Xây dựng mô hình phần tử bậc cao ứng dụng phân tích ứng suât tập trung trong kết cấu cầu,luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình giao thông

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN BẬC CAO ỨNG DỤNG PHÂN TÍCH VÙNG ỨNG SUẤT TẬP TRUNG TRONG KẾT CẤU CẦU Luận văn thạc sỹ kỹ thuật MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích nội dung nghiên cứu 1.3 Phương pháp nghiên cứu Chương 2: Tổng quan phương pháp tính tốn vùng ứng suất tập trung 2.1 Khái quát vùng ứng suất tập trung 2.2 Tổng quan phương pháp tính phổ biến 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích ứng suất cục 10 2.3.1 Quá trình mơ hình hóa kết cấu cục 10 2.3.2 Một số loại phần tử hữu hạn hay sử dụng để mơ hình hóa kết cấu cục 10 Chương 3: Phát triển mơ hình phần tử hữu hạn thích hợp cho việc mơ hình hóa tính toán vùng ứng suất tập trung 13 3.1 Hệ toạ độ tự nhiên 13 3.1.1 Khái niệm chung 13 3.1.2 Toạ độ tự nhiên phần tử chiều tuyến tính 13 3.1.3 Toạ độ tự nhiên phần tử tam giác 14 3.1.4 Toạ độ tự nhiên phần tử tứ giác 17 3.1.5 Toạ độ tự nhiên phần tử ba chiều 19 3.2 Phần tử cạnh cong, phần tử đẳng tham số 21 3.3 Phần tử hữu hạn tuyến tính phần tử hữu hạn bậc cao 21 3.3.1 Phần tử chiều bậc cao 22 3.3.2 Bài toán ứng suất phẳng biến dạng phẳng 25 3.3.3 Phần tử hữu hạn ba chiều tốn khơng gian 34 3.4 Tích phân số 48 3.5 Phương pháp phát sinh lưới phần tử hữu hạn 50 3.5.1 Khái niệm lưới phần tử hữu hạn 50 3.5.2 Một số thuật toán phát sinh lưới phần tử hữu hạn 52 3.6 Xây dựng thuật tốn phần tử hữu hạn tính toán cho vùng tập trung ứng suất 54 3.7 Phân tích độ xác tính tốn mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng 55 3.7.1 Các ví dụ tính tốn thử nghiệm 55 3.6.2 Nhận xét 59 3.6.3 Khuyến nghị 59 3.8 So sánh thư viện phần tử hữu hạn chương trình FEModeller phần mềm phân tích phần tử hữu hạn khác 59 Chương 4: Xây dựng chương trình phân tích phần tử hữu hạn 61 4.1 Tổ chức chương trình 61 4.2 Các mô đun chương trình giai đoạn tiền xử lý 61 4.3 Các mô đun chương trình giai đoạn xử lý 64 4.4 Các mô đun chương trình giai đoạn hậu xử lý 66 4.5 Một số nhận xét 67 Chương 5: Ứng dụng mơ hình phần tử hữu hạn phân tích kết cấu 68 5.1 Phân tích ứng suất-biến dạng dầm hộp khu vực đặt gối 68 5.2 Phân tích ứng suất-biến dạng kết cấu trụ thân cột 73 Chương 6: Kết luận hướng phát triển 76 Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 6.1 Kết luận 76 6.1.1 Kết luận mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng 76 6.1.2 Kết chương trình tính xây dựng 76 6.1.3 Kết việc ứng dụng mơ hình phần tử hữu hạn phân tích ứng suất cục kết cấu cầu 77 6.2 Hướng phát triển 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 PHỤ LỤC 79 Thư viện phần tử hữu hạn 79 Các khả chương trình 80 2.1 Phương pháp nhập số liệu điều khiển chương trình 80 2.2 Các tính mơ hình hóa kết cấu 80 2.3 Các tính phân tích 81 2.4 Các tính xử lý kết 82 Hệ thống menu lựa chọn chương trình 82 3.1 Hệ thống menu 82 3.2 Menu File 82 3.3 Menu Quan sát 82 3.4 Menu Hình học 83 3.5 Menu FEA 83 3.6 Menu dạng 84 3.6 Dòng lệnh 85 Một số ứng dụng chương trình 86 3.1 Mơ hình hóa tính tốn kết cấu cầu 86 3.2 Mô hình hóa tính tốn kết cấu cầu dầm chữ I, T bê tông cốt thép 87 3.3 Mơ hình hóa tính tốn kết cấu vỏ hầm 88 Địa download chương trình 89 Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật LỜI CÁM ƠN Phân tích ứng suất tập trung kết cấu cơng trình xây dựng khơng phải vấn đề ngày trợ giúp máy tính điện tử có nhiều nghiên cứu việc phát triển phương pháp tính toán số lĩnh vực học Phương pháp phần tử hữu hạn ngày chứng minh sức mạnh to lớn khả mơ hình hóa phân tích số đặc biệt kết cấu cơng trình Luận