Hiện này trên thế giới có rất nhiều phần mềm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong việc thực hiện quá trình mô phỏng số: SAP, COSMOS, NASTRAN, ANSYS, ABAQUS… Trong phạm vi luận văn này tác giả sử dụng phần mềm ANSYS cho quá trình mô phỏng.
... Mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS
Với các kích thước cấu tạo có được từ mục 2.1.3 ta sử dụng phần mềm Design Modeler một module của phần mềm ANSYS chuyên để thiết kế mô hình hình học phục vụ cho quá trình mô phỏng trong ANSYS.
b. Mô hình phần tử hữu hạn
Trong giới hạn nghiên cứu của bài toán là: đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính. Với kết cấu thép của cầu trục được hình thành dựa trên sự ghép nối giữa các tấm thép, và giữa tấm thép với các thanh dầm nên ta sử dụng 2 kiểu phần tử trong thư viện phần từ của phần mềm ANSYS là: Shell 181 và Beam 188.
Hình .: Phần tử Beam 188
Phần tử Beam 188 phù hợp với phân tích mô hình kết cấu khung dầm. Phần tử này có 2 nút, mỗi nút có 6 bậc tự do: tịnh tiến theo phương x, y, z và quay quanh trục x, y, z. Phần tử này phù hợp với lý thuyết dầm Timoshenko và có xét tới ảnh hưởng của biến dạng cắt.
Hình .: Phần tử Shell181
Phần tử shell 181 phù hợp với phân tích mô hình kết cấu tấm mỏng và vừa. Phần tử này có 4 phần tử nút, mỗi nút có 6 bậc tự do: tịnh tiến theo phương x, y, z và quay quanh trục x, y, z. Phần tử này có thể áp dụng cho cả bài toán tuyến tính và phi tuyến, thích hợp với các mô hình tấm có kể tới ảnh hưởng của biến dạng trượt – Mô hình lý thuyết tấm Mindlin – Reissner.
Mô hình lưới phần tử:
Hình .: Mô hình lưới một phần cầu trục.
Trên toàn bộ mô hình có: Số lượng phần tử: 14942. Số nút: 15190.
c. Thuộc tính vật liệu
Thuộc tính vật liệu áp đặt cho mô hình phần tử hữu hạn của cầu trục được cho trong bảng 2.3.
... Các điều kiện biên và tải trọng tác dụng
a. Điều kiện biên.
Như đã thấy trên hình 2.31 điều kiện biên của bài toán được thiết lập trên mặt ghép nối giữa dầm đầu với bộ phận di chuyển cầu trục. Cụ thể điều kiện biên là:
Hình .: Điều kiện biên bài toán.
(a) Hạn chế dịch chuyển theo 3 phương X, Y, Z
(b) Hạn chế dịch chuyển theo phương Y, Z; phương X dịch chuyển tự do. (c) Hạn chế dịch chuyển theo phương Y; phương X, Z dịch chuyển tự do. (d) Hạn chế dịch chuyển theo phương X, Y; phương X dịch chuyển tự do. Các điều kiện biên này áp dụng chung cho việc tính toán các trường hợp tải trọng của các tổ hợp tải trọng.
b.Điều kiện tải trọng:
Lực tác dụng lên trên kết cấu gồm trọng lượng bản thân của kết cấu theo các tổ hợp tải trọng và áp lực bánh xe tác dụng lên trên ray treo hàng. Giá trị của các lực này đã được tính toán trong mục 2.1.5.
(a)
UX, UY, UZ: Fixed
(c)
UY: Fixed UX, UZ: Free
(b)
UZ, UY: Fixed UX: Free (d)
UX, UY: Fixed UZ: Free
Quan sát giá trị của áp lực bánh xe tác dụng lên ray treo hàng trong các bảng 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10 và bảng 2.5 thì ta cần tính toán 3 trường hợp tổ hợp tải trọng: IIa, IIb và IIc.
Ứng với mỗi tổ hợp tải trọng ta tiến hành tính toán 3 trường hợp ứng với tải tại các vị trí: đầu dầm, cuối dầm và giữa dầm.
