOI

!MO HINH DAM LIEN TUC

DK,1,UX,0 !CO DINH GOI 1 THEO PHUONG X

FK,2,MZ,90 !MOMEN TAP TRUNG TAI DIEM 2

FK,4,MZ,-90 !MOMEN TAP TRUNG TAI DIEM 4

SFBEAM,11:30,1,PRES,20!GAN TAI TRONG PHAN BO LEN DAM L2,L3

!DINH NGHIA NOI LUC PHAN TU

!VE BIEU DO NOI LUC

PLLS,QI,QJ,1,0,0 !BIEU DO LUC CAT

PLLS,MI,MJ,-1,0,0 !BIEU DO MOMEN UON

BÀI TẬP ÁP DỤNG

Xác định nội lực và chuyển vị của dầm đơn với kích thước và tải trọng như hình 1.28 Vật liệu bê tông mác M200 có các thông số kỹ thuật như sau: môđun đàn hồi E = 2.4×10^7 kN/m², hệ số Poisson μ = 0.2, và khối lượng riêng ρ = 25 kN/m³.

Hình 1.28 Sơ đồ tính toán bài tập 1.4.1 Đ áp án: Trong tính toán có kể đến trọng lượng bản thân dầm, kích thước chia là 0.2m

Hình 1.29 Biến dạng UY của dầm

Hình 1.30 Biểu đồ lực dọc

Hình 1.31 Biểu đồ lực cắt

Xác định nội lực của dầm đơn có kích thước và chịu tải trọng như ở hình 1.33 Vật liệu bê tông M200 có Môđun đàn hồi E = 2.4×10 7 kN/m 2 , hệ số Poisson  = 0.2

Hình 1.33 Sơ đồ tính toán bài tập 1.4.2 Đ áp án: Trong tính toán không kể đến trọng lượng bản thân, kích thước chia là 0.5m

Hình 1.34 Biểu đồ lực cắt

Xác định chuyển vị, mômen uốn và lực cắt của dầm liên tục hai nhịp theo sơ đồ tính toán trong hình 1.36 Dầm có tiết diện chữ I với diện tích A = 46.5 cm², mômen quán tính Iz = 7080 cm⁴ và chiều cao h = 30 cm Vật liệu sử dụng là thép CCT34 với hệ số đàn hồi E = 2.1 × 10⁸ kN/m² và hệ số Poisson μ = 0.3.

Hình 1.36 Sơ đồ tính toán bài tập 1.4.3

PHÂN TÍCH KẾT CẤU GIÀN

KẾT CẤU GIÀN

Kết cấu giàn là một hệ thống chịu lực được tạo thành từ các thanh kết cấu liên kết tại các nút giàn Trong quá trình tính toán, giả thiết rằng trục của các thanh đồng quy tại nút giàn, và tải trọng tập trung được đặt trực tiếp lên các nút này Các thanh giàn được liên kết tại nút giàn, coi nút là khớp, và bỏ qua trọng lượng của chính giàn Dựa trên những giả thiết này, nội lực trong các thanh giàn chỉ bao gồm lực dọc, có thể là kéo hoặc nén.

Trong mô phỏng kết cấu giàn bằng phần mềm ANSYS, mỗi thanh giàn được xem như một phần tử và các thanh này được liên kết với nhau tại các nút giàn thông qua liên kết khớp ANSYS cung cấp nhiều loại phần tử để mô phỏng các thanh của kết cấu giàn, bao gồm phần tử LINK1 cho hệ kết cấu giàn phẳng và phần tử LINK180 cho hệ kết cấu giàn không gian.

Trong phiên bản ANSYS v14.0 và các bản nâng cấp sau, phần tử làm việc phẳng LINK1 được lưu trữ trong thư viện dữ liệu và chỉ có thể truy cập qua lệnh COMMAND hoặc APDL, trong khi giao diện GUI chỉ cho phép lựa chọn phần tử không gian LINK180 Bài viết này sẽ giới thiệu một số phần tử liên kết như LINK1 và LINK180 để mô phỏng các thanh trong kết cấu giàn.

