Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi (vlfs) dưới tác dụng tải trọng tập trung di động

Hiện nay các hệ thống kết cấu nổi hiện đại đã và đang được các quốc gia trên thế giới xúc tiến xây dựng, tiêu biểu như các nước Nhật Bản, Ý, Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc…Tại Việt Nam đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

-

NGUYỄN THÀNH AN

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU TẤM NỔI (VLFS) DƯỚI TÁC DỤNG TẢI TRỌNG TẬP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS Lương Văn Hải

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 4 tháng 10 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP HCM, ngày … tháng… năm 20 …

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thành An Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/04/1992 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

MSHV: 1541870001

I- Tên đề tài:

Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động

II- Nhiệm vụ và nội dung:

• Xây dựng thuật toán, code Matlab

• Kiểm chứng chương trình

• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi vận tốc

• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ lớn tải trọng

• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi độ sâu đáy biển

• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều dày tấm

• Khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi đối với sự thay đổi chiều rộng tấm

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS LƯƠNG VĂN HẢI

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

i

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Ðó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Ðể hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã đành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Ðầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Lương Văn Hải Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM-HUTECH đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp HCM, ngày 5 tháng 4 năm 2017

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cùng với phát triển của nền kinh tế thì nhu cầu về chổ ở của con người ngày càng tăng do đó ngày càng nhiều dự án lấn biển đã được triển khai Tuy nhiên, giải pháp này chỉ phù hợp cho vùng nước không quá sâu (độ sâu dưới 20m) Đối với những vùng nước sâu hoặc đáy biển là nền đất yếu, giải pháp này đòi hỏi lượng chi phí khổng lồ và nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, thậm chí là không thể thực hiện được Bên cạnh đó, những dự án lấn biển làm hưởng tiêu cực đối với môi trường của quốc gia, hệ sinh thái ngầm và đường bờ biển với các nước láng giềng Để giải quyết vấn

đề nêu trên, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đã đề nghị một giải pháp thay thế mới hiệu quả hơn, đó là xây dựng một hệ thống kết cấu nổi siêu rộng (VLFS - Very Large Floating Structures)

Hiện nay các hệ thống kết cấu nổi hiện đại đã và đang được các quốc gia trên thế giới xúc tiến xây dựng, tiêu biểu như các nước Nhật Bản, Ý, Pháp, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc…Tại Việt Nam đã có một số nghiên cứu về vấn đề trên tuy nhiên các nghiên cứu này chỉ tập trung phân tích, khảo sát kết cấu tấm nổi có kích thước nhỏ, chưa đúng với thực tế, sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, độ sâu đáy biển, tải trọng, chiều dày, chiều rộng đối với ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi vẫn chưa được nghiên cứu khảo sát làm rõ

Do đó luận văn được thực hiện với mục đích:

• Tập trung phân tích khảo sát ứng xử của kết cấu tấm nổi lớn chịu tải tập trung di động dưới sự ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển,

bề dày, chiều rộng kết cấu nổi vì đây là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự chuyển vị của kết cấu nổi, bằng phương pháp kết hợp phần tử biên (BEM) và phần tử hữu hạn (FEM)

• Ngoài ra, cách thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng và ma trận cản cho hệ kết cấu nổi sẽ được trình bày trong luận văn

iii

ABSTRACT

Along with the development of the economy, the demand for human housing has increased, so more and more land reclamation projects have been launched However, this solution is suitable for not too deep (depths less than 20m) For deep water or deep seabed, this solution requires enormous costs and technical difficulties, even impossible In addition, land reclamation projects have negatively impacted the country's environment, underground ecosystems, and coastlines with its neighbors To solve this problem, researchers and engineers have proposed a more efficient alternative, namely the construction of a Very Large Floating Structures (VLFS)

Currently, modern floating structures have been promoted by countries in the world, such as Japan, Italy, France, USA, China and South Korea Some studies on this issue, however, these studies focus on investigating the small size of the structure is not true, the effect of the velocity of the load, the depth of the sea, the change The load, thickness, width of floating structure for displacement behavior

of floating sheet has not been studied for clarification

Therefore the dissertation was conducted with the purpose of:

• Focus on the behavioral survey of large mobile floating structures under the effect of velocity of load, depth of the seabed, load change, thickness, width of floating structure Because this is one of the important factors affecting the displacement of floating structures by Boundary Element Method (BEM) and Finite Element Method (FEM)

• In addition, the establishment of mass matrices, stiffness matrices and constraints matrix for the structural system will be presented in the thesis

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này

đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Học viên thực hiện luận văn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thành An

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ii

ABSTRACT iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU x

MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Tình hình nghiên cứu 4

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước 4

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước 5

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 6

1.4 Hướng nghiên cứu 6

1.5 Cấu trúc luận văn 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng 8

2.2 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn 9

2.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm 11

2.4 Hệ tọa độ địa phương phần tử tham số tham chiếu Q9 14

2.5 Phương pháp tích phân biên 17

2.6 Phần tử tấm 4 nút 19

2.7 Phương trình chuyển động chất lỏng miền thời gian 20

2.8 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng 21

2.9 Ma trận FEM của tấm trong miền thời gian 23

2.10 Xấp xỉ miền thời gian 23

2.11 Giải hệ phương trình tương tác 23

2.12 Phương pháp Newmark 25

2.13 Lưu đồ tính toán 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH SỐ 28

3.1 Kiểm chứng code lập trình Matlab và so sánh kết quả tính toán với mô hình thí nghiệm của Endo và Yago (1999) [1] 30

3.2 Bài toán 1: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi vận tốc 36

3.3 Bài toán 2: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ lớn tải trọng 46

3.4 Bài toán 3: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi độ sâu đáy biển 49

3.5 Bài toán 4: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi bề dày kết cấu 55

3.6 Bài toán 5: Khảo sát ứng xử của tấm khi thay đổi chiều rộng kết cấu 60

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Kiến nghị 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 70

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 79

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka 1

Hình 1.2 Đảo nổi trên sông hàn 2

Hình 1.3 Minh họa tính trường uốn VLFS 3

Hình 2.1 Mô phỏng mô hình kết cấu nổi 9

Hình 2.2 Mô hình tấm dày Mindlin 10

Hình 2.3 Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ địa phương 15

Hình 2.4 Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ tự nhiên 15

Hình 2.5 Miền khảo sát và mặt biên tròn, nữa đường tròn [17] 18

Hình 2.6 Panel 4 nút 20

Hình 2.7 Lưu đồ tính toán 27

Hình 3.1 Mô hình tải di động trên kết cấu nổi 29

Hình 3.2 Mô hình thí nghiệm VF-10 31

Hình 3.3 Lưới FEM mô hình tấm nổi VF-10 31

Hình 3.4 Hệ tọa độ và lưới BEM mô hình tấm nổi VF-10 31

Hình 3.5 Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 1.85s 33

Hình 3.6 Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 3.65s 33

Hình 3.7 Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 5.5s 34

Hình 3.8 Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 7.3s 34

Hình 3.9 Khảo sát chuyển vị tấm tại Z5 ở thời điểm 9.4s 35

Hình 3.10 So sánh chuyển vị tấm tại Z1, Z5, Z9 với mô hình thí nghiệm VF-10 36

Hình 3.11 So sánh hình dạng chuyển vị w max của tấm ứng với giá trị V thay đổi 37

Hình 3.12 Chuyển vị tấm ứng với vận tốc V1= 20 km/h khi tải tại điểm Z5 38

Hình 3.13 Chuyển vị tấm với vận tốc V2= 40 km/h khi tải tại điểm Z5 38

Hình 3.14 Chuyển vị tấm với vận tốc V3= 60 km/h khi tải tại điểm Z5 38

Hình 3.15 Chuyển vị tấm với vận tốc V4= 80 km/h khi tải tại điểm Z5 39

Hình 3.16 Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V1= 20 km/h 39

Hình 3.17 Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V2= 40 km/h 40

Hình 3.18 Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V3= 60 km/h 40

Hình 3.19 Chuyển vị tấm theo thời gian với vận tốc V4= 80 km/h 41

Hình 3.20 Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị w max khi thay đổi vận tốc V 43

