BCKH Phát triển chương trình tính toán kết cấu mặt đường nhựa theo phương pháp phân lớp hữu hạn

Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Transport and Communications Science Journal DEVELOPING PROGRAM FOR ASPHALT PAVEMENT STRUCTURE ANALYSIS BY FINITE LAYER METHOD Khuong LE NGUYEN* University of Transport Technology, No 54 Trieu Khuc Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 12/01/2021 Revised: 26/02/2021 Accepted: 28/02/2021 Published online: 15/04/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.5 * Corresponding author Email: khuongln@utt.edu.vn Abstract Finite element method (FE) has been widely used in simulating and predicting degradation of asphalt pavement However, the three-dimensional (3D) model in commercial software such as ABAQUS or open-source software like Cast3M requires an important computation time and resources To solve this problem, several simplified models are developed for specific purposes In this study, the basic theory of finite layer method is presented This method is the basis for developing FastKM source code in Python programming language and user interface that allows simulation of multi-layered asphalt pavement structures The obtained results are graphs and color charts showing displacement, stress, and deformation of the structure under static load Next, a typical asphalt pavement was simulated on softwares, CAST3M, ABAQUS and FastKM with different analysis methods: LET (Layer Elastic Theory), FEM (Finite Element Method) and Finite Layer Method (FLM) to verify the accuracy of FastKM as well as compare computation time between these three models FastKM using FLM method gives accurate results equivalent to 3D finite element model on Abaqus and computation time is faster than the other two methods Keywords: Finite layer method; asphalt pavement; FEM; Cast3M; Abaqus; FastKM © 2021 University of Transport and Communications 291 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN LỚP HỮU HẠN Lê Nguyên Khương* Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, Số 54 Triều Khúc, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 12/01/2021 Ngày nhận sửa: 26/02/2021 Ngày chấp nhận đăng: 28/02/2021 Ngày xuất Online: 15/04/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.3.5 * Tác giả liên hệ Email: khuongln@utt.edu.vn Tóm tắt Phương pháp phần tử hữu hạn (FE) sử dụng rộng rãi việc mô dự báo xuống cấp kết cấu mặt đường nhựa Tuy nhiên, mơ hình khối ba chiều (3D) hệ thống phần mềm thương mại ABAQUS hay phần mềm mã nguồn mở Cast3M đòi hỏi tài nguyên thời gian tính tốn lớn Để giải vấn đề này, mơ hình đơn giản hóa quan tâm phát triển cho mục tiêu cụ thể Trong nghiên cứu này, lý thuyết phương pháp phân lớp hữu hạn (Finite Layer Method) trình bày sở phát triển mã nguồn FastKM ngơn ngữ lập trình Python giao diện người dùng cho phép mơ tốn kết cấu mặt đường nhựa nhiều lớp Kết nhận đồ thị biểu đồ màu thể chuyển vị, ứng suất, biến dạng kết cấu Tiếp đó, kết cấu mặt đường nhựa điển hình mơ phần mềm CAST3M, ABAQUS FastKM theo với phương pháp phân tích khác LET (Layer Elastic Theory), FEM (Finite Element Method) phân lớp hữu hạn FLM (Finite Layer Method) nhằm kiểm chứng tính