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 Hải Phòng, tháng 5/2016 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Kết đạt đề tài CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cấu trúc đầy đủ tính ANSYS [4] 1.2.1 Làm tính 1.2.2 Định nghĩa tên, tiêu đề toán (Jobname) 1.2.3 Định hướng tính (Preferences) 1.2.4 Xây dựng mô hình toán (Pre-processing phase) 10 1.2.5 Đặt tải trọng, điều kiện biên tính toán (Processing phase) 10 1.2.6 Giải toán (Solution) 10 1.2.7 Khảo sát xử lý kết (Post-Processing phase) 10 1.2.8 Lưu liệu vào đĩa 10 1.2.9 Đọc lại liệu lưu 10 CHƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG DẦM CHỦ CẦU TREO NHỊP LỚN 11 2.1 Dao động tự 11 2.2 Dao động cưỡng tác dụng tải trọng di động 11 2.3 Dao động dầm chủ cầu treo tác dụng lực khí động 12 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 2.3.1 Dao động xoáy khí (vortex shedding) 13 2.3.2 Dao động luồng gió rối (buffeting) 13 2.3.3 Dao động uốn xoắn lực tự kích (flutter) 14 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TOÁN 15 3.1 Giới thiệu cầu Dakrong 15 3.1.1 Các tiêu kỹ thuật cầu [9] 15 3.1.2 Tải trọng thiết kế [9] 15 3.1.3 Vật liệu [9] 16 3.1.4 Số liệu tháp cầu [9] 16 3.1.5 Số liệu dây văng [5] 17 3.1.6 Bố trí chung dạng mặt cắt số kết cấu [9] 17 3.2 Tính toán, mô dao động cầu Dakrong phần mềm ANSYS 21 3.2.1 Mô hình CAD cẩu Dakrong ANSYS 21 3.2.2 Mô hình phần tử hữu hạn cầu Dakrong ANSYS 22 3.2.3 Khai báo đặc trưng vật liệu ANSYS 22 3.2.4 Khai báo điều kiện biên ANSYS 23 3.2.5 Các mode dao động uốn dao động xoắn ứng với tần số thấp 23 3.2.6 Mô dao động cưỡng cầu Dakrong phần mềm ANSYS 26 KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang DANH SÁCH BẢNG BIỂU Trang Bảng 2.1 Số Strouhal cho số dạng mặt cắt 13 Bảng 3.1 Bê tông 16 Bảng 3.2 Các đặc trưng 16 Bảng 3.3 Số liệu dây văng 17 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang DANH SÁCH HÌNH ẢNH Trang Hình 2.1 Mô hình xe chuyển động cầu 12 Hình 2.2 Các dạng dao động tương ứng vùng vận tốc gió 12 Hình 3.1 Bố trí chung cầu Dakrong 18 Hình 3.2 Mặt cầu Dakrong 19 Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm cầu vị trí dầm dọc phụ 20 Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm cầu vị trí có dầm dọc phụ 20 Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm dọc dầm dọc phụ 20 Hình 3.6 Mặt cắt ngang dầm ngang loại loại 20 Hình 3.7 Mặt cắt ngang tháp cầu 21 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Phần mềm ANSYS chương trình phần tử hữu hạn lớn với nhiều module khác nhau, cho phép giải toán phi tuyến tuyến tính lĩnh vực: học vật rắn, thủy khí động lực học, sinh học, điện, nhiệt, từ trường, truyền âm, … Nhằm bước đầu tìm hiểu, nghiên cứu phần mềm ANSYS, nội dung đề tài này, tác giả mạnh dạn trình bày việc sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, mô dao động cầu treo nhịp lớn Đối với riêng lĩnh vực cầu, nắm vững phần mềm (tất nhiên kèm với việc phải mua quyền phần mềm hãng ANSYS), việc tính toán, mô ứng xử kết cấu cầu (không lĩnh vực dao động) phần mềm tiết kiệm nhiều chi phí so với việc phải làm thí nghiệm mô hình thu nhỏ Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Với khả tính toán mạnh nhiều lĩnh vực, Việt Nam, phần mềm ANSYS nhận quan tâm lớn trường đại học Ví dụ, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, trung tâm phát