(Tiểu luận) bài tập lớn fem ứng dụng đề tài phân tích bất ổn định kết cấu silo trụ tròn bằng phương pháp phần tử hữu hạn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT -o0o - BÀI TẬP LỚN FEM ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO TRỤ TRÒN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN GVHD: NGUYỄN TƯỜNG LONG SVTH: PHAN VĂN HÙNG NGUYỄN THỊ VÂN ANH NGUYỄN NHẬT MINH THÔNG NGUYỄN HỒI NAM TRƯƠNG CƠNG ĐỊNH -o0o - NĂM HỌC 2022 - 2023 h 1913614 1910022 1915355 1914226 1913119 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Tình hình nghiên cứu silo giới 1.2.1 Nghiên cứu Wong Hong Wu 1.2.2 Nghiên cứu Hongyu Li 1.2.3 Nghiên cứu M Kaminski .6 1.2.4 Nghiên cứu R.T Jenkyn 1.2.5 Nghiên cứu Jesper Knijnenburg .7 1.2.6 Nghiên cứu Richard G Johameck 1.3 Tình hình nghiên cứu silo nước CHƯƠNG 2: Ý TƯỞNG- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ý tưởng: 2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn 10 CHƯƠNG PHÂN TÍCH, SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 13 3.1 Silo trụ tròn 13 3.2 Silo chữ nhật 13 3.3 Silo đáy 14 3.4 Silo đáy chóp .15 3.5 Silo chế tạo bê tông 15 3.6 Silo chế tạo thép 16 3.6.1 Mối ghép bulong 17 3.6.2 Mối ghép hàn Silo 17 3.6.3 Silo thép có chân đế thép .18 3.6.4 Silo thép có chân đế bê tông cốt thép 18 3.6.5 So sánh silo loại .18 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ - DESINING IN ENGIEERING MECHANICS 20 4.1 Vật liệu phương pháp thiết kế 20 4.1.1 Vật liệu chế tạo silo 20 h 4.1.2 Phương pháp nghiên cứu 20 4.2 Tính tốn thiết kế Silo 21 4.2.1 Thiết kế sơ Silo 21 4.2.2 Tính toán áp lực 23 4.2.3 Tính tốn thơng gió silo 30 4.3 Kết 32 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH TÍNH TỐN 35 5.1 Mơ hình tốn 35 5.1.1 Mơ hình hình học 35 5.1.2 Các thông số vật liệu .36 5.1.3 Mơ hình phần tử hữu hạn 37 5.2 Giải toán tĩnh 40 5.2.1 Tải tác động lên mơ hình 40 5.2.2 Giải toán tĩnh 45 5.3 Giải toán bất ổn định .47 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 h CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu Silo thiết bị bảo quản kín thường sử dụng để dự trữ lương thực quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn Silo đóng vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp, dùng để lưu trữ nhiều loại vật liệu khác lĩnh vực sản xuất nông nghiệp lúa, gạo, loại hạt khác Trong lĩnh vực cơng nghiệp, silo cịn sử dụng để tồn trữ xi măng, than số loại nguyên vật liệu khác Silo phát triển từ kỷ 19, từ đến có nhiều nghiên cứu khả ứng dụng đặc tính, kết cấu silo Tuy nhiên, thực tế trình hoạt động silo, có nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu hình dạng silo bị biến dạng, khả thơng thống khơng tốt dẫn đến đóng thành - nghẹt silo 1.2 Tình hình nghiên cứu silo giới 1.2.1 Nghiên cứu Wong Hong Wu Năm 1990, Wong Hong Wu (trường đại học Wollongong) nghiên cứu - phân tích tĩnh động dịng chảy loại vật liệu silo, mơ hình hóa q trình nhập tháo liệu khỏi silo [22] Nghiên cứu nhấn mạnh phát triển phương pháp số nhằm dự đoán ứng suất bên silo vật liệu chứa tạo tác động điều kiện môi trường Kết nghiên cứu đưa phương pháp dự đoán ứng suất vật liệu chứa vật liệu chế tạo silo sinh ra, phân bố ứng suất thành silo h 1.2.2 Nghiên cứu Hongyu Li Năm 1994, Hongyu Li (Department of Civil Engineering & Building Science The University of Edinburgh Edinburgh, Scotland, UK) Phân tích cấu trúc silo thép phương pháp rời rạc [6] Kết nghiên cứu giúp nâng cao hiểu biết biến dạng đổ sụp silo trình tồn trữ nhằm hỗ trợ tốt cho việc thiết kế xây dựng silo Hình mơ tả cấu trúc silo Hongyu Li 1.2.3 Nghiên cứu M Kaminski Năm 2001, Kaminski cộng (Institute of Building Engineering Wroclaw University of Technology, Poland) nghiên cứu phân tích phi tuyến tính silo bê tơng Kết nghiên cứu phân tích ứng suất tác dụng theo phương tiếp tuyển pháp tuyển lên h thành đáy silo phương pháp rời rạc Hình mô tả cấu trúc silo phương pháp rời rạc 1.2.4 Nghiên cứu R.T Jenkyn Năm 1987, R.T Jenkyn nghiên cứu – phân tích lỗi trình thiết kế sử dụng silo [18] Kết nghiên cứu phân tích số lỗi như: người thiết kế khơng thiết lập đặc tính dòng chảy vật liệu, ứng suất tác động lên silo vật liệu chứa điều kiện môi trường sinh ra, khơng hiểu rõ đặc tính ngun vật liệu chứa; chúng có ảnh hưởng lớn đến việc thiết kế sử dụng silo Hình mơ tả ngun nhân lệch tâm silo phân bố ứng suất không đồng h 1.2.5 N g hi ê n cứu Jesper Knijnenburg Năm 2008, Trong đề tài thạc sĩ Jesper Knijnenburg nghiên cứu ảnh hưởng rung động đến dòng chảy hạt [9] Kết nghiên cứu đưa phân tích mơ ảnh hưởng rung động đến dịng chảy vật liệu chứa đá vơi CaCO, Hình mơ tả dịng chảy liệu theo mơ hình khối lượng mơ hình dạng phễu 1.2.6 Nghiên cứu Richard G Johameck h Năm 1986, Richard G Johanneck nghiên cứu dạng họng xả liệu silo, nhằm thảo liệu nhanh chóng khơng bị nghẹt Nghiên cứu nhận sang chế Mỹ (US 55355) năm 1987 1.3 Tình hình nghiên cứu silo nước Năm 2004, nhóm nghiên cứu Trưởng ĐH Bách khoa TPHCM chế tạo thành công hệ thống silo bảo quản loại hạt nông sản xuất quy mô 250 (29) Đây hệ thống silo sản xuất hoàn toàn nước Hệ thống silo lắp đặt hoạt động ổn định để bảo quản lúa gạo chợ trung tâm nông sản Hựu Thạnh Đơng - Long An Sau đó, năm 2010 nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG HCM gồm Nguyễn Tường Long cộng xây dựng chương trình tính tốn Silo APDL VISUAL BASIC |15] Kết nghiên cứu giúp quy trình thiết kế silo chứa lúa, gạo hiệu Nhóm tác giả kết hợp khả tính toán kết cấu phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS thông qua ngôn ngữ APDL, khả thiết kế giao diện VISUAL BASIC để xây dựng chương trình tỉnh tốn, kiểm tra nhằm hướng đến việc tối ưu thiết kế silo h CHƯƠNG 2: Ý TƯỞNG- CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ý tưởng: Silo dạng thiết bị bảo quản kín thường sử dụng để dự trữ lương thực quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn Với vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp chế biến, silo dùng để lưu trữ nhiều loại vật liệu khác từ sản phẩm nông nghiệp lúa, gạo, loại hạt đến sản phẩm công nghiệp xi măng, than số loại nguyên vật liệu khác Silo phát triển từ kỷ 19, có nhiều nghiên cứu khả ứng dụng đặc tính, kết cấu silo Thực tế cho thấy q trình sử dụng silo, có nhiều vấn đề cần quan tâm nghiên cứu độ biến dạng silo, khả thơng thống gió silo, kết cấu thành silo, khả đóng vón sản phẩm bảo quản, vấn đề liên quan khác Wong Hong Wu nghiên cứu, phân tích tĩnh động học dòng chảy loại vật liệu silo, mơ hình hóa q trình nhập tháo liệu khỏi silo, đưa phương pháp số nhằm dự đoán ứng suất bên silo vật liệu chứa tạo tác động điều kiện mơi trường (Wong Hong Wu, 1990) Việc phân tích cấu trúc silo thép phương pháp phần tử hữu hạn nghiên cứu nhằm nâng cao hiểu biết biến dạng đổ sụp silo q trình tồn trữ, từ có biện pháp hỗ trợ tốt cho việc thiết kế xây dựng silo (Hongyu Li, 1994) Tác giả kết luận silo đầy đủ gồm có vỏ hình trụ ống tháo liệu vịm che phía ống vỏ hình trụ Mơ hình ảnh hưởng rung động đến dòng chảy đá vôi CaCO3 hệ thống silo chứa nghiên cứu (Jesper K 2008) Hiện nay, silo có suất chứa lớn sử dụng công ty, xí nghiệp nước đa phần nhập từ nước Một số nghiên cứu silo bảo quản thực nhà nghiên cứu chuyên gia nước Nhóm nghiên cứu Trường ĐHBK TPHCM chế tạo thành công hệ thống silo bảo quản loại hạt nông sản xuất quy mô 250 vào năm 2003 (Bùi Song Cầu, 2003), hệ thống h silo sản xuất nước, lắp đặt chợ trung tâm nông sản Long An; nhiên silo dùng chứa lúa - gạo, khơng có hệ thống thơng gió bên Việc xây dựng chương trình tính tốn silo dùng ngôn ngữ APDL (ANSYS Parametric Design Language) Visual Basis thực năm 2010 (Nguyễn Tường Long, 2010), đề tài xây dựng chương trình tính tốn, kiểm tra bền, hướng tới việc tối ưu thiết kế silo Cám gạo chiếm khoảng 8% trọng lượng hạt lúa, chứa hầu hết lượng dầu phần lớn lượng chất đạm, chất khoáng, vitamin, chất xơ tiêu hóa hạt thóc Hàm lượng dầu cám gạo ước tính khoảng 18% Tuy nhiên, cơng nghệ xay xát, có khoảng 3% cám gạo sử dụng để trích ly dầu, tương đương 3,5 triệu dầu thô (www.wilmar-agro.com.vn) Theo tổng cục thống kê, hàng năm Việt Nam có sản lượng khoảng 47 triệu lúa, 28 triệu gạo triệu cám (www.gso.gov.vn); đó, có khoảng 500 ngàn cám đạt phẩm chất sử dụng công nghiệp sản xuất dầu ăn Đa số doanh nghiệp sản xuất lúa – gạo, dầu cám tồn trữ cám bao chứa 50 kg chất thành kho Vì thế, cám dễ bị ẩm mốc, côn trùng phá hoại, giảm chất lượng tổn thất khơng thơng thống bảo quản tốt Một số nhà máy sản xuất dầu cám sử dụng silo tồn trữ ngoại nhập, chi phí đầu tư cao, yếu điểm kỹ thuật khơng có hệ thống thơng gió, gây việc vón cục, bám dính vào thành silo Cơng ty TNHH Wilmar Agro Việt Nam, Chi nhánh Thốt Nốt Cần Thơ, đầu tư silo thiết kế chế tạo công ty REKANA – Malaysia, suất chứa từ khoảng 400 đến 450 tấn, giá thành chế tạo lắp đặt khoảng 2,6 tỷ đồng (năm 2011) Theo kết vấn từ cán kỹ thuật công ty, nhược điểm silo nhiệt độ silo cao, silo bị nghẹt tượng vón cục cám, đọng ẩm thành silo Với mục tiêu thiết kế silo để chế tạo silo nội địa giá thành hạ, có hệ thống thơng gió bên trong, khắc phục nhược điểm tại; nghiên cứu nhằm tính tốn thiết kế cải tiến silo tồn trữ suất 500 tấn, dùng bảo quản cám nhà máy sản xuất dầu cám ĐBSCL 10 h 5.1.3 Mơ hình phần tử hữu hạn 5.1.3.1 Mơ hình silo Hình Mơ hình tổng thể silo 37 h 5.1.3.2 Chia lưới phần tử Hình Chia lưới phần tử 38 h Bảng 5.4 Thơng số lưới mơ hình 5.1 Thành phần Kết Nodes 5081 Elements 1700 Skewnees (max) 0.5765 5.1.3.3 Điều kiện biên Ngàm chân đế mặt phẳng tiếp xúc thân trụ đáy silo Hình Mơ hình điều kiện biên 39 h 5.2 Giải tốn tĩnh 5.2.1 Tải tác động lên mơ hình Bài tốn xét đến tải trọng thân, áp lực vật liệu chứa (Cám) tác động lên thành silo từ bên tải gió tác động bên ngồi silo Hình Đặt trọng lực cho toàn kết cấu silo 40 h Hình Áp lực theo phương pháp tuyến thân trụ silo Hình Áp lực theo phương pháp tuyến đáy silo 41 h Đối với áp lực theo phương tiếp tuyến, theo công thức tiêu chuẩn EuroCode hàm bậc Tuy nhiên ANSYS WORKBENCH không cho phép đặt tải theo hàm Vì với giá trị áp lực tính tốn chia đoạn đặt tải trung bình đoạn mặt chia Xem áp lực mặt chia tuyến tính để giải tốn gần Hình Áp lực theo phương tiếp tuyến thân silo 42 h Hình Áp lực theo phương tiếp tuyến đáy silo Hình 5.10 Áp lực gió tác dụng lên thân silo 43 h Hình 10 Áp lực gió tác dụng lên đáy silo 44 h 5.2.2 Giải tốn tĩnh Hình 11 Kết ứng suất lớn Hình 12 Kết ứng suất theo Von - Mises 45 h Hình 13 Kết chuyển vị tổng 46 h 5.3 Giải tốn bất ổn định Hình 5.15 Kết chuyển vị bất ổn định theo trị riêng Hình 5.16 Kết chuyển vị bất ổn định theo trị riêng 47 h Hình 14 Kết chuyển vị bất ổn định theo trị riêng Hình 5.18 Kết chuyển vị bất ổn định theo trị riêng 48 h Hình 5.19 Kết chuyển vị bất ổn định theo trị riêng 49 h CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN Việc tính tốn, thiết kế silo thực dựa tiêu chuẩn eurocode, q trình thơng gió tính tốn theo cơng thức dựa tiêu chuẩn eurocode, phù hợp với điều kiện tiêu chuẩn Silo thiết kế với mục đích sử dụng để chưa cám hạt Nghiên cứu thiết kế giúp cho trình chế tạo thiết bị silo nước thực dễ dàng, góp phần cho việc phát triển, sử dụng thiết bị công nghệ nước, giảm chi phí đầu tư so với thiết bị ngoại nhập Với hệ thống thơng gió thiết kế, silo thiết kế giảm thiểu nguyên nhân dẫn đến hư hỏng sản phẩm, đảm bảo chất lượng, tăng hiệu trình bảo quản cám hạt 50 h TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chu Quốc Thắng Phương pháp phần tử hữu hạn NXB khoa học kỹ thuật – 1997 [2] Nguyễn Tường Long, Trần Thái Dương, Cao Nhân Tiến, Nguyễn Công Đạt, Nguyễn Thái Hiền Xây dựng chương trình tính tốn silo dùng Apdl Visual Basic Tạp chí phát triển Khoa học Cơng nghệ, tập 13, số K5 – 2010 [3] Nguyễn Văn Cương Nguyễn Hồi Tân Tính tốn thiết kế silo tồn trữ cám viên suất 500 Tạp chí khoa học trường Đại học Cần Thơ, số 30, 2014 [4] Nguyễn Thị Hiền Lương, Nguyễn Hải, Huỳnh Quốc Hùng Nghiên cứu ổn định động mỏng phương pháp độ cứng động lực Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ X, Thái Nguyên, 2010 [5] Yu Xie Structural Behaviour Of Grain Bin Steel Silo Master thesis, 2015, Windsor university [6] Michael Bak Nonlinear Buckling Analysis Using Workbench v15 Course of ANSYS, 2014 [7] Reddy J N., Khdeir A A., Buckling and vibration of laminated plates using various plate theories AIAA Journal, 27, (1989), 1808-1817 51 h