phân tích động lực học khung 2d chịu tải chu kỳ bằng fem

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ TRÀ MI PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM S K C 0 9 NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ TRÀ MI PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THỊ TRÀ MI PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KHUNG 2D CHỊU TẢI CHU KỲ BẰNG FEM NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỒI SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trần thị Trà Mi Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: lâm Đồng Q qn: Quảng Nam Dân tộc: kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 443/106A Lê Văn Sỹ - Phường 10 - Quận 3- HCM Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0902322902 Fax: E-mail: II Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chun nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Đào tạo quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 1/ 2005 Nơi học (trường, thành phố): ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Thiết Kế Máy Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Người hướng dẫn: III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2005-2010 Cơng ty TNHH Haimy Trường Cao Đẳng Giao Thơng Vận Tải Tp.HCM Nhân Viên phòng kỹ thuật Giáo Viên giảng dạy mơn sở khoa ơtơ 2011- LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên ghi rõ họ tên) LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài, giúp đỡ nhiều cách nhận đònh vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu nguồn tài liệu quý báu Thầy hướng dẫn tận tình động viên Tôi suốt trình thực luận văn nên luận văn đạt kết mong muốn Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành tới: -Toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM , người dạy giúp đỡ Tôi thời gian học tập trường - Quý thầy cô khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, người nhiệt tình dạy dỗ, truyền đạt cho kiến thức sở kiến thức chuyên ngành vô quý báu - Gia đình giúp đỡ tạo điều kiện tốt để Tôi học tập trao dồi thêm kiến thức - Bạn Chương Thiết Tú, Hoàng Trung Hiền nhiệt tình giúp đỡ , hỗ trợ Tôi tài liệu kiến thức suốt thời gian làm đề tài - Cuối cùng, Xin kính chúc toàn thể quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM bạn dồi sức khỏe, thành công hạnh phúc TP.HCM , Tháng 04 năm 2013 -IV- TÓM TẮT Ngày nay, nhờ phát triển mạnh mẽ kỹ thuật số cơng nghệ thơng tin, phương pháp phần tử hữu hạn có áp dụng hiệu tốn kỹ thuật đặc biệt tốn học kết cấu Trên sở lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tốn động lực học kết cấu, tác giả xây dựng lời giải xấp xỉ cho tốn khung phẳng Ứng dụng phương pháp để xác định trường vận tốc biến dạng vật thể Bài tốn phân tích đề tài tốn khung phẳng chịu tải chu kỳ Tác giả sử dụng ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng thành cơng chương trình tích phân số mơ tự động trường vận tốc trường biến dạng Chương trình cho kết tin cậy so với kết tính tốn phẩm mềm Ansys Hơn nữa, tốn phân tích với thơng số khác để có lời giải tin cậy hiệu ABSTRACT Today, basing on the development of digital and information technology, the finite element method is the effective application of mathematical techniques, especially, the problem of structural mechanics Base on the theory of finite element method applied to the problem the flow structural mechanics, the authors have developed approximate solution to the problem the structural mechanics dynamics Application of this method to analyze flat frame load cycle … The author uses Matlab programming langguage to build successful programs and simulation analysis of the velocity field and deformation field over the obstacle, this program results in reliable comparison of the calculated results Ansys sotfware Moreover, this problem is analyzed with different parameters to obtain reliable solution and effect -V- MỤC LỤC Trang Quyết đònh Lý lòch cá nhân I Lời cam đoan II Lời cảm ơn III Tóm tắt IV Mục lục V Chương : Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính khoa học, thực tiễn đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Xác đònh thuật ngữ Chương 2: Tổng quan kết cấu khung phẳng 2.1 Tổng quan nhà để xe 2.1.1 Nhà xe xếp chồng 2.1.2 Hệ thống nhà xe 2.1.2.1 Hệ thống lưu thông dọc 2.1.2.2 Hệ thống lưu thông ngang 2.1.3 Hệ thống nhà xe 2.2 Tổng quan kết cấu nhà cao tầng 2.2.1 Phân loại hệ thống xây dựng theo vật liệu làm kết cấu 8 2.2.1.1 kết cấu gạch đá 2.2.1.2 Kết cấu thép 10 -VI- 2.2.1.3 Kết cấu bê tơng cốt thép 12 2.2.2 Phân loại hệ thống xây dựng theo làm việc kết cấu 2.2.2.1 Kết cấu khung 14 2.2.2.2 Kết cấu tường chống trượt 15 2.2.2.3 Kết cấu khung - Kết cấu tường chống trượt 17 Chương : Cơ sở lý thuyết phương pháp PTHH cho kết cấu khung phẳng 3.1 Dạng tốn học 18 3.2 Thiết lập phương trình vi phân động lực học 21 3.3 Ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích tốn khung phẳng 24 3.3.1 Khái niệm phương pháp PTHH 25 3.3.2 Các bước tiến hành giải tốn phương pháp PTHH 26 3.3.3 Các hàm nội suy 27 3.3.3.1 Nội suy Lagrange 27 3.3.3.2 Nội suy Hermit cho phần tử hai nút 3.3.4 Phân tích phần tử hữu hạn cho tốn khung phẳng 28 29 3.3.4.1 Xác định ma trận độ cứng cho phần tử khung phẳng 29 3.3.4.2 Xác định ma trận khối lượng cho phần tử khung phẳng 35 3.4 Phân tích mode hệ khơng giảm chấn 38 3.5 Các phương pháp tích phân số dùng để giải phương trình vi phân chuyển động kết cấu Cầu Dây Văng 42 3.5.1 Phương pháp sai phân trung tâm 42 3.5.2 Phương pháp Newmark 45 3.5.3 Biến đổi Fourier 49 Chương 4: Thiết kế giao diện với Matlab 56 4.1 Giới thiệu chung ngôn ngữ lập trình Matlab 56 -VII- 4.2 Tổng quan cách thiết kế giao diện 57 4.3 Tạo giao diện cho toán 64 Chương 5: Bài toán áp dụng 70 5.1 Lưu đồ phân tích bước cho toán dầm – khung 70 5.2 Kết tính khung (3 tầng) 71 5.2.1 Phân tích tónh 76 5.2.2 Phân tích động học 79 5.2.3 Phân tích động lực học 82 Chương : Kết luận hướng phát triển 83 6.1 Kết luận 83 6.2 Hướng phát triển 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO -VIII- Chương V: Bài tốn áp dụng ====================================================== MATRIX DOF Element Dof ====================================================== 1 2 3 10 11 12 10 11 12 13 14 15 16 17 18 