triển ứng dụng phần mềm công nghiệp (DASI Center) tổ chức lớp đào tạo phần mềm ANSYS hướng dẫn nghiên cứu khoa học cho sinh viên, chủ yếu hai ngành Cơ điện tử Kỹ thuật hàng không; trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, ANSYS sử dụng việc hỗ trợ cho nghiên cứu khoa học, giảng dạy lớp chuyên ngành sau đại học bổ túc cho kỹ sư Cơ kỹ thuật, Cơ khí, Xây dựng, Dầu khí, Kỹ thuật giao thông; … Một loạt sách hướng dẫn phần mềm ANSYS tác giả nước trình bày nhằm phục vụ cho mục đích nghiên cứu phần mềm tài liệu [2], [3], [4], [8] Mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài tính toán, mô dao động dầm chủ cầu treo phần mềm ANSYS Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang Phương pháp nghiên cứu, kết cấu công trình nghiên cứu Sử dụng phần mềm ANSYS để tính toán, mô dao động dầm chủ cầu treo với toán chính: Dao động tự do, dao động cưỡng tác dụng tải trọng di động, dao động tác dụng lực khí động Kết đạt 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 tác dụng tải trọng di động: Xác định chuyển vị lớn dầm chủ cầu tác dụng tải trọng di động tương ứng với vận tốc di chuyển - Đối với dao động tác dụng lực khí động: Nghiên cứu dao động dầm chủ cầu trường hợp tác dụng lực nâng xoáy khí Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang CHƯƠNG GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ANSYS 1.1 Lịch sử phát triển ANSYS (viết tắt cụm từ tiếng Anh ANalysis SYStem) tên phần mềm thương mại tiếng công ty chuyên thiết kế phần mềm mô kỹ thuật có trụ sở phía nam bang Pennsylvania, Hoa Kỳ Công ty bắt đầu vận hành vào năm 1970, với mục đích áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) xây dựng nên phần mềm để giải toán tĩnh học, động học, nhiệt động truyền nhiệt [13] Kể từ năm 2000 trở đi, ANSYS liên tục tăng cường sức mạnh việc thâu tóm hàng loạt công ty cạnh tranh 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 phần mềm mạnh, cho phép giải nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác như: học vật rắn, thủy khí động lực học, sinh học, điện, nhiệt, từ trường, truyền âm, … Chương trình ANSYS dùng rộng rãi kỹ nghệ dùng để giảng dạy hầu hết trường đại học kỹ thuật Mỹ, châu Âu, châu Á, … 1.2 Cấu trúc đầy đủ tính ANSYS [4] Cấu trúc đầy đủ tính ANSYS gồm phần: - Tính toán (Clear & Start New) - Định nghĩa tên tính (Jobname) - Định nghĩa tiêu đề (Change Title) - Định hướng tính (Preferences) - Tạo mô hình tính (Preprocessor) Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang - Tính toán (Solution) - Xử lý kết (Postprocesor) - Tối ưu thiết kế (Design Opt) - Lưu kết vào đĩa (Save_DB) - Đọc lại kết (Resume from) 1.2.1 Làm tính Utility Menu>File>Clear & Start New>chọn OK>Yes (bắt đầu soạn thảo mới) 1.2.2 Định nghĩa tên, tiêu đề toán (Jobname) Tên (Name): Tên không ký tự Tiêu đề (Title): tiêu đề để giải thích, ghi xuất liệu đồ họa 1.2.3 Định hướng tính (Preferences) 1.2.3.a Chọn lựa kiểu tính Chọn lựa là: tính toán cấu trúc (Structural), tính toán nhiệt (Thermal), tính toán lưu chất (ANSYS® Fluid, FLOTRAN CFD), tính toán từ trường (Magnetic-Nodal, Magnetic-Edge), tính toán điện (Electric) 1.2.3.b Phương pháp chia lưới - dạng xấp xỉ: - Phương pháp “h-Method” phương pháp chia lưới với bậc đa thức không đổi Nó thường đòi hỏi tạo lưới phần tử phải thật tốt Dùng giải toán cấu trúc, ANSYS® mặc định phương pháp - Phương pháp “p-Method” phương pháp chia lưới với bậc đa thức thay đổi Dùng cho tính toán cấu trúc tĩnh-tuyến tính (linear structural static analyses) Có lời giải xác trường hợp tạo lưới phần tử thô (coarse mesh) 1.2.3.c Tính toán động lực học: Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang Có thể chọn dạng tường minh dạng ẩn (LS-DYNA Explicit/Implicit) 1.2.4 Xây dựng mô hình toán (Pre-processing phase) Để tạo mô hình tính, thực bước sau: 1.2.4.a Định nghĩa kiểu phần tử (Element Type) 1.2.4.b Các số (Real Constants) 1.2.4.c Đặc trưng vật liệu (Material Props) 1.2.4.d Đơn vị người sử dụng thống hiểu ngầm 1.2.4.e Tạo mô hình tính (nút phần tử) 1.2.5 Đặt tải trọng, điều kiện biên tính toán (Processing phase) Chúng ta đặt tải trọng điều kiện biên phần “Preprocessing” Đặt điều kiện biên tải trọng (Boundary conditions-Loads) 1.2.6 Giải toán (Solution) Chọn kiểu tính toán, sau thực công việc tính toán 1.2.7 Khảo sát xử lý kết (Post-Processing phase) 1.2.7.a Đặt (set) bước bước con, cần thiết cho tính theo thời gian 1.2.7.b Xem kết (Preview the Results) 1.2.8 Lưu liệu vào đĩa Dữ liệu mô hình tính lưu tập tin có phần mở rộng “*.db” Kết tính kết cấu lưu tập tin có phần mở rộng “.rst” Bài tính nhiệt lưu tập tin có phần mở rộng “.rth” 1.2.9 Đọc lại liệu lưu Khi có nhu cầu đọc lại liệu lưu thực bước: Utility Menu>File>Resume from … Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 10 3.1.3 Vật liệu [9] Kết cấu cầu Dakrong dùng dầm thép liên hợp dạng vật liệu sau sử dụng: 3.1.3.a Bê tông Bảng 3.1 Bê tông Cường độ chịu nén (Mpa) 35 30 24 Cấu kiện Dầm tháp Trụ cọc khoan nhồi Các kết cấu phần khác Modul đàn hồi (Mpa) 31799 29440 26332 3.1.3.b Các cốt thép thường - Cốt thép chịu lực cột tháp: + Giới hạn chảy: fsy = 400 Mpa + Modul đàn hồi: Es = 3,1×103 Mpa - Các loại thép khác: + Giới hạn chảy: fsy = 300 Mpa + Modul đàn hồi: Es = 2,04×105 Mpa 3.1.3.c Cáp dây văng thép dự ứng lực Bảng 3.2 Các đặc trưng Loại Cáp dây văng Tao cáp ø 15.2 Giới hạn bền (Mpa) 1900 Giới hạn chảy Modul đàn hồi (Mpa) (Mpa) 1600 2,0×105 Ứng suất làm việc cáp khống chế trị số 0.4 3.1.3.d Dầm thép Dùng loại thép hàn có giới hạn chảy fsy = 360MPa 3.1.4 Số liệu tháp cầu [9] - Khối lượng riêng: μ = 14250 kg/m Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 16 - Độ cứng chống uốn: EJ = 1720.01*108 Nm2 3.1.5 Số liệu dây văng [5] Bảng 3.3 Số liệu dây văng Số hiệu Modul đàn hồi Diện tích 2*1011 N/m2 0.00378 m2 2*1011 N/m2 0.00266 m2 2*1011 N/m2 0.00266 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 2*1011 N/m2 0.00168 m2 10 2*1011 N/m2 0.00168 m2 11 2*1011 N/m2 0.00266 m2 12 2*1011 N/m2 0.00266 m2 13 2*1011 N/m2 0.00266 m2 14 2*1011 N/m2 0.00266 m2 15 2*1011 N/m2 0.00266 m2 3.1.6 Bố trí chung dạng mặt cắt số kết cấu [9] Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 17 Hình 3.1 Bố trí chung cầu Dakrong Ghi chú: Kích thước vẽ đơn vị mm Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 18 Hình 3.2 Mặt cầu Dakrong Ghi chú: + Kích thước vẽ đơn vị mm + Dầm ngang không ghi dầm ngang loại Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 19 Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm cầu vị trí dầm dọc phụ Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm cầu vị trí có dầm dọc phụ Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm dọc dầm dọc phụ Hình 3.6 Mặt cắt ngang