Mô phỏng quá trình va chạm liên tiếp theo thời gian giữa khung thép và nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN CHÂU NGỌC LÂM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VA CHẠM LIÊN TIẾP THEO THỜI GIAN GIỮA KHUNG THÉP VÀ NHIỀU VẬT NẶNG CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ PHI TUYẾN HÌNH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.580201 Long An – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN CHÂU NGỌC LÂM MƠ PHỎNG Q TRÌNH VA CHẠM LIÊN TIẾP THEO THỜI GIAN GIỮA KHUNG THÉP VÀ NHIỀU VẬT NẶNG CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ PHI TUYẾN HÌNH HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.580201 Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thanh Nguyên Long An – 2020 i LỜI CAM ĐOAN Ngoài kết tham khảo từ cơng trình khác ghi luận văn, xin cam kết luận văn tơi thực luận văn nộp Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng cơng bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cảm ơn thông tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc HỌC VIÊN THỰC HIỆN Châu Ngọc Lâm ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành kết trình học tập nghiên cứu học viên Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh nỗ lực học viên, hồn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Cơng nghiệp Long An) q trình học tập hoàn thành luận văn cao học Nhân đây, xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Thanh Nguyên tập thể thầy cơ, đồng nghiệp tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận văn Cũng này, xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng hỗ trợ tơi q trình học tập thực luận văn HỌC VIÊN THỰC HIỆN Châu Ngọc Lâm iii Tóm tắt luận văn Việc sử dụng kết cấu khung thép dự án xây dựng đem lại nhiều lợi ích Với tỷ lệ sức mạnh-trọng lượng vượt trội, kết cấu thép xây dựng có nhiều ưu điểm để thỏa mãn tiêu chuẩn thiết kế quy định, tiêu chí kinh doanh… Từ tòa nhà siêu cao tầng đến không gian rộng lớn cho sản xuất, cầu kéo dài, kết cấu thép chắn cấu trúc thiếu Ở Việt Nam hầu hết cơng trình nhà thép tiền chế ưa chuộng dùng xây dựng nhà kho, nhà xưởng chí nhà dân dụng khung thép Bên cạnh việc tính tốn nội lực biến dạng kết cấu khung thép phức tạp xét đến yếu tố tải trọng tác động theo thời gian Trong tải trọng va chạm nhiều lần liên tiếp cần xem xét kết cấu khung thép lớn Việc phân tích tượng va chạm theo thời gian kết cấu khung thép theo phương pháp thực nghiệm phức tạp nhiều thời gian Hiện nay, với phát triển mạnh mẽ ngành khoa học máy tính, việc ứng dụng phương pháp tính số gần để giải toán kỹ thuật trở nên thuận lợi nhiều Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp tính số sử dụng rộng rãi nay, phương pháp cho kết hội tụ tốt so với kết từ thí nghiệm lý thuyết Do đó, đề tài này, tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích q trình va chạm liên thời gian khung thép nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến hình học iv LARGE DEFORMATION ANALYSIS OF STEEL FRAME SUBJECTED TO MULTIPLE OBJECTS COLLISION The use of steel frame structures in construction projects brings a lot of benefits With an outstanding strength-weight ratio, steel structures in construction have many advantages to satisfy the prescribed design standards, business criteria From super high-rise buildings to vast production spaces, long bridges, steel structures are definitely an indispensable structure In Vietnam, most of pre-engineered steel buildings are very popular for constructing warehouses, factories, even steel frame houses Besides, the calculation of internal force and deformation of the structure The