... Kết quả tính toán .... Tổ hợp tải trọng IIa
a. Vị trí đầu dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIa, vị trí đầu dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình: STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1214 0 -1100 -150 143,38 MPa
2 σkhung 1534 -400 0 6666,7 -73,412 MPa
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIa, vị trí đầu dầm
Hình .: Chuyển vị phương UY của tổ hợp tải trọng IIa, vị trí đầu dầm.
b. Vị trí giữa dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIa, vị trí giữa dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1214 0 -1100 -150 128,69 MPa
2 σkhung 1546 -400 0 9666,7 -66,16 MPa 3 uy 392 -100 0 9375 -14,88 mm RAY = 17125 (N) RBY = 17125 (N) RCY = 17125 (N) RDY = 17125 (N) Q = 28565 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIa, vị trí giữa dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIa, vị trí giữa dầm
c. Vị trí giữa cuối chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIa, vị trí cuối dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1292 0 -1100 19150 142,2 MPa
2 σkhung 1441 -400 0 12333 -73,54 MPa
3 uy 1421 -400 0 10833 -15,206 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIa, vị trí cuối dầm
RAY = 17125 (N) RBY = 17125 (N) RCY = 17125 (N) RDY = 17125 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIa, vị trí cuối dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIa, vị trí cuối dầm
.... Tổ hợp tải trọng IIb.
a. Vị trí đầu dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIb, vị trí đầu dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1226 -77,5 -1500 0 144,47 MPa
2 σkhung 363 400 0 8000 -75,423 MPa
3 uy 1562 400 0 8166,7 -13,725 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIb, vị trí đầu dầm
RAX = 1375 (N), RAY = 13750 (N) RBX = 1375 (N), RBY = 13750 (N) RCX = 1375 (N), RCY = 13750 (N) RDX = 1375 (N), RDY = 13750 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIb, vị trí đầu dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIb, vị trí đầu dầm
b. Vị trí giữa dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIb, vị trí giữa dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1214 0 -1100 -150 111,99 Mpa
2 σkhung 434 400 0 11000 -67,917 MPa
3 uy 1568 400 0 9500 -13,41 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIb, vị trí giữa dầm
RAX = 1375 (N), RAY = 13750 (N) RBX = 1375 (N), RBY = 13750 (N) RCX = 1375 (N), RCY = 13750 (N) RDX = 1375 (N), RDY = 13750 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIb, vị trí giữa dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIb, vị trí giữa dầm
c. Vị trí giữa cuối chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIb, vị trí cuối dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1323 -77,5 -1500 19000 142,09 MPa
2 σkhung 434 400 0 11000 -75,704 MPa
3 uy 1426 400 0 10833 -13,74 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIb, vị trí cuối dầm
RAX = 1375 (N), RAY = 13750 (N) RBX = 1375 (N), RBY = 13750 (N) RCX = 1375 (N), RCY = 13750 (N) RDX = 1375 (N), RDY = 13750 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIb, vị trí cuối dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIb, vị trí cuối dầm
.... Tổ hợp tải trọng IIc.
a. Vị trí đầu dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIc, vị trí đầu dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1214 0 -1100 -150 119,76 MPa
2 σkhung 1537 -400 0 6666,7 -61,925 MPa
3 uy 688 -200 0 8250 -12,81 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIc, vị trí đầu dầm
RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIc, vị trí đầu dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIc, vị trí đầu dầm
b. Vị trí giữa dầm chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIc, vị trí giữa dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1214 0 -1100 -150 107,97 Mpa
2 σkhung 1564 -400 0 9666,7 -56,339 MPa
3 uy 664 -100 0 9625 -12,577 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIc, vị trí giữa dầm
RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIc, vị trí giữa dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIc, vị trí giữa dầm
c. Vị trí giữa cuối chính:
Hình .: Điều kiện tải trọng tác dụng của tổ hợp IIc, vị trí cuối dầm chính.
Kết quả ứng suất, chuyển vị của mô hình:
STT Thành phần Nút X (mm) Y (mm) Z (mm) Giá trị
1 σVon Mises 1292 0 -1100 19150 119,4 MPa
2 σkhung 1441 -400 0 12333 -62,002 MPa
3 uy 417 -200 0 10750 -12,828 mm
Bảng .: Kết quả ứng suất, chuyển vị của tổ hợp IIc, vị trí cuối dầm
RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N) RAY = 13750; RAZ = 1964,286 (N)
Hình .: Ứng suất Von Mises của tổ hợp IIc, vị trí cuối dầm
Hình .: Ứng suất trên hệ khung của tổ hợp IIc, vị trí cuối dầm
.... Nhận xét:
- Qua các kết quả thu được từ việc mô phỏng kết cấu thép cầu trục dầm đơn dạng khung trong các tổ hợp tải trọng tại các vị trí khác nhau ta thấy:
Ứng suất tập trung chủ yếu trên tấm biên của dầm đầu, tại phần lắp ghép giữa hệ khung thanh xiên với dầm đầu và trên ray chỗ ghép nối giữa ray với dầm đầu. Ứng suất Von Mises lớn nhất tại tổ hợp tải trọng IIb, vị trí đầu dầm:
143,38
Von Mises