Bảng 2.1 Các phần tử liên kết thường dùng trong kết cấu giàn

Lo ạ i Ph ầ n t ử liên k ế t Hình d ạ ng

2-D LINK1 - Phần tử liên kết 2 nút

3-D LINK180 - Phần tử liên kết 2 nút

CÁC PHẦN TỬ LIÊN KẾT

2.2.1 Phần tử liên kết làm việc phẳng LINK1

Phần tử LINK1 là một phần tử liên kết phẳng, có khả năng chịu kéo hoặc nén dọc trục nhưng không chịu uốn Nó có hai nút ở hai đầu, mỗi nút có hai bậc tự do chuyển vị thẳng theo phương trục X và Y Phần tử này thường được sử dụng để mô phỏng các thanh trong hệ kết cấu giàn phẳng.

Số liệu đầu vào của phần tử liên kết làm việc phẳng LINK1 cho ở bảng 2.2 Phần tử

LINK1 là một thanh thẳng được xác định trong hệ tọa độ tổng thể qua hai điểm nút I và J Hình học mặt cắt ngang của phần tử LINK1 được mô tả bằng các hằng số thực, bao gồm diện tích mặt cắt ngang và biến dạng tương đối ban đầu.

LINK1 có các đặc tính đặc biệt như tính dẻo, từ biến, giãn nở, ứng suất cứng hóa, biến hình lớn và phần tử hoạt động - không hoạt động

Dữ liệu đầu ra của phần tử LINK1 bao gồm các thuộc tính hình học và các yếu tố dẫn xuất như thể tích, tọa độ trọng tâm, lực dọc, ứng suất và biến dạng dọc trục Bảng 2.3 trình bày mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử LINK1.

Bảng 2.2 Số liệu đầu vào của phần tử LINK1

Bậc tự do UX, UY

Hằng số thực AREA (diện tích mặt cắt), ISTRN (biến dạng ban đầu) Đặc trưng của vật liệu EX, ALPX, DENS, DAMP

Tải trọng bề mặt Không có

Tải trọng khối Nhiệt độ: T(I), T(J) Đặc tính Dẻo, từ biến, dãn nở, ứng suất cứng hóa, biến dạng lớn, chuyển vị lớn, phần tử hoạt động - không hoạt động

Bảng 2.3 Mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử LINK1

Tên g ọ i Gi ả i thích Mã Ph ầ n t ử

SAXL Ứng suất dọc trục trong phần tử LS 1 EPELAXL Biến dạng đàn hồi dọc trục trong phần tử LEPEL 1

MFORX Lực dọc trong phần tử theo phương trục X SMISC 1

2.2.2 Phần tử liên kết làm việc không gian LINK180

Phần tử LINK180 là một thành phần có khả năng chịu lực kéo hoặc nén dọc trục, được thiết kế với hai nút ở hai đầu Mỗi nút này có ba bậc tự do, cho phép thực hiện các chuyển vị thẳng theo ba phương X, Y và Z.

2.2 Phần tử này cho phép tùy chọn chỉ chịu kéo hoặc chỉ chịu nén Phần tử LINK180 có khả năng giải quyết các bài toán đặc biệt như dẻo, từ biến, xoay, chuyển vị lớn và biến dạng lớn Phần tử LINK180 có thể dùng để mô phỏng trong nhiều bài toán kỹ thuật khác nhau như mô hình thanh giàn không gian, cáp, liên kết, lò xo, mô phỏng thanh thép trong cấu kiện bê tông cốt thép,…

Phần tử LINK180 là một thanh thẳng được xác định trong hệ tọa độ thông qua hai điểm nút I và J Hình dạng mặt cắt ngang của phần tử này được mô tả bằng hằng số thực, bao gồm diện tích mặt cắt, khối lượng trên đơn vị chiều dài, và thuộc tính kéo, nén hoặc cả hai, hoặc có thể được định nghĩa thông qua tiết diện của phần tử.

