Phân tích động lực học dầm phân lớp chức năng chịu tải trọng di động có xét khối lượng vật chuyển động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN HỮU PHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DẦM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG CÓ XÉT KHỐI LƯỢNG VẬT CHUYỂN ĐỘNG Chuyên ngành : XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP Mã số: 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC Cán chấm nhận xét : TS NGUYỄN TRUNG KIÊN Cán chấm nhận xét : TS LƯƠNG VĂN HẢI Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PSG.TS NGUYỄN XUÂN HÙNG TS NGUYỄN TRỌNG PHƯỚC TS LƯƠNG VĂN HẢI PSG.TS LÊ VĂN CẢNH TS NGUYỄN TRUNG KIÊN Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Hữu Phƣơng MSHV: 12210256 Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1989 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số : 60.58.20 I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DẦM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG DI ĐỘNG CÓ XÉT KHỐI LƯỢNG VẬT CHUYỂN ĐỘNG II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu vật liệu phân lớp chức năng, cấu tạo đặc tính vật liệu - Mơ hình dầm làm vật liệu này, lập toán dầm chịu tải di động, xét khối lượng tải trọng - Phân tích ứng xử động lực học dầm nhịp theo hai lý thuyết dầm Timoshenko Reddy chịu tải trọng di động với vận tốc chuyển động vận tốc biến đổi III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/8/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20/6/2014 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN TRỌNG PHƢỚC Tp HCM, ngày 20 tháng năm 2014 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA XÂY DỰNG LÝ LỊCH TRÍCH NGANG LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ tên: TRẦN HỮU PHƢƠNG Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1989 Nơi sinh: Tp.HCM Địa liên lạc: Lô F – Cư xá Bình Đơng, Đường Bình Đơng, Phường 15, Quận 8, TP HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC: Chế độ học: Chính qui Thời gian học: 2007-2012 Nơi học: Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Xây dựng dân dụng công nghiệp CAO HỌC: Chế độ học: Chính qui Thời gian học: 9/2012 - 6/2014 Nơi học: Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Xây dựng dân dụng công nghiệp Tên luận văn: Phân tích động lực học dầm phân lớp chức chịu tải trọng di dộng có xét khối lƣợng vật chuyển động Người hướng dẫn: TS NGUYỄN TRỌNG PHƢỚC Q TRÌNH CƠNG TÁC Từ 4/2014 đến nay: Công ty TNHH tư vấn Tân Bách Khoa X.D Địa chỉ: 71/17 Nguyễn Bặc-Phường 3-Quận Tân Bình-Tp.HCM i LỜI CẢM ƠN Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy hƣớng dẫn khoa học TS Nguyễn Trọng Phƣớc, ngƣời dành nhiều tâm huyết thời gian để hƣớng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cho Tôi Với hƣớng dẫn tận tình Thầy trình thực Luận văn giúp Tôi đạt đƣợc kết nghiên cứu cuối Tiếp đến, Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô trực tiếp giảng dạy, truyền đạt cho kiến thức phƣơng pháp nghiên cứu suốt thời gian học cao học trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Và cuối Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cha mẹ, gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln bên cạnh khuyến khích, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho Tơi hồn thành tốt Luận văn Tp HCM, tháng năm 2014 Trần Hữu Phƣơng ii TĨM TẮT PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC DẦM PHÂN LỚP CHỨC NĂNG CHỊU TẢI TRỌNG DI DỘNG CÓ XÉT KHỐI LƢỢNG VẬT CHUYỂN ĐỘNG Luận văn phân tích ứng xử động lực học dầm phân lớp chức (Functionally Graded Materials, FGM) nhịp chịu tải trọng di động dựa hai lý thuyết dầm Timoshenko (Timoshenko Beam Theory, TBT) Reddy (Reddy Beam Theory, RBT) Đặc trƣng vật liệu phân lớp chức đƣợc mô tả quy luật hàm lũy thừa theo chiều dày dầm Tải trọng di động đƣợc mô hình lực di động khối lƣợng di động vật thể với vận tốc số vận tốc biến đổi Phƣơng trình chuyển động dầm đƣợc thiết lập nguyên lý lƣợng Hamilton với hàm dạng chuyển vị dạng đa thức bậc cao Một chƣơng trình máy tính đƣợc viết ngơn ngữ MATLAB để phân tích ứng xử động học dầm Một số kết kiểm chứng với nghiên cứu khác đƣợc thực Ảnh hƣởng thông số vật lý nhƣ khối lƣợng, vận tốc gia tốc tải trọng di động, quy luật phân phối vật liệu, tỉ số chiều dài chiều cao tiết diện dầm đến chuyển vị nội lực dầm đƣợc khảo sát chi tiết ABSTRACT Dynamic analysis