Mô hình hoá và tính toán kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc nhất bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH TỐN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ****** LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH TỐN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIĨ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp: CHK11 CTM Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo máy HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Ngô Nhƣ Khoa Trần Thị Nam Thu THÁI NGUYÊN – 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -1 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC LỤC Lời cảm ơn Mục lục Bảng ký hiệu chữ viết tắt Mở đầu Chƣơng Tổng quan kết cấu cánh Turbine gió vật liệu Composite 1.1 Giới thiệu 1.2 Cánh kết cấu cánh: Hình dáng hình học khí động học cánh turbine… 1.2.1 Các thơng số hình học……………………………………………… 1.2.2 Hình dáng biên dạng cánh…………………………………………… 1.2.3 Khí động lực học tác dụng cánh quay môi trường tĩnh… 10 1.3 Lực, phân bố áp lực số yếu tố ảnh hưởng đến phân bố áp lực cánh turbine………………………………………………………………… 12 1.3.1 Nguyên lý…………………………………………………………… 13 1.3.2 Khái niệm phân bố áp lực…………………………… 14 1.3.3 Ảnh hưởng hình học biên dạng cánh……………………………… 16 1.3.3.1 Ảnh hưởng kích thước ngăn…………………………… 16 1.3.3.2 Ảnh hưởng chiều dày………………………………… 17 1.3.4 Ảnh hưởng số Reynol………………………………………… 21 1.4 Vật liệu Composite 21 1.4.1 Lý thuyết nhiều lớp kinh điển………………………………… 25 1.4.2 Lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất…………………………………… 26 1.5 Kết luận 26 Chƣơng Xây dựng hệ thức cho kết cấu dạng vỏ vật liệu Composite lớp theo lý thuyết chuyển vị bậc Midlin Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa …………… 28 http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -2 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 2.1 Trường chuyển vị…………………………………………………… 28 2.2 Trường biến dạng………………………………………………… 29 2.3 Trường ứng suất…………………………………………………… 30 2.4 Trường nội lực……………………………………………… 32 Chƣơng Tính tốn vỏ Composite nhiều lớp chịu uốn phƣơng pháp phần tử hữu hạn…………………………………………………………………….… 37 3.1 Mơ hình hóa tốn…………………………………………………… 37 3.2 Mơ hình hóa phần tử vỏ………………………………………………… 38 3.2.1 Ma trận độ cứng phần tử vỏ…………………………………… 44 3.2.2 Quy đổi lực nút………………………………………………… 49 3.2.3 Hệ phương trình phần tử hữu hạn………………………………… 49 Chƣơng Xây dựng hệ phƣơng trình phần tử hữu hạn cho kết cấu vỏ sử dụng phần tử tứ giác bậc hai………………………………………………………… 52 4.1 Giới thiệu………………………………………………………………… 52 4.2 Phần tử tứ giác bậc hai…………………………………………………… 52 4.3 Phần tử quy chiếu…………………………………………… 53 4.4 Ma trận Jacobien phần tử………………………………………… 58 4.5 Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K…………………………………… 60 4.6 Xây dựng véc tơ lực nút tổng thể F……………………………………… 81 Chƣơng Kết số………………………………………………………… 86 Kết luận chung…………………………………………………………… 60 Tài liệu tham khảo………………………………………………………… 81 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -3 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM BẢNG CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tên đại lượng a, b Các kích thước kết cấu vỏ: chiều dài, chiều rộng srz Hệ trục chung vỏ Hệ trục tọa độ địa phương vỏ theo phương xyz chuyển đổi hệ trục chung u, v, w Là thành phần chuyển vị theo phương s, r, z vỏ u0, v0, w0 Là thành phần chuyển vị theo phương s, r, z mặt trung bình vỏ  /  Toán tử đạo hàm riêng theo… s ,r , z Các thành