Va chạm là một hiện tượng thường gặp trong đời sống và trong kỹ thuật. Ngày trước bài toán va chạm có thể giải bằng các định luật bảo toàn, những năm gần đây một số phương pháp số đã phát triển rất tốt để giải quyết các bài toán va chạm thực tế. Trong số đó có FEM là phương pháp được sử dụng rộng rãi, chúng còn được các phần mềm thương mại tính toán và mô phỏng chuyên dùng như: ANSYS, ABAQUS,…Trong đề tài này, chúng ta sẽ phân tích một hiện tượng va chạm có hại giữa sà lan và trụ cầu đơn. Hình học và tính chất vật liệu của hai đối tượng vừa nêu có
mức độ phức tạpTrong chương 2, tác giả đã trình bày các vấn đề lý thuyết chính yếu để áp dụng cho bài toán mô phỏng như
Các đặc điểm kết cấu bê tông cốt thép.
Tiêu chuẩn phá hủy của bê tông.
Hiện tượng va chạm và lực va chạm.
Chương 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 3.1. Giới thiệu các mô đun của phần mềm dùng để mô phỏng 3.1.1. Mô đun Explicit dynamic trong ANSYS WORKBENCH
Chúng ta có thể xác định các sự cố trong cơ sở dữ liệu đang áp dụng bởi Explicip Dynamic. Ngoài ra, hệ thống Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) có sẵn để xuất mô hình ở định dạng tệp LS-DYNA để phân tích tiếp theo với bộ giải LS-DYNA. Trừ khi được đề cập cụ thể khác, phần này đề cập đến cả hệ thống Động lực học rõ ràng và Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export). Các điều kiện đặc biệt cho hệ thống Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) được ghi chú ở nơi thích hợp.
Một phân tích động lực học rõ ràng được sử dụng để xác định phản ứng động của một cấu trúc do sự lan truyền sóng ứng suất, tác động hoặc thay đổi nhanh chóng phụ thuộc vào thời gian. Trao đổi động lượng giữa các cơ thể chuyển động và hiệu ứng quán tính thường là các khía cạnh quan trọng của loại phân tích được tiến hành. Kiểu phân tích này cũng có thể được sử dụng để mô hình các hiện tượng cơ học có tính phi tuyến cao. Các phi tuyến có thể xuất phát từ các vật liệu, (ví dụ, hyperelasticity, chảy nhựa, hỏng), từ tiếp xúc (ví dụ, va chạm và va chạm tốc độ cao) và từ biến dạng hình học (ví dụ, xô lệch và sụp đổ). Các sự kiện có thang đo thời gian dưới 1 giây (thường là thứ tự 1 mili giây) được mô phỏng hiệu quả với loại phân tích này. Đối với các sự kiện thời gian dài hơn, hãy xem xét sử dụng hệ thống phân tích thoáng qua.
Bước thời gian được sử dụng trong phân tích động lực học rõ ràng bị hạn chế để duy trì tính ổn định và tính nhất quán thông qua điều kiện CFL, nghĩa là, thời gian tăng tỷ lệ thuận với kích thước phần tử nhỏ nhất trong mô hình và tỷ lệ nghịch với tốc độ âm thanh trong vật liệu được sử dụng. Gia tăng thời gian thường theo thứ tự 1 micro giây và do đó, hàng ngàn bước thời gian (chu kỳ tính toán) thường được yêu cầu để có được giải pháp.
Một phân tích động lực học rõ ràng thường bao gồm nhiều loại phi tuyến khác nhau bao gồm biến dạng lớn, biến dạng lớn, độ dẻo, cường độ cao, sự cố vật liệu, v...v.
Một phân tích động lực rõ ràng có thể chứa cả cơ thể cứng nhắc và linh hoạt. Đối với các mô phỏng động lực học cơ thể cứng nhắc / linh hoạt liên quan đến các cơ chế và khớp,bạn có thể muốn xem xét sử dụng các tùy chọn Phân tích cấu trúc thoáng qua hoặc Phân tích động lực học cứng nhắc.
Hình 3.1. Lưu đồ phân tích động lực học va chạm trong ANSYS
3.1.2. Các bước thực hiện
Khởi động Workbench.
Chọn mô đun Explicit Dynamics từ hộp công cụ Analysis Systems.
Hình 3.2. Chọn mô đun Explicit Dynamic
Click chuột phải lên Geometry cell và chọn Import a Geometry. Chọn Model cell để mở Mechanical application editor.