xác so sánh thời gian tính tốn mơ hình Phần mềm FastKM sử dụng phương pháp FLM cho kết xác tương đương với mơ hình phần tử hữu hạn 3D Abaqus thời gian tính tốn nhanh hai phương pháp cịn lại Từ khóa: Phương pháp phân lớp hữu hạn; kết cấu áo đường mềm; phần tử hữu hạn; Cast3M, Abaqus; FastKM © 2021 Trường Đại học Giao thông vận tải 292 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 ĐẶT VẤN ĐỀ Việc phân tích trạng thái ứng suất có tầm quan trọng đáng kể việc thiết kế, xây dựng, bảo trì phục hồi kết cấu mặt đường nhựa (MĐN) thực tế Trong vài thập kỷ qua, nhiều phần mềm máy tính phát triển ngày sử dụng thường xuyên trình thiết kế đánh giá MĐN Tại số nước châu Âu Đức, Pháp, hướng dẫn cho việc thiết kế, phân tích cấu trúc mặt đường nhựa [1]–[3] đề xuất sử dụng lý thuyết đàn hồi theo lớp (LET - Layer Elastic Theory) kết hợp dạng phần tử để tính tốn ứng suất, biến dạng chuyển vị theo ảnh hưởng nhiệt độ lớp đường bê tông nhựa (BTN) Do đơn giản nó, phương pháp LET sử dụng kỹ sư nhiều thập kỷ qua Hiện nay, LET mở rộng để tích hợp ứng xử phi tuyến, đàn nhớt vật liệu tải trọng không đồng nhất[4] Tuy nhiên, phần mềm thông dụng sử dụng tính tốn thiết kế MĐN cịn hạn chế việc dự báo xác ứng xử thực tế kết cấu hầu hết giả định lớp MĐN đồng nhất, đẳng hướng đàn hồi tuyến tính; tất vật liệu khơng trọng lượng (khơng có hiệu ứng qn tính xem xét); mẫu thí nghiệm MĐN chịu tác dụng tải trọng tĩnh[5] Chi tiết phần mềm chun biệt phát triển cho tính tốn kết cấu MĐN, BISAR biết tới viện công nghệ Asphalt, Anh phát triển từ năm 1990, CAPA3D đại học Công nghệ Delft, Delft, Hà Lan phát triển từ năm 2000 hay APADS 2D tạo viện nghiên cứu đường Austroads, Sydney, Úc cách không lâu Hiện nay, CAPA-3D hay APADS mơ tốn tuyến tính, phi tuyến, có xét tới mơ hình vật liệu đàn nhớt nhu cầu phần cứng máy tính thời gian thực dài nên phần mềm chủ yếu sử dụng cho mục đích nghiên cứu Ngồi ra, phần mềm thương mại tiếng ABAQUS (SIMULIA, Johnston, RI, USA) ANSYS (ANSYS, Canonsburg, PA, USA), sử dụng để mô kết cấu MĐN với mơ hình vật liệu phương pháp tính mạnh mẽ nhiên chi phí quyền đắt đỏ trình đào tạo tốn thời gian nên khơng đáp ứng nhu cầu thực tế kỹ sư thực hành Một phương pháp đề xuất để khắc phục vấn đề chuyển vị theo phương ngang vng góc với trục tác dụng tải trọng tính tốn khai triển chuỗi Fourier Bài tốn mơ kết cấu mặt đường khơng gian chiều đơn giản hóa thành tốn khơng gian chiều chiều tùy thuộc vào mục đích cụ thể Đây phương pháp bán giải tích kết hợp phần tử hữu hạn giải tích, lần phát triển phân tích tuyến tính Wilson [6] Phương pháp mở rộng với mơ hình vật liệu đàn nhớt Winnicki Zienkiewicz [7] để giải ứng xử phi tuyến vật liệu Tiếp đó, Carter Booker[8], [9] sử dụng phân tích Fourier liên tục nhằm phân tích kết cấu MĐN chịu tải trọng không đối xứng Điển hình cho phương pháp này, phần mềm SAFEM phát triển Liu cộng sự[10]–[12] tích hợp mơ hình vật liệu đàn nhớt phương pháp phân tích ảnh hưởng tải trọng động 293 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 Gần đây, phương pháp phân lớp hữu hạn (FLM – Finite Layer Method) đề xuất giải pháp hiệu phân tích ứng xử kết cấu MĐN, vừa giảm thiểu yêu cầu tài nguyên độ phức tạp mô hình, vừa đảm bảo độ xác cần thiết kết đạt Phương pháp kết hợp phần tử hữu hạn chiều (1D) theo phương thẳng đứng phân tích Fourier theo hai hướng ngang lại FLM coi phát triển phương pháp bán giải tích kết hợp FEM trình bày Ý tưởng đặc biệt thích hợp cho kết cấu nhiều lớp MĐN Hơn nữa, việc sử dụng chuỗi Fourier theo hai hướng, thời gian tính tốn FLM thấp đáng kể so với phương pháp phân tích FE thông thường FLM bắt đầu áp dụng phân tích đàn hồi từ năm 1979[13] với lý thuyết tính tốn đề xuất Sau đó, phương pháp phát triển thêm để phân tích loại đất khơng đồng có mơ đun tăng tuyến tính theo độ sâu [14] hay tính tốn ứng xử lớp vật liệu có tính đàn nhớt [15] Gần đây, FLM phát triển tích hợp phần mềm 3D-Move để tính toán phản ứng động kết cấu MĐN [16], [17] Mơ hình 3D-Move tính đến yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới ứng xử tổng thể kết cấu mặt đường nhựa tải trọng di chuyển, từ biến, ma sát bánh xe với mặt đường đặc tính đàn nhớt vật liệu Mặc dù phần mềm nêu có phiên miễn phí mã nguồn mở, việc tùy biến hay tích hợp mơ hình vật liệu vào phần mềm gặp nhiều khó khăn Nhận biết ưu điểm bật phương pháp FLM việc mơ hình kết cấu MĐN, nhóm nghiên cứu tập trung xây dựng chương trình FastKM tích hợp thư viện nguồn mở hỗ trợ tính tốn phần tử hữu hạn SfePy (Simple Finite Elements in Python) viết ngôn ngữ Python Dự án SfePy sử dụng Git để quản lý mã nguồn trang web GitHub để lưu trữ trao đổi mã nguồn nhà phát triển[18], [19] Phiên 2020.4 lưu trữ tổng cộng 867 tệp với tổng số 178396 dòng 7540 lần cập nhật 20 tác giả Mã nguồn thơng tin chi tiết dự án tìm thấy website thức: http://sfepy.org/doc-devel/development.html Trong giai đoạn phát triển đầu tiên, phần mềm FastKM tập trung giải tốn tính tốn kết cấu mặt đường nhựa nhiều lớp với giả thiết vật liệu làm việc trạng thái đàn hồi, chịu tác dụng tải trọng tĩnh phân bố ảnh hưởng nhiệt độ Kết đầu ứng suất, biến dạng lớp vật liệu, phục vụ cho toán thiết kế kết cấu áo đường nhựa theo tiêu chuẩn hành Nội dung báo tóm tắt lại lý thuyết tính theo phương pháp phân lớp hữu hạn tích hợp phần mềm FastKM, xây dựng thư viện nguồn mở giao diện người dùng cho tốn mơ kết cấu áo đường nhiều lớp Tiếp đó, kết cấu mặt đường nhựa điển hình mơ phần mềm CAST3M [20], ABAQUS FastKM tương ứng với phương pháp phân tích khác LET (Layer Elastic Theory), FEM (Finite Element Method) phân lớp hữu hạn FLM (Finite Layer Method) với mục tiêu xác minh tính xác phần mềm FastKM 294 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÍCH HỢP TRONG CHƯƠNG TRÌNH FASTKM Hình Mơ hình tính điển hình chương trình FastK Mơ hình tính điển hình cho lớp kết cấu mặt đường nhựa thể Hình Mơ hình rời rạc theo phương thẳng đứng (chiều sâu kết cấu MĐN) Phần tử chiều với tọa độ tự nhiên thể Hình 2: Hình Tọa độ địa phương phần tử chiều Trong đó, hàm dạng phần tử miêu tả theo tọa độ địa phương 𝜉 phần tử 𝑁1 = −𝜉(1 − 𝜉) 𝜉(1 + 𝜉) ; 𝑁2 = ; 𝑁3 = − 𝜉 2 (1) Lớp MĐN mô cạnh bên với tọa độ (𝑥 = 0, 𝑥 = 𝑎, 𝑧 = 𝑣à 𝑧 = 𝑐) phương y phương chuyển vị kết cấu MĐN (Hình 1) hạn chế điều kiện biên Các hàm hình dạng viết lại dạng hàm hình dạng chiều nhân với chuỗi Fourier, x nằm khoảng từ đến khoảng từ 𝑎; z nằm khoảng từ đến c Ma trận chuyển vị phần tử lớp thể theo thành