Tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất

Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC viii MC LC TRANG TRANG TA QUYT ĐNH GIAO Đ TÀI LÝ LCH KHOA HC i LI CAM ĐOAN iii CM T iv TÓM TT v ABSTRACT vi MC LC viii DANH SÁCH CÁC BNG xii DANH SÁCH CÁC HÌNH xiii Chng 1:TNG QUAN 1 1.1 Tng quan v vn đ nghiên cu 1 1.2 Mc tiêu nghiên cu 5 Chng 2:C S LÝ THUYT 7 2.1.1 Gii thiu: 7 2.1.2 Đ ln vƠ cng đ ca đng đt 8 2.1.3 Báo cáo li s vn chuyn trên mặt đt 9 2.1.4 Phân tích min thi gian s vn đng mặt đt ca đng đt. 10 2.2 Thit k các bc ca vòng lặp thy lc 11 Chng 3:TệNH TOÁN THIể ́ T Kể ́ TH ̣ C Tể ́ 15 3.1 Gii thiu 15 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC ix 3.2 Xác đnh lc đng tác dng lên b dn đng 16 3.3 Xác đnh kích thc nh nht cho đng kính pittong 17 3.4 Xác đnh lu lng ti các tần s khác nhau: 19 3.5 La chn ng mm thy lc linh hot (dẻo) 22 3.6 La chn dung dch thy lc 23 3.7 Tính toán công sut lý thuyt ca máy bm 23 3.8 La chn máy bm 25 3.9 La chn motor 26 3.10 Thit k bn cha nc thy lc 26 3.11 La chn b dn đng cho đng hút 27 3.12 V trí b lc 27 3.13 H thng làm lnh 28 3.14 Kt cu bàn rung và b dn đng 28 3.15 Các thông s kĩ thut cui ca h thng thit k 29 3.16 Tóm tt 30 Chng 4:H THNG ĐIU KHIN 3 BIN (TVC) 32 4.1 Hàm truyn ca b điu khin 3 bin(TVC): 32 4.1.1B điu khin 3 bin TVC 32 4.1.2B phát tham chiu G R : 33 4.1.3B hi tip: 34 4.1.6B lc lc hi tip thông thp: 36 4.2.1Hàm truyn mch kín: 40 Chng 5:TÍNH TOÁN H THNG THY LC 43 5.1 Phân tích tng quan v van Servo thy lc: 43 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC x 5.1.1 Phng trình lu lng ti: 47 5.2Van servo trên h thng và tiêu chuẩn v dng sóng không xác đnh ti thiu: …………………………………………………………………………….52 5.3 B truyn đng mt đầu: 55 5.4 Mô hình b tích tr: 57 Chng 6:MÔ HÌNH LP RÁP 2D CA BÀN RUNG 58 6.1 Gii thiu: 58 6.2 Ma trn khi lng ca mặt phẳng bàn rung: 61 6.3 Lc tác dng ca piston thy lc: 62 6.4 Lc lò xo đng: 63 6.5 Lc lò xo theo phng ngang: 65 6.7 Lc ma sát Coulomb: 68 6.8 Phn lc do mu thí nghim: 70 6.9 Th hin chi tit phng trình chuyn đng: 71 6.10 Phng trình chuyn đng tuyn tính ca h thng khung trt 2 tầng: …………………………………………………………………………….72 Chng 7 :H THNG CU TRỎC ĐIU KHIN CA BÀN RUNG 76 7.1 Hàm truyn tuyn tính ca h thng mch h và mch kín ca bàn rung: …………………………………………………………………………….76 7.1.1Hàm truyn cho h thng mch h ca bàn rung: 76 7.1.2Hàm truyn mch kín: 83 7.2Tng tác gia b điu khin -bàn phẳng- kt cu: 83 7.2.1B điu khin ba giá tr: 84 7.3nh hng ca các h s khuch đi ca b TVC trên hàm truyn mch kín: 89 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC xi Chng 8:MÔ PHNG BÀN RUNG 95 8.1 B điu khin 3 bin TVC: 95 8.2 Van Servo: 96 8.3 Bn cha: 96 8.4 B truyn đng: 97 8.5 Bàn rung: 98 8.6 H thng bàn rung tng th: 98 8.7 Các thông s tính toán tin hành mô phng 99 8.8 Kt qu: 102 Chng 9KT LUN VÀ HNG PHÁT TRIN 105 9.1 Kt lun: 105 9.2 Hng phát