Dữ liệu đầu ra của phần tử LINK180 bao gồm các thuộc tính hình học cùng với những yếu tố dẫn xuất như tọa độ trọng tâm, lực dọc, ứng suất và biến dạng dọc trục.

Bảng 2.4 thể hiện mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử LINK180

Bảng 2.4 Mã xuất ứng suất, biến dạng và nội lực của phần tử LINK180

Tên g ọ i Gi ả i thích Mã Ph ầ n t ử Nút

Sxx Ứng suất dọc trục LS 1 2

EPELxx Biến dạng đàn hồi dọc trục LEPEL 1 2

EPTOxx Tổng biến dạng LEPTO 1 2

FORCE Lực dọc trong hệ tọa độ phần tử SMISC 1

VÍ DỤ PHÂN TÍCH KẾT CẤU GIÀN

Ví dụ 2.1: Kết cấu giàn phẳng

Một giàn phẳng có kích thước và chịu tải trọng như hình 2.3 Môđun đàn hồi của vật liệu thép CCT34 là E = 2.1×10 8 kN/m 2 , hệ số Poisson  = 0.3, khối lượng riêng

 = 78 kN/m 3 Các thanh giàn có diện tích mặt cắt ngang như nhau với A = 6 cm 2 6×10 -4 m 2 Tính toán chuyển vị và nội lực các thanh giàn

Hình 2.3 Sơ đồ tính toán giàn phẳng H ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c GUI:

Utility Menu  File  Change Jobname  GIANPHANG-1

Utility Menu  File  Change Title  TINH TOAN NOI LUC GIAN PHANG

In ANSYS software version 14.0 and above, users can define elements and real constants through the interface by navigating to Main Menu > Preprocessor > Element Type > Add/Edit/Delete.

Để sử dụng phần tử LINK1 không có sẵn, trước tiên bạn cần thêm Element Type và mở bảng Library of Element Types Sau đó, nhập lệnh trong cửa sổ COMMAND để gọi phần tử này và khai báo hằng số thực cho nó Đảm bảo chọn hệ đơn vị là kN, m.

!Hằng số thực, 1-Hằng số thực thứ 1, Diện tích tiết diện ngang

Main Menu  Preprocessor  Material Props  Material Models  Structural  Linear  Elastic  Isotropic  EX = 2.1E8  PRXY = 0.3  OK Tiếp tục thực hiện Structural  Density  DENS = 0  OK  Đóng cửa sổ

Main Menu  Preprocessor  Modeling  Create  Nodes  In Active CS  Trong cửa sổ Create Nodes in Active CS  Lần lượt nhập các giá NODE = 1, X = 0,

Y = 0, Z = 0  Apply  Tương tự nhập các điểm từ 2 đến 4 cho ở bảng dưới đây:

To create auto-numbered elements through nodes in the modeling section of the preprocessor, navigate to Main Menu > Preprocessor > Modeling > Create > Elements > Auto Numbered > Thru Nodes Click on nodes 1 and 2, then select Apply Repeat this process for the pairs 1 and 3, 3 and 4, 2 and 4, 2 and 3, and 1 and 4 Finally, click OK to view the results, as illustrated in Figure 2.4.

Chúng ta có thể vẽ các điểm 1, 2, 3, 4 như trong chương 1 và nối chúng bằng các đường thẳng, nhưng nếu làm như vậy, chúng ta cần chọn tất cả các đường thẳng để gán vật liệu, loại phần tử, hằng số thực và chia phần tử Mỗi đường thẳng sẽ được chia thành một phần tử Tuy nhiên, cách mô hình giàn theo hướng dẫn trong ví dụ này, thông qua việc vẽ nút và vẽ phần tử, sẽ giúp giảm bớt khối lượng công việc chia phần tử vì đã bao gồm công việc này.

