BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA: CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CẦU TRỤC DẦM ĐÔI TẢI TRỌNG 20 TẤN Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Đặng Xuân Phương Sinh viên thực hiện: Lê Văn Hận Mã số sinh viên: 56130492 Khánh hòa - 2018 Trang TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA: CƠ KHÍ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ………………………… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CẦU TRỤC DẦM ĐÔI TẢI TRỌNG 20 TẤN GVDH: PGS.TS Đặng Xuân Phương SVTH: Lê Văn Hận MSSV: 56130492 Khánh hòa, tháng 8/2018 Trang LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan: Khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Mô hình hóa và tính toán, kiểm tra độ bền của cầu trục dầm đôi tải trọng 20 tấn” là quá trình nghiên cứu của cá nhân em, không chép của bất cứ Em xin chịu mọi trách nhiệm về đề tài của mình! Người cam đoan LÊ VĂN HẬN Trang LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Đặng Xuân Phương đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài tốt nghiệp lần này Em chúc Thầy thật nhiều sức khỏe để tiếp tục đường giảng dạy của mình và tìm được cuộc sống đích thực của mình! Trang TÓM TẮT ĐỀ TÀI Để tổng kết gì đã được học suốt năm vừa qua, được sự phân công của nhà trường, em đã nhận đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Mô hình hóa và tính toán, kiểm tra độ bền của cầu trục dầm đôi tải trọng 20 tấn ” dưới sự hướng dẫn của thầy PGS.TS Đặng Xuân Phương, với các nội dung: Tổng quan về cầu trục Phương pháp thiết kế cầu trục Mô hình hóa 3D cầu trục theo một thiết kế đã có sẵn Tính toán độ bền cầu trục bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng công nghệ CAE Đây là đề tài thường thấy thực tế, xuất hiện rất nhiều các nhà máy, kho bãi, các sở sản xuất và lắp ráp khí Cổng trục 20 tấn là thiết bị nâng hạ rất quan trọng, giảm được sức nặng của người công nhân làm việc, qua đó, nâng cao suất lao động của công nhân Thiết bị nâng hạ thường nâng các vật nặng, di chuyển cao nên yêu cầu về tính an toàn cho người và vật là rất cao Trang MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa Quyết định giao ĐA/KLTN Phiếu theo dõi tiến độ và đánh giá ĐA/KLTN của CBHD Lời cam đoan Lời cảm ơn Tóm tắt đề tài Mục lục Danh mục bảng Danh sách hình vẽ, đồ thị 10 Danh sách các từ viết tắt 13 PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 16 1.1 Tổng quan về cổng trục 16 1.1.1 Giới thiệu chung 16 1.1.2 Xu thế sử dụng cổng trục hiện 16 1.1.3 Phân loại cổng trục 17 1.2 Kết cấu thép của cổng trục 17 1.3 Liên kết các thành phần cổng trục 20 1.3.1 Liên kết dầm chính với chân cổng trục 20 1.3.2 Liên kết chân cổng trục với dầm biên 21 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CỔNG TRỤC 22 2.1 Các phương án lựa chọn thiết kế kết cấu dầm chính 22 2.1.1 Cổng trục hai dầm có kết cấu dạng hộp 22 2.1.2 Cổng trục hai dầm kết cấu dạng giàn 22 2.1.3 Lựa chọn phương án hợp lý kết cấu dầm chính 23 Trang 2.2 Các phương án lựa chọn liên kết chân cổng trục với dầm chính 23 2.2.1 Chân cổng liên kết cứng với dầm chính 23 2.2.2 Một chân cổng liên kết cứng với dầm chính 24 2.2.3 Một chân cổng liên kết với dầm bằng gối trượt 24 2.2.4 Lựa chọn phương án hợp lý chân cổng với dầm chính 24 2.3 Phương pháp tính toán kết cấu cổng trục truyền thống 24 