TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH UỐN DỌC CỦA HỆ THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG - NGUYỄN ĐỨC BÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH UỐN DỌC CỦA HỆ THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP; MÃ SỐ: 60.58.02.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐỒN VĂN DUẨN HẢI PHỊNG, 11 NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Đức Bình i LỜI CẢM ƠN Tác giả luận văn xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc PGS TS Đồn Văn Duẩn tận tình giúp đỡ cho nhiều dẫn khoa học có giá trị thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, chuyên gia trường Đại học Dân lập Hải phòng tạo điều kiện giúp đỡ, quan tâm góp ý cho luận văn hồn thiện Tôi xin trân trọng cảm ơn cán bộ, giáo viên Khoa xây dựng, Phòng đào tạo Đại học Sau đại học trường Đại học Dân lập Hải phòng, đồng nghiệp tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trình nghiên cứu hồn thành luận văn Cuối tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác giúp đỡ tơi q trình học tập thực Luận văn.” Xin trân trọng cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng Tác giả Nguyễn Đức Bình ii năm 2018 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 68 CHƯƠNG1: LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH 70 1.1 Khái niệm ổn định ổn định công trình 70 1.2 Tầm quan trọng lịch sử phát triển lý thuyết ổn định cơng trình 71 1.3 Các phương pháp xây dựng tốn ổn định cơng trình 72 1.3.1 Phương pháp tĩnh học 72 1.3.2 Phương pháp động lực học 73 1.3.3 Phương pháp lượng 73 1.4 Các định lí ổn định tiêu chuẩn ổn định 74 1.5 Bài toán ổn định uốn dọc phương pháp giải 78 1.6 Thuật toán đơn giản để giải phương trình đa thức 83 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 88 2.1 Các phương trình lý thuyết đàn hồi tuyến tính 88 2.1.1 Khái niệm 88 2.1.2 Các phương trình biến dạng - chuyển vị 88 2.1.3 Phương trình ứng suất - biến dạng 90 2.1.4 Các phương trình cân 97 2.1.5 Các phương trình liên tục 100 2.2 Công thức ma trận định lý lượng 101 2.2.1 Khái niệm: 101 2.2.2 Công học 101 2.2.3 Năng lượng biến dạng 103 2.2.4 Nguyên lý công 104 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 105 2.3.1 Hàm nội suy phần tử 107 2.3.1.1 Hàm nội suy chuyển vị góc xoay hai nút đầu phần tử 107 iii 2.3.1.2 Hàm nội suy lực cắt hai nút đầu phần tử 109 2.3.1.2 Ma trận độ cứng phần tử 110 2.3.2.3 Ma trận độ cứng tổng thể 113 2.3.2.4 Xét điều kiện ngoại lực 114 2.3.2.5 Xác định nội lực 114 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH ĐÀN HỒI CỦA HỆ THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 115 3.1 Bài toán ổn định chịu nén 115 3.2 Phương pháp chuyển vị cưỡng 117 3.5.2 Tính toán ổn định hệ phương pháp phần tử hữu hạn 118 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 iv MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài: Trong cơng trình xây dựng người ta thường dùng có chiều dài lớn, - vỏ chịu nén điều kiện ổn định miền đàn hồi có tầm quan trọng đặc biệt, đòi hỏi phải nghiên cứu đầy đủ mặt lý thuyết thực nghiệm Bài toán ổn định kết cấu giải theo nhiều hướng khác nhau, phần lớn xuất phát từ nguyên lý lượng mà theo kết phụ thuộc nhiều vào cách chọn dạng hệ trạng thái lệch khỏi dạng cân ban đầu Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp xây dựng dựa ý tưởng rời rạc hóa cơng trình thành phần tử nhỏ (số phần tử hữu hạn) Các phần tử nhỏ nối lại với thơng qua phương trình cân phương trình liên tục Để giải tốn học kết cấu, tiếp cận phương pháp theo ba mơ hình gồm: Mơ hình chuyển vị, xem chuyển vị đại lượng cần tìm hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố chuyển vị phần tử; Mơ hình cân bằng, hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố ứng suất hay nội lực phần tử mơ hình hỗn hợp, coi đại lượng chuyển vị ứng suất hai yếu tố độc lập riêng biệt Các hàm nội suy biểu diễn gần dạng phân bố chuyển vị lẫn ứng suất phần tử * Đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu luận văn Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp chuyển vị cưỡng để xây dựng giải toán ổn định hệ thẳng chịu tác dụng tải trọng tĩnh * Mục đích nghiên cứu luận văn: Nghiên cứu ổn định đàn hồi hệ phương pháp phần tử hữu hạn * Nhiệm vụ nghiên cứu luận văn: - Trình bày lý thuyết ổn định ổn định cơng trình - Trình bày phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp chuyển vị cưỡng để xây dựng giải toán ổn định hệ thẳng đàn hồi chịu uốn dọc 68 * Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm Chương, Chương 1: Tổng quan lý thuyết ổn định cơng trình, Chương 2: Phương pháp phần tử hữu hạn, Chương 3: Tính tốn ổn định đàn hồi hệ phương pháp phần tử hữu hạn 69 CHƯƠNG1 LÝ THUYẾT ỔN ĐỊNH CƠNG TRÌNH Trong chương bàn lý thuyết ổn định cơng trình phương pháp chung để xây dựng toán ổn định cơng trình, tiêu chuẩn ổn định phương pháp giải tốn ổn định cơng trình 1.1 Khái niệm ổn định ổn định cơng trình Một cách hình dung tốt khái niệm ổn định ta xét trường hợp viên bi cứng (b) (a) (d) mặt cầu cứng lõm a s lồi, Hình 1.1 Rõ ràng trường hợp (a), b b mặt cầu lõm, cân t (c) (e) viên bi ổn định kích khỏi vị trí cân ban đầu Hình 1.1 Các trường hợp ổn định (đáy cầu) thả trở vị trí đáy cầu lân cận với vị trí (nếu có ma sát) Trong trường hợp (b), mặt cầu lồi, cân khơng ổn định, kích viên bi khỏi vị trí cân ban đầu thả bi viên bi khơng trở lại vị trí ban đầu nữa.Trong trường hợp (c), hình yên ngựa, cân ổn định kích viên bi khỏi vị trí cân ban đầu theo phương s không ổn định theo phương t.Trong trường hợp (d), kích viên bi khỏi vị trí cân ban đầu lăn mặt phẳng ngang đến ngừng chuyển động, có vị trí cân khác với trạng thái cân ban đầu Trong trường hợp ta nói trạng thái cân ban đầu phiếm định (không phân biệt) Ở ta nói đến trạng thái cân viên bi Suy rộng rata nói trạng thái cân hệ phức tạp, ví dụ trạng thái ứng suất biến dạng, trạng thái nội lực chuyển vị trạng thái lượng 70 Trở lại hình 1.2a Khi lệch khỏi vị trí cân bằng, trọng tâm viên bi lên cao, tăng Trạng thái cân ổn định trạng thái tối thiểu Ở hình 1.2b, lệch với trị số nhỏ, trọng tâm viên bi giảm, giảm Trạng thái cân không ổn định ứng với lớn Hình 1.2d, lệch khỏi vị trí cân bằng, trọng tâm viên bi không thay đổi, trạng thái cân phiếm định không phân biệt Như hình 1.2, để biết trạng thái cân hệ có ổn định hay khơng ta phải kích khỏi vị trí cân ban đầu Phương pháp chung để đánh giá ổn định hệ là: Đưa hệ khỏi vị trí cân ban đầu kiểm tra xem có tồn trạng thái cân khơng Nếu tìm trạng thái cân khác với trạng thái cân ban đầu hệ ổn định lực giữ cho hệ trạng thái cân gọi lực tới hạn, trường hợp ngược lại hệ ổn định 1.2 Tầm quan trọng lịch sử phát triển lý thuyết ổn định cơng trình Ngồi việc biết trạng thái cân hệ cịn cần xét xem trạng thái cân có phải trạng thái cân ổn định hay khơng.Thực tế, có nhiều cơng trình bị phá hoại ổn định Lịch sử cơng nghệ xây dựng cho thấy khơng tai nạn lớn xảy nước khác thiết kế cơng trình người kỹ sư khơng xét đến đầy đủ tượng động ổn định Việc sử dụng thép hợp kim có cường độ cao kết cấu đại kết cấu nhà cao tầng; silo; bể chứa; cầu; tàu thủy máy bay tất yếu dẫn đến phải sử dụng cấu kiện thanh, thành mỏng, vỏ mỏng chịu nén, làm cho tượng ổn định đàn hồi trở thành vấn đề có tầm quan trọng đặc biệt Thực tế cho thấy nhiều cơng trình bị sập đổ ổn định, cầu đường sắt Kevđa – Nga cầu dàn hở bị phá hủy năm 1875 hệ biên bị ổn định, Cầu dàn Quebéc Canada, bị phá hủy ổn định chịu nén xây dựng vào năm 1907[10, trg 5], Cầu Tacoma Mỹ xây dựng hoàn thành ngày 1/7/1940 bị phá hủy 7/11/1940 bị ổn định tác dụng gió [32, trg 277] v.v… Vấn đề ổn định kết cấu cơng trình nghiên cứu thực nghiệm Piter Musschenbroek công bố năm 1729, đến kết luận 71 lực tới hạn tỷ lệ nghịch với bình phương chiều dài Ba mươi năm sau phân tích tốn học Leonhard Euler nhận kết Đầu tiên kỹ sư khơng chấp nhận kết thí nghiệm Piter Musschenbroek kết lý thuyết Euler Culông [31, trg 185] tiếp tục cho độ cứng cột tỷ lệ thuận với diện tích mặt cắt ngang không phụ thuộc vào chiều dài Những quan điểm dựa kết thí nghiệm cột gỗ cột sắt lắp ghép có chiều dài tương đối ngắn, loại thường bị phá hoại với tải trọng nhỏ thua tải trọng Euler vật liệu bị phá hoại mà ổn định ngang gây E.Lamac người giải thích cách thỏa đáng khơng phù hợp kết lý thuyết kết thực nghiệm, ông lý thuyết Euler hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm bảo đảm giả thiết Euler xem vật liệu đàn hồi điều kiện lý tưởng đầu cuối cần phải bảo đảm Những thí nghiệm sau người ta ý bảo đảm đầu cuối bảo đảm cho lực đặt tâm khẳng định tính đắn cơng thức Euler 1.3 Các phương pháp xây dựng tốn ổn định cơng trình 1.3.1 Phương pháp tĩnh học - Tạo cho hệ nghiên cứu dạng cân lệch khỏi dạng cân ban đầu - Xác định trị số lực tới hạn (trị số lực cần thiết giữ cho hệ dạng cân mới, lệch khỏi dạng cân đầu) Lực tới hạn xác định từ phương trình đặc trưng (hay cịn gọi phương trình ổn định) Người nghiên cứu vận dụng nội dung nói áp dụng: Phương pháp thiết lập giải phương trình vi phân; Phương pháp thông số ban đầu; Phương pháp lực; Phương pháp chuyển vị; Phương pháp hỗn hợp; Phương pháp sai phân hữu hạn; Phương pháp dây xích; Phương pháp nghiệm điểm; Phương pháp Bubnov-Galerkin; Phương pháp giải dần Trong thực tế, áp dụng phương pháp tĩnh học để tìm nghiệm xác tốn ổn định thường gặp nhiều khó khăn đơi khơng thể thực 72 Theo sơ đồ tính trên, phần tử có bốn ẩn Vì cần phải bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử liên kết nên tổng ẩn nhỏ (4 x npt) Nói chung, toán bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử điều kiện liên tục góc xoay Lấy ví dụ, có phần tử ta có ẩn sau, hình 3.5 Tổng cộng ta có 26 ẩn  412 = 48 ẩn Các ẩn đưa vào ma trận ẩn chuyển vị nw1, nw2, nw3 ma trận góc xoay nwx1, nwx2, nwx3 có kích thước[1x2npt] nw1 = [0 1 2 3 4] nwx1 = [5 6 7 8 9] nw2 = [0 10 10 11 nwx2 = [13 nw3 = [0 nwx3 = [22 14 18 14 18 23 23 15 19 24 11 15 19 24 12 16 20 25 12 16 20 25 0] 17] 21] 26] a) Ma trận độ cứng phần tử: Đối với chuyển vị dùng hàm nội suy đa thức bậc ba sau: f1= 1/4(x1)2(x+2); f2 = 1/4(x1)2(x+1); f3 = 1/4(x+1) 2(x+2); f4 = 1/4(x+1) 2(x1); fw=[f1 f2 f3 f4]; Chuyển vị điểm phần tử xác định sau: W = [f1 f2 f3 f4] [W 1 W2 2]T Góc xoay mơmen: fwx=diff(fw,x).*2/dx; Biến dạng uốn: bdx = diff(fwx,x)*2/dx; mx = bdx.*ej; mp = fw.*p; Ma trận độ cứng phần tử viết sau 123 ae1 (m, :)  dx  mx  mp bdx(m)dx; m  (1  4) 1 Vì vật liệu kích thước hình học giống nhau, khơng có lực dọc trục nên ma trận độ cứng phần tử viết sau: ae2,3 ( m, :)  dx  mx bdx( m)dx; m  (1  4) 1 Dùng tích phân trực tiếp, dùng tích phân số Gauss ta có: Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính (thanh đứng chịu nén) a e1 - 0.1P + 96  - 4.8P + 768 4.8P - 768 - 0.1P + 96  4.8P - 768 - 4.8P + 768 0.1P - 96 0.1P - 96    0.1P - 96 - 0.03P + 16 0.0083P+ 8 - 1.1P + 96   1.1P - 96 0.0083P+ - 0.03P + 16  - 0.1P + 96 Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính a e 2,3  768  EJ - 768  l  96l   96l - 768 96l , 96l  768 - 96l - 96l   - 96l 16l 8l   - 96l 8l 16l  a) Ma trận độ cứng tổng thể Biết ma trận [a]e1 đứng [a]e2,3 xây dựng ma trận tổng thể [A] khung có kích thước (26x26) cách đưa ma trận phần tử [a]e1 vào phần tử đứng ma trận phần tử [a]e2,3 vào phần tử (thuật toán cụ thể tác giả khơng giới thiệu khơng có tính tổng quát mà phụ thuộc vào khả lập trình người) b) Các điều kiện liên tục Thanh 1, thỏa mãn điều kiện liên tục theo hình 3.5 c) Các điều kiện biên 124 Góc xoay momen chân đứng 1, không, momen cuối đứng đầu ngang phải khơng, góc xoay cuối đứng cuối ngang phải nhau, chuyển vị ngang đầu d) Điều kiện chuyển vị cưỡng Chuyển vị cưỡng cuối đứng y0, ta có W(npt,2)  y0 = Như vậy, ngồi ẩn theo sơ đồ hình 3.3, ta có thêm tổng cộng ràng buộc có thêm thừa số Lagrange  Ma trận A có kích thước (32x32) ma trận B véc tơ cột có kích thước (32x1) Véc tơ B không trừ B(32,1) = y0 Giải hệ phương trình AX = B ta nhận phương trình (ẩn số 32) có dạng sau:  = 3.*(4039.*p^8*l^16-12352256.*p^7*ej*l^14+13158835200.*p^6*ej^2*l^126300429713408.*p^5*ej^3*l^10+1446010136035328.*p^4*ej^4*l^8156974086084362240.*p^3*ej^5*l^6+7489368549752832000.*p^2*ej^6*l^4133739096844533760000.*p*ej^7*l^2+655484852014940160000.*ej^8)/l^3*y0 Ta thấy  hàm bậc P Giải phương trình =0 ta nhận lực tới hạn, đưa ba lực tới hạn sau: Bảng 3.2 Lực tới hạn chia thành phần tử PP Dãy lực tới hạn P thxEJ/l2 P1th P2th P3th PTHH 7,768 23,106 63,154 GT 7,77 23,041 61,990 Sai số% 0,025 0,28 1,88 125 Như vậy, chia thành bốn phần tử ta nhận lực tới hạn sai sổ 0,025%, cịn lực có sai số khơng đáng kể Muốn tìm nhiều nghiệm xác ta cần chia thành nhiều phần tử Ví dụ 3.3: Khung siêu tĩnh bậc ba Xác định lực tới hạn Pth cho P yo yo (2) khung chịu lực (hình 3.5) Biết B C độ cứng uốn EJ=const l Chia thành n đoạn, (1) (3) y x hình 3.6, ta nói có npt phần A tử Các nút phần tử nên trùng D y với điểm đặt lực tập trung, l có tiết diện ngang khơng thay đổi Hình 3.5 Khung siêu tĩnh bậc ba Chiều dài phần tử SO DO DAM NGANG CHIEU DAI PHAN TU SO DO AN GOC XOAY nwx2 SO DO AN GOC XOAY SO DO AN CHUYEN VI SO DO AN CHUYEN VI 14 14 15 15 16 16 17 SO DO COT PHAI CHIEU DAI PHAN TU SO DO AN GOC XOAY 8 7 SO DO AN CHUYEN VI 13 6 10 10 11 11 12 12 23 23 24 24 25 25 26 nw2 SO DO NUT DAM 22 nút3 nw3 nwx3 21 nút2 SO DO NUT COT PHAI 18 18 19 19 20 20 3 2 SO DO NUT COT TRAI 1 SO DO COT TRAI nút1 nw1 nwx1 CHIEU DAI PHAN TU Hình 3.6 Đánh số nút, số ẩn Theo sơ đồ tính trên, phần tử có bốn ẩn Vì cần phải bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử liên kết nên tổng ẩn nhỏ (4 x npt) Nói chung, tốn bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử điều kiện liên tục góc xoay Lấy ví dụ, có phần tử ta có ẩn sau, hình 3.6 Tổng cộng ta có 26 ẩn  412 = 48 ẩn Các ẩn đưa vào ma trận ẩn chuyển vị nw1, nw2, nw3 ma trận góc xoay nwx1, nwx2, nwx3 có kích thước[1x2npt] nw1 = [0 1 2 126 4] nwx1 = [5 6 nw2 = [0 10 10 11 nwx2 = [13 nw3 = [0 nwx3 = [22 14 18 14 18 23 15 19 23 24 11 15 19 24 12 16 20 25 9] 12 16 20 25 0] 17] 21] 26] a) Ma trận độ cứng phần tử: Đối với chuyển vị dùng hàm nội suy đa thức bậc ba sau: f1= 1/4(x1)2(x+2); f2 = 1/4(x1)2(x+1); f3 = 1/4(x+1) 2(x+2); f4 = 1/4(x+1) 2(x1); fw=[f1 f2 f3 f4]; Chuyển vị điểm phần tử xác định sau: W = [f1 f2 f3 f4] [W 1 W2 2]T Góc xoay mơmen: fwx=diff(fw,x).*2/dx; Biến dạng uốn: bdx = diff(fwx,x)*2/dx; mx = bdx.*ej; mp = fw.*p; Ma trận độ cứng phần tử viết sau ae1 (m, :)  dx  mx  mp bdx(m)dx; m  (1  4) 1 Vì vật liệu kích thước hình học giống nhau, khơng có lực dọc trục nên ma trận độ cứng phần tử viết sau: ae2,3 ( m, :)  dx  mx bdx( m)dx; m  (1  4) 1 Dùng tích phân trực tiếp, dùng tích phân số Gauss ta có: Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính (thanh đứng chịu nén) 127 a e1 - 0.1P + 96  - 4.8P + 768 4.8P - 768 - 0.1P + 96  4.8P - 768 - 4.8P + 768 0.1P - 96 0.1P - 96     0.1P - 96 - 0.03P + 16 0.0083P+ 8 - 1.1P + 96   1.1P - 96 0.0083P+ - 0.03P + 16  - 0.1P + 96 Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính a e 2,3  768  EJ - 768  l  96l   96l - 768 96l , 96l  768 - 96l - 96l   - 96l 16l 8l   - 96l 8l 16l  a) Ma trận độ cứng tổng thể Biết ma trận [a]e1 đứng [a]e2,3 xây dựng ma trận tổng thể [A] khung có kích thước (26x26) cách đưa ma trận phần tử [a]e1 vào phần tử đứng ma trận phần tử [a]e2,3 vào phần tử (thuật toán cụ thể tác giả khơng giới thiệu khơng có tính tổng qt mà phụ thuộc vào khả lập trình người) b) Các điều kiện liên tục Thanh 1, thỏa mãn điều kiện liên tục theo hình 3.6 c) Các điều kiện biên Góc xoay momen chân đứng 1, khơng, góc xoay cuối đứng đầu ngang phải nhau, góc xoay cuối đứng cuối ngang phải nhau, chuyển vị ngang đầu d) Điều kiện chuyển vị cưỡng Chuyển vị cưỡng cuối đứng y0, ta có W(npt,2)  y0 = Như vậy, ngồi ẩn theo sơ đồ hình 3.6, ta có thêm tổng cộng ràng buộc có thêm thừa số Lagrange  Ma trận A có kích thước (32x32) ma trận B véc tơ cột có kích thước (32x1) Véc tơ B không trừ B(32,1) = y0 Giải hệ phương trình AX = B ta nhận phương trình (ẩn số 32) có dạng sau: 128  = 24.*(577.*p^8*l^16-1468136.*ej*p^7*l^14+1398383616.*ej^2*p^6*l^12633429229568.*ej^3*p^5*l^10+144803329212416.*ej^4*p^4*l^816547602350735360.*ej^5*p^3*l^6+893283189601075200.*ej^6*p^2*l^420187033485967360000.*ej^7*p*l^2+149621542307758080000.*ej^8)/l^3*y0 Ta thấy  hàm bậc P Giải phương trình =0 ta nhận lực tới hạn, đưa ba lực tới hạn sau: Bảng 3.1 Lực tới hạn chia thành phần tử PP Dãy lực tới hạn P thxEJ/l2 P1th P2th P3th PTHH 14,592 27,877 70,934 GT 14,587 27,780 61,990 Sai số% 0,034 0,35 14,43 Như vậy, chia thành bốn phần tử ta nhận lực tới hạn hồn sai số 0,034%, cịn lực có sai số khơng đáng kể Muốn tìm nhiều nghiệm xác ta cần chia thành nhiều phần tử Ví dụ 3.4: Khung siêu tĩnh bậc ba Xác định lực tới hạn Pth cho P P yo (2) khung chịu lực (hình 3.7) Biết B C (1) (3) y x EJ, độ cứng ngang 2EJ l độ cứng uốn đứng 1, Chia thành n A D y đoạn, đoạn có chiều dài 2l dx=l13/npt hình 3.8, ta nói Hình 3.7 Khung siêu tĩnh bậc ba 1, có npt phần tử, riêng chia thành npt phần tử phần tử có chiều dài 129 yo dx=l2/2/npt, l13=l; l2=2l SO DO DAM NGANG CHIEU DAI PHAN TU SO DO AN GOC XOAY nwx2 SO DO AN GOC XOAY SO DO NUT COT PHAI SO DO AN CHUYEN VI 14 14 15 15 16 16 17 SO DO COT PHAI CHIEU DAI PHAN TU 8 7 SO DO AN GOC XOAY SO DO AN CHUYEN VI 13 6 10 10 11 11 12 12 SO DO AN CHUYEN VI nw2 SO DO NUT DAM 23 23 24 24 25 25 26 nút3 nw3 nwx3 22 nút2 21 18 18 19 19 20 20 3 2 SO DO NUT COT TRAI 1 SO DO COT TRAI nút1 nw1 nwx1 CHIEU DAI PHAN TU Hình 3.8 Đánh số nút, số ẩn Các nút phần tử nên trùng với điểm đặt lực tập trung, có tiết diện ngang không thay đổi Chiều dài phần tử Theo sơ đồ tính trên, phần tử có bốn ẩn Vì cần phải bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử liên kết nên tổng ẩn nhỏ (4 x npt) Nói chung, toán bảo đảm điều kiện liên tục chuyển vị phần tử điều kiện liên tục góc xoay Lấy ví dụ, có phần tử ta có ẩn sau, hình 3.8 Tổng cộng ta có 26 ẩn  412 = 48 ẩn Các ẩn đưa vào ma trận ẩn chuyển vị nw1, nw2, nw3 ma trận góc xoay nwx1, nwx2, nwx3 có kích thước[1x2npt] nw1 = [0 1 2 3 4] nwx1 = [5 6 7 8 9] nw2 = [0 10 10 11 nwx2 = [13 nw3 = [0 nwx3 = [22 14 18 23 14 18 23 15 19 24 11 12 15 19 16 20 24 25 12 16 20 25 0] 17] 21] 26] a) Ma trận độ cứng phần tử: Đối với chuyển vị dùng hàm nội suy đa thức bậc ba sau: l13=l; l2=2*l; dx13=l13/npt; dx2=l2/2/npt; f1=(x-1)^2*(x+2)/4; f2=(x+1)^2*(-x+2)/4; 130 f3=(x-1)^2*(x+1)/4*dx13/2; f4=(x+1)^2*(x-1)/4*dx13/2; fw=[f1 f2 f3 f4]; Chuyển vị điểm phần tử xác định sau: W = [f1 f2 f3 f4] [W 1 W2 2]T Góc xoay mơmen: fwx=diff(fw,x).*2/dx13; Biến dạng uốn: bdx=-diff(fwx,x).*2/dx13; mx13=bdx.*ej; mp = fw.*p; Ma trận độ cứng phần tử viết sau z1=int((mx13-fw.*p).*s1,x,-1,1).*dx13/2; ae1 ( m, :)  dx13  mx  mp bdx(m)dx; m  (1  4) 1 Vì vật liệu kích thước hình học giống nhau, khơng có lực dọc trục nên ma trận độ cứng phần tử viết sau: ae2, ( m, :)  dx13  mx13bdx(m)dx; m  (1  4) 1 Dùng tích phân trực tiếp, dùng tích phân số Gauss ta có: Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính (thanh đứng chịu nén) a e1 - 0.1P + 96  - 4.8P + 768 4.8P - 768 - 0.1P + 96  4.8P - 768 - 4.8P + 768 0.1P - 96 0.1P - 96     0.1P - 96 - 0.03P + 16 0.0083P+ 8 - 1.1P + 96   1.1P - 96 0.0083P+ - 0.03P + 16  - 0.1P + 96 Ma trận độ cứng phần tử dùng để tính 131 a e 2,3  768  EJ - 768  l  96l   96l - 768 96l , 96l  768 - 96l - 96l   - 96l 16l 8l   - 96l 8l 16l  a) Ma trận độ cứng tổng thể Biết ma trận [a]e1 đứng [a]e2,3 xây dựng ma trận tổng thể [A] khung có kích thước (26x26) cách đưa ma trận phần tử [a]e1 vào phần tử đứng ma trận phần tử [a]e2,3 vào phần tử (thuật toán cụ thể tác giả khơng giới thiệu khơng có tính tổng qt mà phụ thuộc vào khả lập trình người) b) Các điều kiện liên tục Thanh 1, thỏa mãn điều kiện liên tục theo hình 3.8 c) Các điều kiện biên Góc xoay momen chân đứng 1, khơng, góc xoay cuối đứng đầu ngang phải nhau, góc xoay cuối đứng cuối ngang phải nhau, chuyển vị ngang đầu d) Điều kiện chuyển vị cưỡng Chuyển vị cưỡng cuối đứng y0, ta có W(npt,2)  y0 = Như vậy, ngồi ẩn theo sơ đồ hình 3.8, ta có thêm tổng cộng ràng buộc có thêm thừa số Lagrange  Ma trận A có kích thước (32x32) ma trận B véc tơ cột có kích thước (32x1) Véc tơ B không trừ B(32,1) = y0 Giải hệ phương trình AX = B ta nhận phương trình (ẩn số 32) có dạng sau:  = 384.*(60585.*l^30*p^15-308083328.*ej*l^28*p^14+ 683462074368.*ej^2*l^26*p^13-872375424385024.*ej^3*l^24*p^12+ 712067951531917312.*ej^4*l^22*p^1191107601956700422144.*ej^5*l^20*p^10 132 +148278583953114527694848.*ej^6*l^18*p^99213537913680213116452864.*ej^7*l^16*p^8+ 7233786327698639643067023360.*ej^8*l^14*p^7922534485375860420546396160000.*ej^9*l^12*p^6+798735276413314067501 39547648000.*ej^10*l^10*p^5.4557e34*ej^11*l^8*p^4+.16349e36*ej^12*l^6*p^3.34136e37*ej^13*l^4*p^2+.35957322437961838469120734003200e38*ej^14*l^ 2*p-.1332e39*ej^15)*y0 Ta thấy  hàm bậc 14 P Giải phương trình =0 ta nhận 14 lực tới hạn, đưa ba lực tới hạn sau: Bảng 3.1 Lực tới hạn chia thành phần tử PP Dãy lực tới hạn P thxEJ/l2 P1th P2th P3th PTHH 7.380 25.247 63.618 GT 7,379 30,672 71,709 Sai số% 0,013 17,69 11,28 Như vậy, chia thành bốn phần tử ta nhận lực tới hạn hoàn sai số 0,013%, cịn lực có sai số đáng kể Muốn tìm nhiều nghiệm xác ta cần chia thành nhiều phần tử 133 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: - Đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp chuyển vị cưỡng để xây dựng toán ổn định uốn dọc hệ thẳng đàn hồi chịu tác dụng tải trọng tĩnh - Phương pháp chuyển vị cưỡng cho toán ổn định đàn hồi hệ chịu uốn dọc có xét đến biến dạng trượt ngang Bằng phép tính biến phân đưa phương trình vi phân khơng có vế phải phương trình vi phân có vế phải cách cho điểm thanh, ví dụ điểm x=x1, chuyển vị y0: từ chứng minh phương trình =0 (phương trình vế phải) phương trình xác định trị riêng Đối với tốn ổn định tĩnh trị riêng tìm lực tới hạn P th Dùng phương pháp chuyển vị cưỡng để giải toán ổn định cho ta phương trình đa thức xác định lực tới hạn mà thông qua phép biến đổi phức tạp để đưa ma trận ma trận đường chéo - Dùng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định lực tới hạn chịu nén có điều kiện biên khác Kết nhận hoàn toàn trùng khớp với kết nhận phương pháp khác (Dùng phần mềm Matlab 7.0 hỗ trợ tính tốn) Kiến nghị: Có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn giảng dạy, học tập nghiên cứu phân tích ổn định cho kết cấu 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Hà Huy Cương (2005), Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss, Tạp chí Khoa học kỹ thuật, IV/ Tr 112 118 [2] Đoàn Văn Duẩn (2011), Nghiên cứu ổn định đàn hồi kết cấu hệ có xét đến biến dạng trượt, Luận ánTiến sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc Hà Nội [3] Hà Huy Cương (2005), Phương pháp nguyên lý cực trị Gauss, Tạp chí Khoa học kỹ thuật, IV/ Tr 112 118 [4] Nguyễn Văn Liên, Nguyễn Phương Thành, Đinh Trọng Bằng (2003), Giáo trình Sức bền vật liệu, Nhà xuất xây dựng, tái lần thứ 3, 330 trang [5] Nguyễn Phương Thành (2002), Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng nhiều lớp chịu tải trọng động có xét lực ma sát mặt tiếp xúc, Luận án tiến sỹ kỹ thuật [6] Vương Ngọc Lưu (2002), Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng sàn Sandwich chịu tải trọng tĩnh động, Luận án tiến sỹ kỹ thuật [7] Trần Hữu Hà (2006), Nghiên cứu toán tương tác cọc tác dụng tải trọng, Luận án tiến sỹ kỹ thuật [8] Phạm Văn Trung (2006), Phương pháp Tính tốn hệ dây mái treo, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật [9] Vũ Hoàng Hiệp (2007), Nghiên cứu trạng thái ứng suất - biến dạng dầm nhiều lớp chịu tải tĩnh động, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Hà nội [10] Nguyễn Văn Đạo (2001), Cơ học giải tích, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội, 337 trang [11] Nguyễn Văn Đạo, Trần Kim Chi, Nguyễn Dũng (2005), Nhập môn Động lực học phi tuyến chuyển động hỗn độn Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội [12] Lều Thọ Trình, Đỗ Văn Bình(2006), Giáo trình ổn định cơng trình, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [13] Vũ Hồng Hiệp (2008), Tính kết cấu có xét biến dạng trượt, Tạp chí xây dựng số [14] Đoàn Văn Duẩn, Nguyễn Phương Thành (2007), Phương pháp tính tốn ổn định thanh, Tạp chí Xây dựng số 12 (Tr41-Tr44) [15] Đồn Văn Duẩn (2008), Phương pháp tính tốn ổn định khung, Tạp chí Xây dựng số 01 (Tr35-Tr37) [16] Đồn Văn Duẩn (2008), Nghiên cứu ổn định uốn dọc có xét biến dạng trượt, Tạp chí Xây dựng số 12 (Tr33-Tr37) [17] Đoàn Văn Duẩn (2009), Phương pháp nghiên cứu ổn định tổng thể dàn, Tạp chí Xây dựng số 03 (Tr86-Tr89) [18] Đoàn Văn Duẩn (2007), Phương pháp nguyên lý Cực trị Gauss tốn ổn định cơng trình, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật [19] Phạm Văn Đạt (2015), Phân tích kết cấu dàn chịu tải trọng tĩnh theo sơ đồ biến dạng, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật Quân [20] Trần Thị Kim Huế (2005), Phương pháp nguyên lý Cực trị Gauss toán học kết cấu, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật [21] Nguyễn Thị Liên (2006), Phương pháp nguyên lý Cực trị Gauss toán động lực học cơng trình, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật [22] Vũ Thanh Thủy (2009), Xây dựng toán dầm xét đầy đủ hai thành phần nội lực momen lực cắt Tạp chí Xây dựng số [23] Vũ Thanh Thủy (2009), Dao động tự dầm xét ảnh hưởng lực cắt Tạp chí Xây dựng, số [24] Timoshenko C.P, Voinópk2 Krige X, (1971), Tấm Vỏ Người dịch, Phạm Hồng Giang, Vũ Thành Hải, Đoàn Hữu Quang, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [25] Klaus – Jurgen Bathe (1996), Finite Element procedures Part one, Prentice – Hall International, Inc, 484 trang [26] Klaus – Jurgen Bathe (1996), Finite Element procedures Part two, Prentice – Hall International, Inc, 553 trang [27] Ray W.Clough, Joseph Penzien(1993), Dynamics of Structures (Tái lần thứ 2), McGraw-Hill Book Company, Inc, 738 trang [28] O.C Zienkiewicz-R.L Taylor (1991), The finite element method (four edition) Volume 2, McGraw-Hill Book Company, Inc, 807 trang [29] G.Korn-T.Korn (1961), Mathematical Handbook for sientists and Engineers, McGraw-Hill, New york (Bản dịch tiếng Nga, I.Bramovich chủ biên, Nhà xuất Nauka-Moscow, 1964) [30] Stephen P.Timoshenko-J Goodier (1970), Theory of elasticity, McGrawHill, New york (Bản dịch tiếng Nga, G Shapiro chủ biên, Nhà xuất Nauka-Moscow, 1979), 560 trang