văn đóng góp phần phát triển đó, tập trung vào việc phát triển mơ hình phần tử hữu hạn bậc cao thích hợp cho phân tích ứng suất tập trung kết cấu cầu Luận văn kết học tập, nghiên cứu thân em khơng thể hồn thành thiếu hướng dẫn, bảo giúp đỡ tận tình thầy khoa cơng trình Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo, PGS.TS Lê Đắc Chỉnh, người có nhiều ảnh hưởng giúp đỡ tận tình trình học tập thầy giáo hướng dẫn khoa học cho em khóa luận Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến TS Nguyễn Duy Tiến, người động viên, quan tâm đến đường khoa học em Trong thời gian học tập nghiên cứu trường Đại học Giao thông vận tải, thầy cô giáo mơn Cầu hầm ln dìu dắt, bảo tận tình cho em Em xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành đến thầy giáo, PGS.TS Trần Đức Nhiệm, thầy giáo, GS.TS Nguyễn Viết Trung, người định hướng cho em có dẫn q báu cho luận văn Em đồng thời xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo GS.TS Vũ Đình Lai, PGS.TS Nguyễn Xuân Lựu, ThS Vũ Văn Thành, người dẫn dắt em tiếp cận đến lĩnh vực học vật rắn biến dạng đặc biệt phương pháp phân tích số học mà phương pháp phần tử hữu hạn điển hình số Em xin gửi lời cám ơn chân thành đến TS Ngô Đăng Quang, người thầy, người anh hết lòng giúp đỡ bảo cho em trình nghiên cứu viết luận văn luận văn Xin chân thành cám ơn anh chị mơn Tự động hóa thiết kế cầu đường giúp đỡ, động viên q trình học tập, cơng tác suốt q trình hồn thành luận văn Vì lực thời gian có hạn, luận văn khó tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận bảo, góp ý thầy cô đồng nghiệp Xin lần bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy cô giáo, bạn đồng nghiệp xin gửi tặng thầy, bạn luận văn với kính trọng cảm ơn chân thành nhất! Hà nội, ngày 01 tháng 11 năm 2005 Trần Ngọc Linh Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chương 1: Giới thiệu 1.1 Đặt vấn đề Trong phân tích tính tốn kết cấu cơng trình nói chung kết cấu cầu nói riêng, việc xác định ứng xử phận kết cấu chịu lực phức tạp thách thức kỹ sư kết cấu Với cơng trình cầu mố neo, đầu dầm, yên tháp, yên loe, neo cáp,… Kết cấu cầu có đặc điểm bật tải trọng tác dụng lớn, tính chất chịu lực phức tạp Hình 1.1 mơ tả số phận kết cấu cầu thường cần phân tích cục bộ, vị trí đánh dấu cách khoanh trịn Neo cáp văng Gối, đầu dầm Chân trụ, bệ móng Yên tháp Chân tháp Dầm ngang Hình 1.1: Các vị trí ứng suất tập trung Các phương pháp số tỏ có nhiều ưu việt việc tính tốn cho vùng tập trung ứng suất phương pháp giải tích Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) phương pháp số mạnh giải toán Nhiều phần mềm phân tích phần tử hữu hạn học phát triển giới Một số chúng là: ANSYS, ABAQUS, LUSAS, PLAXIS, SAP2000, STAADPro, MIDAS,… Mỗi phần mềm có khả định việc mơ hình hóa phân tích ứng suất tập trung Những thư viện phần tử hữu hạn mơ hình hóa trạng thái ứng suất phức tạp phần mềm khác Đa số phần mềm ứng dụng phân tích kết cấu cơng trình ưa sử dụng phần tử hữu hạn tuyến tính Một số phần mềm ANSYS, ABAQUS, LUSAS, sử dụng phần tử bậc cao thường phần tử có mức độ Hình 1.2: Trần Ngọc Linh Mơ hình PTHH kết phân tích ứng suất phần mềm MIDAS/Civil Luận văn thạc sỹ kỹ thuật phức tạp vừa phải Ở Việt Nam, hai công ty tin học xây dựng lớn Hài Hòa CIC phát triển ứng dụng phân tích kết cấu dừng lại phạm vi hệ không gian đương nhiên khơng thể tính tốn vùng ứng suất tập trung Các cơng trình cầu nước ta ngày có qui mơ độ phức tạp kết cấu cao Các cầu treo dây văng, cầu treo dây võng, cầu extrados, cầu vòm, cầu đúc hẫng, cầu vượt thành phố xây dựng với độ vượt nhịp ngày lớn u cầu phân tích tính tốn thiết kế ngày đòi hỏi cao Phân tích kết cấu chịu lực cục phần