ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘMÔN SỨC BỀN KẾT CẤU  BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN 3 MÔN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NÂNG CAO (Advanced finite.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG BỘ MÔN SỨC BỀN KẾT CẤU - - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NÂNG CAO (Advanced finite element method) GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Nhóm: 05 Thành viên: STT Họ tên MSHV Trần Minh Hiệp 1910187 Lê Quốc Thắng 1910545 Nguyễn Minh Triết 1915629 TP HỒ CHÍ MINH – THÁNG 12/2021 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình MỤC LỤC CHƯƠNG 1: ĐỀ BÀI A Problem Statements B Key Results C Analysis Checks D Result Plots CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG BÀI TỐN BẰNG ANSYS 2.1 Tạo file, chọn tốn phân tích phù hợp 2.2 Nhập thông số vật liệu theo đề 2.3 Nhập thơng số kích thước miền tính tốn mơ hình 2.4 Hiệu chỉnh hiển thị góc nhìn 2.5 Mơ hình theo yêu cầu đề 10 2.6 Tạo mặt phẳng vật liệu cho kết cấu 10 2.7 Kiểm tra lại khối gán vật liệu 11 2.8 Chia lưới – MESH kết cấu 13 2.9 Gán tải trọng 16 2.10 Gán điều kiện biên 17 2.11 Lấy đối xứng cấu kiện 20 2.12 Gán hệ tọa độ riêng cho vòm 21 2.13 Thiết lập mặt cắt khảo sát mặt A-A, A’-A’ 23 2.14 Chọn kết cần phân tích 24 2.15 Xem xét địa nút chia Bước 24 2.16 Phân tích tốn 25 CHƯƠNG 3: XUẤT VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 26 3.1 Kết 26 Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 3.2 Kết phụ 28 3.3 Hiện tượng tập trung ứng suất điểm góc mơ hình 33 CHƯƠNG 4: NHẬN XÉT 35 4.1 Kích thước phân tố 36 4.2 Góc tạo phần tử 36 HỢP ĐỒNG NHÓM 38 Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình CHƯƠNG 1: ĐỀ BÀI Modeling with Isoparametric Elements A Problem Statements Perform a finite element analysis of the tunnel structure in Figure A pair of tunnels is located side-by-side for the passage of traffic in each direction The tunnel is excavated from rock material with the elastic properties shown A plane-strain model provides a good representation for predicting deformation and stress due to loading by the overburden material Due to the symmetry of the geometry, loading and boundary conditions, only one-half of the geotechnical system needs to be included in the finite element model The element mesh should be carefully constructed to capture the large stress gradients that occur around the tunnel Form a group maximum of THREE members Each member will work as a team on an equal work load basis to complete the tasks given as follows: Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình A.1 – Mơ hình có kích thước cụ thể B Key Results: Study the following key results obtained from your analysis: The vertical displacement at the peak of the tunnel roof The maximum tensile stress in material that forms the tunnel roof The average vertical displacement across the floor of the tunnel C Analysis Checks: Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình C.1 – Mesh phần tử với 1759 nút, 537 phần tử - At sections A-A and A’-A’, verify that the vertical stress distribution predicted by the finite element model balances the overburden loading - Why are the stresses so large at the corners of the tunnel floor? Have we constructed a realistic model of these locations? How would