phần biến dạng dài theo phương s, r, z vỏ R1 , R2 Bán kính tọa độ cong trực giao r, s  rs ,  sz ,  rz Các thành phần biến dạng góc vỏ  s0 ,  r0 ,  rs0 ,  sz0 ,  rz0 Là biến dạng mặt phẳng trung tâm ks , kr , krs Là thành phần độ cong  11 , 22 Là thành phần ứng suất pháp vỏ 12 ,13 , 23 Là thành phần ứng suất tiếp vỏ 11 ,  22 , 12 , 13 ,  23 Là thành phần biến dạng vỏ Qk Là ma trận đàn hồi N Ma trận thành phần lực màng vỏ Q Ma trận thành phần lực cắt vỏ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT M d  d i  -4 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Ma trận thành phần mô men nội lực vỏ Véc tơ chuyển vị Véc tơ chuyển vị nút phần tử vỏ d  Véc tơ chuyển vị điểm Mt phần tử vỏ Ni Hàm nội suy nút vỏ Li Ma trận tốn tử vỏ [Bi] Ma trận tính biến dạng vỏ a Chuyển vị nút phần tử vỏ [Ke] Ma trận độ cứng phần tử vỏ [K] Ma trận độ cứng tổng thể Pe Véc tơ tải trọng tác dụng lên phần tử F  Véc tơ lực nút chung [B]P Ma trận tính lực  , Hệ tọa độ quy chiếu [J], J Ma trận Jacobien định thức  i ,i Tọa độ điểm Gauss Wi Hàm trọng số điểm Gauss s ,r Là góc xoay quanh truc r, s vỏ  Là góc phương sợi lớp vật liệu vỏ PTHH (FEM) Phần tử hữu hạn t Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -5 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỞ ĐẦU Bộ phận máy phong điện kiểu trục ngang hay trục đứng phận cánh, đặc biệt khả quay cánh Để hoạt động tốt cần ý tới việc lựa chọn hình dạng kích thước cánh tối ưu Biên dạng cánh turbine dạng phẳng đơn giản; dạng vỏ trụ; hay dạng khí động học phức tạp Xét mặt kết cấu, cánh turbine gió thường dạng kết cấu tấm/vỏ có khơng có gân gia cường dạng hộp panel, vật liệu thường sử dụng vật liệu composite lớp Việc nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn cho kết cấu cánh turbine gió khơng thể thiếu q trình thiết kế góp phần nâng cao hiệu suất máy phong điện Đây nhóm kết cấu phức tạp Trong lĩnh vực học vật liệu kết cấu Composite phương pháp chia thành hai nhóm: nhóm phương pháp giải tích nhóm phương pháp số Ở đây, luận văn sử dụng nhóm phương pháp số mà cụ thể phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng mơ hình học tính toán ứng xử học kết cấu cánh Phương pháp ứng dụng vào học từ lâu, thường sử dụng để khảo sát mơ hình có đặc điểm học phức tạp Do đặc điểm quản lý thông tin nút (lực nút, chuyển vị nút) nên khối lượng tính tốn sơ cấp lớn Phương pháp phần tử hữu hạn thực có ý nghĩa ứng dụng máy tính Vì mà luận văn xây dựng chương trình tính MATLAB Dựa sở mơ hình học, nghiên cứu xây dựng mơ hình PTHH để giải tốn bền, cứng cho cánh turbine chịu tác dụng tải trọng gió Gần có số nghiên cứu liên quan đến đề tài như: Nghiên cứu động lực học cánh turbine nhằm nâng cao hiệu độ an toàn hệ thống cánh turbine gió [1], [5]; hay nghiên cứu động lực học cánh turbine kiểu trục đứng nhằm nâng cao hiệu mặt hứng gió giảm thiểu ảnh hưởng mặt cản gió cho cánh turbine [2]; Một số nghiên cứu hiệu sử dụng vật liệu compossite lớp cho cánh turbine [6] Các nghiên cứu nước hệ thống turbine gió nói riêng phong điện nói chung cịn đặc biệt Nghiên cứu có quy mơ gần kể đến kết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -6 - CHUYÊN NGHÀNH CƠNG NGHỆ CTM nhóm nghiên cứu PGS-TSKH Nguyễn Phùng Quang [4] nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống phát điện chạy lượng gió có cơng suất danh định từ 10KW đến 30KW Nội dung nghiên cứu tập trung chủ yếu vào việc xây dựng điều khiển: điều khiển nạp bank accu, điều khiển công suất phát, nghịch lưu tích hợp với hệ thống turbine gió máy phát nhập ngoại Luận văn Chu Đức Quyết [8], tính tốn thiết kế vị trí, số cánh, kích thước hệ thống cánh phẳng cho máy phong điện kiểu trục đứng Và số nghiên cứu kết cấu có gân gia cường vật liệu compossite lớp, như: Nguyễn Tiến Dũng [7], đó, đề tài thiết lập phần tử lai gân để xây dựng mơ hình PTHH cho tốn kết cấu có gân tăng cứng chịu tải trọng phân bố áp dụng mơ hình chuyển vị bậc Mindlin với việc sử dụng phần tử tam giác bậc cao (6 nút phần tử nút có bậc tự do), để xây dựng ma trận độ cứng phần tử – gân; Trần Hữu Quốc [9], xây dựng mơ hình phần tử – gân với phần tử tứ giác nút cho phần tử dầm nút cho gân, dựa lý thuyết chuyển vị cắt bậc cao Reddy Mặc dù ngành cơng nghiệp chế tạo turbine gió nói chung giới phát triển mạnh mẽ, nhiên cơng trình cơng bố tài liệu vấn đề hạn chế, đặc biệt vấn đề tính tốn học kết cấu cánh, nội dung đề cập đến đề tài luận văn Trong luận văn này, phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần tử tứ giác nút sử dụng hàm nội suy hình học nút phần tử vỏ để tính ma trận độ cứng vỏ Khảo sát tốn tĩnh để phân tích biến dạng kết cấu vỏ kín làm vật liệu composite Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -7 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Tên đề tài: Mơ hình hố tính tốn kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc phƣơng pháp phần tử hữu hạn - Mục tiêu: Xây dựng mơ hình học tính tốn ứng xử học kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng vật liệu composite lớp - Đối tượng nghiên cứu: Tính tốn số tốn vỏ kín vật liệu Composite lớp, liên kết ngàm đầu chịu tác dụng tải trọng phân bố - Nhiệm vụ: + Nghiên cứu tổng quan công trình thực ngồi nước kết cấu vỏ vật liệu Composite lớp + Xây dựng mơ hình hố kết cấu cánh turbine gió, xây dựng mơ hình học tính tốn ứng xử học kết cấu + Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn tính tốn ứng xử học kết cấu cánh turbine + Xây dựng chương trình tính MATLAB, áp dụng tính tốn học kết cấu cánh turbine trạm phong điện kiểu trục đứng công suất 10KW, vật liệu cánh Composite lớp, nhựa cốt sợi thuỷ tinh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT -8 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ VÀ VẬT LIỆU COMPOSITE 1.1 Giới thiệu Hiện nay, số nguồn lượng mới, lượng sức gió phát triển nhanh giới nguyên liệu dồi dào, rẻ tiền, dễ áp dụng, không làm hại môi trường Các máy phát điện lợi dụng sức gió (trạm phong điện) sử dụng nhiều nước châu Âu, Mỹ nước công nghiệp phát triển khác Đức dẫn đầu giới công nghệ phong điện Hiện có loại máy phát phong điện với cơng suất khác nhau, từ kW tới hàng MW Các trạm phong điện hoạt động độc lập nối với mạng điện quốc gia Các trạm phong điện phát điện tốc độ gió từ m/s (11 km/h), tự ngừng phát điện tốc độ gió vượt 25 m/s (90 km/h) Tốc độ gió hiệu từ 10 m/s tới 17 m/s, tùy theo thiết bị phong điện Như lượng gió nguồn lượng tái tạo phát triển Trong tương lai nguồn lượng tái tạo thu từ turbine gió đóng vai trò quan trọng phát điện nguồn điện Turbine phân làm hai loại: Turbine gió trục ngang (HAWT) turbine gió trục đứng (VAWT), turbine chúng khác vị trí trục Mặc dù HAWT hiệu với chế tạo phong phú chúng sử dụng phổ biến VAWT nghiên cứu nhiều nhà nghiên cứu sử dụng công nghệ phân tích đại Có thể thấy rằng, phạm vi quy mô sử dụng trạm phong điện trục đứng khiêm tốn so với hệ thống HAWT, hệ thống VAWT hoạt động bình đẳng với hướng gió nên có cấu tạo đơn giản, phận có kích thước không lớn nên vận chuyển lắp ráp dễ dàng, độ bền cao, tu bảo dưỡng đơn giản Với đăc điểm vậy, nên thị trường mà công ty R&D (nghiên cứu chế tạo thương mại hóa) hệ thống (chủ yếu Trung Quốc) hướng tới Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 80 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 4.6 Xây dựng véc tơ lực nút tổng thể F Biểu thức (3.31) xác định hệ tọa độ quy chiếu sau: 1 T  p( x, y)w( x, y)dS  a    BP  T  p( x, y ) d d (4.20) 1 1 Se Bảng 4.6 Ghép nối véc tơ lực nút tổng thể Các thành phần véc tơ lực nút phần tử véc tơ lực nút tổng thể Fi  Pi Fi  Pi 25  Pi 310 i = 16…20 i = 21 25 Fi  Pi 310  Pi 415 Fi  Pi 415  Pi 5 20 i = 26…30 i = 31…35 Fi  Pi 5 20 Fi  Pi115  Pi 630 Fi  Pi125  Pi 220  Pi 630  Pi 735 Fi  P P P P Fi  P P P  Pi 9 45 i 35 i  25 i 30 i 35 i  40 i  40 Fi  Pi 440  Pi 535  Pi 9 45  Pi10 50 Fi  Pi 6 45  Pi11 60 12 Fi  Pi 655  Pi 750  Pi11 60  Pi 65 13 Fi  Pi 760  Pi855  Pi12 65  Pi 70 14 Fi  Pi865  Pi 9 60  Pi13 70  Pi 75 Fi  P P Fi  P P 10 i 65 i = 36…40 i = 41…45 i = 46…50 i = 51…55 i = 56…60 i = 61…65 Fi  Pi 5 45  Pi10 50 i 70 i = 1…5 i = 6…10 i = 11…15 Fi  Pi1  Pi 25 i 30 Chỉ số hàng P 14 i 75 P 15 i 80 i = 66…70 i = 71…75 i = 76…80 i = 81…85 12 16 17 Fi  Pi11 85  Pi 80  Pi 90  Pi 95 i = 86…90 i = 91…95 i = 96…100 13 17 18 Fi  Pi12 90  Pi 85  Pi 95  Pi 100 i = 101…105 14 18 19 Fi  Pi13 95  Pi 90  Pi 100  Pi 105 i = 106…110 i = 111…115 10 i 75 15 i 80 16 Fi  Pi11 75  Pi 90 15 19 20 Fi  Pi14 100  Pi 95  Pi 105  Pi 110 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 81 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM 20 Fi  Pi15 105  Pi 110 i = 116…120 21 Fi  Pi16 105  Pi 120 17 21 22 Fi  Pi16 115  Pi 110  Pi 120  Pi 125 i = 121…125 i = 126…130 18 22 23 Fi  Pi17 120  Pi 115  Pi 125  Pi 130 i = 131…135 19 23 24 Fi  Pi18 125  Pi 120  Pi 130  Pi 135 i = 136…140 i = 141…145 20 24 25 Fi  Pi19 130  Pi 125  Pi 135  Pi 140 i = 146…150 i = 151…155 Fi  Pi 20135  Pi 25140 Fi  P P Fi  P  Pi 22140  Pi 26150  Pi 27155 21 i 135 21 i 145 26 i 150 Fi  Pi 22150  Pi 23145  Pi 27155  Pi 28160 Fi  Pi 23155  Pi 24150  Pi 28160  Pi 29165 Fi  Pi 24160  Pi 25155  Pi 29165  Pi 30 170 Fi  Pi 26165  Pi 31180 32 Fi  Pi 26175  Pi 27170  Pi 31 180  Pi 185 Fi  P P P P Fi  P P P  Pi 34 195 28 i 185 28 i 175 29 i 180 i = 166…170 i = 171…175 i = 176…180 i = 181…185 Fi  Pi 25165  Pi 30170 27 i 180 i = 156…160 i = 161…165 32 i 185 33 i 190 33 i 190 Fi  Pi 29190  Pi 30185  Pi 34195  Pi 35200 Fi  Pi 30195  Pi 35200 Fi  Pi 31195  Pi 36210 i = 186…190 i = 191…195 i = 196…200 i = 201…205 i = 206…210 i = 211…215 Fi  Pi 33215  Pi 34210  Pi 38220  Pi 39225 i = 216…220 i = 221…225 i = 226…230 Fi  Pi 34220  Pi 35215  Pi 39225  Pi 40230 i = 231…235 Fi  P Fi  Pi 36235  Pi 37230  Pi 41240  Pi 42245 i = 236…240 i = 241…245 i = 246…250 Fi  Pi 37240  Pi 38235  Pi 42245  Pi 43250 i = 251…255 Fi  Pi 38245  Pi 39240  Pi 43250  Pi 44255 Fi  Pi 39250  Pi 40245  Pi 44255  Pi 45260 i = 256…260 i = 261…265 Fi  Pi 40255  Pi 45260 i = 266…270 Fi  Pi 31205  Pi 32200  Pi 36210  Pi 37215 Fi  Pi 32210  Pi 33205  Pi 37215  Pi 38220 35 i  225 P 40 i  230 Fi  Pi 36225  Pi 41240 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 82 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Fi  Pi 41255  Pi 46270 i = 271…275 Fi  Pi 41265  Pi 42260  Pi 46270  Pi 47275 Fi  Pi 42270  Pi 43265  Pi 47275  Pi 48280 i = 276…280 i = 281…285 Fi  Pi 43275  Pi 44270  Pi 48280  Pi 49285 i = 286…290 Fi  Pi 44280  Pi 45275  Pi 49285  Pi 50290 i = 291…295 i = 296…300 Fi  Pi 45285  Pi 50290 i = 301…305 i = 306…310 Fi  Pi 46285 Fi  P P Fi  P  Pi 48295 46 i  295 47 i 300 47 i  290 i = 311…315 i = 316…320 Fi  Pi 48305  Pi 49300 i = 321…325 i = 326…330 Fi  Pi 49310  Pi 50305 Fi  Pi 50315 Như vậy, trình tự bước tóm tắt sau: Bước 1: Thiết lập sơ đồ phần tử, nút phần tử Tính tốn tọa độ nút hệ tọa độ tổng thể M(x,y,z) Bước 2: Tính tốn ma trận chuyển đổi hệ tọa độ có sở biến dạng, hệ tọa độ sở ứng suất hệ tọa độ sở ma trận độ cứng (theo 2.14; 2.15) Bước 3: Tính tốn số độ cứng vật liệu quy đổi, ma trận độ cứng màng, uốn xoắn (theo 2.16 2.27) Bước 4: Tính tốn ma trận độ cứng phần tử, véc tơ lực nút phần tử ghép nối phần tử Bước 4.1 Tính ma trận độ cứng phần tử chống uốn km (theo 3.27a) Bước 4.2 Tính ma trận độ cứng phần tử chống uốn kb (theo 3.27b) Bước 4.3 Tính ma trận độ cứng phần tử chống cắt ks (theo 3.27c) Bước 5: Chuyển đổi hệ tọa độ để ghép nối ma trận độ cứng phần tử véc tơ lực nút phần tử thành ma trận độ cứng tổng thể véc tơ lực nút tổng thể hệ trục tọa độ chung (theo 3.7; 3.8) - Xử lý tránh kỳ dị ma trận Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 83 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM - Áp đặt điều kiện biên Bước 6: Giải hệ phương trình phần tử hữu hạn xác định véc tơ chuyển vị nút tổng thể (theo 3.37) Bước 7: Xây dựng véc tơ chuyển vị nút phần tử thành phần chuyển vị tương ứng Bước 8: Tính tốn đại lượng cần thiết khác thành phần ứng suất điểm khảo sát Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 84 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM CHƢƠNG KẾT QUẢ SỐ 5.1 Bài toán Khảo sát độ võng vỏ trụ có chiều dài L  600 đơn vị, bán kính R1  300 đơn vị; R2   độ dày h  đơn vị Mô đun đàn hồi vật liệu E  3106 đơn vị, hệ số pốt xơng 0,3 Vỏ trụ chịu liên kết ngàm đầu, chịu tác dụng hai lực hướng kính đối diện có độ lớn đơn vị (hình 5.1) Kết tính tốn vấn đề bảng 5.1 y P=1 L/2 z L/2 L x R 80° P=1 Hình 5.1 Sơ đồ kết cấu Bảng 5.1 Kết khảo sát vỏ trụ tính tốn độ võng, R/h = 100 với tích phân Gauss   Kích thước lưới Sơ đồ phân 3 3 8 4 tích Luận văn 0.699523 HOST FOST [13] [13] 0.6694 0.6694 Luận văn 0.993026 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa 16  HOST FOST [13] [13] 0.9654 0.9530 Luận văn 1.04721 HOST FOST [13] [13] 1.0044 1.005 http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 85 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Từ bảng 5.1, ta thấy cỡ lưới tăng từ 8x4 16x4 cho kết sát nhau, kết thuật toán xây dựng đảm bảo cho kết hội tụ với lời giải số Đồng thời ta thấy với kích cỡ lưới sai lệch luận văn tài liệu [13] khơng đáng kể, điều chứng tỏ độ hội tụ thuật tốn chương trình cao Chẳng hạn với kích thước  sai lệch so với HOST[13] FOST[13] giảm 4,3062 %; Với kích thước  sai lệch so với HOST[13] giảm 2,782% FOST[13] 4,0307%; Với kích thước 16  sai lệch so với HOST giảm 4,088 % FOST 4,0307% Vậy kết sát với HOTS [13] FOST [13] cho tất cỡ lưới chứng tỏ thuật tốn đảm bảo độ xác 5.2 Bài tốn Khảo sát vỏ bán cầu (hình 5.2), bán kính vỏ R1  R2  10 đơn vị, chiều dày vỏ h = 0,04 đơn vị Mô đun đàn hồi vật liệu E  6,825 10 đơn vị, hệ số pốt xơng 0,3 Bài tốn lý tưởng hóa theo Cook [16] cách lấy lỗ nhỏ có bán kính đơn vị đỉnh hình cầu Tiện lợi việc phân tích vỏ cầu tính đối xứng nó, ta cần lấy phần tư vỏ cầu để phân tích Mặt đáy bán cầu tự chịu tác dụng hai tải trọng điểm hướng kính có độ lớn đơn vị hình 5.2 