steel frame is also very complicated considering the impact load factor over time In particular, the impact load many times consecutively needs to be considered especially for large steel frame structures The analysis of the phenomenon of collision over time of steel structure structure by experimental methods is very complicated and time-consuming Currently, with the strong development of computer science, the application of approximate numerical methods to solve technical problems has become much more convenient The finite element method is the most widely used numerical method today, which gives good convergence results compared with the results from experiments and theory Therefore, in this topic, the author will use the finite element method to analyze the continuous collision process over time between steel frame and many heavy objects taking into account the geometric nonlinear element v MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1  1.1 Đặt vấn đề 1  1.2 Hiện tượng va chạm 4  1.3 Các giả thiết va chạm 6  1.4 Quan hệ chuyển động thời gian va chạm 6  1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 7  1.6 Lý chọn đề tài 8  1.7 Lợi ích đề tài 9  1.8 Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu 9  1.9 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 10  CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11  2.1 Bài toán tiếp xúc 11  2.1.1 Mơ hình ma sát 11  2.1.2 Phương pháp Penalty Lagrange multiplier: 14  2.2 Lý thuyết động lực học độ 19  CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH TÍNH TỐN MƠ PHỎNG 26  3.1 Giới thiệu ANSYS APDL: 26  3.2 Phần tử mô lưu đồ mô 26  3.2.1 Phần tử BEAM188 ANSYS 26  3.2.2 Phần tử PLANE182 ANSYS 27  3.2.3 Phần tử TARGE169 ANSYS 27  3.2.4 Phần tử CONTA172 ANSYS 28  3.3 Mơ hình 30  Trình tự bước thực : 30  3.4 Mơ hình 2: 42  Trình tự bước thực hiện: 43  Tính bền cho dầm: 51  CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN 59  4.1 Kết luận 59  4.2 ưu điểm luận văn 59  vi 4.3 Khuyết điểm luận văn 59  4.4 Kiến nghị hướng phát triển 60  Tài liệu tham khảo 61  vii MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 11 Tồ nhà Empire State làm thép 1  Hình Nhà xưởng cơng nghiệp nhiều tầng 2  Hình Sân vận động tổ chim kết cấu thép 2  Hình Bãi đậu xe nhiều tầng thép 3  Hình Thí nghiệm va chạm liên tiếp khung thép 4  Hình Quy luật biến đổi xung lực 5  Hình Mơ hình va chạm 7  Hình Mối tương quan P P' 7  Hình Mơ hình ma sát Coulomb 11  Hình 2 Các lị xo ảo thêm vào tiếp xúc điểm lực 16  Hình Lực tác động trục tiếp làm vật biến dạng 18 Hình Hình dạng, vị trí nút hệ tọa độ phần tử cho pần tử BEAM188 26  Hình Mặt cắt hình chữ nhật 27  Hình 3 Hình dạng, vị trí nút hệ tọa độ phần tử cho phần tử PLANE182 27  Hình Hình dạng, vị trí nút hệ tọa độ phần tử cho phần tử TARGE169 28  Hình Hình dạng, vị trí nút hệ tọa độ phần tử cho phần tử CONTA172 29  Hình Mơ hình 30  Hình Khai báo loại phần tử 31  Hình Tùy chọn dạng cho dầm 31  Hình Tùy chọn cách thức phần tử 31  Hình 10 Tùy chọn độ cứng va chạm 32  Hình 11 Khai báo mặt cắt cho dầm 32  Hình 12 Nhập giá trị modul đàn hồi, hệ số Poisson dầm 32  Hình 13 Nhập giá trị mật độ khối lượng 33  Hình 14 Tạo đoạn thẳng tượng trưng cho dầm 33  Hình 15 Tạo khối vng với kích thước theo đề 34  Hình 16 Chia lưới cho dầm 34  viii Hình 17 Chia lưới cho khối vuông 35  Hình 18 Tạo Contact Pair 35  Hình 19 Thiết lập chế độ Transient cho tốn 35  Hình 20 Đặt điều kiện biên cho dầm 36  Hình 21 Đặt điều kiện biên cho khối vuông 36  Hình 22 Gán khoảng thời gian ban đầu để giữ khối vuông 37  Hình 23 Solve tốn với khoảng thời gian gán 37  Hình 24 Xóa bỏ điều kiện biên cho khối vng 38  Hình 25 Thiết lập thời gian giây cho toán Transient 38  Hình 26 Bài tốn Transient giải xong 39  Hình 27 Biểu đồ chuyển vị mơ hình 39  Hình 28 Biểu đồ phản lực mơ hình 40  Hình 29 Khối vuông va chạm thời điểm t = 0,75 giây 40  Hình 30 Khối vng va chạm thời điểm t = 0,76 giây 41  Hình 31 Khối vng va chạm thời điểm t = 0,77 giây 41  Hình 32 Biểu đồ moment thời điểm khối vng va chạm sâu 41  Hình 33 Mơ hình 42  Hình 34 Mơ hình hình học (2) tốn 43  Hình 35 Nhập giá trị modul đàn hồi hệ số Poisson dầm 43  Hình 36 Nhập giá trị mật độ khối lượng cho dầm 43  Hình 37 Nhập thơng số mặt cắt dầm 44  Hình 38 Nhập giá trị modul đàn hồi hệ số Poisson khối cầu 44  Hình 39 Nhập giá trị mật độ khối lượng cho khối cầu 45  Hình 40 Dựng mơ hình dầm khối cầu 45  Hình 41 Tạo Contact Pair cho mơ hình 46  Hình 42 Gán điều kiện biên cho dầm 46  Hình 43 Thiết lập thời gian giây cho tốn Transient 47  Hình 44 Bài toán Transient với thời gian giây giải xong 47  Hình 45 Biểu độ chuyển vị mơ hình 48  47 Gán thời gian cho toán Transient với giây để thấy rõ trình va chạm cầu dầm Hình 43 Thiết lập thời gian giây cho toán Transient Chọn lệnh Solve để giải toán Transient giây Hình 44 Bài tốn Transient với thời gian giây giải xong 48 Xuất biểu đồ chuyển vị xác định thời điểm va chạm cầu Hình 45 Biểu độ chuyển vị mơ hình Xuất biểu đồ phản lực để quan sát ứng xử dầm cầu rơi liên tục lên dầm khoảng thười gian giây Hình 46 Biểu đồ phản lực mơ hình 49 Kết quả: Thời điểm t = 0.23 giây Hình 47 Vị trí cầu thời điểm t = 0.23 giây Thời điểm t = 0.24 giây lúc cầu va chạm lần đầu với dầm Hình 48 Vị trí cầu thời điểm t = 0.24 giây Thời điểm t = 0.25 giây Hình 49 Vị trí cầu thời điểm t = 0.25 giây 50 Xuất biểu đồ moment thời điểm cầu va chạm để tìm thời điểm moment đạt giá trị cực đại Thời điểm t = 0.23 giây Hình 50 Biểu đồ moment thời điểm 0.23 giây Thời điểm t = 0.24 giây, moment đạt cực đại Hình 51 Biểu đồ moment thời điểm 0.24 giây 51 Thời điểm t = 0.25 giây Hình 52 Biểu đồ moment thời điểm 0.25 giây Ư Ta thấy thời điểm 0.24 giây moment đạt giá trị lớn Tính bền cho dầm: Dầm làm thép vật liệu dẻo, điều kiện bền là: σ max = Mz max Wmax ≤ [σ s ] = 345 ( MPa) Đối với mặt cắt ngang hình chữ nhật với bề rộng b chiều cao h, moment chống uốn có trị số Wmax bh2 2.36 ×1.092 = = = 0.472 (in3 ) 6 Ö σ max = Mz max Wmax = −28596 = 60584.8 ( psi ) 0.472 Ö Ta quy đổi ứng suất vừa tìm thấy sang đơn vị MPa Ư σ max = 317,71 ( MPa) Vậy dầm thỏa điều kiện bền ( σ max ≤ [σ s ] ) 52 3.3 Mơ hình Hai khối hình chữ nhật (17,78x15,24x2.54 cm3 15,24x15,24x2.54 cm3) thép thả từ độ cao 2,54 m va chạm với dầm thép dài 2,54 m ngàm hai đầu Dầm có mặt cắt ngang 2,54x1, 27 cm2 Tồn mơ hình chịu tác dụng gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s2 Hình 53 Hai vật thể va chạm với dầm thép Tạo hình học chia lưới Hình 54 Chia lưới đối tượng 53 Chuẩn bị khai báo phần tử tiếp xúc mục tiêu Hình 55 Khai báo cặp tiếp xúc Chọn phần tử mục tiêu Hình 56 Phần tử mục tiêu 54 Chọn phần tử tiếp xúc Hình 57 Phần tử tiếp xúc Kết chuyển vị uy theo thời gian node góc trái phía block Hình 58 Kết chuyển vị vật nặng theo thời gian 55 Kết chuyển vị uy theo thời gian node góc trái phía block Hình 59 Kết chuyển vị vật nặng theo thời gian Kết chuyển vị uy theo thời gian node dầm Hình 60 Kết chuyển vị điểm dầm theo thời gian 56 Va chạm lần vào thời điểm 0,74s Hình 61 Biến dạng dầm va chạm lần Va chạm lần vào thời điểm 1,99s Hình 62 Biến dạng dầm va chạm lần 57 Va chạm lần vào thời điểm 2,79 Hình 63 Biến dạng dầm va chạm lần 3.4 Mơ hình Xét khung thép va chạm với vật nặng với số liệu tương tự nhu mơ hình Hình 64 Vật nặng