13 14 15 16 17 18 13 14 15 19 20 21 13 14 15 22 23 24 10 19 20 21 22 23 24 11 12 10 11 12 13 10 11 12 13 14 15 14 10 11 12 16 17 18 15 16 17 18 19 20 21 16 16 17 18 22 23 24 17 25 26 27 19 20 21 18 28 29 30 22 23 24 SVTH: 88 Chương V: Bài tốn áp dụng SVTH: 89 Chương V: Bài tốn áp dụng 5.2.4 Phân tích tónh Hình 5.1 Trường chuyển vò SVTH: 90 Chương V: Bài tốn áp dụng Hình 5.2 Biểu đồ lực dọc Hình 5.3 Biểu đồ lực cắt SVTH: 91 Chương V: Bài tốn áp dụng Hình 5.4 Biểu đồ moment SVTH: 92 Chương V: Bài tốn áp dụng 5.2.5 Phân tích mode Hình 5.5 Tần số giao động riêng mode SVTH: 93 Chương V: Bài tốn áp dụng Hình 5.5 Tần số giao động riêng mode SVTH: 94 Chương V: Bài tốn áp dụng  Kết so sánh tần số dao động riêng: Bảng 6.1 So sánh tần số riêng lời giải Thứ tự SVTH: Tần số (Hz) Sai số (%) FEM ANSYS 3.7122 3.4485 7.1 3.1106 3.1437 1.1 2.9468 3.0437 3.3 2.5056 2.575 2.8 2.3161 2.4503 5.8 2.2387 2.2638 1.1 1.9072 1.9475 2.1 1.7749 1.6807 5.3 1.4663 1.4624 0.3 10 0.8411 0.8759 4.1 11 0.8742 0.8542 2.3 12 0.5907 0.5722 3.1 13 0.3829 0.3717 2.9 14 0.2779 0.2909 4.7 15 0.2644 0.2804 6.1 16 0.2334 0.2176 6.8 17 0.2012 0.1922 4.5 18 0.2114 0.2049 3.1 95 Chương V: Bài tốn áp dụng Hình 5.6 So sánh tần số riêng FEM ANSYS 5.2.6 Phân tích động lực học Đồ thò đáp ứng nút bên trái( thời gian khảo sát: 40 giây) SVTH: 96 Chương V: Bài tốn áp dụng SVTH: 97 Chương VI: Kết luận Chương VI KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN Với đề tài “Phân tích động lực học khung 2D chịu tải chu kỳ phương FEM, tác giả thực nội dung sau:  Phân tích tĩnh học, đưa kết mơ hình chuyển vị, biểu đồ lực dọc, lực cắt moment tốn  Phân tích mode, đưa kết tần số dao động riêng Tính xác tốn kiểm chứng với kết từ phần mềm Ansys,  Các tốn phân tích với thơng số khác để có lời giải tin cậy hiệu  Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn việc giải vấn đề chuyển vị, biến dạng mang lại nhiều hiệu thiết thực Trong luận văn, tác giả sử dụng FEM để tính tốn trường vận tốc trường chuyển vị với điều kiện học kết cấu Kết thu khả quan sai số lời giải FEM so với Ansys tương đối nhỏ (< 7%) 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài nghiên cứu phát triển theo hướng sau đây:  Trong thực tế, tải ngẫu nhiên tác dụng lên hệ tải gió, tải sóng, tải động đất,v.v Từ tải ngẫu nhiên này, ta đưa tải tổ hợp có chu kỳ Nó phải đo đạc từ thực nghiệm, từ tìm quy luật tải Sau đó, ta sử dụng phương pháp phân bố xác suất, phương pháp nội suy, v.v.đưa tải vào tốn tốt hơn, nâng cao ý nghĩa thực tiễn luận văn SVTH: 83 Chương VI: Kết luận  Luận văn dừng phân tích động lực khung 2D Vì vậy, dựa sở 2D, cần tiếp tục phân tích động lực học khung 3D tính tốn tối ưu kết cấu SVTH: 84 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỒI SƠN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hồi Sơn ( chủ biên ) – Phương pháp phần tử hữu hạn với Matlab, [2001] , Nxb Đại Học Quốc Gia Tp HCM [ ] Nguyễn Hồi Sơn (chủ biên) - Ứng dụng PP PTHH tính tốn kết cấu, [2005], Nxb Đại Học Quốc Gia Tp.HCM [3] Nguyễn Hồi Sơn ( chủ biên ) – Ứng dụng Matlab tính tốn kỹ thuật, [2002] , Nxb Đại Học Quốc Gia Tp HCM [4] Nguyễn