phần 𝑢, 𝑣 𝑤 sau: 𝑀 𝑐𝑜𝑠 𝑁 𝑑= ∑∑ 𝑚=1 𝑛=1 [ 𝑚𝜋𝑥 𝑛𝜋𝑧 𝑠𝑖𝑛 𝑎 𝑐 0 𝑛𝜋𝑧 𝑚𝜋𝑥0 𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝑐 𝑎 𝑀 𝑁 = 𝛴𝑚=1 𝛴𝑛=1 𝑁 𝑚𝑛 ⋅ 𝑑 𝑚𝑛 295 𝑢𝑚𝑛 {𝑣 𝑚𝑛 } 𝑚𝑛 𝑚𝜋𝑥 𝑛𝜋𝑧 𝑤 𝑠𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑠 𝑎 𝑐 ] (2) Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 Trong 𝑁 𝑚𝑛 = 𝑐𝑜𝑠 𝑚𝜋𝑥 𝑛𝜋𝑧 𝑠𝑖𝑛 𝑎 𝑐 0 [ 𝑑 𝑚𝑛 𝑠𝑖𝑛 𝑛𝜋𝑧 𝑚𝜋𝑥0 𝑠𝑖𝑛 𝑐 𝑎 0 𝑚𝜋𝑥 𝑛𝜋𝑧 𝑠𝑖𝑛 𝑐𝑜𝑠 𝑎 𝑐 ] 𝑢𝑚𝑛 = {𝑣 𝑚𝑛 } = [𝑁𝑘 (𝑦)]{𝑑𝑘𝑚𝑛 } 𝑤 𝑚𝑛 𝑁 𝑚𝑛 ma trận Fourier mở rộng theo hai phương ngang, 𝑑 𝑚𝑛 vector chuyển vị khơng có ảnh hưởng chuỗi Fourier, [𝑁𝑘 (𝑦)] hàm dạng chiều sử dụng cho mơ hình phần tử hữu hạn, {𝑑𝑘𝑚𝑛 } chuyển vị nút k Tương tự, hàm tải trọng áp dụng cho mơ hình mơ tả sau: 𝑀 𝑁 𝑀 𝑁 𝑚𝜋𝑥 𝑛𝜋𝑧 𝑓 = ∑ ∑ 𝑝 (𝑦)𝑠𝑖𝑛 𝑠𝑖𝑛 = ∑ ∑{𝑝}𝑚𝑛 𝑎 𝑐 𝑚=1 𝑛=1 Với 𝑝(𝑦) = ∑𝑆𝑠=1 ( 2𝑃𝑠 𝑚𝜋 ) [𝑐𝑜𝑠 𝑚𝜋 𝑎 𝑋𝑠1 − 𝑐𝑜𝑠 𝑚𝜋 𝑎 𝑚=1 𝑛=1 2𝑃𝑡 𝑋𝑠2 ] ∑𝑇𝑡=1 ( 𝑛𝜋 (3) ) [𝑐𝑜𝑠 𝑛𝜋 𝑐 𝑍t1 − 𝑐𝑜𝑠 𝑛𝜋 𝑐 𝑍𝑡2 ], 𝑚 𝑛 hai số chuỗi Fourier tương ứng theo phương 𝑥 𝑧 Trong nghiên cứu này, hai giá trị 𝑀 𝑁 lấy 100 sau xét tới hội tụ kết với độ xác định trước 𝑃s 𝑃𝑡 hàm tải trọng thể áp lực bánh xe; Xs1 𝑍𝑡1 tọa độ theo phương x 𝑧, vị trí bánh xe xuất phát Xs2 𝑍𝑡2 tọa độ theo phương 𝑥 𝑧 vị trí bánh xe khỏi bề mặt mơ hình Tại nút, ma trận biến dạng mô tả theo công thức (4): 𝜕 𝜕𝑥 𝜀𝑥 𝜀𝑦 𝜀𝑧 𝜀= 𝛾 = 𝜕 𝑥𝑦 𝛾𝑦𝑧 𝜕𝑦 {𝛾𝑧𝑥 } 𝜕 [ 𝜕𝑧 𝜕 𝜕𝑦 𝜕 𝜕𝑥 𝜕 𝜕𝑧 0 𝜕 𝜕𝑧 𝜕 𝜕𝑦 𝜕 𝜕𝑥 ] 𝑀 𝑁 𝜕 𝜕 𝜕 𝑑 = (𝐿1 + 𝐿2 + 𝐿3 ) ∑ ∑ 𝑁 𝑚𝑛 ⋅ 𝑑 𝑚𝑛 𝜕𝑥 𝜕𝑦 𝜕𝑧 𝑚=1 𝑛=1 𝑀 𝑁 𝑀 𝑁 = 𝛴𝑚=1 𝛴𝑛=1 𝐸 𝑚𝑛 𝑑 𝑚𝑛 = 𝛴𝑚=1 𝛴𝑛=1 𝐵 𝑚𝑛 ⋅ {𝑑𝑘𝑚𝑛 } 296 (4) Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Trong 𝐿1 , L2, 𝐿3 ma trận kích thước 6x3 với giá trị 1, 𝐸 𝑚𝑛 𝜕𝑁 𝑚𝑛 𝜕𝑁 𝑚𝑛 𝜕 𝑚𝑛 = 𝐿1 + 𝐿2 𝑁 + 𝐿3 𝜕𝑥 𝜕𝑧 𝜕𝑦 (5) Và ma trận biến dạng-chuyển vị: 𝑚𝑛 ] = [𝐸 𝑚𝑛 𝑁1 (𝑦) 𝐸 𝑚𝑛 𝑁2 (𝑦) … 𝐸 𝑚𝑛 𝑁𝑘+1 (𝑦)] 𝐵 𝑚𝑛 = [𝐵1𝑚𝑛 𝐵2𝑚𝑛 … 𝐵𝑘+1 (6) Mối quan hệ ứng suất biến dạng sử dụng để thể tổng lượng tiềm chuyển vị {𝑑}: 𝑃({𝑑}) = ∫ 𝑉 −∫ 𝑆 ([𝐵]{𝑑})𝑇 [𝐷]([𝐵]{𝑑})𝑑𝑉 − ∫ ([𝑁]{𝑑})𝑇 {𝑏}𝑑𝑉 𝑉 ([𝑁]{𝑑})𝑇 (7) {𝑓}𝑑𝑆 Ma trận chuyển vị nút {𝑑} xác định tương ứng với giá trị nhỏ hàm P, điều đồng nghĩa với việc đạo hàm bậc hàm P 0, 𝛿𝑃({𝑑}) = 0, (8) Tiếp đó, ma trận biến thiên chuyển vị {𝛿𝑑} sử dụng cho phương trình cân bằng: ∫ [𝐵]𝑇 [𝐷][𝐵]𝑑𝑉{𝑑} − ∫ [𝑁]𝑇 {𝑏}𝑑𝑉 − ∫ [𝑁]𝑇 {𝑓}𝑑𝑆 = (9) [𝑘]{𝑑} = {𝑓} (10) 𝑆 𝑉 𝑉 Sử dụng dạng rút gọn: Với [𝑘] = ∫𝑉 [𝐵]𝑇 [𝐷][𝐵]𝑑𝑉 and {𝑓} = ∫𝑉 [𝑁]𝑇 {𝑏}𝑑𝑉 + ∫𝑠 [𝑁]𝑇 {𝑓}𝑑𝑆, [𝑘] ma trận độ cứng phần tử {𝑓} vector tải trọng Từ phương trình (4) (10), ma trận độ cứng phần tử xác định: 𝑎 𝑐 𝐼1 = ∫ ∫ sin 0 𝑎 𝑐 𝑎 𝑐 𝑛𝜋𝑧 𝑝𝜋𝑥 𝑞𝜋𝑧 𝑚𝜋𝑥 sin ⋅ sin sin ⋅ 𝑑𝑥𝑑𝑧, 𝑐 𝑎 𝑐 𝑎 𝐼2 = ∫0 ∫0 cos 𝐼3 = ∫ ∫ cos 0 𝑚𝜋𝑥 𝑎 sin 𝑛𝜋𝑧 𝑐 ⋅ cos 𝑝𝜋𝑥 𝑎 sin 𝑞𝜋𝑧 𝑐 ⋅ 𝑑𝑥𝑑𝑧, 𝑛𝜋𝑧 𝑝𝜋𝑥 𝑞𝜋𝑧 𝑚𝜋𝑥 cos ⋅ cos cos ⋅ 𝑑𝑥𝑑𝑧 𝑐 𝑎 𝑐 𝑎 297 (11) Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 Các tích phân thể tính trực giao thỏa mãn điều kiện: 𝑎𝑐 𝐼1 = 𝐼2 = 𝐼3 = { , , 𝑣ớ𝑖 𝑣ớ𝑖 𝑚=𝑝 𝑚≠𝑝 𝑣à ℎ𝑜ặ𝑐 𝑛 ≠ 𝑞 𝑛=𝑞 } (12) Điều có nghĩa ma trận độ cứng phần tử (𝑘 𝑚𝑛𝑝𝑞 )e ma trận chéo rút gọn dạng: 𝑒 𝑚𝑛𝑚𝑛 (𝑘𝑔𝑘 ) = 𝑎𝑐 𝑇 ∫ (𝐵𝑔𝑚𝑛 𝐷𝐵𝑘𝑚𝑛 ) 𝑑𝑦 𝑙𝑒𝑛g𝑡ℎ 𝑚 = 1,2 … 𝑀; 𝑛 = 1,2 … 𝑁 (13) Trong 𝑔 𝑘 nút phần tử; length độ dài phần tử Bằng cách ghép ma trận độ cứng phần tử ta ma trận tổng thể có phương trình sau: 𝐾 1111 [ 𝐾 1212 ⋱ 𝐹11 𝑈1l 12 12 ] {𝑈 } + {𝐹 } = ⋮ ⋮ 𝑀𝑁𝑀𝑁 𝑀𝑁 𝐾 𝐹 𝑀𝑁 𝑈 (14) Phương trình (14) miêu tả dạng rút gọn: 𝐾 𝑚𝑛𝑚𝑛 𝑈 𝑚𝑛 + 𝐹 𝑚𝑛 = (15) Trong 𝐾 ma trận độ cứng tổng thể; 𝑈, 𝐹 