trin: 105 TÀI LIU THAM KHO 106 PH LC 107 PH LC A 107 PH LC B 109 PH LC B 110 PH LC C 111 PH LC E 113 PH LC F 114 PH LC G 115 PH LC K 119 PH LC L 120 PH LC M 121 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC xii DANH SÁCH CÁC BNG BNG TRANG Bng 2.1: Môiăquanăhê ̣ ăGiaătôcăậ đô ̣ ăl  n. 9 Bng 3.1: Lưuălư ̣ ngăcư ̣ căđa ̣ iăta ̣ iăca  căha  nhătrố  nhăthayăđô ̉ iăva  ătơnăsôă100 Hz. 21 Bng 3.2: Thông s k thut ca bàn rung 30 Bng 7.1: Các thông s ca b điu khin ba bin TVC 93 Bng 7.2: Các thông s ca b lọc 93 Bng 7.3 : Thông s ca b TVC tin hành kho sát s thayăđổi 94 Bng 8.1: Bng các thông s khi tin hành mô phng 101 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sóngăđaăchn, sóngăPăvƠăSă[5] 7 Hình 2.2: Thành phần quan trọng sử dngătrongăđngăđt [5] 8 (a) Hình học (b) Truyn sóng 8 Hình 2.3: Đápăng phổ caătrnăđngăđtăElăCentroănĕmă1940 10 Hình 2.4: Mơ ̃ uăsư ̣ ăchuyê ̉ nădi ̣ chăđô ̣ ngăđơtătrongămiênăth  iăgianăđư ̣ căphơnătố  ch 11 Hình 3.1: Phaăđơ ̉ yăraăva  ăru  tăvêăcu ̉ aăbô ̣ ădơ ̃ năđô ̣ ng. [8] 13 Hình 3.2: Th hin s vn hành ca van x an toàn[10] 15 Hình 4.1: Mô hình bàn rung 16 Hình 4.3: Hê ̣ ăthôngădaoădô ̣ ngăcu ̉ aălo  ăxo 20 Hình 4.5: Lưuălư ̣ ngăva  ătơnăsôăta ̣ iăha  nhătrố  nhă10.16 cm 21 Hình 4.6: Xylanh 2 tiăta  căđô ̣ ngăke  păđư ̣ căcho ̣ n 22 Hình 4.8: Vătríăcácăbălọcătrongăhăthngă[9] 28 Hình 5.1:Săđ cu trúc ca b điu khin 3 bin [10] 41 Hình 5.2: Mô phng mt xung [10] 42 Hình 5.3: Biuăđ Bode ca b lọc Notch 42 Hình5.4: Hàm truyn tổng quát ca b điu khin 3 bin 43 Hình5.5: Hàm truyn ca b hi tip 43 Hình :6.1Mô hình van servo 44 Hình 6.2: Quan h gia lc và vn tc ca b truyn piston 50 Hình6.3: Quan h gia v trí, vn tc và góc pha 51 Hình 6.4:Môăhìnhălưuălượng chy qua các l trong quá trìnhăđẩy ra và rút v 53 Hình 6.7:Mô hình ca b truynăpistonă1ăđầu 55 Hình 7.1:Săđ khi ca bàn rung và mu thử 2D 60 Hình 8.5:Biênăđ và pha ca mô hình van servo-b truynăđng-bàn rung-mu thử 81 Hình 8.1:Mch h ca vanservo-b truyn-bàn rung 81 Hình 8.3:Mch h ca vanservo-b truyn-bàn rung-mô hình 82 Hình 8.4:Môăhìnhăđnăgin hóa 82 Hình 8.6:Săđ điu khin khong dch chuyn ca van servo -b truyn-bàn rung-mu với hi tip lc, vn tc, gia tcăvƠărungăđng 82 Lun VĕnTt NghipăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăăGVHD:ăTS.ăPHANăĐC HUYNH HVTH:NGUYNăVĔNăPHÚC xiv Hình 8.7:TVC TVC Hình8.8:Săđ khi ca b điu khin 89 Hình 8.10:(a1),(a2) nhăhưng ca k p ,(b1),(b2) nhăhưng ca k BD 90 Hình 9.2:Săđ rút gọn ca b điu khin 95 Hình 9.3 Săđ mô phng ca Van servo 96 Hình 9.7 Săđ mô phng b truynăđng 97 Hình 9.9: Săđ mô phng mặt bàn rung 98 Hình 9.10 Săđ mô phng ca h thng bàn rung 98 Hình 9.11 Gia tc ca bàn rung khi kim tra tín hiuăđiu hòa 0.25g và tần s 4.1Hz 102 Hình 9.12 Vn tc ca bàn rung khi kim tra tín hiuăđiu hòa 0.25g và tần s 4.1Hz 102 Hình 9.13 V trí ca bàn rung khi kim tra tín hiuăđiu hòa 0.25g và tần s 4.1Hz 102 Hình 