Khảo sát sự tập trung ứng suất tại nút dàn khoan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo - THÁI HỮU TÀI KHẢO SÁT SỰ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT TẠI NÚT DÀN KHOAN Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng công nghiệp Mã số ngành: 23.04.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2005 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC _ Tp HCM, ngày tháng năm 2005 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: THÁI HỮU TÀI Ngày, tháng, năm sinh: 15 – 07 – 1980 Chuyên ngành: Xây dựng DD-CN Phái: Nam Nơi sinh: Khánh Hòa MSHV: 02103543 TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT SỰ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT TẠI NÚT DÀN KHOAN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG ‰ Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho toán ‰ Sư dụng ngôn ngữ lập trình kỹ thuật MATLAB để lập chương trình tính toán mô nút dàn khoan phương pháp phần tử hữu hạn ‰ Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến tập trung ứng suất nút kích thước ống, cấu tạo hình học nút loại tải trọng tác dụng ‰ So sánh kết tính toán với phần mềm ANSYS.8.0 III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27-01-2005 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30-06-2005 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng năm 2005 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH i CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ KIẾN QUỐC Trưởng Bộ môn Sức Bền & Kết Cấu Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách Khoa Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2005 ii Lời Cảm Ơn Tôi phải cảm ơn trước hết toàn Thầy, Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh, nơi kiến thức nhận thức hình thành suốt thời gian học Đại học Cao học Một lòng biết ơn sâu xa xin gởi tới người Thầy trực tiếp hướng dẫn, uốn nắn suy nghó tôi, PGS TS Đỗ Kiến Quốc Với lời khuyên quý giá cách nhìn nhận, giải vấn đề hướng dẫn tận tình Thầy giúp vượt qua bao khó khăn để thực luận văn Dó nhiên không nhắc tới thân phụ tôi, anh chi tôi, bạn bè tôi, đồng nghiệp cổ vũ, kích lệ giúp đỡ suốt trình thực luận văn Xin chân thành cảm ơn tất Tp HCM, tháng năm 2005 THÁI HỮU TÀI iii TÓM TẮT ‰ Trên giới nay, kết cấu dàn sử dụng phổ biến kết cấu dàn khoan, kết cấu tháp, kết cấu mái che có nhịp lớn,… Trong tính toán thiết kế kết cấu dàn, ta quan niệm nút dàn khớp lý tưởng tính toán nội lực ta không đề cập đến ứng xử ứng suất nút dàn Việc phân tích đánh giá cách chi tiết đầy đủ ứng xử ứng suất nút dàn cần thiết Điều giúp tính toán xác hơn, góp phần nâng cao hiệu kinh tế Đó mục tiêu luận văn ‰ Để giải vấn đề trên, luận văn sử dụng Phương pháp Phần Tử Hữu Hạn (PP PTHH) để tính toán mô ứng xử nút dàn khoan thông qua chương trình viết ngôn ngữ lập trình kỹ thuật MATLAB tác giả sử dụng phần tử khối chiều (solid brick node) để mô cục khu vực nút dàn khoan (áp dụng nguyên lý Saint – Venant) Đồng thời, để đánh giá tính xác ổn định chương trình, luận văn có so sánh kết tính toán với chương trình ANSYS (chương trình phân tích kết cấu PP PTHH cấp chứng nhận ISO 9001) ‰ Các kết khảo sát từ chương trình cho ta thấy tranh phong phú phân