dầm ngang loại dầm ngang loại Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 20 Hình 3.7 Mặt cắt ngang tháp cầu 3.2 Tính toán, mô dao động cầu Dakrong phần mềm ANSYS 3.2.1 Mô hình CAD cẩu Dakrong ANSYS Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 21 3.2.2 Mô hình phần tử hữu hạn cầu Dakrong ANSYS 3.2.3 Khai báo đặc trưng vật liệu ANSYS Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 22 3.2.4 Khai báo điều kiện biên ANSYS 3.2.5 Các mode dao động uốn dao động xoắn ứng với tần số thấp Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 23 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 24 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 25 3.2.6 Mô dao động cưỡng cầu Dakrong phần mềm ANSYS Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 26 Chuyển vị uốn theo phương ngang lớn vị trí đỉnh tháp 2.373 mm Chuyển vị uốn theo phương đứng lớn dầm chủ 0.32667 mm Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 27 KẾT LUẬN Trong nội dung đề tài trình bày việc sử dụng phần mềm ANSYS đề tính toán dao động mô hình cầu treo cụ thể, cầu Dakrong Quảng Trị Các vấn đề dao động cần nghiên cứu gồm: + Dao động tự dầm chủ cầu (dao động uốn dao động xoắn) + Dao động uốn cưỡng dầm chủ cầu tác dụng tải trọng di động + Dao động dầm chủ cầu tác dụng lực nâng xoáy khí Các vấn đề cần nghiên cứu bao gồm: + Tính toán, mô dao động uốn xoắn cưỡng dầm chủ cầu tác dụng đoàn tải trọng di động + Tính toán, mô dao động uốn xoắn dầm chủ cầu tác dụng lực khí động (các lực tự kích, lực rối dòng khí) Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc An (2014) Tính toán ổn định khí động flutter dầm chủ kết cấu cầu hệ dây phương pháp bước lặp Luận án Tiến sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Vũ Quốc Anh (2012) Tính kết cấu 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 toán kỹ thuật chương trình ANSYS NXB Khoa học kỹ thuật [5] Nguyễn Minh Phương (2009) Tính toán dao động uốn dầm liên tục trực hướng hình chữ nhật chịu tác dụng 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 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 phương pháp phần tử hữu hạn NXB Khoa học kỹ thuật [9] Tổng công ty TVTK GTVT, Công ty TVTK Cầu lớn – Hầm (1999) Thuyết minh vẽ thiết kế kỹ thuật cầu Dakrong [10] Chỉ dẫn tính toán thành phần động 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 Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 29 [12] Emil Simiu, Robert H Scanlan (1996) Wind effects on structures (3rd editon) John Wiley & Sons [13] https://vi.wikipedia.org [14] ANSYS, Inc (2007) Training Manual – ANSYS v11.0 New features [15] http://www.ansys.com/ Trần Ngọc An – Bộ môn Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 30 ... dụng phần mềm ANSYS đề tính toán dao động mô hình cầu treo cụ thể, cầu Dakrong Quảng Trị Các vấn đề dao động cần nghiên cứu gồm: + Dao động tự dầm chủ cầu (dao động uốn dao động xoắn) + Dao động. .. TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG DẦM CHỦ CẦU TREO NHỊP LỚN 11 2.1 Dao động tự 11 2.2 Dao động cưỡng tác dụng tải trọng di động 11 2.3 Dao động dầm chủ cầu treo tác dụng lực khí động 12... Kỹ thuật xây dựng cầu đường Trang 10 CHƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG DẦM CHỦ CẦU TREO NHỊP LỚN 2.1 Dao động tự Đối với dầm chủ cầu treo (dây văng, dây võng) dạng dao động tự sau thường