(Đề tài NCKH) sử dụng ansys để mô phỏng khí động lực học của tiết diện cầu sử dụng thanh điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG SỬ DỤNG ANSYS ĐỂ MƠ PHỎNG KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA TIẾT DIỆN CẦU SỬ DỤNG THANH ĐIỀU KHIỂN SKC003838 Tp Hồ Chí Minh, 11/2009 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY NGÀNH : CƠ TIN KỸ THUẬT  Đề Tài Sinh Viên thực hiện: Giáo Viên hướng dẫn: Tp.HỒ CHÍ MINH 11/2012 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH LỜI CẢM ƠN Nhà trường tạo điều kiện để chúng em làm quen với thực tế việc thực nghiên cứu đề tài, giúp chúng em có thêm nhiều kinh nghiệm để thực đồ án tốt nghiệp sau này, em xim chân thành cảm ơn: - Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, phòng Quản lý Khoa học & Quan hệ Quốc tế, Thư viện trường Khoa Xây Dựng & Cơ Học ứng Dụng, tồn thể q Thầy Cơ tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em - Gửi lời tri ân đến thầy Phan Đức Huynh hướng dẫn, giúp đỡ chúng em tận tình chúng em trình nghiên cứu thực đề tài - Sau chúng em chân thành cảm ơn gia đình bạn giúp đỡ hoàn thành nghiên cứu đề tài Sinh viên thực SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Tp.HCM, ngày … tháng … năm 2012 Giáo viên hướng dẫn TS Phan Đức Huynh SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH TÊN ĐỀ TÀI Sử dụng Ansys để mơ khí động lực học tiết diện cầu sử dụng điều khiển TÓM TẮT ĐỀ TÀI Cầu cáp treo với ưu điểm bật khả vượt nhip lớn qua song sâu, thung lũng, eo biển,…khi mà điều kiện xây dựng số lượng lớn trụ cầu trở nên khó khăn tốn kém, kết cấu cầu cáp treo mang lại hình dáng kiến trúc mảnh đặc sắc Đặc điểm nước ta có nhiều sơng ngịi, biển lớn, vực sâu…thì việc áp dụng kết cấu cầu cáp treo phương án ưu tiên việc đầu tư xây dựng sở hạ tầng tương lai Tuy nhiên việc nghiên cứu tính tốn kết cấu cầu cáp treo nước ta chưa nhiều tốn khó việc tự động hóa tính tốn phức tạp Hiện nước ta cầu cáp treo xây dựng nhiều bắt qua sông lớn, cầu treo có nhịp trung bình dài đầu tư xây dựng cầu Mỹ Thuận, cầu Bãi Cháy, cầu Thuận Phước, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Nhật Tân…Để đảm bảo độ vững chắc, độ an toàn cầu ta cần phải xét đến tác động gió lên cầu tính tốn khí động lực học cho cầu ảnh hưởng điều khiển.Đề tài tính tốn thơng số khí động xác định vận tốc tới hạn cho số tiết diện cầu cáp treo, góp phần nghiên cứu, tính tốn thiết kế dạng tiết diện cầu khác mà không cần phải tiến hành thí nghiệm Bên cạnh đó, nhằm nâng cao khả chống lại bất ổn định khí động lực cầu, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng điều khiển Sự bố trí thêm điều khiển có tác dụng thay dịng khí qua tiết diện, làm giảm lực gió tác dụng lên tiết diện Cầu Millau Pháp Cầu Cần Thơ Việt Nam SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Mục lục Lời cảm ơn Nhận xét giáo viên hướng dẫn Tên đề tài Tóm tắt đề tài Mục lục Phần ĐẶT VẤN ĐỀ I Đối tượng nghiên cứu II Tình hình nghiên cứu nước III Những vấn đề tồn Phần GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I Mục đích nghiên cứu II Phương pháp nghiên cứu III Nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết 1.1.Giới thiệu phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) 1.2.Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn 10 Giới thiệu sơ lược phần mềm dụng để tính tốn 11 2.1.Giới thiệu sơ lược phần mềm Gambit 11 2.2.Giới thiệu sơ lược phần mềm Ansys 11 Quá trình thực phần mềm 13 3.1 Khi cầu điều khiển 13 3.1.1 Thao tác thực phần mềm Gambit 13 o 3.1.1.1.Trường hợp góc nghiêng mặt cắt ngang cầu 13 o 3.1.1.2.Trường hợp góc nghiêng mặt cắt ngang cầu 18 3.1.2 Tính tốn phần mềm Ansys 21 o 3.1.2.1.Trường hợp góc nghiêng mặt cắt ngang cầu 21 o 3.1.2.2.Trường hợp góc nghiêng mặt cắt ngang cầu 26 3.2 Khi cầu có điều khiển 32 3.2.1 Thao tác thực phần mềm Gambit 32 o 3.2.1.1.Khi điều khiển nghiêng góc 30 32 o 3.2.1.2.Khi điều khiển nghiêng góc 45 35 3.2.1.3.Khi điều khiển nghiêng góc 60 o 38 3.2.2 Tính tốn phần mềm Ansys 41 o 3.2.2.1.Khi điều khiển nghiêng góc 30 41 o 3.2.2.2.Khi điều khiển nghiêng góc 45 44 o 3.2.2.3.Khi điều khiển nghiêng góc 60 48 3.3 So sánh đồ thị có khơng có điều khiển 51 o 3.3.1 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 30 .51 o 3.3.2 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 45 .52 o 3.3.3 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 60 .53 o o 3.3.4 Khi điều khiển nghiêng 30 nghiêng 45 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 3.3.5 Khi điều khiển nghiêng 30 GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH o o o nghiêng 60 55 o 3.3.6 Khi điều khiển nghiêng 45 nghiêng 60 56 Nhận xét kết đạt 57 PHẦN KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ I Kết luận 58 II Đề nghị 58 Tài liệu tham khảo 59 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH PHẦN ĐẶT VẤN ĐỀ I Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu sử dụng phần mềm tính tốn ANSYS để nghiên cứu ảnh hưởng gió lên cầu cáp treo có khơng có điều khiển AI Tình hình nghiên cứu ngồi nước  Cầu Severn xây dựng cách sử dụng dầm hộp sếp thành lớp đạt ổn định lực gió khoảng thời gian dài  Cầu Akashi Kaikyo thiết kế với độ ổn định theo chiều dọc trog nhịp trung tâm nằm dọc theo đường tâm dầm cứng loại giàn nhằm cải thiện ổn định khí động lực học  Đối với cầu treo có nhịp dài hang số, phương pháp điều khiển kiểm sốt nhằm đạt ổn định khí động lực học nghiên cứu (Dung, et al 1996, Miyata 1994)  Các nghiên cứu điều khiển khí động lực học cách sử dụng điều khiển winglets flaps đề xuất phát triển (Kobayashi, et al 1992, 1996, 1998, 2001 2005) BI Những vấn đề tồn Ở ta xét điều khiển vị trí cố định nên ta nhận xét khí động lực học cầu tiết diện cắt ngang, ta chưa xét điều khiển đặt dọc cầu việc đặt cho hợp lý Việc dùng phần mềm chia lưới Gambit nhiều hạn chế việc điều chỉnh lưới chia cho thật hoàn hảo khó, tương lai ta áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn việc tính tốn khí động lực học cầu cho ta kết xác SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH PHẦN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ I Mục đích nghiên cứu Tìm ảnh hưởng gió đến cầu cáp treo có điều khiển khơng có điều khiển AI Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phần mềm tính tốn Ansys phần mềm chia lưới chun dụng để mơ tính tốn tác động gió đến cầu cáp treo có điều khiển khơng có điều khiển BI Nội dung nghiên cứu Cơ sở lý thuyết 1.1 Giới thiệu phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) Các nhà khoa học nghiên cứu chuyển động dịng chảy sơng, sóng biển, gió bão, khơng khí… phải kết hơp việc tính tay, thực nghiệm phương pháp giải tích, lý, hóa, truyền nhiệt…Khi chưa có máy tính việc tính tốn vấn đề phức tạp lâu, có toán chiếm hàng chục năm đời nhà khoa học Hay toán thiết kế tiến hành cơng phu giấy, sau mang thực nghiệm, thực nghiệm thất bại, phải tiến hành tính tốn lại lặp lại hang chục hàng trăm lần để đưa sản phẩm hữu dụng cho nhu cầu sống Ví dụ việc thiết kế dòng máy bay