Hình 3.3. Định nghĩa sự tương tác giữa các vật rắn
Tiến hành chia lưới.
Hình 3.4. Lưới phần tử trong bài toán va chạm
Định nghĩa các điều kiện biên như ràng buộc vận tốc, gia tốc, tải lực, ràng buộc chuyển vị
Hình 3.5. Thiết lập điều kiện biên
Thiết lập các thông số phân tích để mô phỏng bài toán va chạm.
Hình 3.7. Chọn bộ giải
Giải.
Xuất kết quả.
Hình 3.8. Kết quả ứng suất trong quá trình va chạm
3.2. Mô hình mô phỏng 3.2.1. Mô tả bài toán 3.2.1. Mô tả bài toán
Trong luận văn này, mô hình va chạm giữa trụ cầu và xà lan được tham khảo từ [1]. Cầu Jiujiang tại Trung Quốc có cácc trụ cầu vuông có kích thước 3,1m x 3,1m và chiều cao 15m. Trụ cầu chịu 1 khối lượng tượng trưng cho phần cầu là 130 tấn. Sà lan cách trụ cầu 1 khoảng cách 0,49m ( để xem như không có gia tốc ).
Sà lan loại thông thường có kết cấu khá đơn giản, có sự linh hoạt và chứa được nhiều tải trọng. Chúng thường được đẩy hoặc kéo bởi một loại tàu, trong đề tài xét sà lan được đẩy di chuyển với vận tốc 4,11 m/s.
Hình 3.9. Sà lan chở hàng trên sông (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo AASHTO, sà lan JH được sử dụng rộng rãi nhất. Loại sà lan ở các thủy vực của Mỹ, do đó, không làm mất tính tổng quát, nó được sử dụng như là mô hình cơ sở trong nghiên cứu hiện nay. Các tham số tương ứng được đưa ra trong bảng 3.Thông số kích thước của sà lan JH được tham khảo từ bảng thông số kỹ thuật thuộc AASHTO
Hình 3.10.Kích thước của sà lan JH
Bảng 3.1. Thông số kích thước sà lan Kích thước (m) BM ( bề rộng ) 59,4 LB ( chiều dài ) 10,6 HL (chiều cao đầu mũi) 6 DV ( độ sau thùng chứa) 4 RL ( chiều dài mũi ) 3,7
Sà lan được cấu tạo chính từ thép tấm và thép hình. Cấu trúc bên trong của chúng là khung dàn với loại thép hình, vỏ bên ngoài được bao phủ bởi loại thép tấm (bề dày từ 0,01 đến 0,013). Thép tấm được sự hỗ trợ của thép hình để tăng cứng và đảm bảo độ bền. Loại thép sử dụng cho mô hình sà lan là thép A36, mặc dù thép A36 thuộc loại thép độ bền cao, chúng thường được sử trong công nghệ đóng tàu phục vụ ở biển, sông lớn.
Để nghiên cứu những ảnh hưởng của biến dạng của trụ cầu bê tông cốt thép khi vị sà lan va chạm, vật liệu thép và bê tông là vật liệu phi tuyến. trụ cầu là một cốt bìa có độ sâu 50 mm. Các cốt thép dọc có đường kính 30 mm được đặt cách nhau 300 mm trên bốn mặt của trụ cầu. Các cốt đai có đường kính 20 mm và được đặt cách nhau 200 mm dọc theo chiều cao của trụ cầu. Mô hình trụ cầu được hiển thị trong hình 3.11, trong đó a là chiều rộng trụ cầu và c là chiều dày lớp vỏ bê tông.
Hình 3.12. Sơ đồ bố trí bê tông cốt thép trong trụ cầu
3.2.2. Thông số vật liệu
Bảng 3.2. Thông số vật liệu
VẬT LIỆU THÔNG SỐ VẬT LIỆU GIÁ TRỊ Mass density 7865 kg/m3
Young's modulus 2007GPa Poisson's ratio 0,27 STEEL Yield stress 310 Mpa Failture strain 0,35
C 40
P 5
Mass density 2340kg/m3 Poisson's ratio 22,8GPa CONCRETE Young's modulus 0,2 Unconfined Strength 40 Failture strain 0,1
3.2.3. Xây dựng mô hình
Chọn module Explicit Dynamic
Hình 3.13. Chọn công cụ xây dựng hình học
Vào New Design Modeler Geometry để thiết lập mô hình
Vẽ trên mặt phằng x0z hình chữ nhật có kích thước 3100mm x 15000mm
Hình 3.15. Chọn các kích thước hai chiều
Extrude hình chữ nhật có bề dày 3100mm , ta có được trụ bê tông
Chọn mặt phẳng cách mặt ngoài 1 khoảng 50mm, trên mặt phẳng đó ta vẽ đường thẳng cách cạnh 50mm, ta có 1 cốt dọc
Hình 3.17. Tạo đường thẳng trong khối chữ nhật để mô hình cốt thép
Tạo line từ sketch vừa vẽ và tạo bánh kính cho line là 15mm
Hình 3.18. Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép
Hình 3.19. Tạo nhiều cốt dọc bằng lệnh copy
Tương tự ta làm với cốt đai. Ta vẽ 1 sketch hình chữ nhật lên plane cách mặt đầu của khối 100mm , sao cho các cạnh của sketch cách cạnh hình vuông 50mm
Hình 3.20. Tạo các cốt đai
Dùng lệnh Pattern để copy line body vừa tạo dọc theo chiều dài của khối. Ta được cốt đai
Hình 3.21. Tạo nhiều cốt đai bằng lệnh copy
Vẽ 1 khối trên đầu trụ để tượng trưng cho thân cầu. Khối này có kích thước 3500mm x 3300mm (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.23.Thiết lập khối lượng
Tạo 1 phane offset Z -6850mm . Trên plane tạo sketch sà lan có kích thước như thông số
Hình 3.25. Tạo mô hình sà lan ba chiều
3.2.4. Nhập các thông số phân tích
Sau khi hoàn thành vẽ mô hình ta qua phần model để nhập các thông số Nhập hệ số ma sát cho bài toán. Ta vào body interaction
Hình 3.27. Thiết lập các thông số tương tác như hệ số ma sát
3.2.5. Chia lưới mô hình
Kích thước lưới của mô hình là 200 mm
3.2.6. Thiết lập điều kiện biên
Việc chọn thân trụ để gắn cốt thép sẽ không làm thay đổi bước thiết lập điều kiện tiếp xúc. Mặc dù bỏ qua thân trụ có chiều cao H = 15m và bệ trụ nhưng thân trụ có chiều cao H=15m vẫn được đảm bảo liên kết với các chi tiết bên dưới. Ở đây, chúng ta giả sử sẽ mặt bên dưới của thân trụ được ngàm theo các phương chuyển vị và góc xoay.
Chia lưới cho mô hình với element size = 200mm Đặt gia tốc trong trường g = 9,81 m/s2
Hình 3.29. Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường
Hình 3.30. Thiết lập điều kiện biên chuyển vị
Đặt vận tốc cho sà lan v = 4,11m/s theo hường 900
3.2.7. Giải
Giải trong 0,3 s
Hình 3.32. Thiết lập các thông số phân tích
Sau khi nhập các thông số , nhấn solve để giải , xuất ra 2 kết quả là chuyển vị tổng và ứng suất
Hình 3.34. Chọn các kết quả ứng suất cần xuất ra
3.2.8. Phân tích kết quả
Hình 3.36. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,2s
Hình 3.38. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,3s
Hình 3.41. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,26s
Hình 3.43.Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian
Hình 3.44.Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian
3.2.9. So sánh kết quả
Quan sát hình 3.41, thân trụ có khả năng chịu kéo tốt khi được gắn cốt thép. Tuy nhiên, vật liệu bê tông với bước thời gian va chạm sẽ nứt một cách nghiêm trọng và có khả năng gãy trụ cầu rất lớn. Các thanh thép sẽ chịu ảnh hưởng khi lớp bê tông bảo vệ
Theo [1], kết cấu sà lan là kết cấu dạng tấm vỏ và được gia cố bằng các khung thép nên khi va chạm, ứng suất tương đương tập trung nhiều ở hai bên mép thành trụ do mũi sà lan bị biến dạng lớn. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do hạn chế về tài nguyên tính toán nên kết cấu sà lan được nhóm tác giả đơn giản hóa bằng cách sử dụng các phần tử khối, mũi sà lan cứng hơn so với thực tế nên khi va chạm, ngoài vùng ứng suất tương đương lớn ở hai bên mép thành trụ cầu, ứng suất tương đương còn tập trung nhiều trên mặt của trụ cầu. Kết quả mô phỏng vùng tập trung ứng suất lớn nhất của nhóm tác giả có tương đồng với kết quả tham khảo từ [1], ở vị trí hai bên mép thành trụ cầu. Các phần tử bị phá hủy tại vùng ứng suất lớn sẽ bị xóa đi và trở thành những chấm đỏ, mô tả đường nứt gãy của trụ cầu.
Kết quả tham khảo từ [1] Kết quả luận văn
Hình 3.45.So sánh kết quả tham khảo từ [1] và kết quả tính toán (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3. Tóm tắt chương 3
Mô hình va chạm được xây dựng trên mô đun Explicit dynamic
Do sà lan với tải trọng lớn và vận tốc lớn nên khi va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ.
Trong 0,3 s, trụ cầu đã bị vỡ phần bê tông ngoài và phần thép bên trong cũng chuyển vị tương đối lớn
Kết quả thực tế cũng đã chỉ ra, với trụ bê tông cốt thép trên vẫn chưa đủ độ bền để chịu được sự va chạm lớn của sà lan
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1.Kết luận
Bài toán va chạm động lực học là một dạng bài toán có mức độ khó tương đối. Bước đầu nghiên cứu, luận văn đã giải quyết được một số vấn đề sau:
Xây dựng mô hình trụ cầu bê tông cốt thép và sà lan
Thiết lập các thông số vật liệu bê tông cốt thép cho thân trụ.
Thiết lập tiêu chuẩn phá hủy của bê tông.
Thiết lập sự tương tác giữa các đối tượng trụ cầu và sà lan
Mô phỏng quá trình va chạm giữa trụ cầu và sà lan.
Xác định những vùng phá hủy trên trụ cầu
So sánh kết quả mô phỏng với kết quả đã được công bố từ tài liệu uy tín. Qua kết quả mô phỏng, có thể thấy được do sự ảnh hưởng của tải trọng của cầu tác động lên trụ, kết hợp với phần chân trụ bị ngàm nên vùng bị nứt gãy của trụ không nằm sát mặt đất hay tại vị trí va chạm mà nằm ở khoảng lưng chừng giữa hai vị trí này.
Bên cạnh đó không tránh khỏi những khó khăn sau:
Sự phức tạp về biên dạng hình học và số lượng cốt thép của trụ cầu dẫn đến việc giải bài toán mất rất nhiều thời gian để ra kết quả
Tìm kiếm tài liệu còn nhiều hạn chế, nên việc mô tả khung thép cho phần mũi sà lan gặp khó khăn nên vẫn chưa xây dựng mũi sà lan chính xác.
4.2. Kiến nghị và hướng phát triển
Định hướng phát triển cho đề tài này sẽ xuất phát từ những giới hạn trên. Do đó
Phân tích chi tiết hơn biến dạng của sà lan khi mô hình với tấm vỏ và khung thép
Mô phỏng ứng xử va chạm giữa một kết cấu nhịp với sà lan.
Mô hình các móng cọc và xét sự tương tác với đất để cải thiện điều kiện biên cho trụ cầu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Sha, Y. and H. Hao. Nonlinear finite element analysis of barge collision with a single bridge pier, Engineering Structures, 41: pp. 63-76, 2012.
[2]. Tran, D.P. A study of Floating Protection System subjected to Vessel Collisions Considering Fluid-Structure Interaction, in Ocean Civil Engineering, Mokpo National Maritime University, 2016.
[3]. Minorsky, V.U. An Analysis of Ship Collisions with Reference to Protection of Nuclear Power Plants, in Other Information:Orig. Receipt Date: 31-DEC-59, p. Medium: X; Size: Pages: 10, 1958
[4]. Woisin, G. GKSS collision tests, United Kingdom, 1978.
[5]. Svensson, H. Protection of Bridge Piers against Ship Collision, Steel Construction 2, 2009.
[6]. AASHTO. Guide Specification and Commentary for Vessel Collision Design of Highway Bridges, in Final Report, 1991 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[7]. EN, Eurocode 1: Actions on structures, 1991.
[8]. Mondorf, P.E. Floating Pier Protections Anchored by Prestressing Tendons,
1983.
[9]. Trương Tích Thiện. Lý thuyết dẻo kỹ thuật. Nhà xuất bản đại học quốc gia TP.HCM, 2014.
[10]. Nguyễn Việt Hùng và Nguyễn Trọng Giảng. ANSYS và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003.