le thanh toan 6521

Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2016 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN HỢP LÝ KẾT CẤU CỔNG TRỤC DỰA TRÊN THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN RESEARCH METHODS FOR CALCULATING REASONABLE STRUCTURE PORTAL CRANES ON ACHIEVEMENTS OF INFORMATION TECHNOLOGY Lê Thanh Toàn1, Nguyễn Văn Ba2 Ngày nhận bài: 25/3/2014; Ngày phản biện thông qua: 12/11/2015; Ngày duyệt đăng: 15/3/2016 TÓM TẮT Cổng trục thiết bị nâng, có khả nâng hạ di dời vật nặng không gian định Kết cấu thép cổng trục bao gồm: Dầm chính, gối tựa, chân cổng dầm biên Kết cấu cổng trục chịu toàn tải trọng vật nâng, tải trọng thân tác động khác từ bên tải trọng gió Đề tài nghiên cứu phương pháp tính toán hợp lý kết cấu cổng trục dầm đơn, cổng trục dầm đơi; có tải trọng nâng định mức khoảng ÷ 40 tấn, với độ 20m Nội dung phương pháp tính truyền thống bao gồm: Xây dựng thông số ban đầu; Xác định sơ kích thước kết cấu; Tính đặc trưng tiết diện; Xác định tải trọng tính tốn; Phân tích nội lực; Kiểm tra độ bền, độ võng, độ ổn định phận cổng trục Nội dung tính phần mềm SolidWorks dựa sở phương pháp tính truyền thống sau: Xây dựng mơ hình tính; Phân tích nội lực (bao gồm bước: loại phần tử, điều kiện biên, đặt tải trọng, phân tích kết tính); Và tính tối ưu (bao gồm bước: khai báo biến, khai báo điều kiện kiểm tra, điều kiện mục tiêu, phân tích kết tính) SolidWorks có khả tự phân tích trọng lượng thân, ảnh hưởng lẫn phận kết cấu cổng trục cho kết phân tích đầy đủ Dễ dàng việc thực trường hợp phân tính nội lực tương tự Phân tích tính tối ưu nhằm cho kết hợp lý điều kiện mục tiêu thiết kế Từ khóa: Cổng trục, thiết bị nâng, nghiên cứu tính tối ưu, nghiên cứu mơ ABSTRACT Gantry crane is a lifting device capable of lifting heavy loads and displacement in a defined space Gantry crane steel structure including: bridge beam, fulcrum beams, end trucks and legs gantry It affected load of heavy loads, load yourself and other impacts from the outside, such as wind loads Thesis research methods for calculating reasonable structure portal single beam gantry, double beam gantry; load lifting to 40 tons, with spans under 20 m The content of the calculation method of traditional gantry structure including: Building of the initial parameters; Determine the preliminary dimensions structure; Calculation of section geometry features; Determine the design loads; Internal analysis; Testing endurance, deflection, stability of the gantry parts Content calculated by SolidWorks software based on the traditional method as follows: Building of model calculation; Internal analysis (including the steps: element type, stability conditions, load set, results of calculation); And optimal (including the steps: variable declaration, inspection declaration terms, conditions goals, analysis of results counted) SolidWorks is able to analyze the self-weight, as well as the mutual influence of each structural crane parts and show the results fully analyzed Easy to make a case similar analyzed internal forces The optimization study gives the most reasonable results in conditions and design goals Keywords: gantry crane, steel structure, optimization study, simulation study Lê Thanh Toàn: Lớp Cao học Kỹ thuật tàu thủy 2009 - Trường Đại học Nha Trang PGS.TS Nguyễn Văn Ba: Trường Đại học Nha Trang 136 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản I ĐẶT VẤN ĐỀ Cổng trục thiết bị nâng, có khả nâng hạ di dời vật nặng không gian định Nó sử dụng rộng rãi ngành vận tải, xây dựng, chế tạo máy, đặc biệt đóng tàu Để thực chức mình, cổng trục trang bị phận nâng phận di chuyển làm việc sở chịu lực cổng trục Kết cấu cổng trục kết cấu thép chịu toàn tải trọng vật nâng tác động khác từ bên ngồi, dịch chuyển đường ray để mang vật nâng đến nơi cần đến Cùng với phát triển ngành đóng tàu số lượng độ lớn tàu, cổng trục phát triển không ngừng tải trọng nâng, không gian làm việc mức độ đại vận hành Vì vậy, việc tính tốn thiết kế cổng trục địi hỏi phải có nhiều cải tiến, áp dụng thành tựu khoa học tính tốn; Việc tính toán kết cấu cổng trục đáp ứng yêu cầu trình thiết kế, chế tạo vận hành cổng trục Tuy nhiên phương pháp tính tốn truyền thống, nghiên cứu kỹ hơn, chi tiết thấy số điểm chưa hợp lý tính tốn như: việc thay đổi tải trọng thân kết cấu tải trọng phân bố đều; kích thước chiều dài phận cổng trục, việc đặt xác vị trí tải trọng lên kết cấu làm phức tạp cho việc tính tốn Những bất cập khắc phục ứng dụng tiến khoa học tính tốn phương tiện đại vào cơng việc tính tốn Xuất phát từ nhận xét trên, thực đề tài “Nghiên cứu phương pháp tính tốn hợp lý kết cấu cổng trục dựa thành tựu công nghệ thông tin”, gồm nội dung: Đối tượng phương pháp nghiên cứu; Kết luận kiến nghị Nghiên cứu nhằm làm giảm nhẹ cơng sức thiết kế, tăng độ xác phạm vi xem xét yếu tố ảnh hưởng đến làm việc kết cấu cổng trục Số 1/2016 II ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Trong phương pháp tính tốn kết cấu cổng trục nay, tải trọng tác động lên kết cấu kim loại cổng trục như: tải trọng thân, tải trọng hàng, tải trọng xe nâng, tải trọng gió, tải trọng thân khác (cabin điều khiển, cầu thang, sàn, lan can, hệ thống điện, ); cịn có tải trọng khác phát sinh trình vận hành lực quán tính Một phương pháp sử dụng phổ biến phương pháp tính theo ứng suất cho phép; phương pháp tính nội lực kết cấu trạng thái bất lợi Điều kiện bất lợi dầm xe nâng nằm dầm; chân đỡ xe nâng nằm đầu mút độ; phần côngxôn xe nâng nằm ngồi mút cơngxơn; ngồi kết cấu dạng dàn, người ta chia dàn không gian thành dàn phẳng, để tính nội lực dàn phẳng Phương pháp tính tốn đảm bảo kết cấu an tồn với chế độ mơi trường làm việc theo yêu cầu thiết kế Tuy nhiên, kết tính tốn dư bền; mặt khác kết cấu tổ hợp nhiều phận khác nhau, phận có tiết diện chịu tải trọng khác nhau, lặp lại cơng đoạn tính giống làm tăng khối lượng thời gian tính toán Để khắc phục nhược điểm này, nên ứng dụng phần mềm tin học, ưu điểm lớn phần mềm tin học thực công đoạn tính tốn giống với thơng số đầu vào khác cách nhanh chóng cho kết gần Hiện nay, phần mềm phân tích kết cấu thép thông dụng như: RDM6, SolidWorks, SAP2000, ANSYS, ABAQUS… ứng dụng để tính tốn kết cấu thép Để thay số bước tính tốn kết cấu cổng trục SolidWorks phần mềm phù hợp SolidWorks Simulation phần mềm tính tốn học phương pháp phần tử hữu hạn có hệ thống phân tích thiết kế TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 137 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản đầy đủ tích hợp SolidWorks SolidWorks Simulation cung cấp kiểu phân tích: tĩnh (Static), tần số (Frequency), ổn định (Buckling), nhiệt (Thermal), tối ưu thiết kế (Design Study) Trong phân tích ứng suất tối ưu hóa thay phần lớn việc tính tốn phương pháp truyền thống Phương pháp nghiên cứu Các bước tính tốn nội