0

Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

4 13 1
  • Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 19/01/2021, 09:47

Mục đích của nghiên cứu này nhằm đánh giá ứng suất và biến dạng giới hạn của kết cấu bị khoét lỗ dưới tải trọng nén. Đây là hình thức tải trọng chính phát sinh từ trọng lượng hàng hóa và áp lực nước tác động lên kết cấu tàu thủy và công trình nổi. Để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên cứu, mời các bạn cùng tham khảo bài viết. NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét Evaluation of the ultimate strength structure with cutout Mạc Thị Nguyên Email: nguyenmacthi@gmail.com Trường Đại học Sao Đỏ Ngày nhận bài:16/42019 Ngày nhận sau phản biện: 28/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 28/6/2019 Tóm tắt Mục đích nghiên cứu nhằm đánh giá ứng suất biến dạng giới hạn kết cấu bị khoét lỗ tải trọng nén Đây hình thức tải trọng phát sinh từ trọng lượng hàng hóa áp lực nước tác động lên kết cấu tàu thủy cơng trình Các coi ngàm cứng chịu tải trọng nén Các lỗ khoét khảo sát hình trịn nằm trung tâm Một loạt phân tích phần tử hữu hạn Abaqus phi tuyến thực với việc thay đổi kích thước lỗ khoét khảo sát Bằng cách phân tích hồi quy kết FEA thu giúp nhà thiết kế cơng trình biển đưa kết cấu tối ưu nhằm đảm bảo độ bền đồng thời tiết kiệm tối đa nguyên vật liệu Từ khóa: Sức bền giới hạn; phần tử hữu hạn; khoét lỗ; kết cấu tàu Abstract The aim of this study is to evaluate the stress and ultimate strength of perforated structures with holes under the compression edge load Which is the main action type arising from cargo weight and water pressure affecting the ships structure and offshore structures The panels are considered to be simply supported along two edges and kept compression loads The cutout is circular and located in the center of the plate A series of Abaqus nonlinear finite element analyses performed with cutout size is investigated By regression analysis of the FEA results is obtained, it helps marine designers to give the optimum structure for simultaneous durability to ensure the maximum saving of raw materials Keywords: Ultimate strength; finite element; plates with cutout; ship’s structure GIỚI THIỆU Trong kết cấu tàu thủy cấu trúc khơi, lỗ khoét thường tạo nhằm mục đích làm lỗ thơng khoang két, lỗ người chui, lỗ giảm trọng lượng Với có khoét lỗ phân bố ứng suất biến dạng trở nên phức tạp [1] Những lỗ làm giảm khả chịu lực kết cấu, đặc biệt phẳng [2] Các lỗ khoét phẳng gây khơng hồn hảo sụt giảm lớn tải trọng lên cấu trúc Nhiều nghiên cứu thực có lỗ khoét nhằm tối ưu hóa khả chống vênh Nhiều phương pháp nghiên cứu khác nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô số, nghiên cứu thực nghiệm [3] đề xuất Người phản biện: PGS.TS Trần Vệ Quốc TS Vũ Hoa Kỳ Hình Hình ảnh lỗ khoét kết cấu Trong thập kỷ qua có nhiều nghiên cứu liên quan đến độ bền bị khoét lỗ thực nhà khoa học [3, 4] Tuy nhiên, để đánh giá cách xác ảnh hưởng lỗ kht tới cấu cịn nhiều thách thức chưa giải thỏa đáng Không kết cấu ngồi khơi mà cịn cấu trúc đất liền Trái ngược với hồn hảo, 48 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC sức bền giới hạn có kht lỗ ln nhỏ sức bền giới hạn hồn hảo [5] Do đó, cần phải trực tiếp xem xét sức bền giới hạn bị khoét lỗ tùy thuộc vào mục đích thiết kế khác kết cấu Tuy nhiên, đặc tính hoạt động phần tử sử dụng cho tàu cấu trúc khơi khác biệt so với cấu trúc đất liền, nên nghiên cứu loại kết cấu chắn cần thiết cấp bách nhà nghiên cứu [2, 6] Rất nhiều nghiên cứu rằng, có lỗ khoét vào tỉ số đường kính lỗ kht (đối với lỗ hình trịn) so với chiều rộng khơng đủ sở đánh giá xác sức bền giới hạn Cụ thể nghiên cứu [7] bảng mục 3.6, nhóm tác giả chứng minh tỉ lệ lỗ khoét chiều rộng không tỉ lệ với sức bền giới hạn kết cấu nghiêng cạnh số trường hợp khác thường xuyên xuất [2, 3] Do đó, ảnh hưởng việc kht lỗ hình dạng khác vị trí cắt lệch tâm nghiên cứu tương lai nhằm đem lại lợi ích kinh tế trước tiên việc giảm trọng lượng kết cấu, sau giảm chi phí vận hành đưa sản phẩm vào khai thác thực tế Như hiển thị hình 2, kích thước a × b × t (a chiều dài tấm, b chiều rộng t chiều dày tấm) khảo sát Môđun Young E = 200000 Mpa, ứng suất vật liệu σ = 690 N/mm2 tỷ lệ Poisson ν = 0,3 Đường kính lỗ khoét D Giả thiết vật liệu ln nằm miền đàn hồi Mục đích nghiên cứu là: - Thứ nhất: Đề xuất phương pháp tính tốn sức bền giới hạn, khơng mang tính chất khảo sát toàn tất trường hợp hay tỉ lệ đường kính lỗ khoét so với chiều rộng - Thứ hai: Ứng dụng phần mềm FE Abaqus để đưa phương pháp tính tốn, nghiên cứu ứng suất biến dạng bị khoét lỗ nằm trung tâm tấm, sử dụng cho tàu cơng trình ngồi khơi Các phân tích phần tử hữu hạn FEA thực nhằm đưa đánh giá chi tiết ảnh hưởng kích thước lỗ tới độ bền kết cấu MƠ HÌNH TÍNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN Đối với tàu cấu trúc khơi, việc khoét lỗ thường thực bể chứa nước dằn, khoang két, lỗ giảm trọng lượng Thông thường sau bị khoét có kết cấu gia cường xung quanh nhằm bù đắp lại phần kết cấu bị bỏ Tuy nhiên, để tính tốn xác kích thước kết cấu gia cường nhà thiết kế tàu thường dựa vào cơng thức trình bày quy phạm, làm tăng trọng lượng thiết kế cơng trình Trong nghiên cứu đưa so sánh xác ảnh hưởng kết cấu bị khoét lỗ so với kết cấu hồn chỉnh phân tích FEA Giới hạn nghiên cứu này, có lỗ kht hình trịn tác giả xem xét, nhiên kết cấu tàu kiến trúc khơi, loại lỗ khoét hình elip hình chữ nhật sử dụng phổ biến Ngoài ra, phần bị cắt nằm trung tâm Hình Mơ hình tính tốn Các bị suy yếu vết cắt hình trịn tải trọng Trong trường hợp này, ứng suất, biến dạng khu vực gần lỗ khoét ước tính hai cách tiếp cận khác Cách thứ nhất, công thức phần tử hữu hạn cung cấp giải pháp xác cho loạt tùy chọn có sẵn liên quan đến vấn đề mơ hình hóa Các cơng thức tích hợp sẵn phần mềm áp dụng rộng rãi cho vấn đề nghiên cứu sức bền giới hạn kết cấu Tuy nhiên, phương pháp phần tử hữu hạn yêu cầu xác vấn đề chia lưới, đặc biệt xung quanh mép lỗ khoét, việc chia lưới khu vực khơng quan tâm thích đáng dẫn đến thiếu xác kết thu Song lưới chia nhỏ làm tăng đáng kể thời gian tính tốn mà kết không thay đổi nhiều Trong cách tiếp cận thứ hai, loạt công thức thực nghiệm tổng hợp, giải pháp tính tốn nhanh hơn, phù hợp để bắt đầu vấn đề thiết kế sơ mà khơng cần u cầu độ xác cao Các công thức phương pháp nhanh chóng để tiến hành phân tích ứng suất xung quanh phần bị cắt Phương pháp dựa hàm xấp xỉ sử dụng để hội tụ nhanh Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 49 NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Một nghiên cứu hội tụ với việc chia lưới phần tử hữu hạn thực nhằm tính tốn FEA thể hình KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình cho thấy mối quan hệ biến dạng ứng suất bị khoét lỗ so với tâm hoàn hảo Từ đồ thị cho thấy rõ ràng hình việc cắt bỏ làm giảm đáng kể khả chịu lực Khi đường kính phần lỗ bị khoét 50% chiều rộng (D/b = 0,5), sức bền giới hạn bị giảm nửa so với không bị khoét lỗ (tương ứng với giá trị trung bình ứng suất có D/b = 0,5 chia cho giá trị trung bình ứng suất nguyên vẹn 0,478) Hình Chia lưới phần tử hữu hạn ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ TẢI TRỌNG Abaqus tự động thực bước tính tốn Tuy nhiên, người sử dụng cần phải gán điều kiện biên ban đầu trình thiết lập Đồng thời thiết lập bước phân tích tiếp theo, gán tải trọng bước phân tích Điều kiện biên thiết lập phần mềm tính tốn phần tử hữu hạn Abaqus Tấm chia thành điểm nút có mối quan hệ ràng buộc với Các mối quan hệ thông qua biến dạng chuyển vị nút tương ứng Trong nghiên cứu này, cố định ngàm cứng đầu, đầu cịn lại có khả chuyển động tịnh tiến theo trục X hình Hình Đồ thị quan hệ ứng suất giới hạn thay đổi kích thước lỗ khoét Trong đó: Da - biến dạng theo phương X; a - chiều dài tấm; da/a - tỉ số biến dạng chia chiều dài Biến dạng phân bố ứng suất với trường hợp khảo sát thể hình Hình Điều kiện biên tải trọng Tải trọng tác dụng lên kết cấu khơi thường tải trọng phức tạp Song nhằm đơn giản hóa tốn, nghiên cứu chúng tơi tách riêng biệt thành phần tải trọng Tải trọng tính toán viết tải trọng theo chiều dọc (tải trọng song song với trục X) Giá trị đặt lực điểm nút xem xét 4000 N Phần mềm Abaqus cho phép định nghĩa thuộc tính