3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
2.3.Mô hình tính toán hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) và hệ tƣơng tác giữa kết cấu
và TLD.
Mô hình tính toán hệ giảm chấn chất lỏng TLD chủ yếu là các mô hình phi tuyến do hoạt động của chất lỏng trên cơ sở lý thuyết sóng nƣớc nông (dƣới tác dụng động của các lực kích thích). Có nhiều phƣơng pháp mô phỏng sự làm việc tƣơng tác giữa kết cấu và hệ TLD. Các mô hình này nhằm xác định ra lực cắt cơ sở tại biên thùng do tác động văng té của chất lỏng. Có 2 mô hình đã đƣợc áp dụng tính toán trong nhiều nghiên cứu nhƣ là: mô hình NSD (mô hình phi tuyến về độ cứng và tính cản) - mô hình TMD tƣơng đƣơng
của TLD, mô hình RCM - mô hình mô phỏng số dòng chất lỏng tính toán [33].
Mô hình TMD tƣơng đƣơng phát triển trên cơ sở kết hợp mô phỏng số của hệ TLD theo hai phƣơng và các kết quả thí nghiệm (mô hình NSD – hình 2.2). Mô hình NSD là mô hình có sự kết hợp của mô hình giảm chấn khối lƣợng với độ cứng và tính cản phi tuyến để thể hiện các đặc trƣng phi tuyến của TLD do hoạt động chất lỏng chuyển động bên trong các thùng chứa của TLD.
Hình 2.2: Mô hình TMD tương đương của TLD (mô hình NSD)
Mô hình TMD tƣơng đƣơng của TLD là mô hình mà có sự kết hợp chặt chẽ với các đặc trƣng độ cứng và tính cản phi tuyến đƣợc phát triển trên cơ sở các kết quả thí nghiệm. Khi nƣớc chuyển động văng té, khối lƣợng nƣớc tác động trở lại đối với hoạt động của kết cấu theo cách tƣơng tự nhƣ khối lƣợng của TMD. TLD thể hiện các đặc trƣng cản và độ cứng mang tính kế thừa do chuyển động văng té của nó gây ra. Khi tính cản và độ cứng của TLD đƣợc xác định, thì TLD có thể đƣợc mô hình nhƣ hệ khối lƣợng đơn bậc tự do có độ cứng và cản. Điều này có nghĩa là hệ tƣơng tác giữa TLD và kết cấu có hai bậc tự do, một bậc tự do là kết cấu và bậc tự do còn lại là TLD (Wakahara, 1993 [97]). Mô hình thứ hai là mô hình dòng chất lỏng trên cơ sở phƣơng trình sóng nƣớc nông với các tính chất đặc trƣng của chuyển động sóng nƣớc khi sử dụng phƣơng pháp lựa chọn ngẫu nhiên (mô hình RCM) là phƣơng pháp đƣợc đề xuất bởi Gardarsson và Yeh (1994) [75]. Một chuỗi của các phân tích số đƣợc chỉ ra để sử dụng các mô hình này để mô phỏng chuyển động văng té của chất lỏng trong các thùng hình chữ nhật. Mô hình này cũng đƣợc đánh giá bằng các phân tích kết quả thí nghiệm khảo sát.
Phƣơng pháp lựa chọn ngẫu nhiên RCM là một sự phối hợp bảo toàn va chạm; sự va chạm đƣợc thể hiện bằng sự không liên tục của cao độ bề mặt chất lỏng và vận tốc giữa hai điểm liền kề nhau trên bề mặt chất lỏng. Sự phối hợp này không gây ra sự phân tán hoặc tiêu tan năng lƣợng và không chính xác theo nhƣ tính toán của các công thức toán
Kích động
học của lý thuyết sóng nƣớc nông, nhƣng có giá trị giới hạn trong mô phỏng chuyển động của chất lỏng thực, chẳng hạn chất lỏng chuyển động dƣới tác động của môi trƣờng, vùng sóng vỡ là không liên tục và trƣờng áp lực không hoàn toàn là thủy tĩnh. Tuy nhiên mô hình thứ 2 tƣơng đối phức tạp do cần tiến hành thí nghiệm nhiều lần với các khảo sát để so sánh và đƣa ra kết luận.
Hình 2.3: Hệ tương đương giữa mô hình gồm 1 bậc tự do của kết cấu và TLD và mô hình hai bậc tự do với độ cứng và tính cản phi tuyến (mô hình NSD)-[76]
Việc sử dụng hệ thiết bị giảm chấn khối lƣợng (TMD) đƣợc đề cập trong nhiều nghiên cứu và hầu hết các nghiên cứu đều thiết lập một giảm chấn khối lƣợng TMD tƣơng đƣơng thay thế cho giảm chấn chất lỏng TLD nhƣng có xét đến đặc trƣng phi tuyến do chuyển động của dòng chất lỏng thông qua tham số độ cứng và tính cản của TMD tƣơng đƣơng mang tính chất phi tuyến trong phân tích và tính toán thiết kế. Thực tế đặc trƣng phi tuyến của TLD là khá phức tạp và không thể bỏ qua trong thiết kế TLD để giảm dao động cho kết cấu. Để hiểu rõ việc có thể sử dụng mô hình TMD tƣơng đƣơng của TLD trong tính toán, cần thiết phải có các khảo sát, thậm chí thí tiến hành các thí nghiệm trên thiết bị bàn rung.
Không giống nhƣ TMD là một hệ tuyến tính, TLD có các đặc trƣng phi tuyến nên phải đƣợc mô hình hóa nhƣ một hệ phi tuyến. Tham số độ cứng kd, cản cd và lực cắt cơ sở (hoặc lực cản) do TLD Fw, và lực giảm chấn Fd (mô hình TMD tƣơng đƣơng) cần đƣợc thể hiện rõ đặc tính phi tuyến của giảm chấn chất lỏng khi đƣợc áp dụng.
Dƣới tác động của lực kích động, khối lƣợng trong giảm chấn khối lƣợng TMD chuyển động, hệ tƣơng tác giữa kết cấu và TMD là tuyến tính. Trong khi đó nếu coi chất lỏng trong TLD nhƣ một khối lƣợng chuyển động thì cơ cấu hoạt động trong TLD không khác gì TMD. Tuy nhiên, không giống nhƣ TMD, chuyển động chất lỏng trong TLD mang đặc tính phi tuyến mạnh, chất lỏng bên trong TLD tham gia chuyển động với phƣơng trình sóng nƣớc khác nhau khi biên độ kích động khác nhau. Do vậy mà khi sử dụng TMD
tƣơng đƣơngthay cho TLD [56], hệ đƣợc đặc trƣng bởi 3 tham số: khối lƣợng có hiệu (khối lƣợng tƣơng đƣơng), tần số và tính cản. Khối lƣợng có hiệu, tần số và tính cản không phải là tham số tuyến tính, mà là một hàm mang đặc trƣng phi tuyến. Hàm này phụ thuộc vào chuyển động sóng trong TLD, biên độ, tần số của lực kích thích và hình dạng của thùng chứa TLD.
Khi biên độ kích động nhỏ, chuyển động chất lỏng trong TLD là chuyển động sóng mặt (lý thuyết sóng nƣớc nông). Điều này có nghĩa là chỉ một phần chất lỏng tham gia chuyển động và tính cản của chất lỏng chuyển động là nhỏ.
Giá trị của tính cản tăng cùng với sự tăng của phần chất lỏng tham gia chuyển động bên trong thùng chứa. Khi biên độ kích động tăng, số lớp khối lƣợng chất lỏng tham gia chuyển động lớn và tiến gần đến tổng khối lƣợng của chất lỏng bên trong thùng TLD. Tuy nhiên, khi tổng khối lƣợng chuyển động thì hoạt động của TLD là khác với TMD. Do vậy cần phải xem xét hệ TMD tƣơng đƣơng dƣới tác động của kích thích biên độ lớn. Tính cản của chuyển động chất lỏng sẽ tăng khi biên độ sóng tăng dƣới tác động của kích thích biên độ lớn. Đặc tính phi tuyến của tính cản của chất lỏng xảy ra tại lớp biên và bề mặt chất lỏng và sóng vỡ (nếu xuất hiện), sẽ gây ra hiện tƣợng cản phi tuyến. Sóng vỡ xuất hiện, sự phân tán năng lƣợng xảy ra và do vậy tỷ số cản trở nên lớn và hiệu quả của TLD giảm. Mô hình tƣơng tác giữa TMD tƣơng đƣơng và kết cấu sẽ chỉ có nghiệm là gần đúng [62].
Các tham số của hệ TMD tƣơng đƣơng đƣợc tính toán, phân tích theo chuyển động chất lỏng bên trong thùng chứa TLD với các tham số đặc trƣng là tần số, khối lƣợng, độ cứng và tính cản, chi tiết trong mục 2.4 dƣới đây.