Hình 2.4 Mô hình phần tử hữu hạn

- Gán gia tốc trọng trường: Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Structural  Inertia  Gravity  Global  ACELY = 10  OK

Main Menu  Solution  Define Loads  Apply  Structural  Displacement

 On Nodes  Dùng chuột chọn điểm 1 và 3  OK  Chọn UX và UY, VALUE 0  OK

- Gán tải trọng tập trung:

Để gán điều kiện biên và tải trọng cho mô hình, sử dụng chuột để chọn điểm 4, sau đó nhấn "Apply" Thiết lập Lab = FX với VALUE = 20 và tiếp tục chọn điểm 4, nhấn "OK" để hoàn tất Tiếp theo, thiết lập Lab = FY với VALUE = -20 và nhấn "OK" Kết quả của quá trình này được thể hiện trong hình 2.5.

Hình 2.5 Gán điều kiện biên và tải trọng

Main Menu  Solution  Solve  Current LS

- Xuất bảng lực tác dụng vào từng phần tử theo các phương:

Main Menu  General Postproc  List Results  Element Solution  Xuất hiện bảng List Element Solution  Element Solution  Structural Force  X – Component of force  OK được kết quả như hình 2.6

Hình 2.6 Lực tác dụng vào phần tử tại các điểm nút theo các phương

- Xuất biểu đồ lực dọc:

Main Menu  General Postproc  Element Table  Define Table  Add  Xuất hiện bảng Define Additional Element Table Items  Lab = N  By sequence num  SMISC  SMISC,1  OK  Close

To generate a contour plot of line element results, navigate to Main Menu > General Postproc > Contour Plot > Line Element Result This will display the Plot Line-Element Results table Set LabI and LabJ to N and Fact to 1, then click OK to visualize the axial forces in the truss members, as shown in Figure 2.7.

Hình 2.7 Biểu đồ lực dọc trong các thanh giàn

- Xuất biểu đồ ứng suất dọc trục:

Main Menu  General Postproc  Element Table  Define Table  Add  Xuất hiện bảng Define Additional Element Table Items  Lab = US  By sequence num

To generate a contour plot of line element results, navigate to Main Menu > General Postproc > Contour Plot > Line Element Result After selecting LabI = US and LabJ = US with a factor of 1, click OK to display the axial stress diagram in the truss members, as illustrated in Figure 2.8.

Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất dọc trục trong các thanh giàn

- Xuất bảng lực dọc và ứng suất trong các phần tử:

To access the List Element Table, navigate through the Main Menu to General Postproc, then select Element Table followed by List Elem Table Once the List Element Table appears, choose the options for US and N, and click OK to obtain the stress and axial force results for the specified elements, as illustrated in Figure 2.9.

Hình 2.9 Ứng suất và lực dọc trong các phần tử thanh giàn

Tham kh ả o h ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c APDL d ướ i đ ây:

Cách 1: Mô hình giàn thông qua vẽ các nút và vẽ các phần tử:

/TITLE,TINH TOAN NOI LUC GIAN PHANG

ET,1,LINK1 !PHAN TU LIEN KET 2-D

R,1,6E-4 !REAL, HANG SO THUC THU 1, DIEN TICH

NGEN,2,2,1,2,,,5 !COPPY NUT, SO LAN, BUOC DAT TEN, NUT DAU, NUT CUOI,INC,DX,DY,DZ

E,1,2 !VE DUONG KET HOP CHIA LUON

D,1,UX,0 !DIEU KIEN BIEN NUT 1

F,4,FX,20 !LUC TAP TRUNG TAI NUT 4 THEO PHUONG X

F,4,FY,-20 !LUC TAP TRUNG TAI NUT 4 THEO PHUONG Y

PRESOL,F !BANG KET QUA LUC TAC DUNG VAO TUNG PHAN

ETABLE,N,SMISC,1 !DINH NGHIA LUC DOC

PLLS,N,N,1,0,0 !BIEU DO LUC DOC

ETABLE,US,LS,1 !DINH NGHIA UNG SUAT

PLLS,US,US,1,0,0 !BIEU DO UNG SUAT

PRETAB,US,N !XUAT KET QUA UNG SUAT VA LUC DOC

Cách 2: Mô hình giàn thông qua vẽ các điểm đặc trưng và vẽ các đường thẳng:

R,1,0.6E-4 !REAL, HANG SO THUC THU 1, DIEN TICH

KGEN,2,1,2,1,,5 !COPPY DIEM 1,2 RA DIEM 3,4

ESIZE,0,1 !MOI THANH LA 1 PHAN TU

LMESH,ALL !LINES MESH, ALL-TAT CA THANH

DK,1,UX,0 !DIEU KIEN BIEN DIEM 1

DK,3,UX,0 !DIEU KIEN BIEN DIEM 3

FK,4,FX,20 !LUC TAP TRUNG TAI DIEM 4 THEO PHUONG X FK,4,FY,-20 !LUC TAP TRUNG TAI DIEM 4 THEO PHUONG Y

Ví dụ 2.2: Kết cấu giàn không gian

Giàn thép không gian có chiều dài tổng cộng 72m, chia thành 6 đoạn 12m, với bề rộng 10m và chiều cao 16m Quy cách của các thanh giàn bao gồm ba loại như đã nêu trong bảng 2.5 Khi chịu tác dụng của hai lực tập trung F1 = 1000kN và F2 = 600kN đặt tại giữa nhịp giàn, cần tính toán nội lực trong các thanh giàn Vật liệu sử dụng là thép CCT34 với môđun đàn hồi E = 2.1×10^8 kN/m², hệ số Poisson μ = 0.3 và khối lượng riêng ρ = 78 kN/m³.

Hình 2.10 Hệ kết cấu giàn không gian

Bảng 2.5 Quy cách tiết diện thanh giàn thép

Lo ạ i thanh Mã s ố m ặ t c ắ t Hình th ứ c Quy cách Di ệ n tích m ặ t c ắ t (m 2 )

Thanh đầu giàn 1 Thép hình chữ I 400×400×16×16 0.018668 Thanh cánh thượng, hạ 2 Thép hình chữ I 400×400×12×12 0.014112 Thanh nối ngang 2 Thép hình chữ I 400×400×12×12 0.014112 Thanh bụng 3 Thép hình chữ I 400×300×12×12 0.011712 Thanh giằng xiên 4 Thép góc 100×100×8×8 0.001536

H ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c GUI:

Utility Menu  File  Change Jobname  GIANKHONGGIAN

Utility Menu File Change Title TINH TOAN NOI LUC GIAN KHONG GIAN

Main Menu  Preprocessor  Element Type  Add/Edit/Delete  Add  Link

To add or edit real constants in the preprocessor, navigate to the Main Menu, select Preprocessor, then Real Constants, and choose Add/Edit/Delete In the Real Constants window, click Add and select Type 1 LINK180, then press OK In the Real Constant Set Number 1 window, enter Set No = 1 and AREA = 0.018688, and finally click Apply, as shown in Figure 2.11.

 Tiếp tục trong cửa sổ nhập Set No = 2, AREA = 0.014112  Apply  Set No = 3, AREA = 0.011712  Apply  Set No = 4, AREA = 0.001536  OK  Close

Hình 2.11 Cửa sổ khai báo hằng số thực

To configure the material properties in the preprocessor, navigate to the main menu and select Material Props, then Material Models, followed by Structural, Linear, and Elastic settings Set the Young's modulus (EX) to 2.1E8 and the Poisson's ratio (PRXY) to 0.3, then confirm by clicking OK Next, proceed to the Structural section and specify the density (DENS) as 0 to disregard the self-weight of the truss, and finalize by clicking OK before closing the window.

To create nodes in the active coordinate system, navigate through the Main Menu to Preprocessor, then Modeling, and select Create followed by Nodes In the Create Nodes in Active CS window, sequentially enter the values for NODE = 1, X = 0, Y = 0, Z = 0, and click Apply Similarly, input the coordinates for nodes 2 through 12 as specified in the table below.

6 36 0 0 12 72 0 0 Kết quả tạo 12 điểm nút trên một mặt phẳng giàn cho ở hình 2.12

Main Menu  Preprocessor  Modeling  Copy  Nodes  Copy  Pick all

 Trong cửa sổ Copy nodes nhập giá trị DZ = 10  OK, cho kết quả như hình 2.13

Hình 2.13 Nhân bản điểm nút

- Tạo phần tử thanh đầu giàn:

In the Element Attributes window, select the default parameters: TYPE = 1, MAT = 1, and REAL = 1, while keeping all other settings at their defaults, then click OK.