Cỡ lưới phần tử gần đỉnh nhỏ cỡ lưới phần tử đáy vỏ cầu Kết tính tốn vấn đề bảng 5.2 Hình 5.2 Sơ đồ kết cấu Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 86 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Bảng 5.2 Kết khảo sát vỏ trụ tính tốn độ võng, R/h = 250 với tích phân Gauss   Kích thước lưới Sơ đồ 2 tích phân Luận văn   1.115349 88 4 HOST FOST [13] [13] 1.045 1.0663 Luận văn 0.648945 HOST FOST [13] [13] 0.62 0.621 Luận văn 0.837768 HOST FOST [13] [13] 0.5344 0.804 Nhận xét: Dễ dàng nhận thấy ảnh hưởng tượng nghẽn cắt đáng kể toán này, kết không hội tụ với kết chấp nhận lý thuyết [13], chúng hội tụ với tích phân giảm bậc lý thuyết biến dạng cắt bậc cao Vì ta thấy việc sử dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc với bậc tích phân xác với mỏng xẩy tượng nghẽn cắt Vì luận văn dùng sơ đồ lấy tích phân Gauss 3x3 với thành phần ma trận độ cứng chống uốn, 2x2 với thành phần ma trận độ cứng chống cắt (theo quy tắc giảm bậc) nhằm tránh tượng nghẽn cắt kết cấu dạng vỏ mỏng, nhiều tài liệu khuyến cáo 5.3 Bài toán Khảo sát độ võng vỏ trụ nhiều lớp nhóm có cấu hình 00 ; 90 / 00 00 / 90 / 00 kết so sánh với tài liệu [13] Vỏ cong có bán kính R1  10 đơn vị; R2   , chiều dài L  30 đơn vị, góc    / Đặc tính vật liệu E1  25 106 ; E2  106 ; G12  G13  0.5 106 , G23  0.2 106 ,12   23  13  0.25 Vỏ chịu liên kết đơn đầu theo hướng bán kính, chịu tải pháp tuyến q  q0 sin( x / a ) với q0  ; x a cho hình 5.3 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 87 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM y y z z Unit b x x a a R R 60° Hình 5.3 Mơ hình hóa PTHH vỏ trụ mỏng dài 60° Hình 5.4 Mơ hình hóa PTHH vỏ trụ mỏng chịu liên kết đơn Độ võng lớn (a/2; b/2) ứng suất cắt (0; 0) chuẩn hóa sau: w 10.E2 w q0 h.S Giá trị độ võng bảng 5.3 với tỉ số R/h khác nhau: 2, 4, 10, 50 100 Kết luận văn tốt so với nghiệm xác, trừ trường hợp vỏ dày Ví dụ: Với tỉ số R/h vỏ trụ đơn hướng, vỏ trụ lớp, vỏ trụ lớp kết tính độ võng luận văn so với FOST [13] (sai số %) So với HOST[13] Ở vỏ trụ đơn hướng, tỉ số R/h = sai số 6,672 %, tỉ số R/h = sai số 2,0212 %, tỉ số R/h = 100 sai số %, tỉ số R/h = 100* sai số 0,4049 % Ở vỏ trụ lớp, tỉ số R/h = sai số 6,2056 %, tỉ số R/h = sai số 2,0212 % tỉ số R/h = 100 sai số 11,2528 %, tỉ số R/h = 100* sai số 1,1491 % Ở vỏ trụ lớp, tỉ số R/h = 100 sai số 0,1304 %, tỉ số R/h = 100* sai số 6,5773 % Điều chứng tỏ kết đạt thuật toán tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 88 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Bảng 5.3 Độ võng lớn (x = a/2), z = vỏ trụ tròn w (x = a/2), z = R/h Luận văn HOST [13] FOST [13] Vỏ trụ đơn hướng ( 00 ) 0.9067 0.8462 0.9067 0.282 0.2763 0.282 10 0.107 0.1069 0.107 50 0.0749 0.0748 0.0749 100 0.0736 0.0736 0.0736 100* 0.0741 0.0744 0.0741 Vỏ trụ lớp (900/00) 1.6775 1.5734 1.6775 0.7356 0.7174 0.7356 10 0.4575 0.4552 0.4575 50 0.3951 0.3946 0.3951 100 0.3999 0.3549 0.3999 100* 0.3916 0.3961 0.3916 Vỏ trụ lớp (00/900/00 1.1179 1.1678 1.1179 0.3367 0.379 0.3367 10 0.118 0.1273 0.118 50 0.0779 0.0782 0.0779 100 0.0767 0.0766 0.0767 100* 0.0821 0.0767 0.0821 * Kết cho tỉ số tính tốn cách sử dụng tích phân có chọn lọc Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 89 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM Kết chứng minh chọn chương trình tích phân áp dụng giảm bậc tích phân tính tốn số hạng cắt quan trọng 5.4 Bài toán Khảo sát độ võng có cấu hình 00 / 900 / 00 900 / 00 vỏ trụ tròn với tất cạnh chịu liên kết đơn có tính tốn 3, kết so sánh với [13] Vỏ có bán kính R  in, chiều dài b  30 in, chịu tải trọng dạng sin q  q0 sin( x a )sin( y b ) đặt bề mặt vỏ Kích thước a, b biểu diễn hình 5.4 Chiều dày vỏ lớp: h/4, h/2 h/4, vỏ lớp: h/2 h/2 Kết đạt với tỉ số R/h 100, 10, (bảng 5.4) Độ võng lớn (a/2, b/2) (0,0) quy đổi sau: w 10.E2 w q0 h.S Bảng 5.4 Độ võng lớn ( x  a / 2, y  b / 2, z  0) vỏ trụ tròn Vỏ lớp (00/900/00) R/h Luận văn HOST [13] Vỏ lớp (900/00) FOST [13] Luận văn HOST [13] FOST [13] w( x  a / 2, y  b / 2, z  0) 1.345792 1.3146 1.2016 1.8768792 1.5595 1.6639 0.3031685 0.3196 0.2719 0.683098 0.5998 0.611 10 0.14245 0.1429 0.1295 0.481998 0.4396 0.4422 100 0.055755 0.0531 0.0531 0.1143648 0.1083 0.1083 Với R/h=100 vỏ lớp (00/900/00), kết độ võng lớn vỏ trụ tròn chênh lệch luận văn với HOTS [13] 5%, FOTS [13] 5% Với vỏ lớp (900/00), kết độ võng lớn vỏ trụ tròn chênh lệch luận văn với HOTS Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 90 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM [13] 5,6%, FOTS [13] 5,6% Khi vỏ dày R/h=10; sai số luận văn với HOTS [13], FOTS [13] không đáng kể chấp nhận Vậy từ ta khẳng định thuật tốn chương trình có độ tin cậy cao 5.5 Kết luận Mơ hình PTHH xây dựng cho kết cấu dạng vỏ (vỏ hở vỏ kín) thuật tốn xây dựng đảm bảo cho kết hội tụ với lời giải số Tuy nhiên, độ mịn lưới đảm bảo tính hội tụ tùy thuộc vào dạng, loại kết cấu cụ thể cần kiểm nghiệm trình tính tốn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 91 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM KẾT LUẬN CHUNG Luận văn đạt số kết là: - Xây dựng mơ hình tính tốn phân tích trường chuyển vị, trường biến dạng trường ứng suất kết cấu dạng vỏ dựa lý thuyết chuyển vị bậc Mindlin - Xây dựng mơ hình học kết cấu cánh turbine gió chịu tải trọng gió gây uốn - Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn dựa phần tử tứ giác nút làm sở cho việc xây dựng thuật tốn chương trình tính tốn, phân tích ứng xử học kết cấu cánh turbine gió nói riêng kết cấu vỏ composite nói chung - Xây dựng chương trình tính MATLAB - Các kết đạt việc xây dựng chương trình tính xem kết ban đầu, làm sở cho việc tiếp tục phát triển hồn thiện chương trình cho phép tính tốn khảo sát đầy đủ toán tính tốn phân tích học kết cấu vỏ vật liệu composite nói chung kết cấu cánh turbine gió nói riêng + Một số hạn chế: - Do khối lượng công việc cần thực luận văn lớn phức tạp, phần xây dựng chương trình tính để đáp ứng đầy đủ yêu cầu đặt việc tính tốn kết cấu vỏ có hình dạng phức tạp nói chung kết cấu cánh turbine nói riêng chưa thực cách đầy đủ - Lý thuyết bỏ qua ảnh hưởng ứng suất pháp tuyến vng góc với mặt phẳng - Do mơ hình phải kể đến hệ số hiệu chỉnh cắt mà hệ số lại không cho loại vật liệu, kết cấu Composite lớp dạng hình học điều kiện biên, có hạn chế lớn Mặt khác mơ hình khơng tính đến độ vênh mặt trung bình hay độ cong khơng gian pháp tuyến với mặt phẳng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 92 - CHUYÊN NGHÀNH CƠNG NGHỆ CTM tấm, khó cho kết xác tính tốn với kết cấu có độ dày lớn - Chương trình chưa hồn chỉnh phần tính tốn, khảo sát đối cánh Turbine gió + Các vấn đề nghiên cứu - Tiếp tục phát triển hồn thiện chương trình tính tốn cho toán học kết cấu vỏ composite lớp có biên dạng phức tạp, kín kết cấu cánh turbine gió tốn phân tích học, tính kiểm nghiệm bền, cứng - Xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng kết cấu vỏ kín nói