va chạm khung thép 58 Biến dạng khung thép va chạm vào thời điểm 0,74s Hình 65 Biến dạng khung va chạm lần Khung thép bị biến dạng lớn vào thời điểm 0,87s Hình 66 Biến dạng lớn khung trình va chạm 59 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Qua luận văn này, học viên áp dụng lý thuyết động lực học q độ, mơ hình tiếp xúc có ma sát, phương pháp phi tuyến động lực học để mơ mốt số tốn va chạm có xét đến biến dạng lớn cho kết cấu khung dầm thép qua phần mềm Ansys Nhìn chung sau hai tốn mơ chuyển động dầm, ta có nhìn sơ lược ứng xử dầm khung théptrong toán va chạm liên tục với khoảng thời gian thời Nắm rõ tính chất vật liệu ứng xử khung thép kết cấu có vật va chạm liên tục Từ việc hiểu ứng xử khung thép ta ứng dụng để tạo nên kết cấu bao quanh vật cần che chắn, bảo vệ khỏi vật va chạm nhằm muốn phá hủy 4.2 ưu điểm luận văn Nắm rõ bước thiết lập tốn va chạm phần mềm tính tốn mơ Sử dụng phần mềm ANSYS APDL để mô mơ hình đơn giản từ có nhìn bao quát ứng xử dầm Ứng dụng kiến thức học từ môn chuyên ngành Cơ kỹ thuật bao gồm Cơ học vật rắn biến dạng,… Thấy tiềm ứng dụng vào thực tế đề tài luận văn 4.3 Khuyết điểm luận văn Chưa khái thác sâu để thấy rõ ứng xử dầm bị vật thể va chạm liên tục Cách đánh giá yếu chưa sâu sắc Còn thiếu điểm quan trọng cần khảo sát thực tế để đưa so sánh, kết luận thật chuẩn sát 60 4.4 Kiến nghị hướng phát triển Luận văn cần phát triển thêm phần mô mơ hình kết cấu 3-D ứng dụng tính chất học vào hầu hết lĩnh vực thực tiễn xã hội 61 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Trương Tích Thiện, Nguyễn Thanh Nhã Phân tích kết cấu Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp HCM - 2016 [2] Nguyễn Việt Hùng Nguyễn Trọng Giảng ANSYS mô số công nghiệp phần tử hữu hạn Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội – 2003 [3] Nguyễn Thành Tâm Thiết kế cải tiến kết cấu xe ô tô khách thỏa mãn điều kiện an toàn va chạm trực diện Science & Technology Development, Vol 18, No.K7- 2015 [4] Nguyễn Quang Dũng Mơ q trình tương tác đầu đạn cỡ 7,62mm với thép có độ dày khác Tạp chí khoa học cơng nghệ Xây Dựng, Tập 11, Số 4, 2017 Tiếng Anh [5] Xiaoli Qi and Xiaochun Yin Experimental studying multi-impact phenomena exhibited during the collision of a sphere onto a steel beam Advances in Mechanical Engineering 2016, Vol 8(9), 1–16 [6] Dorogoy A and Rittel D Transverse impact of free–free square aluminum beams: an experimental–numerical investigation Int J Impact Eng 2008, Vol 35, 569–577 [7] Schonberg WP Predicting the low velocity impact response of finite beams in cases of large area contact Int J Impact Eng 1989, Vol 8, 87–97 [8] Pashah S, Massenzio M and Jacquelin E Prediction of structure response for low velocity impact Int J Impact Eng 2008, Vol 35, 119–132 [9] Le Saux C, Cevaer F and Motro R Contribution to 3D impact problems: collisions between two slender steel bars Cr Mecanique 2004, Vol 332, 17–22 Trang web https://www.namtrungcons.com/5-ung-dung-pho-bien-cua-ket-cau-thep-trong-xaydung/ ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN CHÂU NGỌC LÂM MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH VA CHẠM LIÊN TIẾP THEO THỜI GIAN GIỮA KHUNG THÉP VÀ NHIỀU VẬT NẶNG CÓ XÉT ĐẾN YẾU TỐ PHI TUYẾN HÌNH HỌC... đóng vai trị quan trọng việc đánh giá ứng xử kết cấu trình va chạm theo thời gian Điều thực thơng qua đề tài mơ q trình va chạm liên thời gian khung thép nhiều vật nặng có xét đến yếu tố phi tuyến. .. khung thép, dầm thép 1.9.2 Phạm vi nghiên cứu Mô ứng xử học theo thời gian kết cấu khung thép trình va chạm liên tiếp tác động nhiều vật nặng Xét toán đáp ứng động lực học độ Xét yếu tố phi tuyến