bố ứng suất dàn nút Hệ số tập trung ứng suất số mà thay đổi theo nhiều thông số Hơn kết tính toán từ chương trình viết MATLAB phù hợp với kết phân tích phần mền thương mại ANSYS, điều chứng tỏ chương trình tác giả viết đáng tin cậy ổn định iv MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT {g} { p} [∂ ] {P} {P}e Vecto lực khối Vecto lực mặt Ma trận đạo hàm riêng Vecto tải tổng thể Vecto tải phầ tử Vecto tải tổng thể sau áp đặt điều kiện biên {P} {q}e {q} * Vecto chuyển vị nút phầ tử Vecto chuyển vị nút tổng thể Vecto chuyển vị nút tổng thể sau áp đặt điều kiện biên {q} {σ }e {ε }e {η } {l m n} Các thành phần Vecto pháp tuyến {p Các thành phần Vecto lực mặt biên tónh * x py pz } Vecto ứng suất phần tử Vecto biến dạng phần tử Vecto pháp tuyến [B] Ma trận tính biến dạng [C], [D] Ma trận vật liệu [J] Ma trận Jacobien phép biến đổi đạo hàm [K] Ma trận độ cứng tổng thể [K]e Ma trận độ cứng phần tử [N] Ma trận hàm dạng [S] Ma trận tính ứng suất D Đường kính ống d Đường kính ống phụ (ống nhánh) E Mô đun đàn hồi vật liệu K Hệ số tập trung ứng suất v Ni Các hàm dạng r, s, t Hệ tọa độ tự nhiên (tọa độ phần tử) ri Tọa độ điểm Gauss thứ i t Bề dày ống t1 Bề dày ống phụ (ống nhánh) u, v, w Các thành phần chuyển vị theo phương x, y, z wi Trọng số điểm Gauss thứ i X, Y, Z Thành phần lực khối theo phương x, y, z x, y, z Hệ tọa độ tổng thể Π Thế toàn phần hệ Πe Thế toàn phần phần tử [Κ]∗ Ma trận độ cứng tổng thể sau áp đặt điều kiện biên β Tỷ số đường kính ống nhánh ống γ Tỷ số đường kính ống bề dày ống ν Hệ số Poisson vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Chương H 1.1 Dàn khoan North Cormorant Northern North Sea H 1.2 Daøn khoan Fulmar Northern North Sea H 1.3 Dàn khoan Sean RD Southern North Sea H 1.4 Dàn khoan Rough Southern North Sea Chương H 2.1 Các thành phần ứng suất phân tố Chương H 3.1 Vật thể chịu lực cân 12 H 3.2 Hình dạng hình học mô hình PTHH số kết cấu 14 H 3.3 Một số dạng hình học tiêu biểu 14 H 3.4 Đa thức xấp xỉ chiều 15 H 3.5 Hệ tọa độ tự nhiên phần tử 16 H 3.6 Các dạng phần tử khối 17 H 3.7 Phần tử brick nút 21 H 3.8 Vị trí điểm Gauss (lưới tích phân 2x2x2) 25 Chương H 4.1 Sơ đồ cấu trúc liệu PTHH 28 H 4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình 28 H 4.3 Phần tử chịu tải mặt 32 H 4.4 Các thành phần ứng suất phần tử 34 Chương H 5.1 Sơ đồ kích thước hình học nút T 38 H 5.2 Moâ hình lưới PTHH 38 H 5.3 Trường chuyển vị theo phương x (bài toán lưới n=2) 39 H 5.4 Sơ đồ biến dạng (bài toán lưới n=2) 39 H 5.5 Trường ứng suất theo phương x (bài toán lưới n=2) 39 H 5.6 ng suất chi tiết B (bài toán lưới n=2) 39 H 5.7 Biểu đồ quan hệ số lớp n hệ số tập trung öùng suaát K 40 H 5.8 Biểu đồ quan hệ 2γ hệ số tập trung ứng suất K 42 H 5.9 Mô hình lưới PTHH (bài tóan STT=6 STT=20) 42 H 5.10 Trường chuyển vị theo phương x (bài tóan STT=6 STT=20) 43 H 5.11 Sơ đồ biến dạng (bài tóan STT=6 vaø STT=20) 43 H 5.12 Trường ứng suất theo phương x (bài tóan STT=6 STT=20) 44 H 5.13 Ứng suất phân bố chi tiết nút 44 vii H 5.14 H 5.15 H 5.16 H 5.17 H 5.18 H 5.19 H 5.20 H 5.21 H 5.22 H 5.23 H 5.24 H 5.25 H 5.26 H 5.27 H 5.28 H 5.29 H 5.30 H 5.31 H 5.32 H 5.33 H 5.34 H 5.35 H 5.36 H 5.37 H 5.38 H 5.39 H 5.40 H 5.41 H 5.42 