Ứng dụng một số phần tử hữu hạn cải biên trong phân tích giàn tự nâng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN CƠ HỌC NGUYỄN HỮU CƯỜNG ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NNG LUN VN THC S H NI 2007 Đại học quốc gia hà nội Viện khoa học công nghệ việt nam tr-ờng đại học công nghệ viện học NGUYỄN HỮU CƯỜNG ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 60 44 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS Đào Như Mai HÀ NỘI 2007 Luận văn thạc sĩ MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG 1.1 Lịch sử phát triển giàn tự nâng 1.2 Cấu tạo chức phận 1.2.1 Thân giàn 1.2.2 Các chân chân đế 1.2.3 Các thiết bị 1.2.4 Tải trọng ban đầu đâm xuyên chân đế 1.3 Các chế độ làm việc giàn tự nâng 1.3.1 Chế độ 1.3.2 Chế độ kích nâng 1.3.3 Chế độ nâng (chế độ làm việc) 1.4 Các vấn đề cần quan tâm mơ hình phân tích giàn tự nân 1.5 Cơng cụ phân tích 1.5.1 Phƣơng pháp 1.5.2 Phần mềm áp dụng Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ 1.6 Kết luận chƣơng CHƢƠNG CÁC MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN 2.1 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.1.1 Nội dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.1.2 Mô tả toán học phƣơng pháp phần tử hữu hạ 2.1.3 Phân tích khung khơng gian (Phần tử dầm ba ch 2.2 Phần tử dầm cải biên 2.2.1 Phần tử dầm hai chiều có kể đến ảnh hƣởng 2.2.2 Mơ hình liên kết biên 2.3 Một số ví dụ áp dụng 2.3.1 Áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn tính tốn 2.3.2 Phân tích khung khơng gian 2.4 Kết luận chƣơng CHƢƠNG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG 3.1 Cở sở phân tích 3.2 Các hiệu ứng động lực 3.3 Mơ hình hoá cấu trúc 3.3.1 Mơ hình dầm cột 3.3.2 Mơ hình liên kết biên 3.4 Sóng tải trọng sóng tác động lên kết cấu 3.4.1 Các giả thiết sóng biển 3.4.2 Lý thuyết sóng Ery Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ 3.4.2 Công thức Morison 3.5 Các phần mềm áp dụng cho tính tốn giàn tự nâng 3.5.1 Chƣơng trình phân tích kết cấu phƣơng pháp phần tử hữu hạn 3.5.2 Phần mềm tính tốn tải trọng sóng tác dụng lên giàn tự nâng 3.6 Ví dụ áp dụng phân tích giàn tự nâng KẾT LUẬN PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA LUẬN VĂN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ Jx , Jy , Jz mơmen qn tính tƣơng ứng theo trục x, y, z U- Trƣờng chuyển vị M – ma trận độ cứng C - ma trận hệ số cản K - ma trận độ cứng tổng thể P - lực dọc trục tác động lên phần tử Te –ma trận chuyển đổi hệ trục toạ độ  - ma trận hàm dạng phần tử D - ma trận hệ số đàn hồi  - tenxo ứng suất  - mật độ phân bố khối lƣợng phần tử E – modul đàn hồi G – modul trƣợt F - tiết diện mặt cắt ngang L - Chiều dài phần tử H – ma trận nội suy chuyển vị H – lực tác động lên chân đế theo phƣơng ngang M – mô ment tác động lên chân đế M1 , M2 mô ment tác dụng lên hai đầu phần tử V – lực tác dụng lên chân đế theo phƣơng thẳng đứng 1 ,2 - góc xoay hai đầu phần tử v, , h - lần lƣợt chuyển dịch theo phƣơng thẳng đứng, góc xoay chuyển vị theo phƣơng ngang chân đế Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ Hình Hình 1.1 mơ hình giàn tự nâng Hình 2.1 mơ hình phần tử dầm chiều Hình 2.2 (a) phần tử dầm Euler, (b) hƣớng dƣơng trục toạ độ (c) hƣớng dƣơng nội lực ngoại lực tác động lên phân tố Hình 2.3.1 lực thành phần chuyển vị hai đầu phần tử dầm Hình 2.3.2 phần tử dầm chiều với bậc tự Hình 2.4 mơ hình khung phẳng chiều Hình 2.5 tám dạng riêng khung phẳng Hình 2.6 chuyển vị bậc tự thứ 11 Hình 2.7 dao động theo phƣơng ngang bậc tự thứ (a) trƣờng hợp nén dọc trục, (b) kéo dọc trục Hình 2.8 mơ hình khung khơng gian Hình 2.9 chuyển vị theo phƣơng ngang nút 10 Hình 3.1 mơ hình dầm cột tƣơng đƣơng cho giàn tự nâng Hình 3.2 phần tử dầm Euler có kể đến ảnh hƣởng lực dọc trục Hình 3.3 lực chuyển dịch chân đế Hình 3.4 hình trụ nằm nƣớc Hình 3.5 đƣa tải trọng đầu nút Hình 3.6 sơ đồ khối chƣơng trình DIAGANA Hình 3.7 mơ hình giàn tự nâng cassidy Hình 3.8 mặt sóng tác động lên chân đế Hình 3.9 tải trọng sóng tác động lên giàn theo phƣơng ngang Hình 3.10 chuyển vị ngang sàn Hình 12 chuyển vị sàn theo phƣơng thẳng đứng Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Bảng 2.1 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho chân đế hình nón đƣợc cắm không nén đƣợc (công bố Bell) Bảng 2.2 Các hệ số độ cứng đàn hồi cho chân đế hình nón với thay đổi góc đính đƣợc cắm khơng nén đƣợc Bảng 2.3 Thơng số hình học khung 2D Bảng 2.4 Thơng số hình h Bảng 3.1 Các thơng số củ Bảng 3.2 Các thông số củ Bảng 3.3 Các tần số riêng Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học MỞ ĐẦU Giàn tự nâng dạng cơng trình có nhiều tính cơng dụng: thăm dị khai thác dầu khí biển, phục vụ xây dựng cơng trình biển, dịch vụ kỹ thuật biển Giàn tự nâng chất tổ hợp thiết bị lắp đặt sàn cơng tác Sàn cơng tác có hai trạng thái: di chuyển phao nổi, cơng tác đƣợc nâng lên chân đế làm việc nhƣ giàn cố định Do đặc tính linh động di chuyển nhƣ phƣơng tiện ổn định tốt làm việc dƣới tác động tải trọng mơi trƣờng (sóng, gió, dịng chảy…) nhƣ cơng trình biển cố định, giàn tự nâng ngày đƣợc sử dụng rộng rãi xây dựng cơng trình biển Tại Việt Nam số giàn tự nâng đƣợc sử dụng phục vụ cho công tác thăm dị dầu khí biển (các giàn Cửu Long Tam Đảo) phục vụ xây dựng cơng trình biển (có số giàn cỡ nhỏ đơn vị nƣớc thiết kế chế tạo) Với tầm quan trọng công nghiệp khai thác xa bờ, ngày thiết kế, chế tạo giàn khoan di động trở thành ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ giới Việc nghiên cứu, phân tích ứng xử động lực học giàn dƣới tác động tải trọng mơi trƣờng đóng vai trị thiết yếu quan trọng việc nâng cao hiệu kinh tế giảm thiểu rủi ro Với kết cấu giàn tự nâng làm việc vùng biển sâu tiến hành phân tích động lực học việc sử dụng mơ hình khung giằng đƣa đến mơ hình lớn với nhiều bậc tự tính tốn trở nên phức tạp tính tải trọng sóng nhƣ tiến hành phân tích Do nhà tính tốn thƣờng đƣa chân đế mơ hình phần tử dầm cột tƣơng đƣơng [10, 12, 14], cách mô cho ta ƣu số bậc tự tốn khơng lớn nên phù hợp tiến hành phân tích động nhƣ xem xét tác động ngẫu Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học nhiên tải trọng sóng lên cơng trình [11, 15] Khi đƣa chân đế mơ hình dầm-cột hiệu ứng Euler đáng kể tiến hành phân tích ứng xử động kết cấu Các tác giả Cassidy M.J., Taylor R.E., Houlsby G.T, Williams M S., Thompson R.S G [11,15,16] dùng mơ hình phần tử dầm – cột phi tuyến tính tốn giàn tự nâng Liên kết chân giàn với đáy biển tốn khó, đƣợc đặt hàng đầu Vì phần lớn tính ổn định thân giàn đƣợc cung cấp chân đế mà vững chân đế phụ thuộc lớn vào liên kết chúng với đáy biển Để đơn giản tính tốn, trƣớc tác giả thƣờng dùng mơ hình liên kết khớp mơ hình lị xo tuyến tính với thành phần độ cứng độc lập theo ba phƣơng trực giao Tuy nhiên, ngày làm việc vùng nƣớc sâu chịu ảnh hƣởng môi trƣờng khắc nghiệt hơn, mơ hình liên kết trở nên không phù hợp không mô tả cách sát thực liên kết chân đế Với lí nhƣ luận văn đặt số nhiệm vụ sau đây:  Xây dựng mơ hình phần tử dầm cải biên có kể đến ảnh hưởng lực dọc trục - thiết lập ma trận phần tử  Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn mơ tả tương tác đế móng với đất với giả thiết đáy biển có ứng xử đàn hồi tuyến tính có kể đến tương quan xoay chuyển vị ngang  Xây dựng mô dun tính tốn ma trận phần tử hữu hạn cải biên xây dựng trên, để ghép nối vào chương trình tính tốn phân tích giàn tự nâng Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học % for i=1:5 [k,m,c]=beam2d_axial(Ex(i,:),Ey(i,:),epv1,P); K=assem(Edof(i,:),K,k); M=assem(Edof(i,:),M,m); C=assem(Edof(i,:),C,c); end for i=6:10 [k,m,c]=beam2d_axial(Ex(i,:),Ey(i,:),epv2,2*P); K=assem(Edof(i,:),K,k); M=assem(Edof(i,:),M,m);C=assem(Edof(i,:),C,c); end [k,m,c]=beam2d(Ex(11,:),Ey(11,:),eph); K=assem(Edof(11,:),K,k); M=assem(Edof(11,:),M,m);C=assem(Edof(11,:),C,c); % END -% END -% % TRUONG HOP KHONG TINH DEN ANH HUONG CUA LUC DOC TRUC % % % % MO HINH NEN TUYEN TINH -%%%% [k1,m1,c]=beam2d_spud(Ex(1,:),Ey(1,:),epv1,sp); K1=assem(Edof(1,:),K1,k1); M1=assem(Edof(1,:),M1,m1); C=assem(Edof(1,:),C,c); for i=2:5 [k1,m1,c]=beam2d(Ex(i,:),Ey(i,:),epv1); K1=assem(Edof(i,:),K1,k1); M1=assem(Edof(i,:),M1,m1); C=assem(Edof(i,:),C,c); end [k1,m1,c]=beam2d_spud(Ex(6,:),Ey(6,:),epv2,sp); K1=assem(Edof(6,:),K1,k1); M1=assem(Edof(6,:),M1,m1);C=assem(Edof(6,:),C,c); for i=7:10 [k1,m1,c]=beam2d(Ex(i,:),Ey(i,:),epv2); K1=assem(Edof(i,:),K1,k1); M1=assem(Edof(i,:),M1,m1);C=assem(Edof(i,:),C,c); end [k1,m1,c]=beam2d(Ex(11,:),Ey(11,:),eph); K1=assem(Edof(11,:),K1,k1); M1=assem(Edof(11,:),M1,m1);C=assem(Edof(11,:),C,c); % % END %%%%% % % -MO HINH NGAM %%% Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học for i=1:5 [k1,m1,c1]=beam2d(Ex(i,:),Ey(i,:),epv1); K1=assem(Edof(i,:),K1,k1); M1=assem(Edof(i,:),M1,m1);C1=assem(Edof(i,:),C1,c1); end for i=6:10 [k1,m1,c]=beam2d(Ex(i,:),Ey(i,:),epv2); K1=assem(Edof(i,:),K1,k1); M1=assem(Edof(i,:),M1,m1);C1=assem(Edof(i,:),C1,c1); end [k1,m1,c]=beam2d(Ex(11,:),Ey(11,:),eph); K1=assem(Edof(11,:),K1,k1); M1=assem(Edof(11,:),M1,m1);C1=assem(Edof(11,:),C1,c1); % END % END % -tinh toan cac tan so rieng va gia tri rieng voi cac truong hop % khac cua mo hinh nen b=[1 6]'; b1=[1 5]'; %mo hinh khop b2=[1 6]'; %mo hinh ngam [La2, Egv2]=eigen(K,M); Freq=sqrt(La)/(2*pi) [La1, Egv1]=eigen(K1,M1,b1); Freq1=sqrt(La1)/(2*pi) [La2, Egv2]=eigen(K1,M1,b2); Freq2=sqrt(La1)/(2*pi) % transient Load dt=0.01; T=80; % the load - G=[0 0; 10 11 12 13 14 15 16 0; 0.1; 0.2; 0.3; 0.1; 0; -0.1; Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ 26 0.7; 27 0.8; 28 0.5 29 0.2 30 0; 31 -0.5 32 -1.07; 33 -4 35 -3.3; 36 -2 37 0; 38 4; 39 40 8.5; 41 42 4.5; 43 2.5; 44 1.5; 45 0; 46 -3.8; 47 -3; 48 -2.8; 49 -1.3; 50 -1; 51 0; 52 2; 53 1.8; 54 1.45; 55 1.2 56 1; 57 0.3; 58 0; 59 -0.3; 60 -0.28; 61 -0.2 62 -0.09; Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ 36 -0.4 37 0; 38 -0.05; 39 -0.09 40 -1.2; 41 42 1.9; 43 3.2; 44 2.7; 45 1.3; 46 0; 47 -1.2; 48 -2.3; 49 -2.8; 50 -3.2; 51 -1.4; 52 0; 53 0.03; 54 0.07; Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ [t,g]=gfunc(G,dt); [t,g1]=gfunc(G1,dt); f=zeros(36, length(g)); f(19,:)=10e6*g; f(22,:)=10e6*g1; bc=[1 0; 0; 0; 0; 0; 0]; bc1=[1 0; 0; 0; 0]; d0=zeros(36,1); v0=zeros(36,1); % output parameters ntimes=[0.1:0.1:80]; nhist=[31 32 33 34 35 36 ]; % time intergration parameters ip=[dt T 0.25 0.5 length(ntimes) ntimes nhist]; % ip1=[dt T 0.25 0.5 length(ntimes) ntimes nhist1]; % time intergration k2=sparse(K2); m2=sparse(M2); k1=sparse(K1); m1=sparse(M1); k=sparse(K); m=sparse(M); [Dsnap,D20,V20,A20]=newmark_solver(k2,C2,m2,d0,v0,ip,f); [Dsnap,D21,V21,A21]=newmark_solver(k2,C2,m2,d0,v0,ip,bc); [Dsnap,D22,V22,A22]=newmark_solver(k2,C2,m2,d0,v0,ip,bc1); [Dsnap,D10,V10,A10]=newmark_solver(k1,C1,m1,d0,v0,ip,f); [Dsnap,D11,V11,A11]=newmark_solver(k1,C1,m1,d0,v0,ip,f,bc); [Dsnap,D,V,A]=newmark_solver(k1,C1,m1,d0,v0,ip,f,bc1); %figure(1), plot(t,D2(2,:),'-',t,D(2,:)) figure(1), plot(t,D20(1,:),'-',t,D21(1,:),t,D22(1,:)) grid, xlabel('thoi gian (s)'), ylabel('chuyen vi cua san (m)'); text(52, 2.3, 'mo hinh khop') text(48, 1.8, 'mo hinh nen ung xu tuyen tinh') text(52 ,1.3, 'mo hinh ngam') figure(2), plot(t,D20(1,:),t,D10(1,:)) grid, xlabel('thoi gian (s)'), ylabel('chuyen vi cua san theo phuong thang dung (cm)'); Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học text(42, 22, 'co tinh den anh huong cua luc doc') text(45, 18, 'khong tinh den anh huong cua luc doc') figure(3), plot(t,D20(2,:),t,D21(2,:)) grid, xlabel('thoi gian (s)'), ylabel('chuyen vi cua san theo phuong thang dung (cm)'); text(54, -2.8, 'mo hinh ngam') text(52, -5.2, 'mo hinh nen tuyen tinh') figure(4), plot(t,D2(1,:),t,D1(1,:)) grid, xlabel('thoi gian (s)'), ylabel('chuyen vi cua san (m)'); Phụ lục Mơ đun phần tử dầm cải biên có kể đến ảnh hưởng lực dọc trục % -phan tu dam cai bien co ke den anh huong luc doc-function [Ke,Me,Ce]=beam2d_axial(ex,ey,ep,P) % ma tran cung co anh huong den luc doc