phải hang chục năm, q trình lâu dài tốn kém.Thực nghiệm thiết kế điều bắt buộc, kiểm nghiệm lý thuyết, đánh giá kết tính tốn kết luận q trình tính tốn.Tuy nhiên q trình thực nghiệm tốn kém, với máy bay lên đến hàng triệu USD cho lần Quá trình nghiên cứu khoa học, thiết kế với giấy bút SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Sản phẩm chưa ứng dụng CFD Từ xuất máy tính kéo theo phát triển ngành công nghệ thông tin Như nhảy vọt lịch sử tính tốn lồi người Rồi đến đời phát triển phương pháp CFD Đã làm cho việc tính tốn, thiết kế giả nhanh chóng, xác tốn nhiều Đối tượng làm việc CFD: CFD xâm nhập vào nơi có dịch chuyển chất lỏng, thay đổi nhiệt độ, khối lượng, nơi mà lưu chất chuyển động phức tạp dòng chuyển động qua cánh máy bay, dịng khơng khí qua cầu, dịng lưu chất chuyển đơng ống phun … Bằng máy tính CFD dự đốn thay đổi khối lượng, thể tích… Khi dịng chuyển động, cho kết tính tốn phức tạp với kết xác phụ thuộc vào điều liện biên mà người sử dụng áp đặt vào Đó kết mà việc tính tay khó thực SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH 4˚ 2˚ 0˚ -2˚ -4˚ -6˚ -8˚ -10˚ -12˚ -14˚ -16˚ -18˚ -20˚ -22˚ -24˚ -30 Trang 49 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính -30 3.3 So sánh đồ thị có khơng có điều khiển O Khi khơng có điều khiển điều khiểnnghiêng 30 Đồ thị hệ số moment SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 50 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH -30 -30 -30 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 45 Đồ thị hệ số moment O Trang 51 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính O 3.3.3 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 60 O O 3.3.4 Khi điều khiển nghiêng 30 nghiêng 45 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC O O 3.3.5 Khi điều khiển nghiêng 30 nghiêng 60 SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính O O 3.3.6 Khi điều khiển nghiêng 45 nghiêng 60 -30 -30 Có phẳng điều khiển nghiêng 60˚ Có phẳng điều khiển nghiêng 45˚ SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 56 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC IV GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Nhận xét kết đạt Nhận xét hệ số moment(Cm): Trong biểu đồ hệ số moment, đường cong phân bố ba trường hợp có điều khiển đa phần nghiêng nhiều khơng có phẳng điều khiển, tức ứng với giá trị góc gió, gia trị moment tang mạnh Điều cho thấy giá trị hệ số moment có điều khiển lớn khơng có điều khiển Các góc gió từ 2˚ đến - 26˚ giá trị moment bắt đầu tăng rõ rệt trường hợp có điều khiển nghiêng 30˚ Các góc gió hướng tới lớn hệ số moment tăng Ở góc gió 0˚, hệ số moment ba điều khiển có giá trị gần giá trị khi khơng có điều khiển lớn Nhận xét hệ số lực cản(Cd): Khi so sánh đồ thị hệ số lực cản có điều khiển khơng có điều khiển, có đặc điểm chung giá trị tăng đột ngột góc gió hướng tới -2˚ Góc gió hướng tới -26˚, so với hai điều khiển nghiêng 30˚ 45˚ hệ số lực cản điều khiển nghiêng 60˚ đạt giá trị cao Trong giá trị đạt nghiêng 30˚ 45˚ gần nhau, nên đồ thị hệ số lực cản khơng có thay đổi rõ rệt Nhận xét hệ số lực nâng(Cl): Khác với hệ số moment hệ số lực cản, hệ số lực nâng góc gió hướng tới 0˚ giá trị đạt gần Ở góc gió từ -12˚ đến 10˚, điều khiển nghiêng 30˚ 45˚ đạt giá trị gần với giá trị khơng có điều khiển Riêng điều khiển nghiêng 60˚ gần giống có góc gió từ -20˚ đến -24˚ Trong khoảng góc gió từ -10˚ đến 10˚, đồ thị điều khiển nghiêng 30˚ 45˚ có giá trị gần nhau, ngồi khoảng góc gió giá trị