Các kết quả tính toán trong phần 3.1.4 và 3.1.5 cho thấy ứng uất tƣơng đƣơng von- Mises cực đại và tải trọng tới hạn bất ổn định ở mode 1 tuy nhỏ hơn các giá trị giới hạn nhƣng khoảng cách là không lớn.
Với các kết cấu silo bên ngoài thực tế, để tăng khả năng chịu lực, tăng khả năng ổn định trong quá trình hoạt động, ngƣời ta thƣờng thiết kế thêm các gân. Dựa trên thực tế này, tác giả cũng mô hình lại bài toán trên nhƣng có thêm và các gân tăng cứng (hình 3. 23). Các gân này cũng đƣợc chế tạo từ thép CT3
Bảng 3.6. Thông số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng
Thông số Đơn vị Kết quả
Số lƣợng gân tăng cứng 3
Bề dày mm 5
Chiều cao mm 50
Điều kiện biên và tải trọng tƣơng tự nhƣ bài toán đƣợc trình bày trong mục 3.1. Mô hình phần tử hữu hạn của mô hình cũng đƣợc mô hình tử phần tử Shell181 với 8.894 phần tử và 9.188 nút. Chỉ số Skewnees có giá trị biến thiên từ 0,072 đến 0,65. Mô hình lƣới này hoàn toàn phù hợp cho phân tích các bài toán kết cấu.
Hình 3.24. Kích thƣớc gân
Hình 3.25. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees
Kết quả phân tích tĩnh 3.2.1.
Do đƣợc tăng cƣờng các gân tăng cứng nên ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises cực đại giảm đi so với trƣờng hợp không có gân. Giá trị cực đại trong trƣờng hợp này là 272,8 MPa, nhỏ hơn giới hạn bền của thép CT3 (380MPa). Kết cấu thỏa điều kiện bền theo thuyết bền von-Mises.
Hình 3.26. Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo
Kết quả trƣờng chuyển vị tổng đƣợc trình bày trong hình 3.27. Giá trị cực đại của chuyển vị tổng là 9,72mm, thỏa mãn điều kiện thiết kế về chuyển vị.
Kết quả phân tích bất ổn định 3.2.2.
Kết quả 5 tải tới hạn bất ổn định đƣợc trình bày trong bảng 3.7. Tải trọng tới hạn ở mode 1 là 19.652 N. Giá trị này lớn hơn rất nhiều so với giá trị lớn nhất của tải trọng thực tế. Do đó, kết cấu silo hoàn toàn đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình hoạt động.
Bảng 3.7. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình Mode Giá trị lực tới hạn
1 19.652
2 22.418
3 28.262
4 29.381
5 30.103
Kết quả 5 dạng bất ổn định đƣợc trình bày trong các hình từ 3.28 đến 3.33. Vị trí xảy ra bất ổn định tập trung gần khu vực tiếp giáp phần thân trụ và phần phễu của Silo.
Hình 3.29. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)
Hình 3.31. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)
3.3. Đánh giá kết quả
Bảng 3.8 trình bày kết quả so sánh các kết quả tính toán về ứng suất, chuyển vị, tải tới hạn bất ổn định giữa 2 mô hình silo có và không có gân. Cả hai mô hình đều thỏa mãn các điều kiện về độ bền, độ ổn định nhƣng rõ ràng mô hình silo có gân đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về độ bền, độ ổn định.
Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mô hình
Thông số Silo không có gân Silo với 3 gân
Ứng suất von - Meses (MPa) 315 272
Chuyển vị theo phƣơng x (mm) 7,89 6,37
Chuyển vị theo phƣơng y (mm) 8,33 8,46
Chuyển vị theo phƣơng x (mm) 2,77 2,83
Chuyển vị tổng (mm) 9,56 9,70 Lực tới hạn mode 1 10.743 19.652 Lực tới hạn mode 2 15.260 22.418 Lực tới hạn mode 3 18.479 28.262 Lực tới hạn mode 4 21.361 29.381 Lực tới hạn mode 5 22.113 30.103
3.4. Kết luận
Với mục tiêu đề ra, Luận văn đã sử dụng PP PTHH để phân tích ứng xử bất ổn định kết cấu silo vách trụ thông qua chƣơng trình ANSYS WORKBENCH.
Trong Luận văn đã thực hiện đƣợc :
- Nghiên cứu các lý thuyết tính toán bất ổn định tấm mỏng, đặc biệt là lý thuyết và quy trình tính toán bất ổn định tấm bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.
- Nghiên cứu các lý thuyết tính toán tải trọng do vật chứa tác dụng lên Silo theo tiêu chuẩn Eurocode và tải trọng gió theo TCVN.