lực phương pháp tính truyền thống bao gồm: Bước (tính sơ kích thước phận cổng trục); Bước (xác định đặc trưng tiết diện); Bước (xác định tải trọng tác động lên kết cấu); Bước (tính nội lực kiểm tra phận kết cấu) Ta ứng dụng SolidWorks sở phương pháp tính truyền thống: lấy kết bước để mô kết cấu dầm khung chân cổng; lấy kết bước để thực bước 4; bỏ qua bước Trong SolidWorks, Simulation Studies trường hợp phân tích kết cấu; Design Study trường hợp tính tối ưu thiết kế; vẽ có nhiều Simulation Studies Design Study khác Tính kết cấu dầm với vị trí xe nâng dầm, có hai trường hợp phân tích kết cấu: Simulation Studies (tính tổng ứng suất uốn hệ số an tồn), Simulation Studies (tính độ võng dầm chính) So với hệ số an tồn cho phép, độ võng cho phép mục tiêu trọng lượng dầm nhỏ nhất, ta điều chỉnh tiết diện dầm để hệ số an tồn, độ võng gần trọng lượng nhỏ có thể, cách thực Design Study Số 1/2016 Tính kết cấu khung chân cổng với vị trí xe nâng đầu dầm, áp lực dầm lên khung chân cổng khác nên có hai trường hợp phân tích áp lực: Simulation Studies (áp lực dầm phía bên có cấu di động), Simulation Studies (áp lực dầm phía bên có dàn cáp điện); có trường hợp phân tích kết cấu khung chân cổng (Simulation Studies 5) với kết tính áp lực Thực Design Study để tối ưu khung chân cổng với điều kiện kiểm tra (điều kiện an toàn), điều kiện mục tiêu (trọng lượng nhỏ nhất) 2.1 Phương pháp truyền thống: 2.1.1 Vật liệu chế tạo: Người ta thường chọn thép CT3 làm vật liệu chế tạo cổng trục (tr.6) [1] CT3 loại thép cacbon thấp theo tiêu chuẩn Nga GOCT 380-71 (tr.40).[5] (tr.6).[3] 2.1.2 Mơ hình tính phần tử: Giả sử cổng trục dầm đôi dạng hộp với chế độ làm việc bình thường, có thơng số ban đầu sau: tải trọng nâng định mức Q = 25tấn, chiều cao nâng H = 9m, độ L = 20m, trọng lượng xe nâng Gx = 5tấn, khoảng cách trục bánh xe xe nâng Lx = 1,6m, khoảng cách vết bánh xe xe nâng Bx = 2,6m, khoảng cách từ trục bánh xe nâng đến đầu mút độ l1 = 1m Trong trường hợp kết cấu cổng trục dầm chính, gối tựa dầm biên có tiết diện khơng đổi Chân cổng có tiết diện thay đổi Loại phần tử phận cổng trục phần tử dạng Khi tính nội lực người ta thường sử dụng phương pháp tách kết cấu cổng trục phận: dầm chính, gối tựa, chân cổng, dầm biên hình 1b, 1c, 1d, 3d Hình Cổng trục dầm đơi dạng hộp a) mơ hình cổng trục, b) mơ hình kết cấu, c) tách dầm chính, d) tách chân cổng 138 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2016 2.1.3 Tính nội lực: Hình Tiết diện phần tử kết cấu cổng trục a) tiết diện dầm chính, b) tiết diện dầm biên, c) tiết diện đầu chân cổng, d) tiết diện gối tựa Bước 1: Dựa vào thông số ban đầu, ta sử dụng công thức (tr.209-213).[2] để tính kích thước tiết diện dầm chính, dầm biên, chân cổng, gối tựa hình 1a Bước 2: Xác định đặc trưng tiết diện bảng 1: Bảng Các đặc trưng tiết diện phận cổng trục Bộ phận cổng trục F (mm2) Trọng lượng (kG) Dầm 35520 5577 Dầm biên 31520 1361 16,7.106 4448,4.106 Chân cổng 29600 1616 14,8.106 Gối tựa 17600 290,1 S (mm3) Jx (mm4) Wx (mm3) Jy (mm4) Wy (mm3) 1494,4.106 5,98.106 2,82.106 241,14.106 1,61.106 4019.106 8,04.106 1245,3.106 4,98.106 5,28.106 847,39.106 8,4.106 1282,8.106 5,13.106 22,44.106 6906,7.106 10,932.106 Bước 3: Xác định tải trọng Với chế tốc độ hãm phanh đột ngột (tổ hợp tải độ làm việc bình thường, theo bảng tổ hợp trọng IIA); tiến hành di chuyển cổng trục hết tải trọng (bảng 3.1).