2.3.1 Sơ đồ kết cấu và các thông số của cổng trục 24 2.3.2 Các loại thép dùng cho dầm 26 2.3.2.1 Các loại thép hình và ứng dụng 26 2.3.2.2 Thép dùng cho dầm tổ hợp 28 CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA CỔNG TRỤC 30 3.1 Tính toán kết cấu cổng trục bằng phương pháp truyền thống 30 3.1.1 Thông số ban đầu 30 3.1.2 Vật liệu chế tạo dầm chính 31 3.1.3 Xác định sơ bộ kích thước cổng trục 31 3.1.3.1 Xác định sơ bộ kích thước tiết diện dầm chính 31 3.1.3.2 Xác định sơ bộ kích thước chân cổng trục 33 3.1.3.3 Đặc trưng tiết diện dầm chính 35 3.1.3.4 Xác định sơ bộ kích thước tiết diện dầm biên, chân cổng, gối tựa 38 3.1.3.5 Đặc trưng tiết diện chân cổng, dầm biên và gối tựa 38 3.1.4 Tính toán tải trọng 40 3.1.4.1 Tải trọng tác dụng lên dầm chính 40 3.1.4.1.1 Tải trọng gây trọng lượng bản thân của dầm chính 40 3.1.4.1.2 Tải trọng bánh xe 41 3.1.4.1.3 Tính lực quán tính 44 3.1.4.1.4 Tải trọng gió 45 3.1.5 Tính toán kết cấu thép 45 3.1.5.1 Tính nội lực dầm chính 45 3.1.5.1.1 Xác định vị trí nguy hiểm của xe dầm chính 48 3.1.5.2 Tính nội lực gối tựa 49 3.1.5.3 Tính nội lực dầm biên 51 3.1.5.4 Tính nội lực chân cổng 54 Trang CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG 3D CỔNG TRỤC TRÊN PHẦN MỀM CHUYÊN DỤNG 57 4.1 Tính toán kết cấu cổng trục bằng phần mềm SolidWorks 57 4.1.1 Các thông số đầu vào 57 4.1.2 Phương pháp tính và xây dựng mô hình 59 4.1.2.1 Dầm chính 59 4.1.2.2 Khung chân cổng 60 4.1.2.3 Vật liệu chế tạo 61 4.1.3 Xác định nội lực dầm chính 61 4.1.3.1 Điều kiện biên 61 4.1.3.2 Đặt tải trọng 61 4.1.3.3 Kết quả nội lực của dầm chính 66 4.1.4 Xác định nội lực khung chân cổng 70 4.1.4.1 Điều kiện biên 70 4.1.4.2 Đặt tải trọng 71 4.1.6.3 Kết quả nội lực của khung chân cổng 72 4.2 So sánh kết quả của hai phương pháp 74 4.2.1 Phương pháp tính truyền thống 74 4.2.2 Phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks 75 4.2.3 Kết luận 76 Tài liệu tham khảo 77 Trang DANH MỤC BẢNG Bảng Các thông số ban đầu của cổng trục Bảng Đặc trưng tiết diện của chân cổng, dầm biên và gối tựa Bảng Các thông số đầu vào Bảng Các tải trọng tính toán Bảng Bảng so sánh đặc trưng tính vật liệu thép CT3 và thép A36 Trang DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình Cổng trục dầm đơn Hình Cổng trục dầm đôi Hình Bán cổng trục Hình Cổng trục dầm đôi đầu công xôn Hình Sơ đồ kết cấu cổng trục Hình Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết cứng Hình Cổng trục có một bên liên kết mềm và một bên liên kết khớp cầu Hình Dầm biên lắp song song Hình Dầm biên lắp nối tiếp Hình 10 Kết cấu kim loại cổng trục hai dầm dạng hộp Hình 11 Kết cấu kim loại cổng trục hai dầm dạng giàn Hình 12 Chân cổng liên kết cứng với dầm Hình 13 Chân cổng một bên liên kết dầm cứng Hình 14 Chân cổng một bên liên kết dầm bằng gối trượt Hình 15 Sơ đồ kết cấu thép của cổng trục dầm đôi đầu công xôn Hình 16 Thép chữ I Hình 17 Thép chữ [ Hình 18 Thép góc đều cạnh và ứng dụng Hình 19 Thép góc không đều cạnh và ứng dụng Hình 20 Dầm tổ hợp kết cấu hàn Hình 21 Dầm tổ hợp kết cấu hàn Hình 22 Mô hình tính theo phương pháp truyền thống Hình 23 Dầm chính tổ hợp dạng hộp Hình 24 Tiết diện dầm tổ hợp hai kết cấu hàn Trang 10 Hình 49 Đặt tải trọng cho Simulation Studies Đặt tải trọng bánh xe không có hệ số điều chỉnh: tại hai vị trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝐷′′ = 121875N, 𝑃𝐶′′ = 78125N + Đặt tải trọng cho Simulation Studies 3: Trang 63 Hình 50 Đặt tải trọng cho Simulation Studies - Tải trọng phân bố đều q sẽ được thay thế bằng Gravity, lệnh đặt tải trọng trọng lượng bản thân dầm Trong đó có tải trọng phân bố đều gây trọng lượng cấu di động G2 = 25400N - Đặt tải trọng bánh xe có hệ số điều chỉnh: tại hai vị trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝐷′ = 143750N, 𝑃𝐶′ = 91250N - Đặt lực quán tính trọng lượng xe nâng và vật nâng phanh xe nâng: tại hai vị ′′ trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝑞𝑡 = 8705,5N - Đặt lực quán tính trọng lượng dầm chính phanh cổng trục lên bề mặt tấm vách đứng, ta đặt tải trọng phân bố đều Pqt = 3979N - Đặt lực quán tính trọng lượng xe nâng và vật nâng phanh cổng trục: tại hai vị ′ trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝑞𝑡 = 5000N + Đặt tải trọng cho Simulation Studies 4: Trang 64 Hình 51 Đặt tải trọng cho Simulation Studies - Tải trọng phân bố đều q sẽ được thay thế bằng Gravity, lệnh đặt tải trọng trọng lượng bản thân dầm - Đặt tải trọng bánh xe có hệ số điều chỉnh: tại hai vị trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝐴′ = 31250N, 𝑃𝐵′ = 23749N - Đặt lực quán tính trọng lượng xe nâng và vật nâng phanh xe nâng: tại hai vị trí ′′ tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝑞𝑡 = 8705,5N - Đặt lực quán tính trọng lượng dầm chính phanh cổng trục lên bề mặt tấm vách đứng, ta đặt tải trọng phân bố đều Pqt = 3979N - Đặt lực quán tính trọng lượng xe nâng và vật nâng phanh cổng trục: tại hai vị ′ trí tiếp xúc của bánh xe nâng với dầm chính, ta đặt tải trọng tập trung 𝑃𝑞𝑡 = 5000N Trang 65 4.1.3.3 Kết quả nội lực của dầm chính + Kết quả của Simulation Studies Hình 52 Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toàn của Simulation Studies + Sau mô phỏng, ta có được kết quả sau: - Tổng ứng suất: 𝜎𝑢 = 93,7 N/mm2 < [𝜎] = 180 N/mm2 - Hệ số an toàn : n = 2,67 Trang 66 + Từ kết quả tổng ứng suất ta có thể tính được hệ số an toàn cho phép: n= [𝜎]𝑐ℎ 𝜎𝑢 = 250 93,7 = 2,67 Trong đó: [𝜎]ch = 250 N/mm2 – Giới hạn chảy cực tiểu theo bảng 5, trang 53 của chương + Hệ số an toàn cho phép: [n] = [𝜎]𝑐ℎ [𝜎] = 250 180 = 1,39 + Theo trường hợp phối hợp tải trọng thứ nhất và thứ hai chế độ làm việc bình thường, theo bảng (5.1) của [4] hệ số an toàn cho phép: [n] = 1,33 ÷ 1,5 Chọn hệ sớ an toàn cho phép để kiểm tra là [n] = 1,5, ta có: n = 2,67 > [n] = 1,5 + Kết quả của Simulation Studies 2: Hình 53 Kết quả tổng ứng suất và hệ số an toàn của Simulation Studies - Sau mô phỏng, ta có được kết quả của độ võng là: f = 1,143 mm < [f] = 23,3 mm ( thỏa) Trang 67 + Kết quả của Simulation Studies 3: Hình 54 Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies Trang 68 Ta có kết quả sau: - Áp lực theo phương x : Nx1 = 1,2.105 N - Áp lực theo phương x : Ny1 = 4,2.105 N - Áp lực theo phương x : Nz1 = 2,4.105 N + Kết quả của Simulation Studies : Trang 69 Hình 55 Kết quả áp lực dầm chính của Simulation Studies Ta được kết quả sau : - Áp lực theo phương x : Nx1 = 1,1.105 N - Áp lực theo phương x : Ny1 = 1,3.105 N - Áp lực theo phương x : Nz1 = 2,0.105 N 4.1.4 Xác định nội lực khung chân cổng 4.1.4.1 Điều kiện biên Ta đặt điều kiện biên Static Analysis cho mô hình khung chân cổng sau: - Tại vị trí E, F: Đặt gối