nghiêng 45˚ ln lớn giá trị có nghiêng 30˚ SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 57 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH PHẦN KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ I Kết luận Sau thời gian làm việc nghiên cứu giúp em đạt kết quả:  Tìm hiểu phần mềm chuyên ngành phục vụ cho công việc tương lai  Các ứng xử gió tác dụng lên cầu treo  Khả mơ hình hóa phần mềm FLUENT  Cách thức chia lưới phần mềm GAMBIT Do hạn chế kiến thức, thời gian khả nghiên cứu nên đề tài xem xét phần nhỏ ảnh hưởng gió lên cầu treo Sự xác phụ thuộc vào phần mềm điều kiện biên áp đặt ban đầu Tuy nhiên qua việc khảo sát đề tài cho thấy thay đổi thơng số chịu tải trọng gió cầu treo, góp phần cho nghiên cứu giải pháp giảm độ rung động gió lên cầu treo tương lai Sai sót qua trình tính tốn điều tránh khỏi, chúng em mong thầy góp ý để chúng em khắc phục sữa chữa làm cho đề tài hoàn chỉnh hơn, chúng em xin chân thành cảm ơn AI Đề nghị Qua việc mô khảo sát tác động gió lên cầu treo khơng có điều khiển có điều khiển Em phần thấy ảnh hưởng điều khiển đến ổn định cầu cáp treo Giải pháp sử dụng điều khiển nhiều giải pháp kiến nghị cho việc giảm rung động cho cầu cáp treo Sự phát triển khoa học kỹ thuật tương lai kết hợp việc khảo sát tất phương pháp, tìm phương pháp tối ưu để áp dụng việc xây dựng sửa chữa cầu, góp phần nâng cao hiểu biết, xác,tối ưu kỹ thuật chất lượng sống người SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 58 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1]Hướng dẫn sử dụng ansys _ ĐINH BÁ TRỤ HOÀNG VĂN LỢI,nhà xuất HÀ NỘI ,sản xuất năm 2003(phần & )… [2] Phan Đức Huynh - Nguyễn Hoàng Sơn, Ứng dụng ANSYS vào toán kỹ thuật [3] Nguyễn Hữu Hồ - Lê Băng Sương, Cơ học chất lỏng, NXB Giáo Dục, Hà Nội 2006 … Tiếng Anh [4] ANSYS Workbench Tutorial Kent Lawrence , nhà xuất Schroff Development Corporation ANSYS Workbench Software: Tutorial with Multimedia CD Fereydoon Dadkhah Jack Zecher , nhà xuất Schroff Development Corporation [5] [6] Sachs, P., 1978, “Wind Forces in Engineering”, Second edition, Pergamon Press, Oxford Anderson, JD, năm 1995, " Động lực học chất lỏng tính tốn: Các vấn đề với ứng dụng " , McGraw Hill, New York [7] Simiu, E., and Scanlan, R.H., 1996, “Wind effects on Structures”, Third edition, Wiley Interscience, New York [8] … Nguồn khác Các trang web tham khảo Internet : [9]http://vncfdgroup.wordpress.com/2012/04/01/t%E1%BB%95ng-quan-v%E1%BB%81-cfdph%E1%BA%A7n-2-khai-ni%E1%BB%87m-vai-tro-va-%E1%BB%A9ng-d%E1%BB %A5ng-th%E1%BB%B1c-ti%E1%BB%85n/ [10]https://courses.cit.cornell.edu/fluent/airfoil/step1.htm … SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính Trang 59 ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SVTH: Dương Duy Linh –Hà Viết Chính GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH Trang 60 ... –Hà Viết Chính Trang ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GVHD: TS.PHAN ĐỨC HUYNH TÊN ĐỀ TÀI Sử dụng Ansys để mơ khí động lực học tiết diện cầu sử dụng điều khiển TÓM TẮT ĐỀ TÀI Cầu cáp treo với ưu điểm... an toàn cầu ta cần phải xét đến tác động gió lên cầu tính tốn khí động lực học cho cầu ảnh hưởng điều khiển. Đề tài tính tốn thơng số khí động xác định vận tốc tới hạn cho số tiết diện cầu cáp... khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 30 .51 o 3.3.2 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 45 .52 o 3.3.3 Khi khơng có điều khiển điều khiển nghiêng 60 .53 o o 3.3.4 Khi điều khiển nghiêng