of functionally graded beams under a moving mass Dynamic analysis of a functionally graded beam under a moving mass is presented in this thesis The analytical model of the beam is described by using Timoshenko and Reddy beam theories The material properties of the beam vary continuously in the thickness direction according to the power law form The governing equation of motion of the beam is derived based on Hamilton principle A computer program is also written based on the MATLAB language and used for dynamic analysis of the beam The effects of various material distributions, mass, velocity, acceleration of the moving mass on the dynamic response are investigated iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Trần Hữu Phƣơng, học viên cao học chuyên ngành Xây Dựng Dân Dụng Cơng Nghiệp, khóa 2012 trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Tơi xin cam đoan tồn nội dung Luận văn Tơi tự tìm hiểu từ tài liệu tham khảo dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Trọng Phƣớc, code chƣơng trình Tơi tự viết, khảo sát thiết lập cơng thức cách xác Kết số đƣợc thực cách khách quan trung thực Học viên thực Luận văn Trần Hữu Phƣơng iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vi CHƢƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.3 CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 VẬT LIỆU PHÂN LỚP CHỨC NĂNG 2.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC 2.4 KẾT LUẬN 15 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17 3.1 GIỚI THIỆU 17 3.2 MƠ HÌNH BÀI TỐN 17 3.3 CHUYỂN VỊ, BIẾN DẠNG, ỨNG SUẤT VÀ NĂNG LƢỢNG 20 3.4 THIẾT LẬP PHƢƠNG TRÌNH CHỦ ĐẠO 23 3.5 KẾT LUẬN 31 CHƢƠNG 4: VÍ DỤ SỐ 34 4.1 GIỚI THIỆU 34 4.2 KHẢO SÁT ĐỘ HỘI TỤ 34 4.3 SO SÁNH VỚI CÁC NGHIÊN CỨU TRƢỚC 36 4.4 KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CÁC THÔNG SỐ TRONG BÀI TOÁN 40 4.5 KẾT LUẬN 57 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC P.1 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình dầm FGM chịu khối lƣợng di động Hình 2.1 Mặt cắt ngang vật liệu phân lớp chức Hình 2.2 Ứng dụng vật liệu FGMs y học Hình 2.3 Vật liệu FGMs chế tạo chi tiết động đốt phản lực Hình 2.4 Mơ hình dầm FGM chịu khối lƣợng di động 15 Hình 3.1 Dầm FGM chịu tải trọng động có xét khối lƣợng vật 18 Hình 3.2 Mođun đàn hồi E khối lƣợng riêng dầm FGM theo chiều cao tiết diện .20 Hình 3.3 Sơ đồ khối tốn dầm FGM chịu tải trọng động có xét khối lƣợng vật nặng 33 Hình 4.1 Chuyển vị không thứ nguyên dầm theo TBT RBT với mr thay đổi 39 Hình 4.2 Tần số khơng thứ ngun thứ dầm theo hệ số phân bố vật liệu k tỉ số L/h thay đổi 41 Hình 4.3 Tần số khơng thứ ngun thứ dầm theo tỉ số L/h hệ số phân phối vật liệu k thay đổi 42 Hình 4.4 Tần số khơng thứ ngun thứ M dầm theo điều kiện biên khác tỉ số L/h thay đổi .43 Hình 4.5 Chuyển vị không thứ nguyên dầm theo thời gian với mr thay đổi .45 Hình 4.6 Ứng suất khơng thứ nguyên dầm tải trọng vị trí dầm theo mr tỉ số L/h thay đổi 46 Hình 4.7 Chuyển vị khơng thứ ngun lớn dầm theo vận tốc với tỉ số L/h thay đổi 48 Hình 4.8 Chuyển vị khơng thứ ngun lớn dầm theo vận tốc, mr với tỉ số L/h thay đổi .50 vi Hình 4.9 Ứng suất không thứ nguyên dầm khối lƣợng M vị trí dầm theo vận tốc tỉ số L/h thay đổi 51 Hình 4.10 Chuyển vị khơng thứ nguyên lớn dầm theo vận tốc hệ số mũ k thay đổi .53 Hình 4.11 Chuyển vị khơng thứ ngun dầm theo thời gian gia tốc thay đổi với điều kiện biên dầm đơn giản mr thay đổi 54 Hình 4.12 Chuyển vị không thứ nguyên dầm theo thời gian gia tốc thay đổi với điều kiện biên dầm hai đầu ngàm mr thay đổi 55 Hình 4.13 Ứng suất tiếp khơng thứ nguyên khối lƣợng M vị trí dầm theo TBT RBT 56 Hình 4.14 Ứng suất tiếp khơng thứ ngun khối lƣợng M vị trí dầm theo TBT RBT với tỉ số L/h thay đổi 57 P.5 else % Triangules if ( quadorder > ) % check for valid quadrature order disp('Quadrature order too high for triangular quadrature'); quadorder = 1; end if ( quadorder == ) % set quad points and quadweights quadPoint = [ 0.3333333333333, 0.3333333333333 ]; quadWeight = 1; elseif ( quadorder == ) quadPoint = zeros( 3, ); quadWeight = zeros( 3, ); quadPoint(1,:) = [ 0.1666666666667, 0.1666666666667 ]; quadPoint(2,:) = [ 0.6666666666667, 0.1666666666667 ]; quadPoint(3,:) = [ 0.1666666666667, 0.6666666666667 ]; quadWeight(1) = 0.3333333333333; quadWeight(2) = 0.3333333333333; quadWeight(3) = 0.3333333333333; elseif ( quadorder