cố định - Tại vị trí A, K: Đặt gới trượt Trang 70 Hình 56 Đặt điều kiện biên cho khung chân cổng 4.1.4.2 Đặt tải trọng Hình 57 Đặt tải trọng cho khung chân cổng + Sử dụng Gravity để đặt tải trọng trọng lượng bản thân khung chân cổng + Tại bề mặt A và bề mặt K là nơi tiếp xúc giwuax khung chân cổng với dầm chính - Trên bề mặt A, ta đặt các tải trọng:  Áp lực theo phương x : Nx1 = 1,2.105 N  Áp lực theo phương x : Ny1 = 4,2.105 N Trang 71  Áp lực theo phương x : Nz1 = 2,4.105 N  Tải trọng gió lên chân cổng, tải trọng phân bố đều: qg = 479N 4.1.6.3 Kết quả nợi lực của khung chân cởng Hình 58 Kết quả nội lực của khung chân cổng và hệ số an toàn Hình 59 Kết quả nợi lực của bên chân cổng và hệ số an toàn Ta có hệ số an toàn n = 2,24, nên tổng ứng suất sẽ là : 𝜎= [𝜎]𝑐ℎ 𝑛 = 250 2,24 = 111,6 N/mm2 < [𝜎] = 180 N/mm2 Trang 72 Hình 60 Kết quả nội lực của gối tựa và hệ số an toàn Ta có hệ số an toàn n = 1,62, nên tổng ứng suất sẽ là : 𝜎= [𝜎]𝑐ℎ 𝑛 = 250 1,62 = 154,3 N/mm2 < [𝜎] = 180 N/mm2 Hình 61 Kết quả nợi lực của dầm biên và hệ số an toàn Ta có hệ số an toàn n = 4,82, nên tổng ứng suất sẽ là : 𝜎= [𝜎]𝑐ℎ 𝑛 = 250 4,82 = 51,9 N/mm2 < [𝜎] = 180 N/mm2  Vậy kích thước tiết diện của khung chân cổng đã chọn là an toàn, vậy khung chân cổng an toàn Trang 73 4.2 So sánh kết quả của hai phương pháp 4.2.1 Phương pháp tính truyền thống Từ phương pháp tính truyền thống, thiết kế một cổng trục nói chung người ta thực hiện nội dung gồm các bước sau: - Xác định các thông số bản - Xác định các đặc trưng tiết diện của các bộ phận kết cấu cổng trục - Xác định các ngoại lực tác động lên kết cấu thép - Xác định các nội lực của kết cấu thép - Kiểm tra độ bền, kiểm tra độ võng và độ ổn định của kết cấu thép * Xác định thông số bản: + Từ yêu cầu sử dụng cổng trục ta có các thông số ban đầu: tải trọng nâng(Q), chiều cao nâng(H), khẩu độ(L) Từ chế độ làm việc người ta chọn phương án kết cấu cổng trục phù hợp + Từ các thông số đầu vào này người ta sẽ tra catalog của xe nâng, cấu di chuyển cổng trục, có thể chọn bản các thông số của xe nâng trọng lượng xe nâng, khoảng các trục các bánh xe nâng, vận tốc di chuyển cổng trục, vận tốc nâng hạ…Ngoài ra, đối với các thông số kích thước và trọng lượng của dầm chính, khung chân cổng, cấu di chuyển, buồng điều khiển, dàn cáp điện, lan can, sàn, cầu thang,…Với các thông ban đầu này người ta sẽ dựa vào các công thức thực nghiệm để tính sơ bộ các thông số của cổng trục * Xác định đặc trưng tiết diện của bộ phận kết cấu cổng trục + Đối với thép hình: không mất nhiều thời gian cho việc tính toán vì các đặc trưng của nó đã có bảng, thép chữ I, [, Người ta sẽ lựa chọn phương án kết cấu thép bằng tổ hợp của thép hình hoặc tổ hợp các thép tấm, nếu chiều cao tính sơ bộ của tiết diện nằm ngoài bảng tra + Đối với thép có tiết diện tổ hợp từ các thép tấm, thì sẽ xác định đầy đủ kích thước từ các công thức tính toán bằng thực nghiệm Trang 74 * Xác định ngoại lực tác động lên kết cấu thép + Các ngoại lực bao gồm: trọng lượng bản thân kết cấu, trọng lượng vật nâng, trọng lượng xe nâng, tải trọng quán tính, tải trọng gió, + Các ngoại lực này được xác định từ các công thức đã tính chương * Xác định nội lực của kết cấu thép + Sử dụng phương pháp tính theo ứng suất cho phép là phương pháp tính nội lực kết cấu trạng thái bất lợi nhất, điều kiện bất lợi nhất Đối