vật liệu mơ hình, tác dụng tương hỗ chi tiết, tải trọng, điều kiện biên… trực tiếp mơ hình hình học Khơng bắt buộc định nghĩa trực tiếp phần tử điểm nút, phân chia lại lưới cấu trúc Các tham số không cần phải định nghĩa lại (a) Tấm ban đầu (b) Tấm khoét lỗ D/b = 0,3 (c) Tấm khoét lỗ D/b = 0,5 Hình Ứng suất biến dạng 50 Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 LIÊN NGÀNH CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC khảo sát tồn trường hợp kích thước lỗ khoét xuất kết cấu (d) Tấm khoét lỗ D/b=0,7 Hình (tiếp theo) Từ kết thu cho thấy bị khoét lỗ tượng giảm bền ảnh hưởng trực tiếp xung quanh mép lỗ Điều cho thấy kết cấu bị khoét lỗ cần có gia cường thỏa đáng xung quanh mép lỗ nhằm đảm bảo sức bền giới hạn Đồng thời làm giảm ứng suất tập trung khu vực Trong nghiên cứu tiếp theo, loại tải khác nhau, tải kết hợp, với loại lỗ khoét vị trí lỗ khoét khác thực nhằm đánh giá tổng quát sức bền giới hạn loại kết cấu thường ứng dụng tàu thủy cơng trình ngồi khơi TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT LUẬN [1] Bích Vũ Ngọc (2007), Kết cấu tàu thủy - Tập 1, 2, Trường Đại học Giao thông Vận tải TP Hồ Chí Minh [2] Nghị Trần Cơng (2006) Thiết kế tàu thủy - Tập 1, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [3] RenhuaWanga, Shenoib R Ajit, and AdamSobeyc Nghiên cứu trình bày ảnh hưởng lỗ khoét phẳng Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến phát triển để đánh giá ảnh hưởng lỗ khoét kết cấu tàu thủy kiến trúc khơi tải trọng nén Có thể dùng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn để làm thực nghiệm số nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng lỗ khoét đến ứng suất giới hạn kết cấu Lỗ khoét ảnh hưởng rõ rệt đến phân bố ứng suất dẫn đến ảnh hưởng đến khả chịu tải Mức độ giảm phụ thuộc vào kích thước lỗ khoét Một loạt FEA thực hiện, từ kết tính tốn mơ cho thấy việc cắt bỏ làm giảm đáng kể sức bền giới hạn Với phương pháp đề xuất giúp cho nhà nghiên cứu theo hướng tính toán (2018), Ultimate strength assessment of plated steel structures with random pitting corrosion damage, Journal of Constructional Steel Research, Vol 143, No pp 331-342 [4] AhmadRahbar-Ranji, NabiNiamir, and ArvinZarookian (2015), Ultimate strength of stiffened plates with pitting corrosion, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol 7, No 3, pp 509-525 [5] Abaqus 6.13 Documentation - Polish Academy of Sciences Abaqus/CAE User's Guide [6] J Brown Christopher and L Yettram Alan (1986), The elastic stability of square perforated plates under combinations of bending, shear and direct load, Thin-Walled Structures, Vol 4, No 3, pp 239-246 [7] Prajapat Kanta, Ray-Chaudhuri Samit, and Kumar Ashwini (2015), Effect of in-plane boundary conditions on elastic buckling behavior of solid and perforated plates, Thin-Walled Structures, Vol 90, No pp 171-181 THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ Mạc Thị Ngun - Tóm tắt q trình đào tạo, nghiên cứu (thời điểm tốt nghiệp chương trình đào tạo, nghiên cứu): + Năm 2007: Tốt nghiệp Học viện Kỹ thuật quân sự, ngành Công nghệ kỹ thuật khí + Năm 2011: Tốt nghiệp Thạc sĩ ngành Công nghệ chế tạo máy, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Tóm tắt cơng việc tại: Giảng viên, khoa Cơ khí, Trường Đại học Sao Đỏ - Lĩnh vực quan tâm: Tính tốn thiết kế máy robot - Điện thoại: 0389481166 - Email: nguyenmacthi@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu khoa học - Đại học Sao Đỏ, ISSN 1859-4190 Số 2(65).2019 51 ... KHÍ - ĐỘNG LỰC sức bền giới hạn có kht lỗ ln nhỏ sức bền giới hạn hồn hảo [5] Do đó, cần phải trực tiếp xem xét sức bền giới hạn bị khoét lỗ tùy thuộc vào mục đích thiết kế khác kết cấu Tuy nhiên,... thước lỗ kht xuất kết cấu (d) Tấm khoét lỗ D/b=0,7 Hình (tiếp theo) Từ kết thu cho thấy bị khoét lỗ tượng giảm bền ảnh hưởng trực tiếp xung quanh mép lỗ Điều cho thấy kết cấu bị khoét lỗ cần có. .. xác ảnh hưởng kết cấu bị khoét lỗ so với kết cấu hồn chỉnh phân tích FEA Giới hạn nghiên cứu này, có lỗ kht hình tròn tác giả xem xét, nhiên kết cấu tàu kiến trúc khơi, loại lỗ khoét hình elip
- Xem thêm -

Xem thêm: Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét, Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình ảnh liên quan

Hình 1. Hình ảnh lỗ khoét trên kết cấu Trong những thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên  cứu liên quan đến độ bền của các tấm bị khoét lỗ  được thực hiện bởi các nhà khoa học [3, 4] - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình 1..

Hình ảnh lỗ khoét trên kết cấu Trong những thập kỷ qua đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến độ bền của các tấm bị khoét lỗ được thực hiện bởi các nhà khoa học [3, 4] Xem tại trang 1 của tài liệu.
2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

2..

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN BIÊN Xem tại trang 2 của tài liệu.
Hình 5. Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và giới hạn - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình 5..

Đồ thị quan hệ giữa ứng suất và giới hạn Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 4. Điều kiện biên và tải trọng - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình 4..

Điều kiện biên và tải trọng Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 3. Chia lưới phần tử hữu hạn - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình 3..

Chia lưới phần tử hữu hạn Xem tại trang 3 của tài liệu.
Hình 5 cho thấy mối quan hệ biến dạng và ứng suất đối với tấm bị khoét lỗ so với tâm hoàn hảo - Đánh giá sức bền giới hạn kết cấu có lỗ khoét

Hình 5.

cho thấy mối quan hệ biến dạng và ứng suất đối với tấm bị khoét lỗ so với tâm hoàn hảo Xem tại trang 3 của tài liệu.

Từ khóa liên quan