quan trọng nội dung phân tích kết cấu cơng trình Việc nghiên cứu phát triển mơ hình tính tốn thích hợp cho lớp tốn đóng góp tích cực vào việc giải trọn vẹn vấn đề tính tốn thiết kế cơng trình xây dựng – yêu cầu mà thực tế sản xuất địi hỏi 1.2 Mục đích nội dung nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng số mơ hình phần tử hữu hạn tuyến tính bậc cao ứng dụng tính tốn vùng kết cấu tập trung ứng suất Một số kết cấu cơng trình đốt K0 cầu dầm hộp đúc hẫng, xà mũ trụ thân cột, phân tích chi tiết luận văn Những kiến nghị mơ hình tính số khuyến cáo tính tốn thiết kế kết cấu đưa Nội dung nghiên cứu:  Tìm hiểu xây dựng số mơ hình tính toán phần tử hữu hạn, đặc biệt phần tử hữu hạn bậc cao cho vùng tập trung ứng suất kết cấu  Xây dựng chương trình tính tốn minh họa cho lý thuyết  Áp dụng chương trình tính tốn lập số phần mềm chun dụng để phân tích, kiểm nghiệm đánh giá lý thuyết  Phân tích số cấu kiện cụ thể đưa nhận xét kiến nghị tính tốn thiết kế 1.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp sử dụng lý thuyết kết hợp với mơ số máy tính Việc so sánh đánh giá kết mơ hình lập so với số phần mềm phân tích kết cấu có uy tín ANSYS, LUSAS, SAP2000, MIDAS/Civil thực Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chương 2: Tổng quan phương pháp tính tốn vùng ứng suất tập trung 2.1 Khái quát vùng ứng suất tập trung Ứng suất tập trung, hay ứng suất cục bộ, xuất nơi kết cấu có đặt lực tập trung, thay đổi đột ngột hình dạng kích thước, nơi có liên kết, nơi vật liệu khơng liên tục tính chất học (vùng tiếp giáp hai loại vật liệu kết cấu BTCT chỗ tiếp giáp bê tông cốt thép, chỗ neo cáp dự ứng lực) v.v Tại nơi này, ứng suất phân bố khơng bình thường nữa, thường có giá trị tăng vọt lên giảm xuống nhanh xa nơi có tập trung ứng suất, ứng suất có giá trị bất thường gọi ứng suất tập trung Vật liệu vị trí có tập trung ứng suất vật liệu dẻo phát triển nhanh chóng ứng suất cục đến giới hạn dẻo làm tập trung ứng suất, vật liệu giịn hay vật liệu có thềm chảy dẻo ngắn bị phá hoại đột ngột Do thực tế khu vực tập trung ứng suất người ta phải có biện pháp cấu tạo đặc biệt Trong kỹ thuật người ta dùng nhiều biện pháp để hạn chế tăng đột ngột phá hoại ứng suất tập trung làm lượn trơn chỗ kích thước thay đổi đột ngột, tăng diện tích tác dụng ngoại lực mặt, gia cường thêm vật liệu nơi ứng suất tập trung làm thêm đai cứng vào chu vi có lỗ khoét, thêm cốt sợi (sợi thép) vào bê tơng chỗ có trạng thái ứng suất khối (chỗ có neo cáp dự ứng lực) v.v Trong phân tích kết cấu, hai nội dung phân tích thường thực phân tích tổng thể phân tích cục Phân tích tổng thể nghiên cứu làm việc chung hệ thống kết cấu quan tâm đến ứng xử tương tác phận kết cấu (các phần tử) với Ngược lại, phân tích cục tập trung nghiên cứu ứng xử vùng cục thường bất lợi kết cấu Để thực phân tích cục bộ, cần thiết trước phải thực phân tích tổng thể nhằm xác định điều kiện biên cho kết cấu cục Ngược lại, kết phân tích cục xem xét để hiệu chỉnh lại mơ hình phân tích tổng thể làm xác làm việc kết cấu Trong phân tích tổng thể, giả thiết tính tốn sử dụng thường đơn giản Loại phần tử hay sử dụng phần tử Chính lý hạn chế việc phản ánh làm việc số phận kết cấu Để khắc phục hạn chế này, phân tích cục thường sử dụng giả thiết nhằm tạo mơ hình tính tốn sát thực với ứng xử thực tế phận kết cấu Nguyên lý Xanh-vơ-năng giả thiết Becluly hay sử dụng để định hướng cho việc lựa chọn mơ hình phân tích tổng thể phân tích cục Về mặt học, hiểu đơn giản phận kết cấu làm việc cục tồn ứng suất cục điều kiện biên xác lập kết cấu khơng liên tục Những điều kiện biên bao gồm: điều kiện hình học, vật liệu, liên kết tải