vector chuyển vị vector lực tổng thể cho hệ kết cấu Dựa phương trình tường minh giới thiệu trên, ma trận độ cứng phần tử, hàm dạng, vector tải trọng, thuật toán ghép ma trận, vv… xây dựng tính tốn SfePy, kết tính tốn xử lý thư viện Matplotlib [21] Mayavi [22] Ngoài mã nguồn xây dựng giúp nhà nghiên cứu tham gia phát triển Git-hub, số chức thông dụng FastKM nhóm nghiên cứu tổng hợp xây dựng giao diện người dùng Một số thư viện khởi tạo quan trọng cho chương trình FastKM tóm tắt Bảng Giao diện người dùng cho tốn mơ kết cấu áo đường nhiều lớp thể Hình Phiên người dùng có số tính sau: • Định nghĩa kích thước hình học (chiều dài, chiều rộng) mơ hình, mơ tồn phần mơ hình, tải trọng tác dụng • Định nghĩa hiệu chỉnh lớp vật liệu theo chiều sâu (bề dày, hệ số Possion, module đàn hồi E) • Cho phép tính toán trực tiếp thuật giải FastKM xây dựng mã lệnh cho mơ hình Abaqus, Cast3M 298 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Bảng Các điểm nằm trục tải trọng tác dụng Tính STT Mã lệnh Sử dụng thư viện numpy import numpy as np from sfepy.fem import (Mesh, Domain, Sử dụng thư viện fem sfepy cho mô Field, FieldVariable, Material, Integral, phần tử hữu hạn Equation, Equations, ProblemDefinition) from sfepy.terms import Term Sử dụng thư viện terms sfepy để giả phương trình vi phân from sfepy.fem.conditions Conditions, EssentialBC import Sử dụng thư viện fem.conditions để định nghĩa điều kiện biên cho mơ hình from sfepy.solvers.ls import ScipyDirect Sử dụng thư viện ScipyDirect cho thuật giải tối ưu song song from sfepy.postprocess import Viewer Sử dụng thư viện postprocess để xử lý kết thể hình ảnh Hình Giao diện phần mềm FastKM cho mơ hình tuyến tính 299 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 MÔ PHỎNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG NHỰA TRÊN FASTKM, ABAQUS VÀ CAST3M Trong phần này, kết cấu mặt đường nhựa điển hình mơ phần mềm CAST3M, ABAQUS FastKM tương ứng với phương pháp phân tích khác LET (Layer Elastic Theory), FEM (Finite Element Method) phân lớp hữu hạn FLM (Finite Layer Method) Cấu trúc MĐN chọn cho nghiên cứu sử dụng thông số theo tiêu chuẩn Đức RDO‐Asphalt‐09[3] với bề dày độ cứng theo mùa với tác dụng nhiệt độ bề mặt khác (-12,5 ứng với mùa đông 27,5 °C ứng với mùa hè) tổng hợp Hình Độ dày lớp đường (sub-grade) lấy 2000 mm cho mơ hình ABAQUS nhằm giảm thiểu ảnh hưởng điều kiện biên gây Kích thước mơ hình theo chiều dài chiều rộng lấy 6000 mm với lý Một mô hình với kích thước thực tạo FastKM mơ hình ABAQUS mơ hình đối xứng phần tư Mơ hình CAST3M, độ dày lớp phụ chiều dài chiều rộng kết cấu mặt đượng thiết lập vô hạn theo phương pháp LET Các lớp kết cấu mặt đường μ Mùa đông Mùa hè E [MPa] E [MPa] Lớp áo đường (surface course) 0.35 22700 2900 Lớp kết dính (binder course) 0.35 27300 6800 Lớp lót asphalt (Asphalt base course) 0.35 17850 4900 Lớp móng (Road base course) 0.25 10000 10000 Lớp móng (Sub-base) 0.45 100 100 Lớp đường (Sub-grade) 0.45 45 45 Hình Tính chất vật lý chiều sâu lớp cấu thành kết cấu mặt đường nhựa Tải trọng tác dụng vuông góc với chiều dài bên 264 mm ứng suất phân bố 0.7 MPa áp dụng dạng hình vng trung tâm bề mặt kết cấu MĐN Để đạt độ xác cao, lưới chia ABAQUS FastKM thống với kích thước đủ nhỏ 10mm Số lượng phần tử nút ABAQUS 162.000 phần tử 171.166 nút (Hình 5) Cần nhấn mạnh rằng, với phương pháp mơ hình phần mềm nêu kết tính Abaqus coi kết kiểm chứng cho phương pháp cịn lại mơ hình khơng sử dụng giả thuyết hay phương pháp tính đơn giản hóa nào, đồng thời lưới chia phần tử Abaqus đủ nhỏ để kết tính có hội tụ giá trị xác cần đạt 300 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Hình Chia lưới mơ hình Abaqus mơ hình phần lớp FastKM Kết tính chuyển vị thẳng đứng, biến dạng ngang ứng suất điểm bề mặt lớp áo đường (surface course), lớp móng lớp lót (asphalt base course) lớp móng (road base couse, sub-base) tính tốn phần mềm Cast3M, Abaqus FastKM thể Hình 6, Hình Hình 10 Dễ dàng nhận thấy có khác biệt đáng kể kết tính phương pháp mơ hình LET Cast3M so với hai mơ hình cịn lại Abaqus FastKM Sự sai khác giải thích ảnh hưởng lý thuyết tính tốn, loại phần tử sử dụng cho phương pháp khác Kết tính FastKM xử lý thể dạng khối 3D mặt cắt 2D hình Hình Hình Các miền giá trị theo màu sắc cho phép người dùng kiểm soát đánh giá kết tính tốn Cần nhấn mạnh thời gian tính tốn FastKM (16s) ngắn nhiều so với tính tốn thực Abaqus (150s) Cast3M (56s) Mặc dù mơ hình 3D sử dụng phần tử khối Abaqus cho thời gian tính tốn lâu mơ hình thể chất nguyên lý làm việc kết cấu gần với thực tế nhất, vậy, nhóm nghiên cứu sử dụng kết tính Abaqus kết đối chứng, kiểm tra kết đạt FastKM Hình Chuyển vị thẳng đứng điểm lớp bề mặt (surface course) kết cấu áo đường (Mùa đông: hình bên trái; Mùa hè: hình bên phải) 301 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 Hình Chuyển vị thẳng đứng tính phần mềm FastKM – ¼ mơ hình theo mặt cắt đôi theo phương X, Y (Mùa đông: hình bên trái; Mùa hè: hình bên phải) Hình Chuyển vị thẳng đứng tính phần mềm FastKM – 1/2 mơ hình theo mặt cắt đơi theo phương X (Mùa đơng: hình bên trái; Mùa hè: hình bên phải) Hình Ứng suất dọc điểm lớp móng (Road base layer) kết cấu áo đường (Mùa đơng: hình bên trái; Mùa hè: hình bên phải) 302 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Hình 10 Ứng suất dọc điểm lớp móng (sub-base layer) kết cấu áo đường (Mùa đơng: hình bên trái; Mùa hè: hình bên phải) Giá trị chuyển vị, biến dạng ngang ứng suất thẳng đứng điểm với chiều sâu theo thứ tự 4, 12, 26, 41, 75cm dọc trục tải trọng tác dụng kết cấu MĐN trích xuất so sánh phần mềm Abaqus FastKM Bảng Bảng Kết nhận từ hai chương trình tính có mối tương quan cao ngoại trừ khác biệt chắp nhận tính biến dạng ngang đáy lớp lót ứng suất dọc đầu lớp móng (road base course) Bảng So sánh kết phần mềm ABAQUS FastKM điểm nằm trục tác dụng tải trọng (Mơ hình với nhiệt độ tính tốn vào mùa đơng) Điểm đo Kết FastKM Mùa đông Abaqus Sai khác [%] -0.163 -0.164 0.47 Chuyển vị thẳng đứng [mm] Biến dạng ngang 3.50E-05 3.25E-05 7.1 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -6.60E-02 -6.10E-02 7.6 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -9.68E-03 -9.62E-03 0.6 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -7.55E-03 -7.55E-03 Bảng So sánh kết phần mềm ABAQUS FastKM điểm nằm trục tác dụng tải trọng (Mơ hình với nhiệt độ tính toán vào mùa hè) Điểm đo Kết FastKM Mùa hè Abaqus Sai khác [%] -0.301 -0.302 0.33 Chuyển vị thẳng đứng [mm] Biến dạng ngang 1.00E-04 9.35E-05 6.5 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -1.75E-01 -1.65E-01 5.7 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -2.05E-02 -2.01E-02 1.9 Ứng suất theo phương đứng [Mpa] -1.45E-02 -1.45E-02 303 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (04/2021), 291-305 KẾT LUẬN Bài báo tổng hợp lý thuyết kết tính kết cấu mặt đường nhựa theo phương pháp phân lớp hữu hạn (FLM – Finite Layer Method) FLM kết hợp phần tử hữu hạn chiều (1D) theo phương thẳng đứng phân tích Fourier theo hai hướng ngang Các kết nghiên cứu đạt được: • Tổng hợp lý thuyết tính tốn phương trình theo phương pháp FLM • Xây dựng mã nguồn cho phép giải tốn tính tốn kết cấu mặt đường nhựa nhiều lớp theo phương pháp FLM Kết đầu ứng suất, biến dạng theo phương, phục vụ hữu ích cho tốn thiết kế kết cấu mặt đường nhựa theo tiêu chuẩn hành • Xây dựng giao diện người dùng cho tốn mơ kết cấu áo đường nhiều lớp sử dụng mơ hình vật liệu đàn hồi tuyến tính • Kiểm chứng tính xác thời gian tính tốn FastKM qua việc so sánh với kết tính phần mềm Abaqus theo phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) phần mềm Cast3M theo phương pháp phân lớp đàn hồi (LET) Phần mềm FastKM cho kết sát với kết kiểm chứng mơ hình 3D xây dựng phần mềm Abaqus cho thời gian tính tốn nhanh mơ hình LET xây dựng Cast3M Hiện tại, phần mềm FastKM giải tốn tuyến tính với mơ hình vật liệu đàn hồi chịu tải trọng tĩnh Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu hồn thiện mã nguồn khởi tạo, đưa dự án lên Git-hub để thu hút quan tâm nhà nghiên cứu phát triển Về khả mơ phỏng, FastKM tích hợp thêm mơ hình vật liệu đàn nhớt, thuật tốn phân tích ảnh hưởng tải trọng động, từ biến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.-F Corte, French Design Manual For Pavement Structures, 1997 [2] J.-F Corté and M.-T Goux, Design of Pavement Structures: The French Technical Guide, Transportation Research Record, (1996) 116–124 https://doi.org/10.1177/0361198196153900116 [3] FGSV Publishing, Richtlinien für die Rechnerische Dimensionierung von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht RDO Asphalt09, Cologne, Germany, 2009 [4] B A Chadbourn, D E Newcomb, D H Timm, Measured and Theoretical Comparisons Of Traffic Loads And Pavement Response Distributions, the Eighth International Conference on Asphalt Pavements Federal Highway Administration, 1997 https://trid.trb.org/view/501630 [5] I Abdallah and S Nazarian, Strategies to Improve and Preserve Flexible Pavement at Intersections, FHWA/TX 10/0-5566-1, 2011 [6] E L Wilson, Structural analysis of axisymmetric solids, AIAA Journal, (1965) 2269–2274 https://doi.org/10.2514/3.3356 [7] L A Winnicki, O C Zienkiewicz, Plastic (or visco-plastic) behaviour of axisymmetric bodies subjected to non-symmetric loading—semi-analytical finite element solution, International Journal for 304 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (04/2021), 291-305 Numerical Methods in Engineering, (1979) 1399–1412 https://doi.org/10.1002/nme.1620140911 [8] J P Carter, J R Booker, Consolidation of axi-symmetric bodies subjected to non axi-symmetric