9.14 Gia tc khi kim tra tín hiu là xung White Noise thi gian 0.01s và Noise power [0.5] 103 Hình 9.15 Vn tc khi kim tra tín hiu là xung White Noise thi gian 0.01s và Noise power [0.5] 103 Hình 9.16 V trí khi kim tra tín hiu là xung White Noise thi gian 0.01s và Noise power [0.5] 103 Hình 9.17 Gia tc khi kim tra tín hiu Elcentro 104 Hình 9.18 Vn tc khi kim tra tín hiu Elcentro 104 Hình 9.18 V trí khi kim tra tín hiu Elcentro 104 LunăVĕnăTt Nghip GVHD:TS.PHANăĐC HUYNH HVTH: NGUYNăVĔNăPHÚC 1 Chng 1: TNG QUAN 1.1 Tng quan v vn đ nghiên cu Khám phá cácmi nguy himca đng đtvàthit hi chocác tòa nhàbngcáchxây dngcác tòa nhàmô hìnhvàcho chúng dao đngmặt trênb mặt ca bàn rung. Trong nhiuă nĕmă quaă nh bàn rung mà các công trình xây dngdân dngvà k thut côngătrìnhăđược thit k đcó th chuăđược tácăđng ca titrọng đngăvƠđiukinmôiătrưng thayăđổi,nh vyămƠăđm boăđược tính kinh t và an toàn ca công trình. Đngă đt làmt phần camôiă trưng này,không nhng nh hưngă đn cuc sng vàtàisn conă ngưi mà còn có th gây rahu qu nghiêm trọnggián tip. Mô phngchính xácchuynăđngtrnăđngăđtlàmt thách thcto lớn chocác nhà nghiên cu vàchuyên gia.Bàn rungngƠyă cƠngđược sử dng nhiu ticác trungtâm nghiên cuăđngăđttrên toàn th giới, vìănóălƠphưngătin duy nhtthc stái to được gần nht tác đngca hiu ngđngăđtlêntrên các cu trúc. Mt h thngtưngăđiđnginđãăđượclắp ráp th hinđầyđcác chuynăđngđầuvàoca h thngbàn rung. Từ đóso sánh đáp ngtín hiuăđầu vàoca bànrung, trong c min thi gian vàmin tần s, được sử dng đ đưaăraăkh nĕng đoălưng camô phngli trnă đngă đt. Báocáonày tho lun vcu to, lắp ráp vàcác kt qu v đặc tính riêng caăđápăng ca bàn rung. Mtădãyădaoăđng nguănhiênătrongăquáătrìnhăđngăđt s được hình thành nh vào s kt hợp các chuynăđng. Ngưitacó th đưaăraăcácăđápăngătưng t trên că sca cuă trúcă đượcrung đngtrong mtă môiă trưngphòng thí nghimbngcáchsửdnggia tc-thigianđược ghi lica các trnđngăđt trong lch sử. ThêmăvƠoăđó, phòng thí nghim cũngătin hành mô phng mi quan h giaăđ LunăVĕnăTt Nghip GVHD:TS.PHANăĐC HUYNH HVTH: NGUYNăVĔNăPHÚC 2 dch chuynvà thi gian trong lch sử cũngă scótác dngă tưngă t. Đơyă lƠă că schovic áp dngca bàn rungđ mô phngtrnăđngăđt.Thit kmt bàn rungto radaoă đngtheo chiu ngang. ĐiunƠyđược sử dng chophân tíchcacác dao đngtrong mt cu trúcthi gianca trnă đngă đt.Kină trúcă sưă vƠă k sưchymô phngsử dng mô hìnhvà bàn rungđ kim tratính toàn vn cacác tòa nhà và xácđnhcác gia ccần thită vƠđ nghiên cuđặc tính ca cuă trúcă đng.Đơyă s là thit b mô phng công trình xây dngăđầu tiên da vào s mô phngăđngăđt.Bàn rung là mt thit b có th thc hin mô phngăđngăđt hoặcăđặt vào các tiăđng khácăđ kim tra mô hình hoặc các kt cu. Có nhiu loiăbƠnărungănhưngăcóăth phân loiătheoăcácăphưngăthc vnăhƠnhădaoăđng caănóănhưăđiu khin bàn rung bngăđin, bng thy lc, bng tay. Bàn rung có mi liên h rt gần vớiăđngăđt do các thông s caănóăđược thit k ty chnh gần ging với các thông s caăđngăđt nhưăgiaătc, chuyn v, tần s và hành trình. NgoƠiăra,ăbƠnărungăđượcăđiu khin bng thy lc thì có nhiuăưuăđimăhnă cácăphưngăthc vn hành khác. Bng 1.1 lit kê 1 s ưuăđim ca vic sử dng bàn rung thy lc Bàn rung thy lc BƠnărungăđin 1.Có th sử dng cho nhiu kích cỡ ti Giới hn ti trọng nh và vừa 2. Các thông s nhưăhƠnhătrình,ăvn tc, tần s có th đượcăthayăđổi 1 cách d dàng ph thuc vào ng dng Hầu ht các lần, các thông s được thit lp không th thay đổi Bng 1.1: So sánh gia bàn rung thy lcăvƠăđin LunăVĕnăTt Nghip GVHD:TS.PHANăĐC HUYNH HVTH: NGUYNăVĔNăPHÚC 3 Mt s công trình v bàn rung thy lc đãăch to thành công trên th giới: 1. H thng bàn rung INOVA là mt trong nhngăbƠnărungăhƠngăđầu hin nay vì có th mô phng được 6 bc t do. Hình 1.1: Mô hình bàn rung INOVA 6 và 3 bc t do [1] Hình 1.2: Mô hình bàn rung INOVA 1 bc t do [1] 2.Bàn rung ANCO mô hình 150-142 được dùng tiătrưngăđi học Colombia, đượcă điu khină theoă phưngă ngangă với gia tc 3g,chu ti 2 tn, hành trình 5 inch,din tích bàn là (5ftx5ft),tần s: 0-100Hz. [...]... toán, thi t k bàn rung cho nên học viên và HVTH: NGUY NăVĔNăPHÚC 4 Lu năVĕnăT t Nghi p GVHD:TS.PHANăĐ C HUYNH giáoăviênăhướng d năđãăchọnăđ tài: "Tính toán ,thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất" 1.2 M c tiêu nghiên c u M c tiêu nghiên c u chính: 1 Thi t k bƠn rung rung đi u khi n b ng th y l c cỡ trungăđ dùngănhưă thi t b mô ph ngăđ ngăđ t 2 Th c hiên mô ph ng c a bàn rung th y... 1.3: Mô hình bàn rung ANCO [4] 3 .Bàn rung NIED-Defense Nh t là bàn rung lo i lớn với 3 b c t do, ch u t i 1200 t n,kíchăthước (20mx15m),hành trình X,Y là 100cm,Z là 50cm Hình 1.4: Mô hình bàn rung NIED-Defense[5] Hi n t iăđ i với v năđ ng d ng bàn rung trong nghiên c uăđ ngăđ t trong nước v n còn mới l vƠăchưaăđược ng d ng, với mong mu năđóngăgópăvƠoăvi c nghiên c u phát tri n các v năđ v tính toán,. .. ng bàn rung th y l c và phát tri n 1 mô hình toán học cho toàn b h th ng 4 Th c hi n mô ph ng trên máy tính sử d ng phần m m MATLAB Simulink theo phân tích mi n th i gian, thi t k h th ng ph n h i và ki m tra tính ổnăđ nh c a toàn b h th ng 5 T t c mô ph ngăđược th c hi n trong kho ng giới h n các thông s được chọnănhưăkho ng t i trọng t iăđa,kho ng tần s , tr c bàn rung và kho ng gia t c t iăđa Trong đ... tra k t qu tính toán ,mô ph ng k t qu K ho ch th c hi n - Bước 1: Nghiên c u tài li u v đ ngăđ t,th y l c,h th ngăđi u khi n,matlab - Bướcăβ :Tính toánăs ăb h th ng th y l c, l a chọn thi t b th y l c - Bướcăγ :Tính toánăs ăb kíchăthước bàn rung, xây d ng mô hình v t lý - Bước 4:Xây d ng mô hình toán học,gi iăbƠiătoánăđ ng l c học - Bước 5:Xây d ng mô hìnhăđi u khi n c a bàn rung - Bước 6 :Mô ph ng toàn... tri n thi t b này Các nghiên c u HVTH: NGUY NăVĔNăPHÚC 5 Lu năVĕnăT t Nghi p GVHD:TS.PHANăĐ C HUYNH trong tư ngălaiăthu călĩnhăv c này s r t lý thú khi nó