trọng Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Một số ví dụ điều kiện biên không liên tục phổ biến cơng trình cầu:  Các vị trí có thay đổi đột ngột kích thước hình học chỗ giao vách đứng cánh mặt cắt ngang dầm cầu  Tại vị trí gối cầu: nơi điều kiện liên kết thay đổi đột ngôt  Khu vực tiếp xúc cốt thép bê tơng: nơi có thay đổi vật liệu  Các vị trí đặt lực tập trung vị trí đầu neo kết cấu dự ứng lực Mục đích phân tích cục xem xét qui luật ứng xử vùng cục để đánh giá kết thiết kế tìm giải pháp hạn chế khắc phục làm việc bất lợi cấu kiện Kết phân tích ứng suất cục bổ sung cho kết phân tích tổng thể Phạm vi tính tốn phân tích cục thường bao gồm nội dung sau:  Phân tích ứng suất cục  Phân tích ổn định cục  Xác định phạm vi phân bố truyền tải trọng vùng cục  Xác định quan hệ hay ảnh hưởng hiệu ứng làm việc vùng cục cấu kiện liên quan kết cấu tổng thể Trong phân tích thiết kế vùng chịu lực cục bộ, người ta đưa khái niệm vùng D vùng B Vùng D (Discontinue, Disturb) vùng có phân bố ứng suất khơng liên tục phức tạp Nói cách khác, vùng D khu vực có thay đột ngột điều kiện biên Vùng B (Beam, Becnuli) vùng mà ứng suất phân bố theo qui luật tính theo cơng thức Sức bền vật liệu Sự hiểu biết sâu sắc phân bố ứng suất cục giúp cho người kỹ sư thực thiết kế kết cấu chịu lực cục hiệu hơn, chẳng hạn việc nắm rõ qui luật phân bố dòng lực giúp cho việc xây dựng mơ hình chống giằng hay mơ hình dàn ảo (Strut and Tie) hợp lý để tính tốn bố trí cốt thép vùng ứng suất cục 2.2 Tổng quan phương pháp tính phổ biến Có nhiều phương pháp tính tốn vùng ứng suất tập trung, hai nhóm phương pháp là: phương pháp giải tích phương pháp số Nhóm phương pháp giải tích mà điển hình phương pháp giải theo lý thuyết đàn hồi phát triển dựa cơng cụ giải tích tốn học Các biểu thức toán học lập sát với giả thiết học đưa Tuy nhiên khó khăn việc giải, nhóm phương pháp dừng tốn có điều kiện biên đơn giản Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật p b  m 2a k r  p r x l n y 1.07p 1.22p 1.62p 3p p p x o r 3p 1.62p 1.22p 1.41a 2a 3a  r=a  p a p 1.41a 2a 3a +  x 1.07p +y y Hình 2.1 Kết tính tốn ứng suất có kht lỗ phương pháp giải tích Nhóm phương pháp số gồm có: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp ma trận, phương pháp phần tử biên, phương pháp khối lượng hữu hạn,… Trong nhờ thuận lợi thuật giải, phương pháp phần tử hữu hạn phát triển mạnh ngày nay, nói chương 1, có mặt phần lớn chương trình phân tích kết cấu Hình 2.2 Kết phân tích ứng suất có lỗ khoét phương pháp PTHH Trần Ngọc Linh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn phân tích ứng suất cục Ưu điểm lớn phương pháp phần tử hữu hạn phân tích cục tính tốn ứng suất điểm nút vị trí lịng phần tử Có thể hình dung kết cấu cục chia thành phần tử nhỏ gắn kết với thông qua mạng lưới điểm nút khơng gian Nói chung độ xác đạt cao mạng lưới nút dầy Thay sử dụng hàm ứng suất phức tạp lý thuyết đàn hồi, mơ hình phần tử hữu hạn lập sở hàm dạng có độ phức tạp nhỏ nhiều Sự xấp xỉ toán học học giúp cho việc xây dựng thuật toán giải máy tính điện tử có nhiều thuận lợi 2.3.1 Q trình mơ hình hóa kết cấu cục Q trình mơ hình hóa kết cấu cục phục vụ việc phân tích ứng suất tập trung thực sau:  Nghiên cứu kỹ cấu tạo cấu kiện đặc tính vật liệu, mối nối hay liên kết, đặc điểm phân bố tải trọng  Dự đoán trạng thái ứng suất cục (trạng thái ứng suất phẳng, không gian)  Lựa chọn mơ hình phần tử hữu hạn thích hợp để mơ hình hóa phần kết cấu cục  Xác định sơ kích thước vùng cục  Xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu tổng thể có phận kết cấu cục tham gia, lấy kết phân tích nội lực chuyển vị mặt cắt biên cấu kiện phân tích ứng suất cục  Xây dựng mơ hình kết