chung kết cấu cánh turbine nói riêng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 93 - CHUYÊN NGHÀNH CÔNG NGHỆ CTM TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ích Thịnh (1994), Vật liệu Composite học kết cấu, NXB Giáo dục [2] Ngơ Như Khoa (2002), Mơ hình hóa tính toán số vật liệu, kết cấu Composite lớp, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Hà Nội [3] Asaf Varol, Cumali ’IlkılıcYasin Varol Increasing the efficiency of wind turbines Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 89 (2001) 809–815 [4] Robert J Butler, Aaron R Byerley, Kenneth VanTreuren, James W Baughn, The effect of turbulence intensity and length scale on low-pressure turbine blade aerodynamics International Jounal of Heat and Fluid Flow 22 (2001) 123-133 [5] Ph Devinant, T Laverne, J Hureau Experimental study of wind-turbine airfoil aerodynamics in high turbulence Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 90 (2002) 689–707 [6] Nguyễn Phùng Quang Đề tài cấp nhà nước KC.06.20.CN (2007) [7] Ali Vardar and Bulent Eker Principle of rotor design for horizontal axis wind turbines Journal of Applied Sciences (7): 1527-1533, 2006 [8] Bulent Eker, Ali Vardar., Using of composite material in wind turbine blades Journal of Applied Sciences (14): 2917-2921, 2006 [9] Đỗ Tiến Dũng (2007), luận văn thạc sỹ “Nghiên cứu số kết cấu vật liệu Composite có gân tăng cứng phương pháp phần tử hữu hạn” Trường Đại học KTCN – Đại học Thái Nguyên [10] Chu Đức Quyết (2009), luận văn thạc sỹ “Tí nh toán thiết kế mô hì nh hệ thớng cánh Turbine gió kiểu trục đứng máy phát điện công suất 30KW”., Trường Đại học KTCN – Đại học Thái Nguyên [11] Trần Hữu Quốc (2009), luận án tiến sĩ “Mơ hình hóa tính tốn sơ kết cấu composite có gân gia cường” Trường Đại học bách Khoa Hà Nội Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT - 94 - CHUN NGHÀNH CƠNG NGHỆ CTM [12] Trần Ích Thịnh – Trần Đức Trung – Nguyễn Việt Hùng (2000), Phương pháp phần tử hữu hạn kỹ thuật, Hà Nội [13] Tarun Kant and Rakesh K Khare, Ahigher-Order facet quadrilateral Composite shell element (1997), India [14] S Goswami and M Mukhopadhyay, Finite Element Analysis of Laminated Composite Stiffened Shell, West Bengal India [15] J.R Kommineni and T Kant, Pseudo-Transient Analysis of Composite Shells Including Geometric and Material Non-Linearities, India [16] R.D.Cook, Four-node flat shell element: Drilling degrees of freedom, membrane-bending coupling,warped geometry, and behaviour, Comput Struct., 50, 549-555(1994) [17] Jianhui Zhang, Numerical Modeling of Vertical Axis Wind Turbine (VAWT), (2004), Technical University Of Denmark Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HDKH: PGS.TS Ngô Như Khoa http://www.lrc-tnu.edu.vn HVTH: Trần Thị Nam Thu – K11 CNCTM ... LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: MƠ HÌNH HĨA VÀ TÍNH TỐN KẾT CẤU CÁNH TURBINE GIÓ KIỂU TRỤC ĐỨNG THEO LÝ THUYẾT CHUYỂN VỊ BẬC NHẤT BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Học Viên: Trần Thị Nam Thu Lớp:... NGHỆ CTM MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN - Tên đề tài: Mơ hình hố tính tốn kết cấu cánh turbine gió kiểu trục đứng theo lý thuyết chuyển vị bậc phƣơng pháp phần tử hữu hạn - Mục tiêu:... cứng phần tử Để xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn cho kết cấu vỏ, ta giả thiết vỏ chia N * phần tử, phần tử chia thành NE nút, theo mơ hình chuyển vị lý thuyết Mindlin nút phần tử vỏ có thành phần