có th phát tri n nhi u thi t k liênăquanăđ n bàn rung th y l c Ph 1.4 - ng pháp nghiên c u D a vào lý thuy t v đ ngăđ t, h th ngăđi u khi n, b truy năđ ng th y l c và k t c u bàn rung thông qua nghiên c u các tài li u trong nước và nước ngoài 1.5 DùngăMatlabăđ... gắn với 1 t i, trong trư ng hợp này, t i là mô hình và bàn rung Bàn rung s daoăđ ngănhưăh th ngădaoăđ ng lò xo Hành trình t iăđaăc a b d n d ng có th được mô t nhưăbiênăđ dao d ng c a lò xo Gi iăthíchăđược tóm tắt trong hìnhă4.γ.ăDoăđó,ăphư ng trình th hi n m i quan h c a t căđ và tần s b d năđ ng k t hợp vớiăhƠnhătrìnhăvƠălưuălượng b d năđ ng là: Lưuălượng theo kh iălượng, Q  Av (3.7) Trong đóăăă A... d ng sau : - Sử d ng các hàm có sẵn trong thưăvi n, cho phép tính các phép toán thông thư ng - Cho phép l p trình t o ra nh ng ng d ng mới - Cho phép mô ph ng các mô hình th c t - Phân tích, kh o sát và hi n th d li u - Cho phép phát tri n, giao ti p với m t s phần m măkhácănhưăC++,ăFortran 2.6 T ng quan v bàn rung Bàn rung g m 6 ổ đỡ, h th ng nâng,2 b truy năđ ng và van servo, b n ch a ,b đi u khi... ng các k thu t phân tích h th ngăđ ng trong mi n th iăgianăđ kh oăsátăcácăđặcătrưngătuy n tính gi a tín hi uăđầuăvƠoăvƠăđầu ra mong mu n 1.3 Nhi m v đ tài và gi i h n đ tài 1 Kh o sát b n ch t và thu c tính c aăđ ngăđ t, s liên h c aănóăđ năcácăđ i lượngăđược thi t k cho bàn rung th y l c 2 Thi t k vòng th y l c hoàn ch nh c aă mô hìnhă bƠnă rung đ nă gi n cỡ trung d a trên các thông s được chọn 3... c vì t t c cácăđ iălượng liên quan với bàn rung th y l cănhưăv n t c, gia t c, tần s , chuy n v , t i trọng,ălưuălượng c căđ iăđ u có quan h với nhau CóănghĩaălƠăn uăthayăđổi mô ̣tăđ iălượng s nhăhư ngăđ năcácăđ iălượng khác Bàn rung th y l căđược thi t k phù hợp vớiăcácăđ iălượngăđ ngăđ tănhưăgiaăt c,ăbiênăđ , tần s rung và tín hi u rung. ăĐ gi măđ bi n thiên, mô ̣tăvƠiăthi t l păbanăđầu c a đ iă lượng... này, các ho tăđ ng b ràng bu c trong kho ng tần s 40Hz, gia t c c căđ i 1.5g và t i trọng c căđ i là 4000 kg.ăChư ngătrình mô ph ng s được l p trình b ng Simulink và tín hi uăđầu vào s đượcăgánă vƠoăs ăđ kh i Các tín hi uăđầuăvƠoăđ ki m tra là tín hi uăbước, tín hi u sóng và tín hi u ng u nhiên Đi u quan trọng c aă đ tài này là thi t k s ă b c a bàn rung th y l c cỡ trungăvƠăđ có nhi u thu n lợiăđ . phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất& quot; 1.2 Mc tiêu nghiên cu Mc tiêu nghiên cu chính: 1. Thit k bƠn rung rung điu khin bng thy lc cỡ trungăđ dùngănhưă thit b mô. v tính toán, thit k bàn rung cho nên học viên và LunăVĕnăTt Nghip GVHD:TS.PHANăĐC HUYNH HVTH: NGUYNăVĔNăPHÚC 5 giáoăviênăhướng dnăđãăchọnăđ tài:" ;Tính toán ,thiết kế và mô phỏng. Săđ mô phng ca Van servo 96 Hình 9.7 Săđ mô phng b truynăđng 97 Hình 9.9: Săđ mô phng mặt bàn rung 98 Hình 9.10 Săđ mô phng ca h thng bàn rung 98 Hình 9.11 Gia tc ca bàn rung