Hồi Sơn – Phương pháp tính , [2004] , Nxb Đại Học Quốc Gia Tp HCM [5] Chu Quốc Thắng – Phương pháp phần tử hữu hạn , [1997] , Nxb Khoa Học Kỹ Thuật [6] Nguyễn Văn Phái – Vũ Văn Khiêm – Phương pháp phần tử hữu hạn thực hành học , [2000] , Nxb Giáo Dục [7] Nguyễn Văn Phượng – Động lực học cơng trình , Nxb Khoa Học Và Kỹ Thuật [8] Nguyễn Quốc Bảo – Trần Nhất Dũng – Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Lý Thuyết Và Bài Tập , Nxb Khoa Học Và Kỹ Thuật Hà Nội [ ] Bùi Cơng Thành - Sức bền vật liệu , [1998], Nxb Khoa Học Và Kỹ Thuật [ 10 ] Lê Đình Tâm ( chủ biên ) – Phạm Duy Hòa – Cầu Dây Văng, [2000], Nxb Khoa Học Và Kỹ Thuật [ 11 ] Châu Kim Lang – Phương pháp nghiên cứu khoa học , [ 2002 ] , Trường ĐH SPKT [ 12 ] M Géradin, D Rixen, Bao Duc Doan [1992] - Dynamics of structure & Mechanical Vibrations [ 13 ] Newsletter of Engineering (No.1 February, 2006)- JapaneseVietnamese Engineers Exchange Forum [ 14 ] Newmark, N M – A method of Computation for Structural Dynamics, [ 1959],ASCE Journal of the Engineering Mechanics Division, Vol 85 No EM3 Luận văn tốt nghiệp GVHD: PGS.TS NGUYỄN HỒI SƠN [ 15 ] Nguyễn Tiến Khiêm – Chẩn đốn dầm đàn hồi có nhiều vết nứt – Viện học, Đại học xây dựng Hà Nội [ 16 ] Nguyễn Xn Hùng – Nhận dạng vết nứt kết cấu dầm khung –Viện học ứng dụng Tp HCM [ 17 ] Nguyễn Xn Hùng, Nguyễn Xn Hồng – Nhận dạng vết nứt kết cấu giàn khoan –Viện học ứng dụng Tp HCM – Trung tâm khoa học tự nhiên cơng nghệ quốc gia Việt Nam [ 18 ] Đỗ Kiến Quốc, Lê Hồng Tuấn – Nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đến tần số dao động kết cấu dầm khung –Trường ĐHBK Tp HCM 1998 [ 19] Nguyễn Phi Hùng - Nghiên cứu ảnh hưởng vết nứt đến đặc trưng động lực học kết cấu mỏng –Luận văn thạc sĩ trường ĐHBK Tp.HCM 2003 [ 20 ] Nguyễn Quận – Nghiên cứu phát triển vết nứt chi tiết khí FEM Wavelet – Luận văn thạc sĩ trường ĐHSPKT Tp.HCM 2007 [ 21 ] Lê Hoan Cường –phân tích tính tốn so sánh phương pháp tính kết cấu cơng trình biển chịu tải động đất – Luận văn thạc sĩ trường ĐHSPKT Tp.HCM 2006 Cùng số tạp chí trang Wed khác: … [...]... cấu khung đó Vì vậy, tác giả quyết định chọn đề tài “ Phân tích động lực học khung 2D chịu tải chu kỳ bằng FEM “ 1.3 NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN:  Sử dụng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn - FEA (Finite Element Analysis) kết hợp với ngơn ngữ Matlab viết chương trình tính tốn động học, động lực học tìm tần số dao động riêng của các mode dao động, đáp ứng chuyển vị và vận tốc của từng nút  Mơ phỏng động. .. tường chống trượt là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực và sàn nhà Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng và tải trọng ngang Do tường chịu lực của nhà cao tầng ngồi việc phải chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng đứng gây ra, còn phải chịu lực trượt và mơmen do tải trọng ngang sinh ra, cho nên ta mới gọi là kết cấu tường chống... phương trình dao động cưỡng bức khơng cản  Nếu phân tích bài tốn dưới dạng phân tích tĩnh ( tức là bỏ qua ảnh hưởng của ma trận khối lượng [M] ) khi đó (3.24) được viết lại như sau : [ K ]{d}  {F} (3.25)  Nếu phân tích bài tốn dưới dạng phân tích động học khi đó (3.24) được viết lai như sau : [M ]{d}  [ K ]{d}  {F} (3.26) 3.3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ĐỂ PHÂN TÍCH BÀI TỐN KHUNG PHẲNG [2][4]... kết cấu khung, ngồi tải cố định tác dụng lên trên khung, khung còn chịu chính tải bản thân, cũng như các tải ngẫu nhiên như gió, động đất, … Các loại tải này rất quan trọng trong tính tốn, thiết kế khung Xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể là cần thiết và có tính ứng dụng trong thực tế Việc tính tốn này nhằm giúp ta hiểu rõ hơn sự tác đơng qua lại giữa tải tác dụng và kết cấu khung, thiết... dựng chủ yếu bằng kết cấu khung thép và khung bê tơng cốt thép Hình 2.9 Kết cấu bằng khung thép Người ta đã rút ra kinh nghiệm xây dựng nhà cao tầng kết cấu khung tại những vùng có động đất và những vùng khơng có động đất như sau: Đối với những vùng có động đất cấp 9, khơng nên sử dụng kết cấu khung thuần t Ở những vùng có động đất cấp 8 thì chiều cao cho phép đối với kết cấu khung đúc tại chỗ khơng... với kết cấu khung lắp ghép khơng được vượt q 25 m Ở những vùng có động đất cấp 7 thì chiều cao cho phép của kết cấu khung đúc tại chỗ và lắp ghép phân biệt là 50 m và 39 m Chiều cao của kết cấu khung thuần t trong vùng khơng có động đất cũng khơng nên vượt q 60 m 2.2.2.2 SVTH Kết cấu tường chống trượt 15 Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D Kết cấu tường chống trượt là hệ kết cấu chịu lực cấu thành... hoạt hơn, chiều cao tầng cũng có thể giảm bớt một cách thích đáng Năng lực chịu tải trọng thẳng đứng của kết cấu khung thuần t là lớn, nhưng năng lực chịu tải trọng ngang của nó tương đối yếu, độ cứng phía mặt bên kém, do đó chuyển vị nằm ngang tương đối lớn Trong những vùng có động đất cường độ cao, thường khơng nên dùng hệ kết cấu khung thuần t để xây nhà cao tầng Nếu vì lý do nào đó buộc phải sử dụng... chiều rộng B của ngơi nhà 2.2.2.3 Kết cấu khung -Kết cấu tường chống trượt Trong hệ kết cấu khung, người ta bố trí them một số tường chống trượt sẽ hình thành một hệ kết cấu khác Đó là hệ kết cấu khung - tường chống trượt, có tác động cộng đồng chịu lực giữa khung và tường chống trượt So với kết cấu khung thuần t, thì hệ kết cấu này tăng cường được khả năng chịu tải trọng ngang, nâng độ cứng hướng bên... cấu bao che thì lại phát huy được tác dụng đó 2.2.2 Phân loại hệ thống xây dựng theo sự làm việc của kết cấu Như ta đã biết, kết cấu nhà cao tầng vừa phải chịu tải trọng thẳng đứng vừa phải chịu tải trọng nằm ngang rất lớn Tải trọng thẳng đứng u cầu kết cấu phải có đủ cường độ chịu nén Tải trọng ngang lại đòi hỏi kết cấu phải có cường độ chịu uốn và chịu cắt đồng thời phải có đủ độ cứng và độ dẻo Với... Nhà xe xếp chồng: có 2 kiểu SVTH 4 Chương II: Tổng quan về kết cấu khung 2D - Kiểu 1: khung 2 chân dùng khí nén truyền động Hình 2.1 Mẫu 2 tầng dùng khí nén - Kiểu 2: khung 4 chân dùng bộ truyền cơ khí, khí nén hoặc kết hợp cả 2 để truyền động Hình 2.2 Mẫu 2 tầng truyền động bằng cơ khí Cả hai đều có 1 mâm chứa xe ở tầng trên, và di chuyển lên xuống để xe chạy vào, ra Đây là hình thức đơn giản,dễ lắp