- Áp dụng ANSYS phân tích ứng xử của hai mô hình Silo có gân và không có gân. Mô hình đƣợc chọn để phân tích trong Luận văn là mô hình tham khảo theo Nguyễn Văn Cƣơng [5], đây là mô hình đã đƣợc thiết kế hoàn chỉnh. Các kết quả phân tích cho thấy kết cấu silo theo [5] hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về sức bền. Tuy nhiên khi xét về khả năng ổn định thì kết cấu tuy đảm bảo nhƣng hệ số an toàn chƣa cao. Để tăng hệ số an toàn, mô hình cần đƣợc bố trí thêm các gân. Các kết quả phân tích cho thấy Silo có gân thì đảm bảo tốt hơn các điều kiện về độ bền, độ ổn định trong quá trình Silo hoạt động.
Những điểm chƣa thực hiện đƣợc:
- Luận văn mới phân tích đƣợc bài toán bất ổn định tuyến tính của silo, chƣa đi vào phân tích bài toán bất ổn định phi tuyến.
- Mô hình tính toán có độ phức tạp chƣa cao.
- Chƣa khảo sát đƣợc ảnh hƣởng của tỉ lệ chiều cao và đƣờng kính silo đến khả năng chịu lực của silo.
3.5. Kiến nghị
Từ các kết quả của Luận văn, tác giả có một vài kiến nghị:
- Ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp số là cho phép giảm rất nhiều chi phí so với việc sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm với nhiều mẫu thử. Do đó, chúng ta nên mạnh dạn áp dụng các phƣơng pháp số vào các bài toán truyền thống.
- Việc đơn giản hóa mô hình trong quá trình mô phỏng số là rất quan trọng. Nó giúp chúng ta tiết kiệm đƣợc thời gian và tài nguyên máy tính.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Bùi Song Cầu. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống silo bảo quản các hạt
nông sản xuất khẩu qui mô 200 - 300 tấn. Hội thảo "nghiên cứu công nghệ và
silo bảo quản các nông sản xuất khẩu", Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 2003.
[2]. http://www.thesaigontimes.vn/42580/Khong-the-thieu-si-lo-vao-luc-nay.html
[3]. Chu Quốc Thắng. Phương pháp phần tử hữu hạn. NXB khoa học và kỹ thuật – 1997.
[4]. Nguyễn Tƣờng Long, Trần Thái Dƣơng, Cao Nhân Tiến, Nguyễn Công Đạt, Nguyễn Thái Hiền. Xây dựng chương trình tính toán silo dùng Apdl và Visual
Basic. Tạp chí phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 13, số K5 – 2010.
[5]. Nguyễn Văn Cƣơng và Nguyễn Hoài Tân. Tính toán thiết kế silo tồn trữ cám viên năng suất 500 tấn. Tạp chí khoa học trƣờng Đại học Cần Thơ, số 30, 2014.
[6]. Ngô Quang Hƣng. Tính toán và cấu tạo bản tròn bê tông cốt thép theo TCVN 5574:2012. Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3 – 2016.
[7]. Hoàng Xuân Lƣợng, Nguyễn Lê Sinh, Phan Anh Tuấn. Xây dựng phương pháp
phần tử hữu hạn tính vỏ có gân tăng cường chịu áp lực cao. Tuyển tập Công
trình Khoa học Hội nghị Khoa học toàn quốc về Cơ học Kỹ thuật - 2001, tr. 122-128.
[8]. Nguyễn Thị Hiền Lƣơng, Nguyễn Hải, Huỳnh Quốc Hùng. Nghiên cứu ổn định
động tấm mỏng bằng phương pháp độ cứng động lực. Hội nghị Khoa học toàn
quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ X, Thái Nguyên, 2010.
[9]. Nguyễn Trung Quang. Phân tích kết cấu tấm nhiều lớp dùng lý thuyết biến dạng cắt bậc 3 bằng phần tử MITC3+. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, 2016.
[10]. Trƣơng Đức Thái. Phân tích kết cấu tấm nhiều lớp dùng lý thuyết biến dạng cắt bậc 3 bằng phần tử MITC3. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, 2016.
Tiếng Anh
[11]. Adam J. Sadowski, J. Michael Rotter. A study of buckling in steel silos under eccentric discharge flows of stored solids. ASCE Journal of Engineering Mechanics, 136(6), 769-776, 2010.
[12]. Dhanya Rajendran and Mr. Unni Kartha. Comparison of lateral analysis of
Reinforced concrete and steel silo. International Journal Of Civil Engineering
And Technology (Ijciet), 2014.
[13]. Tawanda Mushiri, Kelvin Tengende, Talon Garikayi. Finite Element Analysis Of Rom Silo Subjected To 5000 Tons Monotonic Loads At An Anonymous Mine In Zimbabwe. International Conference on challenges in IT, Engineering and Technology (ICCIET’2014) Conference Proceeding, 2014.