To create elements in the modeling process, navigate to the Main Menu, select Preprocessor, and then Modeling Click on Create and choose Elements, followed by Auto Numbered and Thru Nodes Using the mouse, click on nodes 1 and 3, then click Apply Repeat this process for nodes 13 and 15, 12 and 11, and 24 and 23, and finally click OK This will result in the creation of four elements, as illustrated in Figure 2.14.

Hình 2.14 Phần tử đầu giàn

- Tạo phần tử thanh cánh và thanh nối ngang:

In the Element Attributes window, select the default parameters: TYPE = 1, MAT = 1, and REAL = 2, while keeping the other parameters at their default settings, and then click OK.

BÀI TẬP ÁP DỤNG

Bài tập 2.4.1: Kết cấu giàn phẳng hình thang

Xác định chuyển vị, lực dọc và ứng suất trong các thanh giàn của giàn phẳng hình thang theo sơ đồ tính toán ở hình 2.22, trong đó bỏ qua trọng lượng bản thân của giàn Các thanh giàn có tiết diện mặt cắt ngang A = 32cm², sử dụng vật liệu thép CCT34 với mô đun đàn hồi E = 2.1×10^8 kN/m² và hệ số Poisson μ = 0.3.

Hình 2.22 Sơ đồ tính toán giàn phẳng hình thang Tham kh ả o h ướ ng d ẫ n th ự c hi ệ n bài toán theo ph ươ ng th ứ c APDL:

R,1,32E-4 !REAL, HANG SO THUC THU 1, DIEN TICH

NGEN,4,1,1,,,3.6 !COPPY NUT, SO LAN, BUOC DAT TEN, NUT DAU, NUT CUOI,INC,DX,DY,DZ

E,1,2 !VE DUONG KET HOP CHIA LUON

D,1,UY,0 !DIEU KIEN BIEN NUT 1

ETABLE,N,SMISC,1 !DINH NGHIA LUC DOC

PLLS,N,N,0.5,0,0 !BIEU DO LUC DOC

ETABLE,US,LS,1 !DINH NGHIA UNG SUAT

PLLS,US,US,0.5,0,0 !BIEU DO UNG SUAT

PRETAB,US,N !XUAT KET QUA UNG SUAT VA LUC DOC

K ế t qu ả bài toán th ể hi ệ n qua các hình d ướ i đ ây:

Hình 2.23 Hình dạng biến dạng của giàn

Hình 2.24 Biểu đồ lực dọc trong các thanh giàn

Hình 2.25 Biểu đồ ứng suất dọc trục trong các thanh giàn

Bài tập 2.4.2: Kết cấu giàn phẳng hình thang ngược

Trong bài viết này, chúng ta sẽ xác định chuyển vị, lực dọc và ứng suất trong các thanh giàn của hệ kết cấu giàn phẳng hình thang ngược, theo sơ đồ tính toán như hình 2.26 Các thanh giàn có tiết diện mặt cắt ngang A = 0.003m², được làm từ vật liệu thép CCT34 với mô đun đàn hồi E = 2.1×10⁸ kN/m² và hệ số Poisson μ = 0.3.

Hình 2.26 Sơ đồ tính toán giàn

PHÂN TÍCH KẾT CẤU KHUNG - KHUNG SÀN

PHÂN TÍCH BÀI TOÁN TẤM PHẲNG

Tiêu đề	Hướng Dẫn Sử Dụng Phần Mềm Ansys Trong Tính Toán Kết Cấu Công Trình
Tác giả	Ts. Ngô Văn Thuyết, Ts. Phạm Nguyễn Hoàng, Pgs. Ts. Vũ Hoàng Hưng
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Công Trình
Thể loại	Tài Liệu Hướng Dẫn
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	198
Dung lượng	5,39 MB