these areas be detailed in the actual design? - In rock mechanics problems such as this one, the question always arises about the extent to which the finite element model must be carried to the right and below the tunnel to simulate an “infinite” domain When the finite element model is “cut-off” too near the tunnel, the finite distance to the boundary strongly influences the predicted deformation and stresses around the tunnel Comment on the adequacy of the present model in these regards D Result Plots: Stress Plots Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình - Plot the distribution of tangential stress along the roof line for the tunnel as a function of angle  - Plot the distribution of vertical stress across sections A-A and A’-A’ - Generate contour plots over the model for: xx, yy, xy Deflected Shape - Generate a plot of the deflected shape superimposed on the undeflected model Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình CHƯƠNG 2: MƠ PHỎNG BÀI TỐN BẰNG ANSYS 2.1 Tạo file chọn tốn phân tích phù hợp Trong công cụ Analysis System Toolbox → chọn Static Structural (ANSYS) (1) → đổi tên cấu kiện thành Tunel (2) Hình 2.1 – Giao diện chọn mơ hình phân tích kết cấu 2.2 Nhập thơng số vật liệu theo đề cho: Nháy đúp vào dòng “Engineering Data” để thêm vật liệu (3), giao diện “Engineering Data”, gõ “Đá” tên vật liệu cần khai báo (4) → nháy đúp chuột chọn “Isotropic Elasticity” phía dịng “Linear Elastic” cửa sổ cơng cụ Toolbox bên trái (5) → Nhập “35.e9” cho Môđun đàn hồi Young (đơn vị Pa), nhập “0.35” cho hệ số Possion cửa sổ Properties (6) → Nhấp mục “Physical Properties” cửa sổ cơng cụ Toolbox chọn dịng “Density” nhập “2400” (7) Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 2.2 – Giao diện nhập thông số vật liệu 2.3 Nhập thông số kích thước miền tính tốn mơ hình Tắt giao diện “Engineering Data”, trở giao diện “Project”, chọn “View” (1) → Nháy phải chuột vào tab “Geometry” (2) → “Properties” Chọn “Surface bodies” chọn toán 2D (3) Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Sau đó, nháy phải chuột vào tab “Geometry” → “New Designmodeler Geometry” (4) Hình 2.3 – Giao diện nhập kích thước miền tính tốn phân tích 2D Hình 2.4 – Giao diện khởi tạo mơ hình hình học tốn 2.4 Hiệu chỉnh thị góc nhìn Chỉnh góc nhìn thuận tiện: Do tốn có dạng 2D nên ta chọn hệ trục Descartes Oxy để tiện kiểm sốt mơ hình Tab “Modeling” (1) → Chọn “XY plane” (2) → Chọn tiếp “Look at surface” (3) Trang Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 2.14 Chọn kết cần phân tích Chuyển vị  Nhấp phải chuột “Solution” → “Insert” → “Deformation” → “Total”  Nhấp phải chuột “Solution” → “Insert” → “Probe” → “Deformation” Ứng suất  Phải chuột “Solution” → “Insert” → “Stress” → “Equivalent” (Von – mised)  Phải chuột “Solution” → “Insert” → “Stress” → “Normal”  Phải chuột “Solution” → “Insert” → “Stress” → “Shear”  Phải chuột “Solution” → “Insert” → “Probe” → “Stress”  Phải chuột “Solution” → “Insert” → “Stress” → “Vector Pricinpal Stress” Hệ trục tọa Đại lượng Phạm vi Deformation Total Global Deformation Probe Cylindrical Stress Equivalent (Vont -mised) độ Global Ý nghĩa Chuyển vị tổng thể xét toàn hệ Chuyển vị lớn nhất/nhỏ xét riêng cục vòm Ứng suất tổng thể xét toàn hệ theo tiêu chuẩn Von-mised Ứng suất nén – kéo tổng thể xét Stress Normal Global tồn hệ (khơng phải ứng