Hình 3.21 Chuyển vị của tấm chịu tải trọng di động trên nền đàn nhớt [17] 45

Hình 3.22 Phối cảnh 3D chuyển vị của tấm trên nền đàn nhớt [17] 45

Hình 3.23 So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các tải trọng P 47

Hình 3.24 Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P1=15 kN khi tải tại điểm Z5 47

Hình 3.25 Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P2= 30 kN khi tải tại điểm Z5 47

Hình 3.26 Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P3=45 kN khi tải tại điểm Z5 48

Hình 3.27 Chuyển vị tấm ứng với tải trọng P4= 60 kN khi tải tại điểm Z5 48

Hình 3.28 Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị w max khi thay đổi tải trọng P 48

Hình 3.29 So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các độ sâu H 50

Hình 3.30 Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H1=10 m 51

Hình 3.31 Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H1= 10 m khi tải tại điểm Z5 51

Hình 3.32 Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H2= 20 m 51

Hình 3.33 Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H2= 20 m khi tải tại điểm Z5 52

Hình 3.34 Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H3= 30 m 52

Hình 3.35 Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H3= 30 m khi tải tại điểm Z5 52

Hình 3.36 Chia lưới BEM cho vùng chất lỏng H4= 40 m 53

Hình 3.37 Chuyển vị của tấm ứng với độ sâu H4= 40 m khi tải tại điểm Z5 53

Hình 3.38 Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị w max khi thay đổi độ sâu H 53

Hình 3.39 Ứng xử của dầm nổi theo thời gian ứng với độ sâu khác nhau [16] 54

Hình 3.40 So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các bề dày h 56

Hình 3.41 Chuyển vị tấm ứng với bề dày h 1 =1 m khi tải tại điểm Z5 56

Hình 3.42 Chuyển vị tấm ứng với bề dày h2=2 m khi tải tại điểm Z5 57

ix

Hình 3.43 Chuyển vị tấm ứng với bề dày h3= 3 m khi tải tại điểm Z5 57

Hình 3.44 Chuyển vị tấm ứng với bề dày h4=4 m khi tải tại điểm Z5 57

Hình 3.45 Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị w max khi thay đổi bề dày h 59

Hình 3.46 So sánh chuyển vị theo thời gian tại điểm Z5 ứng với các chiều rộng B 61

Hình 3.47 Chia lưới FEM phần tử tấm B1=30 m 61

Hình 3.48 Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B1=30 m khi tải tại điểm Z5 61

Hình 3.49 Chia lưới FEM phần tử tấm B2= 60 m 61

Hình 3.50 Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B2= 60 m khi tải tại điểm Z5 62

Hình 3.51 Chia lưới FEM phần tử tấm B4= 90 m 62

Hình 3.52 Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B 4 = 90 m khi tải tại điểm Z5 62

Hình 3.53 Chia lưới FEM phần tử tấm B5= 120 m 63

Hình 3.54 Chuyển vị tấm ứng với chiều rộng B5= 3 m khi tải tại điểm Z5 63

Hình 3.55 Biểu đồ sự biến thiên chuyển vị w max khi thay đổi chiều rộng B 64

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số đầu vào của bài khảo sát 28

Bảng 3.2 Bảng thông số mô hình VF-10 30

Bảng 3.3 So sánh chuyển vị w max của tấm ứng với các giá trị V1, V2, V3, V4 37

Bảng 3.4 Sự biến thiên giá trị w max với vận tốc V từ 20 km/h đến 100 km/h 42

Bảng 3.5 Bảng thông số tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động [17] 44