[14]. Yu Xie. Structural Behaviour Of Grain Bin Steel Silo. Master thesis, 2015, Windsor university.
[15]. Reddy J. N., Khdeir A. A.,. Buckling and vibration of laminated plates using various plate theories. AIAA Journal, 27, (1989), 1808-1817.
[16]. Michael Bak. Nonlinear Buckling Analysis Using Workbench v15. Course of ANSYS, 2014.
PHỤ LỤC
I. Quy trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình ANSYS WORKBENCH:
Gồm 2 bƣớc.
- Bƣớc 1: Giải bài toán tĩnh.
- Bƣớc 2: Sử dụng kết quả của bài toán tĩnh trong bƣớc 1 để phân tích tìm tải tới hạn cũng nhƣ dự đoán các mode bất ổn định tƣơng ứng.
1. Bài toán tổng quát
Với mỗi bài toán cụ thể đều có phƣơng pháp giải khác nhau tùy vào các điều kiện mà bài toán đƣa ra, vì thế mỗi bài toán sẽ có một đặc trƣng riêng nhƣng trình tự để giải một bài toán trong ANSYS 17 gần nhƣ là giống nhau về mặt tổng quát, đều phải qua các trình tự cụ thể có liên quan chặt chẽ và quyết định lẫn nhau.
Đối với một bài toán cụ thể, đều phải thực hiện các trình tự giải trên và đòi hỏi sự chính xác, thống nhất với nhau. Các bƣớc giải một bài toán cụ thể đều đƣợc phần mềm thể hiện dƣới dạng thƣ mục cây (Tree Outline) giúp chúng ta có thể định hƣớng, trực quan về bài giải, về vị trí các bƣớc trong hệ thống một bài giải. Chúng ta có thể thay đổi các thông số hay những điều kiện trong một bƣớc giải vào bất cứ lúc nào trong quá trình giải theo ý muốn. Tất cả đều đƣợc phần mềm cập nhật và giải lại theo những thông số mới. Vì vậy sẽ rất thuận tiện trong quá trình nghiên cứu lựa chọn phƣơng án nào là thích hợp nhất.
Hình 1. Trình tự giải một bài toán trong ANSYS
2. Bài toán tĩnh
Chọn hệ thống phân tích Thiết lập các thuộc tính vật liệu
Xây dựng mô hình hình học
Thiết lập mô hình PTHH
Thiết lập điều kiện biên, tải tác động
Giải, phân tích
Đối với bài toán cơ học dạng tĩnh tức là phân tích vật thể ở trạng thái đứng yên dƣới sự tác động của tải trọng, lực hay moment lực. ANSYS sẽ phân tích bài toán và cho thấy đƣợc trạng thái ứng suất, biến dạng của chi tiết... Cũng có thể ứng dụng để kiểm tra độ bền của các kết cấu, tìm ra ứng suất tại từng vị trí, tại vị trí nào chịu ứng suất lớn nhất và mô phỏng sự biến dạng của chi tiết. Để phân tích một bài toán kết cấu dạng tĩnh (Static Structural), phải thực hiện các bƣớc sau:
- Engineering Data: Lựa chọn và thiết lập các thông số vật liệu
- Geometry: Xây dựng mô hình hình học
- Model: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn (PTHH)
- Set up: Đặt các ràng buộc và tải
- Solution: Phân tích
- Results: Kết quả phân tích
Hình 2. Trình tự giải một bài toán tĩnh trong ANSYS WORKBENCH
2.1. Engineering Data: Lựa chọn và thiết lập các thông số vật liệu.
Kết quả phân tích của bài toán sẽ phụ thuộc vào loại vật liệu. Vì vậy khi giải bài toán với ANSYS cần phải xác lập đúng những thông số vật lý của vật liệu nhƣ mô đun đàn hồi, hệ số Poisson... ANSYS 17 cung cấp thƣ viện vật liệu khá đầy đủ, ngoài ra đối với từng vật liệu còn có thể thay đổi các thông số vật lý sao cho phù họp với điều kiện bài toán. Nhấp đúp chuột vào Engineering Data sẽ xuất hiện thƣ viện vật liệu của phần mềm.
Công việc của ngƣời sử dụng là lựa chọn những vật liệu từ thƣ viện vật liệu có sẵn của phần mềm hoặc tạo ra thƣ viện vật liệu mới, trong đó thiết lập các thông số vật lý cho thuộc tính của vật liệu sao cho phù họp với yêu cầu mà bài toán đƣa ra nhƣ mô đun đàn hồi E hay hệ số Poisson V, và tải về cho bài toán chờ sử dụng trong khi giải ở các bƣớc sau.