với cổng trục có đầu công xôn thì xe nâng đầu mút khẩu độ Phương pháp này đảm bảo kết cấu an toàn với chế độ và môi trường làm việc theo yêu cầu thiết kế + Để dễ dàng cho việc tính toán thì chia cổng trục thành phần là dầm chính và chân cổng * Kiểm tra độ bền, kiểm tra độ võng và độ ổn định của kết cấu thép + Được tính theo công thức chung là 𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ [𝜎] Trị số của ứng suất cho phép [𝜎] phụ thuộc vào trường hợp phối hợp tải trọng và chế độ làm việc của cổng trục + Đối với dầm chính phải kiểm tra độ võng theo công thức f ≤ [f] ứng với trường hợp xe nâng vị trí dầm + Nếu thỏa mãn các điều kiện thì kết luận kết cấu đảm bảo độ bền (đủ bền hoặc thừa bền) Để đánh giá kết cấu có thừa bền hay không thì phải xét đến hệ số an toàn n, n ≈ [n] Trong đó hệ số an toàn cho phép [n] phụ thuộc vào trường hợp phối hợp tải trọng và chế độ làm việc và được tra bảng 4.2.2 Phương pháp tính bằng phần mềm SolidWorks * Xây dựng mô hình tính + Thông số đầu vào của SolidWorks là các thông số bản tính bằng phương pháp truyền thống + SolidWork có thể thực hiện mô phỏng đầy đủ các chi tiết được sử dụng thực tế các tính kỹ thuật như: đường ray xe nâng, gân chịu lực, tấm bịt đầu dầm chính, lan can, cầu thang,…mà phương pháp tính truyền thống chỉ có thể ước lượng hoặc lấy tương đương Trang 75 * Phân tích nội lực + SolidWorks phân tích nội lực cho bộ phận hoặc của toàn bộ kết cấu SolidWorks phân tích nhiều tải trọng khác + Các bước phân tích của SolidWork sau: vật liệu chế tạo, điều kiện biên, đặt tải trọng, và kết quả tính + SolidWorks cho phép đặt điều kiện biên lên điểm, đường, mặt Có thể chọn nhanh các kiểu gối cố định, gối trượt, + Từ các thông số đã tính phương pháp truyền thống được đưa vào SolidWorks để tính toán và phân tích phù hợp với vị trí các phương, chiều và tải trọng + Kết quả thể hiện đầy đủ nội lực cho phần tử hoặc toàn bộ kết cấu: ứng suất, chuyển vị và biến dạng Cả hệ số an toàn 4.2.3 Kết luận Dùng phần mềm SoildWorks thời gian nhanh hơn, kết quả chính xác Mô phỏng khả biến dạng mà phương pháp truyền thống không làm được - Độ võng nhỏ - Kích thước tiết diện của một số phần tử nhỏ Trang 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]- Huỳnh Văn Hoàng, Đào trọng Thường, Tính Toán Máy Trục, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1975 [2]-TS Trương quốc thành, TS phạm quang Dũng, Máy Và Thiết Bị Nâng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà Nội 1999 [3]-Nguyễn Hữu Quảng, Phạm Văn Giám, Kết cấu kim loại máy trục, Trường Đại Học Hàng Hải [4]-Huỳnh Văn Hoàng, Đào Trọng Thường (1975), Tính toán máy trục, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội Trang 77 ... xưởng sản xuất +) cổng trục bớc xếp kho bãi… Hình Cổng trục dầm đơn Trang 17 Hình Cổng trục dầm đơi Hình Bán cổng trục Hình Cổng trục dầm đơi đầu công xôn 1.2 Kết cấu thép của cổng trục... và tra nh khả kẹt bánh xe di chuyển đường ray Trang 20 Hình Cổng trục có mô t bên liên kết mềm và mô t bên liên kết cứng Ngoài ra, người ta thay chế chân liên kết cứng bằng mô t... ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA: CƠ KHÍ BỘ MÔN: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ………………………… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH HÓA VÀ TÍNH TOÁN, KIỂM TRA CẦU TRỤC DẦM ĐÔI TẢI TRỌNG 20 TẤN GVDH: