Thông s Ký hi u, đ n v Giá tr Ghi chú
T i tr ng phân b trên đ n v chi u dài q [N/mm] 2.5 Gi đ nh
Chi u dài d m L [mm] 800 Không thay đ i Chi u dày t m vách dv [mm] 5 Theo nhà s n xu t Chi u dày t m biên db [mm] 5 Theo nhà s n xu t
Chi u r ng biên d m Rong [mm] 200 Bi n thi t k Chi u cao t i đ u ngàm Cao1 [mm] 50 Bi n thi t k Chi u cao t i đ u t do Cao2 [mm] 50 Bi n thi t k
C nh m i hàn Kmh [mm] 10 Bi n thi t k
T s đ tính toán trên hình 3.2 cùng v i các kích th c đã ch n s b trong b ng 3.2, k t h p v i ph n m m ANSYS 14.0 (chuyên d ng đ tính toán thi t k k t c u b ng ph ng pháp PTHH - Finite Element Method - FEM), tác gi ti n hành xây d ng mô hình tính toán k t c u b ng ph ng pháp PTHH nh th hi n trên hình 3.3. Do ph ng pháp PTHH là m t ph ng pháp tính x p x , nên đ cho quá trình tính toán đ t đ chính xác cao, tác gi ti n hành chia l i m t m c đ đ mau c n thi t [10], các ph n t đ c ch n là lo i ph n t 4 m t (t di n). Trong mô hình FEM trên hình 3.3, t i g c t a đ (phía bên
L q dv db rong cao kmh
50
ph i) đ c gi đ nh là k t c u b ngàm ch t, t i tr ng phân b đ c đ t trên su t toàn b chi u dài c a mô hình và th hi n b ng các m i tên h ng xu ng (ng c chi u v i tr c Y).
Hình 3.3Mô hình PTHH c a liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T ph ng án s b
Theo kinh nghi m và lý thuy t v s c b n v t li u c ng nh c h c k t c u, chúng ta th y r ng ph ng án thi t k s b này là không phù h p v m t k t c u, b i l d m ngàm ch u t i tr ng phân b đ u nh v y s d n đ n mô men u n ch t p trung phía ngàm và đ t giá tr l n nh t t i v trí ngàm, còn t i đ u t do mô men u n b ng 0, do đó mà vi c thi t k chi u cao vách d m t i đ u t do b ng v i đ u ngàm là không h p lý. M t khác, chi u r ng t m biên l n h n nhi u so v i chi u cao vách d m c ng không phù h p vì s gây t n v t li u trong khi mô men ch ng u n l i nh .
Ngay c trong tr ng h p, b ng kinh nghi m ng i thi t k l a ch n ph ng án thi t k có chi u cao t i ngàm l n h n chi u cao t i đ u t do và chi u cao vách l n h n chi u r ng c a biên d m, thì câu h i “giá tr chính xác c a các kích th c đó là bao nhiêu đ k t c u v a đ đ b n làm vi c, không thi u hay th a b n?” v n gây ra r t nhi u v t v trong vi c tính toán c a các nhà thi t k !
Ch ng trình máy tính tính toán t i u k t c u hàn mà tác gi xây d ng có nhi u nét đ c đáo, nó s tr l i câu h i nêu trên m t cách nhanh chóng và chính xác. B t ch p vi c l a ch n ph ng án thi t k s b nh th nào (th a hay thi u b n), ch sau kho ng 15 phút tính toán (v i máy tính cá nhân t c đ 2GHz, đ i v i bài toán mô t trên hình 3.3), máy tính s t đ ng đ a ra ph ng án thi t k h p lý nh t, theo ngh a kh i l ng hay th
tích v t li u s d ng m c ít nh t có th trong khi v n đ m b o đ c các đi u ki n làm vi c( ng su t c c đ i t n t i trong k t c u nh h n ng su t cho phép đ i v i v t li u s d ng và đ võng l n nh t trong k t c u nh h n đ võng cho phép đ i v i kh u đ c th c a k t c u). Vi c làm này đem l i l i ích r t l n, đ c bi t h u hi u đ i v i các bài toán m i, các bài toán phi tiêu chu n vì nó gi m thi u đ c r t nhi u th i gian tính toán. Chi ti t tính toán và k t qu t i u thi t k đ c mô t trong m c 3.3.2 d i đây.
3.3.2. Xác đ nh kích th c c a liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T
3.3.2.1. K t qu ki m tra b n liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T ph ng án thi t k s b :
51
Ti n hành gi i h ph ng trình ma tr n (3.35) trong không gian các PTHH v i các đi u ki n biên và đi u ki n t i tr ng nh mô t trên hình 3.3 trên n n c a ph n m m ANSYS 14.0, ta thu đ c các k t qu d i đây. chính xác c a ph ng pháp PTHH so v i cách tính toán c đi n theo s c b n v t li u đã đ c ki m ch ng trong tài li u [52].
ki m tra đ b n c a k t c u ta s d ng thông s ng su t t ng đ ng c c đ i (σemax) trong k t c u d i tác d ng c a t i tr ng c th đ so sánh v i ng su t cho phép [σ] c a v t li u ch t o k t c u đó. i u ki n b n ch đ t đ c khi σemax < [σ].
Theo tài li u [52], ng su t t ng đ ng σeđ c tính theo các ng su t chính σ1, σ2 và σ3ho c theo 6 thành ph n ng su t nh các công th c d i đây:
(3.67)
ho c: (3.68)
Hình 3.4 ng su t t ng đ ng σe trong liên k t hàn hybrid nhôm – thép ch T ph ng án s b
Trong ANSYS, ng i ta ký hi u ng su t t ng đ ng σe là Seqv (Equivalent Stress). K t qu tính toán liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T v i mô hình và các thông s l a ch n ban đ u nh mô t trên đ c th hi n trên hình 3.4. Chúng ta th y r ng ng su t t ng đ ng l n nh t xu t hi n t i m t trên c a t m vách, t i v trí ngàm v i giá tr Seqvmax = 0,202E+09 [Pa] = 202 [MPa] > [σ]1 (xem b ng 3.1). Ngh a là ph ng án s b v i các kích th c và đi u ki n làm vi c trên là không đ b n!. C n ph i thi t k l i cho phù h p.
Trên hình 3.4 c ng ch ra r ng ng su t l n nh t đ t đ c t i đ u ngàm, còn t i đ u t do thì ng su t là nh nh t, đi u này c ng phù h p v i các lý thuy t v s c b n v t li u và c h c k t c u.D a vào d i ph màu c a phân b ng su t, chúng ta c ng th y r ng k t c u trên có nhi u vùng ng su t r t th p (các vùng biên d m và vách d m đ u t do) ngh a là có nhi u vùng v t li u h u nh không ch u t i gây ra s lãng phí l n v v t li u.
52
Hình 3.5 võng Uyc a liên k t hybrid nhôm – thép ch T ph ng án s b
Trong ANSYS, ng i ta ký hi u đ võng theo ph ng Y (ph ng đ t t i trên hình 3.3) là Uy. K t qu tính toán đ võng c a k t c uđ c th hi n trên hình 3.5 cho th y r ng đ võng l n nh t c a mô hình đ t đ c t i đ u t do, v i tr s Uymax = 0,003803 [m] = 3,803 [mm] < [∆l] (xem b ng 3.1). Ngh a là k t c u không b quá võng. D u tr (-) đ ng tr c giá tr c a đ võng th hi n r ng chi u b võng ng c v i chi u c a tr c Y. Trên hình 3.5 c ng th hi n v trí ban đ u khi ch a ch u t i (đ ng nét đ t phía trên) và kho ng di chuy n võng xu ng c a liên k t khi ch u t i. võng gi m d n t đ u t do tr v phía đ u ngàm.
Nh n xét: Qua các k t qu tính toán ki m tra b n cho ph ng án thi t k s b trên ta th y r ng ph ng án này vi ph m ch tiêu v đ b n c a k t c u, do v y nó là m t ph ng
án không kh thi. Ngh a là ph ng án s b này không đ t yêu c u, c n ph i thi t k l i.
3.3.2.2. K t qu tính toán t i u kích th c c a liên k t hàn hybrid nhôm - thép d ng ch T:
V i liên k t hàn hybrid nhôm – thép d ng ch T đ c ngàm m t đ u nh mô t trên hình 3.3, trong khi l i s d ng d m có ti t di n và chi u cao b ng nhau nh v y là không h plý v m t k t c u nh đã phân tích trong m c 3.3.1.2. M t khác, theo nh tính toán m c 3.3.2.1 thì k t c u không đ đ b n vì v y c n ph i thi t k l i.
D i đây s trình bày cách tính toán t đ ng các kích th c c a k t c u b ng vi c áp d ng các thu t toán t i u m c 3.3.1.1 và l u đ thu t toán trên hình 3.1. Ch ng trình tính toán mô ph ng t i u ch y trên ph n m m ANSYS 14.0 đ c tác gi xây d ng s đi u khi n máy tính t đ ng đ a ra đ c ph ng án k t c u t i u (theo ngh a: có hình dáng h p lý, ti t ki m đ c nhi u v t li u nh t mà v n đ m b o đ c các đi u ki n làm vi c). rút ng n th i gian ch y ch ng trình, tác gi chia quá trình tính toán t i u làm 2 giai đo n. Giai đo n 1 s tính t i u cho các kích th c chính c a liên k t hàn, giai đo n 2 s tính t i u thi t k kích th c c a m i hàn trong liên k t.
Chi u dài hay kh u đ (L) c a d m là m t thông s đ c ch n tr c theo yêu c u đ t ra c a k t c u, trong khi chi u dày c a các t m vách (dv) và t m biên (db) đ c l a ch n theo d i s n ph mc a nhà ch t o v t li u và do tiêu chu n quy đ nh, nên giai đo n 1 này s
53
ch ti n hành tính toán t i u các kích th c chi u r ng biên d m, chi u cao t i ngàm và t i đ u t do. Ngh a là các “bi n thi t k ” đâyg m: x = {Cao1, Cao2, Rong}. Trong tr ng h p tính toán cho k t c u v tàu thì chi u r ng biên d m s là thông s c đ nh ch không ph i là bi n thi t k !.
Do k t c u tính toán đây có t i 3 lo i v t li u v i các ng su t cho phép khác nhau kèm v i 1 đi u ki n yêu c u v đ võng khi làm vi c (b ng 3.1), nên các hàm ràng bu c dùng đ ki m tra đi u ki n b n khi tính toán t i u m c 3.3.1.1 đ c hi n th c hoá c th trong tr ng h p này nh sau (ch có lo i hàm gi i h n trên: Gi(x) ≤ g博i v i i = 1 ÷ 4 nh công th c (3.38)):
Trong t m vách: Smax1 ≤ [σ]1 (3.69) Trong t m biên: Smax2 ≤ [σ]2 (3.70) Trong m i hàn: Smax3 ≤ [σ]3 (3.71) Trên k t c u: Umax ≤ [∆l] (3.72) Ph ng án kh thi là ph ng án tho mãn đ ng th i các đi u ki n trong các bi u th c (3.69), (3.70), (3.71) và (3.72). Th c hi n ch ng trình tính toán t đ ng nh đã gi i thi u, máy tính li t kê t t c các ph ng án thi tk khi tính toán t i u (hình 3.6). Chúng ta th y r ng, trong s các ph ng án kh thi 2, 3, 4, 5, 6, 8 và 10 thì ph ng án thi t k s 10 có th tích v t li u nh nh t trong s các ph ng án kh thi đó và đây chính là ph ng án thi t k “t i u“.
Hình 3.6Các ph ng án thi t k và xác đ nh ph ng án t i u
So sánh ph ng án s b ban đ u (ph ng án 1, SET 1) v i ph ng án t i u s 10 ta th y r ng: ph ng án 1 không kh thi ( ng su t trong t m vách và t m biên l n h n giá tr cho phép) trong khi s d ng h t 0,00108 m3v t li u (bi n Vtot), còn ph ng án s 10 ch c n s d ng 0,00065348 m3 v t li u mà v n đ m b o đ b n. Ngh a là ch c n s d ng 60,51% l ng v t li u so v i ph ng án 1 (trong tr ng h p này đã ti t ki m đ c 39,49% th tích v t li u) mà đ b n và đ võng v n b o đ m nh h n giá tr cho phép (hình 3.6). i v i các k t c u l n, ph c t p và v t li u đ t ti n thì ph ng pháp tính toán thi t k t i u này có ý ngh a đ c bi t l n v các m t k thu t và kinh t .
54
a) Ph ng án thi t k s b b) Ph ng án thi t k s 10 (t i u)
Hình 3.7So sánh ph ng án s b ban đ u a) và ph ng án t i u b)
Hình 3.7 đ a ra s so sánh v m t hình thái c a k t c u gi a ph ng án s b (ph ng án 1) và ph ng án t i u (ph ng án 10). Chúng ta th y r ng chi u r ng c a t m biên và đ c bi t là chi u cao c a t m vách t i đ u t do trong ph ng án thi t k s 10 nh đi nh t nhi u so v i ph ng án 1 ban đ u, đ ng th i chi u cao t m vách t i đ u ngàm đã đ c máy tính khuy n cáo t ng lên khá nhi u. i u này c ng phù h p v i các lý thuy t c đi n đã đ c ch ng minh trong S c b n v t li u và C h c k t c u. Các kích th c c th c a ph ng án thi t k s 10 đ c li t kê trong b ng 3.3.
B ng 3.3 So sánh các kích th c c a k t c u gi a ph ng án s b và ph ng án t i uThông s Ph ng án 1 Ph ng án 10