loading, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, (1983) 273– 281 https://doi.org/10.1002/nag.1610070210 [9] S Hu, et al., Using semi-analytical finite element method to evaluate stress intensity factors in pavement structure, 2008 https://doi.org/10.1201/9780203882191.ch62 [10] P Liu, D Wang, F Otto, J Hu, M Oeser, Application of semi-analytical finite element method to evaluate asphalt pavement bearing capacity, International Journal of Pavement Engineering, (2018) 479–488 https://doi.org/10.1080/10298436.2016.1175562 [11] P Liu, D Wang, M Oeser, Application of semi-analytical finite element method coupled with infinite element for analysis of asphalt pavement structural response, JTTE, (2015) 48–58 https://doi.org/10.1016/j.jtte.2015.01.005 [12] P Liu, D Wang, M Oeser, Application of semi-analytical finite element method to analyze asphalt pavement response under heavy traffic loads, Journal of Traffic and Transportation Engineering, (2017) 206–214 https://doi.org/10.1016/j.jtte.2017.03.003 [13] Y K Cheung, S C Fan, Analysis of pavements and layered foundations by finite layer method, Proceedings of the Third International Conference on Numerical Methods in Geomechanics, Aachen, Germany, 1979 [14] R K Rowe, J R Bocker, Finite Layer Analysis of Nonhomogeneous Soils, Journal of the Engineering Mechanics Division, (1982) 115–132 [15] J R Booker, J C Small, Finite layer analysis of viscoelastic layered materials, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, (1986) 415–430 https://doi.org/10.1002/nag.1610100406 [16] R V Siddharthan, J Yao, P E Sebaaly, Pavement Strain from Moving Dynamic 3D Load Distribution, Journal of Transportation Engineering, (1998) 557–566 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-947X(1998)124:6(557) [17] R V Siddharthan, N Krishnamenon, P E Sebaaly, Finite-Layer Approach to Pavement Response Evaluation, Transportation Research Record, (2000) 43–49 https://doi.org/10.3141/1709-06 [18] R Cimrman, SfePy - Write Your Own FEA, 2014 http://arxiv.org/abs/1404.6391 [19] R Cimrman, Multiscale finite element calculations in Python using SfePy, Adv Comput Math, (2019) 1897–1921 https://doi.org/10.1007/s10444-019-09666-0 [20] E Le Fichoux, Présentation Et Utilisation De Cast3m http://www-cast3m.cea.fr/ [21] J D Hunter, Matplotlib: A 2D Graphics Environment, Computing in Science Engineering, (2007) 90–95 https://doi.org/10.1109/MCSE.2007.55 [22] P Ramachandran, G Varoquaux, Mayavi: 3D Visualization of Scientific Data, (2011) 40–51 https://doi.org/10.1109/MCSE.2011.35 305 ... lý thuyết kết tính kết cấu mặt đường nhựa theo phương pháp phân lớp hữu hạn (FLM – Finite Layer Method) FLM kết hợp phần tử hữu hạn chiều (1D) theo phương thẳng đứng phân tích Fourier theo hai... kết nghiên cứu đạt được: • Tổng hợp lý thuyết tính tốn phương trình theo phương pháp FLM • Xây dựng mã nguồn cho phép giải tốn tính tốn kết cấu mặt đường nhựa nhiều lớp theo phương pháp FLM Kết. .. (04/2021), 291-305 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải PHÁT TRIỂN CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG NHỰA THEO PHƯƠNG PHÁP PHÂN LỚP HỮU HẠN Lê Nguyên Khương* Trường Đại học Công nghệ Giao thông