cấu cục  Đưa điều kiện biên vào kết cấu cục  Thực tính tốn hiệu chỉnh lại mơ hình lưới phần tử hữu hạn sở phân tích kết tính tốn 2.3.2 Một số loại phần tử hữu hạn hay sử dụng để mơ hình hóa kết cấu cục 2.3.2.1 Phần tử Thường sử dụng để mô tả phận chuyển tiếp tải trọng hay điều kiện biên vùng cục phần tử cốt thép cáp dự ứng lực bê tơng Phần tử khơng gian có đầy đủ bậc tự (3 chuyển vị đường chuyển vị góc) điểm nút 2.3.2.2 Phần tử phẳng Gồm hai nhóm chính: phần tử ứng suất phẳng phần tử biến dạng phẳng Phần tử ứng suất phẳng thường dùng để mơ hình kết cấu dạng tường, đặc biệt cho phần cánh, sườn kết cấu thép hình, vỏ thép, Phần tử biến dạng phẳng dùng để mơ hình lớp cắt Trần Ngọc Linh 10 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 5.15 Bảng kết ứng suất nút kết cấu Nhận xét:  Tại nơi có liên kết gối xảy tập trung ứng suất lớn (Hình 5.6)  Tại vị trí thay đổi kích thước đột ngột nách sườn phân bố ứng suất tập trung phức tạp có giá trị lớn (Hình 5.6, 5.12, 5.14)  Ở điểm có tải trọng tập trung, xảy ứng suất tập trung rõ rệt (Hình 5.8, 5.9)  Sườn dầm, vách ngăn dầm hộp có ảnh hưởng lớn đến phân bố ứng suất cánh (Hình 5.3, 5.4, 5.5, 5.8, 5.9)  Phạm vi phân bố ứng suất tập trung phụ thuộc nhiều vào thay đổi hình dạng kết cấu vị trí tải trọng, liên kết gây ứng suất tập trung (Hình 5.6, 5.8, 5.9, 5.12, 5.13, 5.14)  Ứng suất ổn định khu vực xa nơi có tải trọng tập trung điều kiện hình học, liên kết kết cấu thay đổi (Hình 5.6, 5.8, 5.9, 5.12, 5.13, 5.14) Trần Ngọc Linh 75 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Chương 6: Kết luận hướng phát triển 6.1 Kết luận 6.1.1 Kết luận mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng Một thư viện gồm 25 loại phần tử hữu hạn tuyến tính bậc cao xây dựng luận văn Điển hình số là: mơ hình điểm nút, điểm nút; phần tử phẳng tam giác điểm nút, tam giác 15 điểm nút, tứ giác 8, 12 điểm nút; phần tử uốn tứ giác điểm nút; phần tử khối ngũ diện 15 điểm nút, lục diện 8, 20, 32 điểm nút Đây phần tử thường gặp, chí khơng có phần mềm phân tích kết cấu phổ thông như: SAP2000, STAADPro, MIDAS/Civil, MIDAS/Gen,… Lý tính phức tạp q trình xây dựng mơ hình phần tử xây dựng lưới phần tử hữu hạn cho loại phần tử Tuy nhiên, số phần mềm phân tích phần tử hữu hạn tập trung vào việc mơ hình hóa phân tích kết cấu cục LUSAS, ANSYS, ABAQUS lại mạnh việc khai thác không phần tử tuyến tính mà đặc biệt phần tử bậc cao kể Luận văn tập trung vào việc xây dựng phát triển cách mơ hình phần tử hữu hạn phổ biến có số chúng gặp phần mềm thương mại nhằm mục đích mơ hình hóa tính tốn ứng suất cục kết cấu nói chung kết cấu cầu nói riêng Từ đánh giá đưa khuyến nghị sử dụng Các thử nghiệm cho thấy mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng luận văn cho kết tin cậy, minh chứng đắn việc xây dựng áp dụng lý thuyết phần tử hữu hạn Những khảo sát chương cho thấy, phân tích đàn hồi tuyến tính sử dụng phần tử bậc cao hiệu so với phần tử tuyến tính Với thư viện phần tử bậc cao lập, việc phát triển hệ thống chương trình phân tích phần tử hữu hạn sử dụng thư viện trở nên dễ dàng, đặc biệt phân tích kết cấu làm việc cục 6.1.2 Kết chương trình tính xây dựng Chương trình phân tích phần tử hữu hạn sử dụng thư viện phần tử hữu hạn bậc cao mang tên FEModeler chuyên dụng cho phân tích cục xây dựng Chương trình sử dụng để khảo sát, phân tích đánh giá mơ hình phần tử lập đồng thời ứng dụng để phân tích ứng suất cục số phận kết cấu cầu Chương trình có khả phân tích kết cấu phức tạp khơng hạn chế số nút mơ hình Kết kiểm tra chương trình cho thấy, mơ hình phần tử hữu hạn bậc cao xây dựng cho kết mặt lý thuyết đắn Chương trình FEModeler có giao diện thân thiện