H 5.43 H 5.44 H 5.45 H 5.46 H 5.47 H 5.48 H 5.49 H 5.50 Sơ đồ tính kích thước hình học nút Y 45 Moâ hình PTHH cho nút Y (ứng với α = 70o) 46 Trường chuyển vị theo phương x (ứng với α = 70o) 46 Sơ đồ biến dạng (ứng với α = 70o) 47 Trường ứng suất theo phương x (ứng với α = 70o) 47 ng suất chi tiết D (ứng với α = 70o) 48 Biểu đồ quan hệ góc nghiêng α hệ số tập trung ứng suất K 48 Biểu đồ ứng suất N vaø M 49 Mô hình lưới PTHH chung cho toán 49 Sơ đồ tải trọng tác dụng điều kiện biên 50 Trường c/vị theo x N 50 Trường c/vị theo x M 50 Sơ đồ biến dạng M 51 Sơ đồ biến daïng N 51 Trường US pháp theo x N 51 Trường US pháp theo x M 51 Trường US pháp theo x (giải ANSYS với STT=6) 54 Trường chuyển vị theo phương x (giải ANSYS với STT=6) 54 Sơ đồ biến dạng (giải ANSYS với STT=6) 55 Trường chuyển vị theo phương x (giải ANSYS với α = 70o) 55 Trường ƯS pháp theo phương x (giải ANSYS với α = 70o) 56 Sơ đồ biến dạng (giải ANSYS với α = 70o) 56 Chuyển vị theo phương x N (giải ANSYS) 56 Chuyển vị theo phương x M (giải ANSYS) 57 Sơ đồ biến dạng M (giải ANSYS) 57 Sơ đồ biến dạng N (giải ANSYS) 57 Trường ƯS pháp theo phương x N (giải ANSYS) 58 Trường ƯS pháp theo phương x M (giải ANSYS) 58 Biểu đồ so sánh kết chuyển vị theo x 59 Biểu đồ so sánh kết chuyển vò theo y 60 Biểu đồ so sánh kết chuyển vị theo z 60 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo x ptử 62 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo x ptử 62 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo y ptử 62 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo y ptử 63 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo z ptử 63 Biểu đồ so sánh kết ứng suất pháp theo z ptử 63 viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Chương 3.1 Tọa độ trọng số điểm Gauss 25 Chương 5.1 Kết khảo sát K theo số lưới 40 5.2 Số liệu kết tính toaùn K theo D,t 41 5.3 Kết tính toán hệ số tập trung ứng suất K theo α 48 5.4 Kết tính toán hệ số tập trung ứng suất K theo lọai tải trọng 52 5.5 Kết chuyển vị nút từ ANSYS MATLAB 59 5.6 Kết ƯS pháp phần tử (tại điểm Gauss) từ ANSYS MATLAB 61 5.7 Kết ƯS tiếp phần tử (tại điểm Gauss) từ ANSYS MATLAB 61 ix PHỤ LUÏC C dNr(1:3:r2,5)=-(1-eta).*(1+zet); dNr(1:3:r2,7)= (1+eta).*(1+zet); dNr(1:3:r2,6)= (1-eta).*(1+zet); dNr(1:3:r2,8)=-(1+eta).*(1+zet); % tinh dN/ds -dNr(2:3:r2+1,1)=-(1-xsi).*(1-zet); dNr(2:3:r2+1,2)=-(1+xsi).*(1-zet); dNr(2:3:r2+1,3)= (1+xsi).*(1-zet); dNr(2:3:r2+1,4)= (1-xsi).*(1-zet); dNr(2:3:r2+1,5)=-(1-xsi).*(1+zet); dNr(2:3:r2+1,6)=-(1+xsi).*(1+zet); dNr(2:3:r2+1,7)= (1+xsi).*(1+zet); dNr(2:3:r2+1,8)= (1-xsi).*(1+zet); % tinh dN/dt -dNr(3:3:r2+2,1)=-(1-xsi).*(1-eta); dNr(3:3:r2+2,2)=-(1+xsi).*(1-eta); dNr(3:3:r2+2,3)=-(1+xsi).*(1+eta); dNr(3:3:r2+2,4)=-(1-xsi).*(1+eta); dNr(3:3:r2+2,5)= (1-xsi).*(1-eta); dNr(3:3:r2+2,6)= (1+xsi).*(1-eta); dNr(3:3:r2+2,7)= (1+xsi).*(1+eta); dNr(3:3:r2+2,8)= (1-xsi).*(1+eta); dNr=dNr/8.; % - three dimensional case -rowed=size(ed,1); rowex=size(ex,1); if rowex==11 incie=0; else incie=1; end es=[]; et=[]; eci=[]; ie=1; for ied=1:rowed eci=[eci N*[ex(ie,:);ey(ie,:);ez(ie,:)]']; JT=dNr*[ex(ie,:);ey(ie,:);ez(ie,:)]'; for i=1:ngp indx=[ 3*i-2; 3*i-1; 3*i ]; detJ=det(JT(indx,:)); if detJ