Bảng 3.6 So sánh chuyển vị w max của tấm ứng với các giá trị P1, P2, P3, P4 46

Bảng 3.7 So sánh chuyển vị w max của tấm ứng với các giá trị H1, H2, H3, H4 50

Bảng 3.8 So sánh chuyển vị w max của tấm ứng với các giá trị h1, h2, h3, h4 55

Bảng 3.9 Sự biến thiên giá trị w max với bề dày h từ 1 m đến 10 m 58

Bảng 3.10 So sánh chuyển vị w max của tấm ứng với các giá trị B1, B2, B3, B4 60

Bảng 3.11 Sự biến thiên giá trị w max với chiều rộng B từ 15 m đến 120 m 64

Q9 Phần tử tứ giác 9 nút (Quadrilateral nine-node element)

L Chiều dài tấm theo phương x

B Chiều dài tấm theo phương y

E Module đàn hồi của vật liệu

G Module chống cắt đàn hồi của vật liệu

v Hệ số poisson của vật liệu

ρ Trọng luợng riêng của vật liệu

sh Mặt bên kết cấu tấm nổi

sv Mặt đáy kết cấu tấm nổi

Hình 1.1 Sân bay nổi vịnh Tokyo & Cầu nổi Yumemai-Maishima ở Osaka (http://www.abovetopsecret.com/forum/thread578035/pg & http://db.flexibilni-

architektura.cz/o/35)

Hình 1.2 Đảo nổi trên sông hàn (http://news.zing.vn/dao-nhan-tao-lon-nhat-the-gioi-tai-seoul-post267978.html)

Kết cấu tấm nổi có kích thước rộng thường khoảng 5 km dài, l km rộng và chỉ có

vài mét theo độ sâu Nên kết cấu tấm nổi có kích thước theo phương ngang lớn hơn

bề dày rất nhiều, do đó kết cấu tấm nổi rất dễ uốn so với kết cấu ngoài khơi khác (Hình 1.3), dẫn đến sự biến dạng đàn hồi sẽ vượt trội hơn so với chuyển động của tấm cứng Vì vậy, tương tác giữa áp lực thủy động lực học và biến dạng đàn hồi hay còn gọi là Hydroelastic giữ vai trò chủ yếu trong ứng xử động lực học.Và cho đến nay, nhiều mô hình số học đã được phát triển để phân tích ứng xử Hydroelastic Từ bước phân tích đơn giản nhất là thực hiện với mô hình kết cấu một phương (mô hình dầm) và vùng chất lỏng hai phương, cho đến việc phân tích một cách chi tiết chính xác hơn với mô hình kết cấu và vùng chất lỏng theo ba phương Về phần kết cấu, kết cấu nổi thường là kết cấu bê tông và kết cấu thép Chúng được khảo sát như một tấm đàn hồi tuyến tính với cạnh tự do Chuyển động theo phương ngang của hệ thống kết cấu là nhỏ nên chỉ xem xét chuyển động theo phương đứng Đồng thời, khi khảo sát ứng xử Hydroelastic, lực cản nhớt giữa mặt nước và kết cấu thường rất nhỏ so với lực cản tổng quát do quá trình tạo sóng trong một chu kỳ đặc trưng của sóng nên được bỏ qua

Tổng quan 3

Hình 1.3 Minh họa tính trường uốn VLFS Chính vì các đặc điểm trên mà phân tích động lực học kết cấu tấm nổi nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới, tiêu biểu năm Endo và Yago (1999) [1] tiến hành thí nghiệm và đo đạc chuyển vị của mô hình VF-10 (mô hình thí nghiệm VF-10 tại biển của Viện Nghiện Cứu Kỹ Thuật Mega-Float, VF-10 là Pon-toon có dạng tấm chữ nhật, được thiết kế tương tự với MF-300

theo quy luật bản sao với một trọng lượng 69 kN di động) đưa ra biểu đồ ứng xử

chuyển vị theo thời gian của mô hình, đây là một dữ liệu thực tế, quan trọng để nghiên cứu các vấn đề kết cấu tấm nổi Tuy nhiên nghiên cứu này vẫn còn hạn chế như kích thước và tải trọng tác dụng vào mô hình chưa đúng thực tế, chưa kiểm chứng khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi áp dụng vào thực tế dưới sự ảnh hưởng của vận tốc, tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi Do