Trần Ngọc Linh 76 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật q trình mơ hình hóa, phân tích xử lý kết tiện lợi cho số tốn phân tích cục kết cấu cầu Mơ hình chương trình phân tích phần tử hữu hạn xây dựng chương qua khẳng định có hiệu cao việc triển khai phát triển ứng dụng 6.1.3 Kết việc ứng dụng mơ hình phần tử hữu hạn phân tích ứng suất cục kết cấu cầu Trong chương trình bày việc ứng dụng mơ hình phần tử hữu hạn bậc cao phân tích ứng suất cục kết cấu dầm hộp vùng đặt gối kết cấu trụ cầu dạng thân cột Nguyên lý Xanh-vơ-năng giả thiết Bec-nu-li kiểm chứng 6.2 Hướng phát triển Đề tài nghiên cứu phát triển mơ hình phần tử bậc cao phân tích ứng suất cục Chương trình FEModeler đồng thời xây dựng nhằm mục đích minh họa lý thuyết cơng cụ tốt cho phân tích ứng suất cục phận kết cấu chịu lực Tuy nhiên, đề tài tập trung cho phân tích đàn hồi tuyến tính tác dụng tải trọng tĩnh Trong thời gian tới, mô hình phần tử bậc cao với ứng xử phi tuyến vật liệu ứng dụng kết cấu bê tông thép phát triển Đồng thời mơ hình phân tích với tải trọng động cần nghiên cứu Phân tích ứng dụng để tính tốn kết cấu cục chịu tác động tải trọng động đất tải trọng phụ thuộc thời gian, tải trọng lặp Thư viện phần tử hữu hạn cần phát triển theo hướng ứng dụng để mô tả chi tiết đối tượng cơng trình Các mơ hình cấu kiện cục vị trí liên kết, chỗ nối cấu kiện cần nghiên cứu khảo sát Đây sở để đề xuất dẫn thiết kế hợp lý kết cấu nói chung kết cấu cầu nói riêng Chương trình FEModeler phát triển thành phần mềm mơ hình hóa phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng phân tích cục Ứng dụng khơng dành cho nhà nghiên cứu học, sinh viên sử dụng học tập mà cho kỹ sư kết cấu sản xuất thực tế Trần Ngọc Linh 77 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật TÀI LIỆU THAM KHẢO O.C Zienkiewicz & R.L Taylor, The finite element method, Fìthe edition,Volume 1, Butterworth-Heinemann 2000 O.C Zienkiewicz & K Morgan, Finite elements and approximation, John Wiley & Sons Inc, 1983 M Y H Bangash, Concrete and concrete structures: Numerical modeling and applications, Elsevier applied science 1989 David Kincaid & Ward Cheney, Numerical analysis mathematics of scientific computing, Brooks/Cole Publishing Company, 1991 Edward L Wilson, Three dimensional static and dynamic analysis of structures, Computers and Structures, 1988 MIDASIT, Analysis for version 6.7.1, 2005 LUSAS, Analysis manual, version 13.6, 2005 SAP2000, Analysis reference, version 9.0.3, 2005 ANSYS, Analysis reference, version 7.00, 2004 10 PLAXIS, Analysis reference, verion 7.00, 2004 Trần Ngọc Linh 78 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật PHỤ LỤC Thư viện phần tử hữu hạn Chương trình FEModeler có thư viện phần tử hữu hạn lớn gồm có 25 loại phần tử tuyến tính bậc cao Dưới tóm tắt thơng tin loại phần tử: Loại phần tử STT Mô tả Phần tử chiều Phần tử dàn nút Phần tử tuyến tính, nút có bậc tự Phần tử dầm nút Phần tử tuyến tính, nút có bậc tự Phần tử dầm nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự Phần tử dầm nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự Phần tử dầm nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự Phần tử chiều Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tam Phần tử tuyến tính, nút có bậc tự giác nút Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tam Phần tử bậc cao, , nút có bậc tự giác nút Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tam Phần tử bậc cao, nút có bậc tự giác 10 nút Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tam Phần tử bậc cao, nút có bậc tự giác 15 nút 10 Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tứ Phần tử tuyến