truc, % [Ke,Me]=beam2d_axial(ex,ey,ep,P) % [Ke,Me,Ce]=beam2d_axial(ex,ey,ep,P) % % INPUT: ex = [x1 x2] % ey = [y1 y2]toa nut phan tu % % ep = [E A I m (a b)] % E: mo dun dan hoi Young % A: dien tich mat cat ngang % I: momen quan tinh khoi luong % m: khoi luong tren don vi dai % a,b: cac he so can % Ce=aMe+bKe % k1,k2,k3,k4: cac he so cung dan hoi cua chan de % r: ban kinh cua chan de % OUTPUT: % Ke : ma tran cung phan tu (6 x 6) % Me : ma tran khoi luong phan tu % Ce : ma tran he so can Học viên: Nguyễn Hữu Cường Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học % k1=sp(1); k2=sp(2); k3=sp(3); k4=sp(4); r=sp(5); G=sp(6); b=[ ex(2)-ex(1); ey(2)-ey(1) ]; L=sqrt(b'*b); n=b/L; E=ep(1); A=ep(2); I=ep(3); m=ep(4); a=0 ; b=0 ; if length(ep)==6 ; a=ep(5) ; b=ep(6) ; end % if P>0 %truong hop nen doc truc phi=l*sqrt(P/(E*I)); delta=2*(1-cos(phi))-phi*sin(phi); c1=phi^3*sin(phi)/delta; c2=phi^2*(1-cos(phi))/delta; c3=phi*(sin(phi)-phi*cos(phi))/delta; c4=phi*(phi-sin(phi))/delta else % P2); pd=bc(:,2:nstep+2); pv(:,1)=(pd(:,2)-pd(:,1))/dt; %size(pd), size(bc),size(pv), pv(:,2:nstep+1)=(pd(:,2:nstep+1)pd(:,1:nstep))/dt; end pdof=bc(:,1); fdof(pdof)=[]; Keff = M(fdof,fdof)+b3*C(fdof,fdof) +b4*K(fdof,fdof); end if (bound==0); Keff = M+b3*C+b4*K; end [L,U]=lu(Keff); dnew=d0(fdof); vnew=v0(fdof); anew=a0(fdof); isnap=1; for j = 1:nstep; time=dt*j; dold=dnew; vold=vnew; aold=anew; dpred=dold+dt*vold+b1*aold; vpred=vold+b2*aold; if (bound==0); reff=tf(:,j+1)-C*vpred-K*dpred; end if (bound==1); pdeff=C(fdof,bc)*pv(:,j+1)+K(fdof,bc)*pd(:,j+1); reff=tf(fdof,j+1)-C(fdof,fdof)*vpred-K(fdof,fdof)*dpred-pdeff; end Học viên: Nguyễn Hữu Cường Viện Cơ học Luận văn thạc sĩ y=L\reff; if (nhist > | nsnap > 0); if (bound==1); tempd(bc)=pd(:,j+1); tempv(pdof)=pv(:,j+1); end tempd(bc)=dnew; tempv(bc)=vnew; tempa(bc)=anew; if (nhist > 0); D(:,j+1) = tempd(listh); V(:,j+1) = tempv(listh); A(:,j+1) = tempa(listh); end if (nsnap > & isnap = lists(isnap)); Dsnap(:,isnap) = tempd; isnap=isnap+1; end end end end % end Học viên: Nguyễn Hữu Cường Thank you for evaluating AnyBizSoft PDF Merger! To remove this page, please register your program! Go to Purchase Now>> AnyBizSoft PDF Merger  Merge multiple PDF files into one   Select page range of PDF to merge Select specific page(s) to merge Extract page(s) from different PDF files and merge into one  ... đại học công nghệ viện học NGUYN HU CƯỜNG ỨNG DỤNG MỘT SỐ PHẦN TỬ HỮU HẠN CẢI BIÊN TRONG PHÂN TÍCH GIÀN TỰ NÂNG Chuyên ngành: Cơ học vật thể rắn Mã số: 60 44 21 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn... dung phƣơng pháp phần tử hữu hạn 2.1.2 Mơ tả tốn học phƣơng pháp phần tử hữu hạ 2.1.3 Phân tích khung khơng gian (Phần tử dầm ba ch 2.2 Phần tử dầm cải biên 2.2.1 Phần tử dầm hai chiều... đặc điểm Để tiến hành phân tích giàn tự nâng, luận văn tác giả sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn với mơ hình phần tử hữu hạn cải biên đƣợc trình bày chƣơng Học viên: Nguyễn Hữu Cường 23 Luận văn