đó, luận văn này được thực hiện với mục đích nghiên cứu khảo sát làm rõ thêm các vấn đề về ứng xử chuyển vị của kết cấu nổi khi chịu tải tập trung di động với kích thước, tải trọng thực tế và ứng xử kết cấu khi thay đổi các điều kiện như tải trọng,

độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng kết cấu tấm nổi Sử dụng phương pháp kết hợp BEM-FEM (Boundary Element Method- Finite Element Method) để khảo sát ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi

1.2 Tình hình nghiên cứu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều phương pháp số được thiết lập

để tính toán và phân tích ứng xử động của kết cấu tấm nổi chịu tác động của tải trọng di động

1.2.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước

Trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu tấm chịu tải di động có thể kể đến Stoke (1849) [2] nghiên cứu về một phương trình vi phân liên quan đến sự phá vỡ của các cây cầu đường sắt vào thế kỉ 19 và ứng dụng của nghiên cứu này vẫn rất hiệu quả trong việc tính toán thiết kế lòng đường, cầu cho xe lửa băng qua Mathews (1958) [3], (1959) [4] với nghiên cứu rung động của dầm trên nền đàn hồi đã giải quyết vấn đề động lực của một tải bất kì khi tải trọng di chuyển dọc theo một dầm có chiều dài vô hạn tựa trên một nền đàn hồi bằng phương pháp biến đổi Fourier Timoshenko (1974) [5] nghiên cứu vấn đề rung động trong kỹ thuật, đã giải phương trình vi phân tổng quát trong miền thời gian cho một dầm đơn giản chịu tác dụng của tải di động bằng phương pháp chồng chất Cai và cộng sự (1988) [6] nghiên cứu phản ứng động của dầm dưới một lực chuyển động, cũng sử dụng phương pháp chồng chất để giải quyết bài toán tải di động trên một dầm đồng nhất, vô hạn trên con lăn hỗ trợ tuần hoàn Chen và Huang (2000) [7] nghiên cứu độ cứng động học của dầm Timoshenko vô hạn trên nền tảng có khả năng chống dính trong chuyển động phối hợp, đã xét tải trọng không đổi di chuyển với vận tốc dọc theo một dầm Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt

Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích ứng xử kết cấu nổi có thể kể đến nghiên cứu của Yoshida và Weaver (1971) [8] đã phân tích phần

tử hữu hạn của dầm và tấm với tải di động, nghiên cứu này đã dùng phương pháp FEM để phân tích dầm và tấm tựa đơn chịu tải trọng chuyển động và khối lượng chuyển động Trong nghiên cứu này, khối lượng chuyển động được mô hình hóa để phân tích sự tương tác giữa mặt đường và sự chuyển động xe Wu và cộng sự (1987) [9] phân tích động lực học của một tấm phẳng theo một tải di chuyển bằng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu phản ứng động của kết cấu tấm với các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của tấm như chiều dài tấm, gia tốc và vận tốc ban đầu

tử hữu hạn đã trình bài kết quả số cho ứng xử đàn hồi của một tấm tròn nổi chịu tác dụng của tải xung Qiu và Liu (2007) [15] gần đây với nghiên cứu phân tích miền thời gian ba chiều của các cấu trúc nổi rất lớn phải chịu tải bên ngoài không ổn định, bằng việc phát triển phương pháp miền thời gian để phân tích ứng xử hydroelastic đặc trưng tấm chịu tải di động Liu-chao Qiu (2009) [16] đã thực hiện

mô hình hóa và mô phỏng các phản ứng của dầm nổi trong điều kiện vùng nước sâu dưới tác dụng của tải di động