tính, , nút có bậc tự giác nút 11 Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tứ Phần tử bậc cao, nút có bậc tự giác nút 12 Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tứ Phần tử bậc cao, nút có bậc tự giác nút 13 Phần tử ứng suất/biến dạng phẳng tứ Phần tử bậc cao, nút có bậc tự giác 12 nút Phần tử ½ chiều 14 Phần tử tứ giác nút Trần Ngọc Linh Phần tử tuyến tính, nút có bậc tự 79 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 15 Phần tử tứ giác nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 16 Phần tử tứ giác nút Phần tử bậc cao, , nút có bậc tự 17 Phần tử tứ giác 12 nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự Phần tử chiều 18 Phần tử vỏ tứ giác nút Phần tử tuyến tính, nút có bậc tự 19 Phần tử vỏ tứ giác nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 20 Phần tử vỏ tứ giác nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 21 Phần tử vỏ tứ giác 12 nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 22 Phần tử khối ngũ diện 15 nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 23 Phần tử khối lục diện nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 24 Phần tử khối lục diện 20 nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự 25 Phần tử khối lục diện 32 nút Phần tử bậc cao, nút có bậc tự Các khả chương trình 2.1 Phương pháp nhập số liệu điều khiển chương trình 2.2 Các tính mơ hình hóa kết cấu 2.2.1 Phát sinh nút Chương trình cho phép người dùng tạo nút mới, phát sinh nút theo đường thẳng, đường cong, dịch chuyển nút, xóa nút 2.2.2 Phát sinh phần tử Người dùng dùng tính phát sinh phần tử từ nút phần tử có chiều khơng gian bé Đây tính hiệu việc xây dựng mơ hình kết cấu Phương pháp thực sau: chọn nút kéo dài nút thành phần tử thanh, chọn kéo dài thêm chiều thành phần tử tấm, chọn kéo dài thành phần tử khối Tính tạo phần tử cách kéo dài đối tượng hình học kết hợp với phép quay, tịnh tiến để tạo mơ hình kết cấu có hình dáng phức tạp 2.2.3 Chuyển đổi kiểu phần tử Đây tính hiệu tạo thuận lợi cho người sử dụng mơ hình hóa kết cấu phần tử bậc cao Phương pháp thực sau: từ phần tử tuyến tính tạo số thao tác phát sinh nút phần tử, chuyển đổi phần tử thành phần tử bậc cao cách bổ sung điểm nút cách thích hợp cho phần tử Tính thể Trần Ngọc Linh 80 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật khác biệt mà phần mềm phân tích kết cấu SAP2000 với thư viện phần tử tuyến tính khơng thể có 2.2.4 Chuyển đổi file số liệu từ phần mềm khác Chương trình FEModeler hồn tồn sử dụng số liệu phần mềm phân tích kết cấu khác MIDAS/Civil dạng file text để chuyển đổi số liệu thành thực việc tính tốn 2.2.5 Xuất liệu mơ hình Chương trình cho phép xuất tồn liệu mơ hình kết cấu dạng file sở liệu Access chuẩn XML 2.3 Các tính phân tích 2.3.1 Phân tích tuyến tính Đây tính phiên thời Kết cấu sau mơ hình hóa tiếp tục phân tích để tính tốn chuyển vị nút, ứng suất theo giả thiết kết cấu làm việc theo mơ hình biến dạng bé giới hạn đàn hồi 2.3.2 Tính tốn với nhiều trường hợp tải trọng Trong phần mềm thương mại, sau mơ hình hóa thực việc phân tích kết cấu, chương trình lưu giữ số liệu tương ứng với mơ hình hồn thiện Nếu thay đổi bổ sung tải trọng đưa vào việc phân tích cần thực từ đầu Đối với kết cấu có độ phức tạp nhỏ, thời gian phân tích chấp nhận Tuy nhiên, kết cấu có độ phức tạp lớn hay có nhiều số nút mơ hình việc tính tốn với lần mơ hình tải trọng khác thời gian Chương trình FEModeler có lựa chọn cho phép trường họp mơ hình kết cấu thay đổi trường hợp tải trọng việc thiết lập ma trận giải hệ phương trình tắc cần thực lần Điều giúp cho người sử dụng thoải mái xem xét tác dụng tải trọng khác mà không cần tốn thời gian vào