suất chính) Stress Stress Stress Shear Vector Principal Stress Probe Global Global Cylindrical Ứng suất cắt tổng thể xét toàn hệ Quỹ đạo véc tơ ứng suất xét tồn hệ Ứng suất kéo/nén/cắt lớn xét cục vòm Bảng 2.1 – Bảng thông số ý nghĩa đại lượng Trang 24 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 2.15 Xem xét địa nút chia Bước “View” → “Preference Annotation” (1) → Chọn “Node Numbers” (2) Hình 2.31 – Mở giao diện “Annotation Preferences” Hình 2.32 – Giao diện thơng số nút tọa độ tổng thể 2.16 Phân tích tốn Nhấp phải chuột tab “Solution” → “Solve” Trang 25 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình CHƯƠNG 3: XUẤT VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3.1 Kết Hình 3.1 – Chuyển vị đỉnh vòm theo phương đứng Hình 3.2 - Ứng suất kéo lớn đỉnh mái vịm Trang 26 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 3.3 - Ứng suất kéo/nén tiếp tuyến dọc theo mái vịm hầm Hình 3.4 – Chuyển vị đáy hầm theo phương đứng Trang 27 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 3.2 Kết phụ Hình 3.5 – Chuyển vị kết cấu so với ban đầu Hình 3.6 – Trường chuyển vị tồn hệ kết cấu Trang 28 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 3.7 - Ứng suất kéo/nén dọc theo đáy tầng hầm Hình 3.8 - Ứng suất nén/kéo mặt cắt hầm theo phương X (σxx) Trang 29 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 3.9 - Ứng suất nén/kéo mặt cắt hầm theo phương Y (σyy) Hình 3.10 - Ứng suất cắt hầm (τxy) Trang 30 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 3.11 - Ứng suất đỉnh mái vịm theo phương đứng Hình 3.12 - Ứng suất phương đứng mặt cắt A’-A’ (σyy) Trang 31 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Hình 3.13 - Ứng suất phương ngang mặt cắt A-A (σxx) Hình 3.14 - Ứng suất phương ngang mặt cắt A’-A’ (σxx) Trang 32 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 3.3 Hiện tượng tập trung ứng suất điểm góc mơ hình Kiểm tra vùng tập trung: Phải chuột “Solution” → “Insert” (1) → “Stress” (2) → Error (3) Hình 3.15 – Giao diện tạo tốn kiểm tra “điểm lỗi” ứng suất Đánh giá độ phù hợp mơ hình: Phải chuột “Structural” → “Evalute All Result” (4) Hình 3.16 – Giải tốn kiểm tra “điểm lỗi” Trang 33 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Vùng mơ hình có tượng tập trung ứng suất, xem xét để mơ hình lại khu vực (6) Hình 3.17 – Giao diện xuất “điểm lỗi” Trang 34 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình CHƯƠNG 4: NHẬN XÉT Trong trình nghiên cứu làm việc, phần mềm ANSYS WORKBENCH phần mềm hữu ích dễ sử dụng việc phân tích tính toán kết cấu hay cấu kiện làm việc trạng thái phi tuyến Sự đa dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Elements Method - FEM), việc giúp phân tích kiểm tra đuợc cấu kiện miền đàn hồi tuyến tính, song song cịn giúp kiểm tra giai đoạn phi tuyến phi đàn hồi tiến đến kiểm tra phá hoại cấu kiện Từ đời phần mềm ANSYS WORKBENCH, bước tính toán nhiều phần mềm khác tương tự PLAXIS, ETABS, SAFE,…giúp người dùng dễ tiếp cận quản lý cơng cụ mơ hình, bước nhập thơng số đầu vào, phân chia “phần tử MESH” kết phân tích Cũng phần mềm khác, Ansys phần mềm đại tồn số hạn chế khó tránh khỏi Điển số điểm có ứng suất bị loạn vị trí có góc nhỏ 180o Assignment (hầm lồng đất đá) Hình 4.1 - Giá trị ứng suất điểm góc hầm Trang 35 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình Từ kết phân tích ứng suất Ansys nhóm vị trí góc hầm có ứng suất lớn, số nguyên nhân mà nhóm nghĩ tới sau: 4.1 Kích thước phân tố: Như học, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) rời rạc hóa phần tử thành phân tố nhỏ hơn, từ việc tính tốn phân tố nhỏ tiến tới phân tố liền kề hết tồn mơ hình Tuy nhiên đây, việc phân chia phân tố gặp số khuất mắt chẳng hạn việc kích thước phân tố sau chia lớn, ảnh hưởng nhiều dẫn đến sai số so với kết thực ngược lại Nhưng chia nhỏ, số lượng phân tố tăng, số lượng nút tăng theo, dẫn đến khối lượng tính tốn thời gian lớn đòi hỏi nhớ phải thật lớn để đảm nhiệm cơng việc Từ góc độ quan sát đó, mà nhà phát triển phần mềm mang đến công cụ hữu ích để giảm bớt khó khăn kể SUB-MODEL Cơng cụ có tác dụng cho người dùng quản lý phần mơ mơ hình riêng biệt Người dùng chia lưới mịn vùng mơ hình để có giảm sai số kết chịu tác động phần cịn lại mơ hình Điều khiến mơ hình tính tốn vừa cho kết hợp lý hơn, vừa không làm khối lượng tính tốn tăng q nhiều việc chia nhỏ tồn mơ hình Nhưng kết tính tốn hợp lý không làm biến điểm ứng suất kỳ dị 4.2 Góc tạo phần tử Theo lý thuyết, ma trận độ cứng phụ thuộc nhiều vào phần tử xung quanh nút Chính góc vị trí tiếp giáp đáy hầm thành hầm tạo thành góc 90o, ma trận độ cứng vùng tính tốn theo FEM kết phân tích bị rối loạn Nếu chia mịn vùng tiếp giáp giúp vùng ứng suất kỳ dị thu nhỏ lại khơng làm biến mất, mà kết phân tích khơng thay đổi nhiều so với lúc chưa chia mịn Theo nhóm tìm hiểu, ngun lý Saint Venant : “Ở đủ xa nơi đặt lực, trạng thái ứng suất biến dạng không phụ thuộc vào cách đặt lực mà phụ thuộc vào hợp lực” (St Venant's principle states that the effect of local disturbances to a Trang 36 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình uniform stress fields remains local) Điều có nghĩa kỹ sư bỏ qua vùng gần điểm ứng suất kỳ dị mà cần xét vùng có trường ứng suất đồng đẳng lân cận, kết tính tốn thiết kế hợp lý Tuy nhiên thực tế, việc thi công hầm dạng khó khăn, máy thi cơng khó đào góc vng vức mơ hình Assignment này, cơng lại góc tay khơng đảm bảo góc hầm vng vức nên “điểm ứng suất kỳ dị” thực tế khơng có Nếu đem điều kiện thực tế ngược lại vào mơ hình tính tốn, ta tạo góc vác cong “điểm ứng suất kỳ di” biến mất, trường ứng suất đươc phần mềm phân tích trở nên bình thường Trang 37 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình HỢP ĐỒNG PHÂN CƠNG NHIỆM VỤ Nhóm 05 MƠN: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN NÂNG CAO (Advance finite element method) ID Tên Nhiệm vụ Mức độ hoàn thành 1910187 Trần Minh Hiệp Chạy phần mềm + chuẩn bị ảnh 100% 1910545 Lê Quốc Thắng Chương + Tổng hợp + Kiểm tra 100% 1915629 Nguyễn Minh Triết Chương + chương + chương 100% Ký tên Trang 38 ... Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 3. 2 Kết phụ 28 3. 3 Hiện tượng tập trung ứng suất điểm góc mơ hình 33 CHƯƠNG 4: NHẬN XÉT 35 4.1 Kích thước phân tố 36 ... - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình CHƯƠNG 3: XUẤT VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 3. 1 Kết Hình 3. 1 – Chuyển vị đỉnh vịm theo phương đứng Hình 3. 2 - Ứng suất kéo lớn đỉnh mái vịm Trang 26 Nhóm 05 - Assignment... 3. 3 - Ứng suất kéo/nén tiếp tuyến dọc theo mái vịm hầm Hình 3. 4 – Chuyển vị đáy hầm theo phương đứng Trang 27 Nhóm 05 - Assignment GVHD: TS Nguyễn Thái Bình 3. 2 Kết phụ Hình 3. 5 – Chuyển vị kết