1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước

Nhi (2014) [17] trong luận văn thạc sĩ đã phân tích động lực học tấm Mindlin trên nền đàn nhớt chịu tải di động sử dụng phần tử 2-D chuyển động Gần đây có Vũ (2016) [18] phân tích động lực học kết cấu nổi siêu lớn (VLFS) dưới tác dụng đồng thời sóng biển và tải tập trung di động sử dụng phương pháp phần tử chuyển động bằng phương pháp BEM-MEM nghiên cứu trên đã tiến hành khảo sát ứng xử của kết cấu nổi khi thay đổi vận tốc và độ lớn tải trọng Trường (2017) [19] trong luận văn thạc sĩ đã phân tích động lực học kết cấu nổi lớn chịu tải trọng xung bằng phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn và phần tử biên từ đó rút ra nhận xét về ứng

xử của kết cấu khi thay đổi kích thước lưới phần tử, các dạng tải xung khác nhau,

thay đổi độ lớn của tải xung, thay đổi độ sâu của nước, thay đổi tỉ số cản với tải xung là các tải hình sin, chữ nhật, tam giác và không biến đổi theo không gian Tuy nhiên về việc ứng dụng phương pháp BEM-FEM để phân tích động lực học kết cấu tấm nổi dưới tác dụng tải trọng tập trung di động (tải biến đổi theo không gian) vẫn chưa được đề cập đến Do đó, luận văn này tập trung nghiên cứu áp dụng kết hợp phương pháp phần tử biên (BEM) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong vấn đề “Phân tích động lực học kết cấu tấm nổi VLFS dưới tác dụng tải trọng tập trung di động” góp phần đưa ra kết quả chính xác so với thực tế, từ đó rút ra nhận xét về ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi chịu tải tập trung di động dưới sự thay đổi vận tốc, độ lớn tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng tấm nổi bằng phương pháp BEM-FEM góp phần làm rõ thêm các vấn đề về ứng xử chuyển vị của kết cấu nổi dưới tác dụng các tác nhân trên

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài nhằm khảo sát ứng xử chuyển vị của tấm nổi dưới sự ảnh hưởng do tốc độ di chuyển của tải trọng, khối lượng tải trọng, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng tấm nổi bằng phương pháp kết hợp phần tử biên và phần tử hữu hạn (BEM-FEM) để phân tích ứng xử động lực học của kết cấu tấm nổi chịu tải tập trung di động

1.4 Hướng nghiên cứu

Xây dựng thuật toán giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng trong miền thời gian

Phát triển thuật toán Matlab giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng trong miền thời gian

Các vấn đề nghiên cứu khảo sát cụ thể trong phạm vi luận văn bao gồm:

• Thiết lập các ma trận khối lượng, độ cứng, cản cho các phần tử tấm dày Mindlin

• Xây dựng thuật toán Matlab giải hệ phương trình tương tác giữa kết cấu và chất lỏng trong miền thời gian

và nhận xét

1.5 Cấu trúc luận văn

Nội dung trong luận văn được trình bày như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kết cấu tấm nổi VLFS, tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước cũng như mục tiêu và hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 2: Trình bày các công thức phần tử hữu hạn để phân tích động lực kết cấu tấm nổi VLFS chịu tải trọng di động

Chương 3: Trình bày các kết quả phân tích số được tính toán bằng ngôn ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình tương tác của kết cấu và chất lỏng, tiến hành kiểm chứng với mô hình thí nghiệm VF-10 của Endo và Yago (1999) [1], khảo sát ứng xử chuyển vị của kết cấu tấm nổi dưới ảnh hưởng của sự thay đổi vận tốc, trọng lượng của tải di động, độ sâu đáy biển, bề dày và chiều rộng của kết cấu tấm nổi

Chương 4: Ðưa ra một số kết luận quan trọng đạt được trong luận văn và kiến nghị hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Tài liệu tham khảo, trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày các công thức cơ bản của tấm chịu uốn và thiết lập công thức

để phân tích sự tương tác của kết cấu và chất lỏng trường hợp chịu tải trọng tập trung di động