[5], ta chọn tổ hợp tốc độ phanh cổng trục đột ngột (tổ hợp phối hợp tải trọng để tính nội lực kết cấu thép tải trọng IIB) ta sử dụng công thức cổng trục IIA IIB Khi xe nâng có mang (tr.209-213).[2] để xác định tải trọng hàng đứng dầm, tiến hành hạ hàng hết bảng dưới: Bảng Các tải trọng tính tốn Tên tải trọng Kí hiệu Giá trị Đơn vị Tải trọng nâng định mức Q 25 Trọng lượng xe nâng Gx Trọng lượng cấu di động G2 3,4 Ghi tải trọng tĩnh Áp lực bánh xe vị trí D 94799 N Áp lực bánh xe vị trí C 61784 N Áp lực bánh xe vị trí D 111306 N Áp lực bánh xe vị trí C 71688 N áp lực bánh xe có tính hệ số điểu chỉnh kT = 1,2 tải trọng tác động lên xe nâng vật nâng Tải trọng gió qg 125 N/m Tải trọng gió Pg 750 N Lực quán tính 13543 N Lực quán tính 7829 N Lực quán tính 250 N/m tải trọng tác động trực tiếp lên kết cấu cổng trục phía bên dầm có cấu di động tải trọng tác động lên kết cấu cổng trục khối lượng xe nâng có mang hàng hãm xe nâng đột ngột khối lượng xe nâng có mang hàng tiến hành hãm cổng trục đột ngột khối lượng dầm hãm cổng trục đột ngột TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 139 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2016 Bước 4: Kết tính nội lực phận cổng trục Ứng suất uốn tổng dầm tiết diện xét (hình 3.b) tác dụng tải trọng trường hợp phối hợp tải trọng thứ hai: σu = σ1u + σ2u + σ3u = 109,7 < [σ]2 = 180N/mm2 (bảng 5.2).[2] Trong đó: σ1u gây P’D, P’C, Pg tải trọng thân dầm chính; a) Sơ đồ tính áp lực bánh xe σ2u gây , ; σ1u gây Độ võng dầm tác dụng P”D, P”C: f = 12,2 < [f] = L/700 = 28,6mm Ứng suất uốn tổng chân cổng (hình 3.d): σu = σ1u + σ2u = 10,7N/mm2 Trong đó: σ1u gây lực cắt lớn trọng lượng thân gối gựa; σ2u gây tải trọng gió qg b) Sơ đồ tính nội lực dầm c) Sơ đồ tính áp lực lên gối tựa d) Sơ đồ tính nội lực chân cổng e) Sơ đồ tính nội lực dầm biên Hình Các sơ đồ tính nội lực cổng trục Ứng suất uốn tổng dầm biên (hình 3.e): σut = σu + σuph = 20,2N/mm2 ≤ [σ]2 = 180N/mm2 Trong đó: σu gây lực cắt lớn dầm trọng lượng gối gựa, chân cổng; σuph gây mơmen qn tính bánh xe dẫn 2.2 Phương pháp tính SolidWorks: 2.2.1 Vật liệu chế tạo: Căn vào đặc trưng tính (như bảng 1) cho thấy vật liệu ASTM A36 Steel (thuộc tiêu chuẩn Mỹ, (tr.6).[3] [10]) thư viện SolidWorks tương đương với vật liệu CT3 Nga Vậy chọn ASTM A36 Steel làm vật liệu thay cho CT3 để tính phần mềm Solidworks Bảng So sánh đặc trưng tính A36 với CT3 Tên đặc trưng tính Mơđun đàn hồi (khi kéo) Môđun đàn hồi trượt Hệ số Poisson Khối lượng riêng Giới hạn chảy cực tiểu Giới hạn bền kéo CT3 A36 Đơn vị 2,1.1011 8,1.1011 0,28 7,83 240 ÷ 280 380 ÷ 420 2.1011 7,93.1011 0,26 7,85 250 400 N/mm2 N/mm2 T/m3 N/mm2 N/mm2 2.2.2 Mơ hình hình học mơ hình phần tử: Mơ hình học Tương tự phương pháp tính truyền thống a) Điều kiện biên 140 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG b) Simulation Studies c) Simulation Studies Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản d) Simulation Studies Số 1/2016 e) Simulation Studies f) Điều kiện biên g) Simulation Studies Hình Điều kiện biên đặt tải trọng Mơ hình phần tử phần mềm SolidWorks, ta cần tách kết cấu làm hai phần sau: dầm khung chân cổng (bao gồm phận: gối tựa, chân cổng, dầm biên), hình 4a, 4f Loại phần tử dầm khung chân cổng dạng khối (Solid, theo định nghĩa SolidWorks, thuộc nhóm phần tử hai chiều), số lượng phần tử theo điều chỉnh chế độ mật độ lưới chia lệnh Mesh 2.2.3 Điều kiện biên: Với độ L ≤ 20m, ta chọn liên kết