Sau khi đƣa về cho bài toán những vật liệu cần thiết, sẽ gán vật liệu cho chi tiết hoặc từng bộ phận khác nhau, riêng rẽ của chi tiết với mục đích cuối cùng là mô tả chi tiết và kết cấu một cách chính xác về vật liệu sử dụng. Tiến hành thiết lập vật liệu cho chi tiết bằng cách thao tác với thƣ mục Model\Geometry trong môi trƣờng Mechanical (môi trƣờng sẽ xuất hiện ở bƣớc 3: Model).
Hình 3. Khai báo vật liệu thép trong ANSYS WORKBENCH
Đối với mỗi bộ phận hay khối riêng rẽ trong chi tiết (Solid, Surface, Line), chọn vật liệu tại hộp thoại Details of “Solid (Surface, Line)”\Material\Assignment và chọn vật liệu trong số những vật liệu đã tải về từ bƣớc Engineering Data.
2.2. Bƣớc 2. Geometry: Xây dựng mô hình hình học
Sau khi hoàn thành bƣớc đầu tiên về chọn và cài đặt các thông số vật liệu, tiến hành xây dựng mô hình hình học của bài toán hoặc kết cấu.
Trƣớc tiên, phải chọn kiểu mô hình hình học sắp xây dựng có thể là dạng Line Bodies, Solid, 2D, 3D... Cách thao tác: nhấp chuột phải vào Geometry trong Static Structural và chọn New SpaceClaim Geometry.
Trong bài toán này, để chia lƣới mô hình ta dùng SHELL181 cho hệ khung, và BEAM188 cho đòn tay. Do đó, sau khi xây dựng các line cho đòn tay, ta phải xây dựng thêm Beam Profiles để add cho các line nhằm chuẩn bị cho việc chia lƣới trong bƣớc 3.
Hình 4. Tạo new SpaceClaim để xây dựng mô hình hình học
2.3. Bƣớc 3. Model: Xây dựng mô hình PTHH (chia lƣới mô hình)
Sau khi xây dựng xong mô hình hình học cho bài toán, tiến hành chia lƣới phần tử cho mô hình vừa tạo ra đế phần mềm có thể phân tích trên từng phần tử và đƣa ra kết quả chính xác nhất cho bài toán. Việc chia lƣới càng chặt chẽ, số lƣợng phần tử sau khi chia lƣới có kích thƣớc hợp lý thì bài toán phân tích càng chính xác.
Nhấp đúp chuột vào ô Model, phần mềm sẽ tự động xuất hiện môi trƣờng làm việc mới đó là Mechanical.
Chọn new để mở một SpaceClain mới.
Hình 5. Giao diện Mechanical Trong giao diện Mechanical có 4 vùng chính:
- Thanh công cụ ở phía trên của hộp thoại Mechanical.
- Outline: Thứ tự các bƣớc thực hiện bài toán đƣợc trình bày dƣới dạng cây.
- Details View: Chi tiết cho bƣớc đang thực hiện.
- Graphics: Nơi mô phỏng bài toán, thể hiện tải, các ràng buộc.
Ở hộp thoại Outline, phần mềm thể hiện các bƣớc phải thực hiện thành dạng cây thƣ mục.
Trong Model có 4 bƣớc con:
- Geometry: Mô tả dạng hình học và thiết lập vật liệu cho từng phần của chi tiết.
- Coordinate System: Hệ tọa độ (theo mặc định).
- Conections: Liên kết (thể hiện sự liên kết giữa các phần tử của kết cấu). Chỉ thực hiện bƣớc Conections ở những chi tiết phân tích đƣợc tạo thành từ những phần (Part) riêng rẽ khác nhau nhiều. ANSYS WORKBENCH 17.2 sẽ
tự động bắt part tiếp xúc với nhau. Mô hình bài toán của luận văn có 551 part tiếp xúc với nhau.
- Mesh: Chia lƣới phần tử. Trong ANSYS WORKBENCH 17.2 hỗ trợ rất nhiều phƣơng pháp chia lƣới. Để lựa chọn phƣơng pháp chia lƣới, ta click chuột phải vào menu Mesh (thanh outline bên trái màn hình) rồi đƣa chuột vào menu Insert để chọn. Bài toán của luận văn có sử dụng phần tử SHELL nên ta chọn phƣơng pháp chia lƣới là Face sizing. Sau khi chọn phƣơng
pháp chia lƣới, ta chuyển xuống cửa sổ Details of “Face sizing” để thiết lập việc chia lƣới, cụ thể, ta cần chọn các mặt đƣợc chia theo phƣơng pháp Face sizing, ví dụ nhƣ mô hình của luận văn có 2288 mặt cần chia, và chọn phƣơng pháp chia là quadrilaterals (hình tứ giác). Cuối cùng, ta click
chuột phải vào Mesh -> Generate Mesh để hoàn tất việc chia lƣới.