2.1 Mô hình tấm và chất lỏng

Mô hình kết cấu tấm nổi có dạng hình chữ nhật với các cạnh là L và B, hệ tọa độ,

chiều mặt biên và miền chất lỏng sử dụng cho mô hình được thể hiện trong Hình

2.1 Trong đó P là tải trọng, V là vận tốc của tải trọng, H là độ sâu, d là phần chìm kết cấu trong nước, L là chiều dài kết cấu, Γb là biên tại độ sâu đáy biển,Γsh là biên ở mặt bên kết cấu tấm nổi, Γsv là biên ở mặt đáy kết cấu tấm nổi, Γ là biên fmặt thoáng chất lỏng, Γ∞ là biên mặt chất lỏng giả định ở vô cực Các giả thuyết cho kết cấu tấm là đồng nhất, đàn hồi và ràng buộc theo phương trong mặt phẳng, nước được giả định là một chất lỏng đồng nhất và không nhớt, không nén, không xoáy và dòng chảy có thế, chuyển động của chất lỏng được giả thuyết là nhỏ để xây dựng phương trình chuyển động cho chất lỏng dựa trên lý thuyết sóng tuyến tính Trong quá trình phân tích Hydroelastic, kết cấu được mô phỏng như một tấm đồng nhất và cứng Tấm nổi được giả thuyết là hoàn toàn phẳng và các cạnh tựa tự do Vật liệu của tấm là đẳng hướng hoặc trực hướng và tuân theo định luật Hooke Ðối với việc phân tích Hydroelastic phổ biến nhất là sử dụng các lý thuyết tấm dày Mindlin, lý do tấm dày Mindlin có khả năng cung cấp các kết quả và dự đoán chính xác hơn và các tác động mặt cắt ngang khi biến dạng và quán tính quay Sự

chuyển động của tấm dày Mindlin được biểu diễn thông qua góc quay quanh trục x

là Ψ và trục y là Ψ Trong khi phân tích, kết cấu tấm được giả định là không

Hình 2.1 Mô phỏng mô hình kết cấu nổi

2.2 Lý thuyết tấm Mindlin chịu uốn

Mô hình Reissner-Mindlin (Hình 2.2) với Ψx là góc xoay của tấm quay quanh trục

y; Ψy là góc xoay của tấm quay quanh trục x; u,v,w là chuyển vị của tấm theo phương x,y,z Theo mô hình Reissner-Mindlin các đoạn thẳng vuông góc với mặt

trung bình vẫn thẳng trong quá trình biến dạng nhưng không còn vuông góc với mặt trung gian nữa và các góc vuông này bị thay đổi một lượng đúng bằng biến dạng trượt trung bình gây ra bởi lực cắt Như vậy góc xoay tổng cộng của mặt cắt gồm

hai phần, phần thứ nhất do độ võng của tấm khi các pháp tuyến vẫn còn vuông góc với mặt trung bình, phần thứ hai là do biến dạng trượt trung bình gây ra

Hình 2.2 Mô hình tấm dày Mindlin Phương trình chuyển động có xét áp lực sóng biển của tấm dày Mindlin được đưa ra:Equation Chapter 2 Section 1

2 2

=+ là hệ số

mô đun cắt (hay momen đàn hồi trượt), v là hệ số poisson, trọng lượng riêng vật

Moment uốn:

0

y x

x

Ψ Ψ

2.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho kết cấu tấm

Độ võng, góc xoay và các biến phân của tấm nổi được biểu diễn bởi đa thức xấp xỉ với hệ số là giá trị tại các nút như bên dưới:

n

i i i

trong đó w là độ võng của tấm, Ψ là góc xoay theo trục y, x Ψ là góc xoay theo y

trục x, N được chọn là hàm dạng cho phần tử tấm Từ đó, véctơ nghiệm d và biến

phân của nó tại mỗi nút có dạng như bên dưới

3 2

3 13

3 2

3 13

i x y i x y

(2.19)

Cơ sở lý thuyết 13

00

v v

qua tỷ số cản và khối lương suy rông như sau:

C =ζ M ω trong đó Mn là khối lượng suy rông ứng với mỗi mode dao động

2.4 Hệ tọa độ địa phương phần tử tham số tham chiếu Q9

Rời rạc hóa miền bài toán Ω thành N e phần tử tứ giác chín nút Q9 (Hình 2.3) sao

Cơ sở lý thuyết 15

Hình 2.3 Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ địa phương

Vì liên quan đến các phép tính tích phân sau này, để cho việc chuẩn hoá các tọa độ tiện lợi hơn nên ta chọn 1-2 có η = − , cạnh 3-4 có 1 η= , cạnh 2-3 có 1 ξ = , cạnh 11-4 có ξ = − (Hình 2.4) 1