đầu dầm liên kết cứng khung chân cổng, sau tách dầm ta đặt điều kiện biên hình 4a: đầu A gối cố định, đầu B gối trượt Và vị trí tiếp xúc cổng trục với đường ray, ta xem gối cố định, ta đặt điều kiện biên hình 4f 2.2.4 Đặt tải trọng: Đặt tải trọng cho trường hợp phân tích nội lực hình Trong Gravity tải trọng tải thân kết cấu; , , , , Pg , , trọng tập trung;qg, , Nx1, Ny1, Nz1, Nx2, Ny2, Nz2, G2 tải trọng phân bố 2.2.5 Tính nội lực: * Phân tích kết tính dầm chính: Tổng ứng suất uốn: σ = 84,2 ≤ [σ]2 = 180N/mm2 Hệ số an toàn: n = [σ]ch/σ = 250/84,2 = 2,97 > [n] = 1, (bảng 5.1).[2] Độ võng: f = 12,2 ≤ [f] = 28,6mm Áp lực lên khung chân cổng phía bên có cấu di động: Ny1 = 83600N, Nz1 = 16570N, Nx1 = 8916N Áp lực lên khung chân cổng phía bên có dàn cáp điện: Ny2 = 63740N, Nz2 = 13130N, Nx2 = 6780N * Phân tích kết tính khung chân cổng: Ứng suất uốn chân cổng: σ = [σ]ch/n = 250/1,51 = 165,6 ≤ [σ]2 = 180N/mm2; Ứng suất uốn gối tựa: σ = [σ]ch/n = 250/1,54 = 162,3 ≤ [σ]2 = 180N/mm2; Ứng suất uốn dầm biên: σ = [σ]ch/n = 250/3 = 53 ≤ [σ]2 = 180N/mm2 a) Kết Simulation Studies b) Kết Simulation Studies c) Kết Simulation Studies c) Hệ số an toàn chân cổng, gối tựa dầm biên Hình Kết tính nội lực SolidWorks TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 141 Tạp chí Khoa học - Cơng nghệ Thủy sản Số 1/2016 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết nghiên cứu: Một số điểm khác biệt hai phương pháp tính bảng so sánh sau Bảng Một số điểm khác biệt hai phương pháp tính Một số khác biệt Phương pháp truyền thống Sử dụng phần mềm SolidWorks Vật liệu chế tạo CT3 ASTM A36 Mơ hình phần tử sử dụng phương pháp tách dầm Tách kết cấu cổng trục làm loại phần tử Tách kết cấu cổng trục làm loại phần tử Chiều dài dầm (hình 1a) Bằng chiều dài độ L = 20m Lớn chiều dài độ L = 20,6m Trọng lượng thân phần tử Sử dụng tải trọng phân bố q thay cho tải trọng thân dầm Gravity lệnh đặt tải trọng thân cho kết cấu phần tử Kết phân tích nội hai phương pháp tính bảng so sánh sau Bảng Bảng so sánh kết tính tốn khung chân cổng phương pháp Các thông số kỹ thuật khung chân cổng Ký hiệu Phương pháp truyền thống SolidWorks Đơn vị Chiều cao dầm h 1200 950 mm Chiều dày biên δ1 16 10 mm Chiều dày biên δ2 10 mm Chiều dày thành đứng δ3 10 mm Tổng ứng suất n 109,7 153,8 N/mm2 Độ võng dầm f 18 28,5 mm Trọng lượng dầm Gd 5577 4199 kg Chiều cao chân cổng hch 1000 1000 mm Chiều dày vách chân cổng δch 10 10 mm Tổng ứng suất chân cổng σch 10,7 165,6 N/mm2 Chiều cao gối tựa hgt 600 620 mm Chiều dày vách gối tựa δgt 10 10 mm Tổng ứng suất gối tựa σgt 26,1 162,3 N/mm2 Chiều cao dầm biên hdb 1000 500 mm Chiều dày biên dầm biên δdb1 16 mm Chiều dày biên dầm biên δdb2, δdb3 10 mm Tổng ứng suất dầm biên σdb 20,2 83 N/mm2 Trọng lượng khung chân cổng Gcc 4883 3519 kg Qua bảng so sánh cho thấy kết tính SolidWorks so với kết tính phương pháp truyền thống: Kích thước tiết diện số phần tử nhỏ hơn; Trọng lượng dầm trọng lượng khung chân cổng nhỏ Thảo luận Trong phương pháp tính tốn kết cấu cổng trục nay, sơ đồ cổng trục có kết cấu 142 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG khơng gian, để đơn giản việc phân tích nội lực người ta thường sử dụng phương pháp tách dầm Trọng lượng sơ kết cấu kim loại cổng trục lấy theo trọng lượng cổng trục tương tự có thực tế, sau tính tốn kiểm nghiệm lại kết Tải trọng không di động trọng lượng thân kết cấu kim loại, cấu di chuyển,