việc chờ đợi hệ thống giải hệ phương trình lặp lặp lại 2.3.3 Xem thơng tin tiến trình phân tích Khi chương trình thực việc phân tích kết cấu, tồn thơng tin q trình phân tích xử lý số liệu, tính tốn chuyển vị ứng suất,… hiển thị cửa sổ dạng text Người dùng xem thơng tin để biết xử lý chương trình mơ hình phân tích Trần Ngọc Linh 81 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.4 Các tính xử lý kết 2.4.1 Biểu diễn chuyển vị Chương trình cho phép người dùng quan sát hình dạng kết cấu bị biến dạng tác động tải trọng Một điểm đặc biệt người dùng hồn tồn lựa chọn hệ số tỉ lệ biểu đồ kết hợp với tính quan sát để thuận lợi cho việc nghiên cứu ứng xử kết cấu 2.4.2 Biểu diễn ứng suất FEModeler cho phép người dùng quan sát ứng suất điểm nút người dùng định biểu diễn dạng trường ứng suất Tổng quát, chương trình cho phép người dùng quan sát đầy đủ thành phần ứng suất tốn khơng gian 2.4.3 Kết xuất bảng kết Tồn kết tính tốn thể dạng bảng mà người dùng lựa chọn, tìm kiếm xuất sang ứng dụng khác phần mềm Excel để tiếp tục xử lý theo mục đích Kết tính tốn xuất file dạng văn 2.4.4 Biểu diễn hoạt cảnh chuyển vị Các kết tính tốn biểu diễn dạng hoạt cảnh mơ tả tiến trình biến dạng theo tỉ lệ Tính đơn biểu diễn kết theo tỉ lệ phóng đại khác nhau, nhiên hữu ích cho người dùng đánh giá trình tác dụng tải trọng sau phục vụ trực tiếp cho mơ tả kết tính tốn động Hệ thống menu lựa chọn chương trình 3.1 Hệ thống menu 3.2 Menu File 3.3 Menu Quan sát Trần Ngọc Linh 82 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.4 Menu Hình học 3.5 Menu FEA Trần Ngọc Linh 83 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.6 Menu dạng 3.5.1 Phát sinh nút 3.5.2 Định nghĩa điều kiện biên 3.5.3 Phát sinh phần tử Trần Ngọc Linh 84 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.5.4 Định nghĩa tải trọng 3.6 Dịng lệnh Tồn tác động người dùng cách sử dụng menu menu dạng trên, hồn tồn gõ trực tiếp từ dịng lệnh Đây tính mạnh tận dụng thói quen sử dụng phần mềm AutoCAD người dùng làm giảm động tác di chuột cách máy móc Những tính phong phú giúp người dùng thoải mái lựa chọn phương pháp xử lý số liệu cách hiệu cho trường hợp tiến trình mơ hình hóa phân tích kết cấu Trần Ngọc Linh 85 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Một số ứng dụng chương trình Chương trình FEModeler hồn tồn có khả mơ hình hóa phân tích kết cấu cục người dùng định nghĩa Tác giả thực việc mơ hình hóa phân tích cho số dạng kết cấu như: cầu thẳng cong, cầu dầm hộp, phận đầu dầm, mũ trụ, bệ cọc, vỏ hầm, liên kết nút giàn thép, so sánh kết tính tốn với phần mềm MIDAS/Civil Sai số hai chương trình khơng đáng kể 3.1 Mơ hình hóa tính tốn kết cấu cầu Biểu đồ chuyển vị tác dụng tải trọng thân Biểu đồ ứng suất pháp theo trục X tải trọng tập trung đặt nhịp Trần Ngọc Linh 86 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.2 Mơ hình hóa tính tốn kết cấu cầu dầm chữ I, T bê tông cốt thép Biểu đồ chuyển vị tác dụng tải trọng thân Biểu đồ ứng suất pháp theo trục X mặt cắt dọc theo trục dầm Biểu đồ ứng suất tiếp SIG-XZ mặt cắt dọc theo trục dầm Trần Ngọc Linh 87 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 3.3 Mơ hình hóa tính tốn kết cấu vỏ hầm Mơ hình lưới phần tử hữu hạn lục diện 20 điểm nút Chuyển vị kết cấu vỏ hầm trọng lượng thân Trần Ngọc Linh 88 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Biểu đồ ứng suất pháp theo phương X, (theo nhịp vòm) tải trọng thân Biểu đồ ứng suất pháp theo phương X, (dọc đường hầm) tải trọng tập trung vịm Địa download chương trình Mọi thơng tin luận văn chương trình FEModeler cung cấp trang web: http://tdhcd.uct.edu.vn Địa email tác giả: tnlinh@gmx.net Trần Ngọc Linh 89