Hình 2.4 Phần tử tứ giác Q9 trong hệ tọa độ tự nhiên Dạng hình học của phần tử được cho bởi tổ hợp tuyến tính:

Ba đại lượng chuyển vị độc lập của phần tử được nội suy theo các chuyển vị nút tương ứng như sau:

Quan hệ giữa các đạo hàm của các hàm dạng N i trong tọa độ tự nhiên oξη và

tọa độ tổng thể oxy được cho bởi:

Hình 2.5 Miền khảo sát và mặt biên tròn, nữa đường tròn [17]

1 4

Xét phần tử hằng j chứa điểm gốc j với u i và q i lần lượt là giá trị của hàm u(x) và

q(x) theo phương pháp tuyến n Vì trục tọa độ ở phần tử hằng j vuông góc với

pháp tuyến n nên khi j chứa điểm kì dị I, phần tử này có các giá trị [20] như sau:

i ij

với: x, y là tọa độ điểm gốc, R n là khoảng cách từ điểm gốc đến đỉnh thứ n, s n là độ

dài cạnh tạo bởi đỉnh n và n+1 lần lượt theo thứ tự trên Hình 2.6 Đối với phần tử j

không chứa bất kì điểm kỳ dị, ta dùng phương pháp tích phân số Guass để tính toán giá trị tích phân

Hình 2.6 Panel 4 nút

2.7 Phương trình chuyển động chất lỏng miền thời gian

Thế vận tốc của sóng tán xạ được viết dưới dạng: φs (x, y, z, t)

Các điều kiện biên viết lại trong miền thời gian:

• Điều kiện đáy biển:

Cơ sở lý thuyết 21

0

sv trên

2.8 Phương pháp phần tử biên cho chuyển động của chất lỏng

Nghiệm cơ sở thỏa mãn phương trình (2.53), (2.54), (2.55), (2.56) được sử dụng như là hàm Green cho mô hình:

Miền biên được giả thuyết rời rạc N phần tử chữ nhật hằng Giá trị của hàm

thế và đạo hàm được giả thuyết là không đổi trên mỗi phần tử và bằng giá trị tại tâm của phần tử Phương trình (2.59) được đưa về dạng bên dưới cùng với các điều kiện biên

1

, ,2

φφφφ

Cơ sở lý thuyết 23

2.9 Ma trận FEM của tấm trong miền thời gian

Kết cấu được rời rạc vào những phần tử hữu hạn dựa trên lý thuyết tấm dày Minlin Phương trình chuyển động của kết cấu được cho bởi:

2

ext +ρ

Mw +Cw + Kw = F&& & L Φ& (2.66)

với M, K, C lần lượt là ma trận khối lượng, cản và cứng tổng thể; w là véctơ chuyển vị node tổng thể, L 2 là ma trận chuyển đổi tải trọng phân bố đều trên mỗi panel thành các lực tập trung tại nút, Fextlà véctơ tải trọng nút do hoạt tải bên trên tấm gây ra

2.10 Xấp xỉ miền thời gian

Hàm thế chất lỏng được xấp xỉ theo phương pháp Implicit của Houbolt:

2.11 Giải hệ phương trình tương tác

Giải hệ phương trình tương tác thay phương trình (2.67), (2.68) và các điều kiện biên vào (2.69) và (2.70) được viết lại:

,t ,t t ,t t xN

với F ext là véctơ tải trọng nút của họat tải bên trên kết cấu

Phương trình động lực học tổng quát của kế cấu nổi

Áp dụng phương pháp Newmark cho phương trình wn t,+∆t, w &n t,+∆t, w &&n t,+∆t

(2.80) từ đó, thế của sóng biển tính được từ phương trình sau: