4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
3.2.3. Phân tích kết cấu van cung theo bài toán không gian
3.2.3.1. Trường hợp 1a: Cửa van nằm trên ngưỡng
- Gán ALNTL vào bản mặt van: Gán ALNTL vào các nút của bản mặt van với áp lực p=Ax+By+Cz+D =-10z+135, sau đó gán ALNTL từ nút vào mặt Top của bản mặt van.
- Gán ALNHL vào bản mặt van: Với p =-10z+115 vào các nút của bản mặt và từ các nút gán vào mặt Bottom của bản mặt.
- Hiển thị chuyển vị: Chuyển vị tại một số điểm ở bản mặt van ứng với tổ hợp tải trọng TH1 cho ở bảng 3.2. Chuyển vị ngang lớn nhất tại nút 761 có U1 = 0.07922m.
Bảng 3.2 - Chuyển vị tại một số nút ở bản mặt van
TABLE: Joint Displacements
Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3
Text Text m m m Radians Radians Radians
761 th1 0.07922 7.406E-15 -0.01162 6.634E-16 0.004143 2.186E-15
762 th1 0.06008 6.09E-15 -0.00671 9.388E-16 -0.000263 -1.382E-15
763 th1 0.06048 5.11E-15 -0.00685 3.821E-15 0.002389 -8.825E-15
- Lực dọc và mô men uốn trong càng van: Lực dọc P và mômen uốn M3 càng van cho ở bảng 3.3. Lực dọc lớn nhất P=-3112.88kN và mômen uốn lớn nhất M2=-1448.98kNm.
Bảng 3.3 - Lực dọc và mô men uốn trong càng van
TABLE: Element Forces - Frames
Frame Station OutputCase P V2 V3 T M2 M3
Text m Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 113 0 th1 -3112.88 -31.38 -252.32 127.46 -1340.35 -94.55 113 4.10874 th1 -3104.41 -8.64 -252.32 127.46 -303.63 -12.34 113 8.21748 th1 -3095.93 14.10 -252.32 127.46 733.09 -23.55 115 0 th1 -2242.26 -40.12 -274.72 -54.44 -1448.98 -111.40 115 4.02802 th1 -2246.71 -16.75 -274.72 -54.44 -342.42 3.14 115 8.05604 th1 -2251.17 6.62 -274.72 -54.44 764.14 23.55
- Lực dọc và mômen uốn trong giàn chính: Lực dọc lớn nhất ở phần tử 1406 dầm chính dưới có P=3083.69kN và mômen uốn tương ứng M2=654.79kNm và M3=43.32kNm. Lực dọc trong thanh cánh hạ giàn chính trên lớn nhất bằng P=2160.41kN và mô men tương ứng M2=743.04kNm.
Bảng 3.4 - Nội lực trong một số phần tử giàn chính trên và dưới
TABLE: Element Forces - Frames
Giàn chính Frame P V2 V3 T M2 M3 Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m Trên TXGC 1381 -695.58 -5.06 7.46 -2.45 38.12 -5.70 CHGC 1397 2160.41 5.26 108.58 -1.67 743.04 24.90 Dưới TXGC 1389 -550.97 -2.42 6.75 1.21 35.37 -1.65 CHGC 1406 3083.69 10.86 76.82 -5.28 654.79 43.32
- Trọng lượng van: Trong lượng bản thân van bằng tổng thành phần phản lực thẳng đứng tại các gối tựa do trong lượng bản thân sinh ra G=3158,18kN cho ở bảng 3.5.
- Vị trí trọng tâm van cách gối bản lề theo phương ngang 1 đoạn g=10.08m.
Bảng 3.5 - Phản lực liên kết tại các gối tựa
TABLE: Joint Reactions
Joint OutputCase F1 F2 F3 M1 M2 M3 Text Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 351 DEAD -2.819E-11 -7.845 -82.05 67.9335 0 25.5232 1303 DEAD -3.098E-10 7.845 -82.05 -67.9335 0 -25.5232 366 DEAD 0 0 1661.14 0 0 0 838 DEAD 0 0 1661.14 0 0 0 G (KN) = 3158.18 g (m) = 10.08
3.2.3.2. Trường hợp 1b: Cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng
Trường hợp 2 chỉ khác trường hợp 1 là ngoài áp lực nước (ALN) và trọng lượng bản thân van (DEAD), còn có lực ma sát của vật chắn nước bên FS và lực ma sát của gối bản lề FT. Bỏ liên kết đứng tại đáy van và gán liên kết đơn có phương theo phương xi lanh thủy lực vào nút C tai van và nghiêng với đường nằm ngang một góc α=18o
. - Lực ma sát vật chắn nước bên FS
Giá trị lực ma sát vật chắn nước bên từ MNTL đến cao trình MNHL gọi là đoạn 1 và trong đoạn này giả thiết là phân bố đều:
FS=µSγndHtb=0.5×10×0.06×Htb= 0.3Htb =0,3kN/m Từ cao trình MNHL đến cao trình ngưỡng cống gọi là đoạn 2, trong đoạn này lực ma sát phân bố đều:
FS=µSγnd(HTL-HHL)=0.5×10×0.06×∆H= 0.3∆H =0,6kN/m) trong đó: µs=0.5 - hệ số ma sát trượt giữa vật chắnnước cao su và tấm trượt d=0.06m - bề rộng chịu áp lực nước của vật chắn cao su
Bảng 3.6 – Lực ma sát vật chắn nước bên FS
Đoạn Zt(m) Zd(m) Ht(m) Hd(m) Htb(m) FS(kN/m)
1 13.50 11.5 0 2.0 1.0 0.30
2 2.0 2.0 2.0 0.60
Chú thích:
- Gốctọa độ Z tại ngưỡng cống (theo mô hình tính toán kết cấu van) - Chọn vị trí phân chia các đoạn lấy trùng với nút của mô hình dầm đứng.
- Gán lực ma sát trượt FS vào hai đầu van: Để gán lực ma sát trượt vào 2 đầu van ta dung thanh chuyền lực (TCL) có kích thước nhỏ (bxh=0.01x0.001m) không làm thay đổi độ cứng của dầm đứng biên Vẽ thanh chuyền lực theo đường chu vi bản mặt theo các nút trên đường chu vi bản mặt gồm 27 phần tử như ở hình 3.9. Chọn 4 phần tử trên cùng và gán tải trọng phân bố đều trong hệ tọa độ địa phương 1 với cường độ -0.3 kN/m cho ở bảng 4.40 và mang dấu (-) để có chiều ngược chiều với trục 1. Tương tự chọn và gán 23 phần tử còn lại với cường độ -0.6kN/m. Chọn và nhân bản thanh chuyền lực đã gán lực ma sát FSsang đầu kia của cửa van.
- Lực ma sát tại gối bản lề FT
Mômen cản do ma sát trượt giữa trục và ống bọc trục (bạc) do hợp lực R* và ma sát giữa bộ phận động và bộ phận cố định của gối bản lề do lực đẩy ngang H*
sinh ra:
FT=µTR*Do/2+µT’H*Dtb/2=0.12×0.7×0.5×R*+0.12×0.5×H* FT= 0.042R*+ 0.06H*(kNm) (3-1)
trong đó:
µT=µT’= 0.12 - hệ số ma sát trượt; Do=0.7m - đường kính của trục Dtb=1.0m - đường kính trung bình của bộ phận động của gối bản lề
* 2 2
x z
R = R +R - phản lực gối bản lề trong mặt phẳng thẳng góc với trục - Tính toán lực kéo van: Sau khi gán áp lực nước (ALN), lực ma sát FS, FT và điều kiện liên kết tại gối bản lề và xi lanh thủy lực. Cho chạy chương trình, ta có kết quả tính toán các phản lực liên kết tại các gối tựa, phản lực liên kết đơn tại xy lanh thủy lực chính là lực kéo van. Nhưng mômen ma sát FT lại phụ thuộc vào phản lực liên kết tại gối bản lề, mà phản lực này lại chưa biết, nên cần phải tiến hành giải lặp.
- Bước lặp 1: Gán FT=0 vào hai gối bản lề, cho chạy chương trình và xuất kết quả tính toán phản lực liên kết ứng với tổ hợp tải trọng TH2 (cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng) sang bảng tính Excel như ở bảng 3.7 trong đó các thành phần phản lực liên kết tìm được theo phương hệ tọa độ cục bộ của nút. Thực hiên các phép tính R* và FTtrong bảng Excel này.
Bảng 3.7 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 1)
TABLE: Joint Reactions
Joint OutputCase F1 F2 F3 M1 M2 M3
Text Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m
351 th2 -19456.20 1860.80 -3482.14 -502.75 0.00 -4982.32
1303 th2 -19456.20 -1860.80 -3482.14 502.75 0.00 4982.32
R* = 19765.35 Ft = 941.79
Sau khi có Rx = F1, Rz = F3, H* = F2 ở bước lặp 1, tính R* và thay vào công thức (3-1) tính mômen cản do ma sát trượt sinh ra ở gối bản lề chuẩn bị cho bước lặp 2 có FT=941.79kNm, gán FT này vào mô hình thực hiện bước lặp thứ 2, cho chạy chương trình kết quả cho ở bảng 3.8.
Bảng 3.8 - Phản lực gối bản lề (bước lặp 2)
TABLE: Joint Reactions
Joint OutputCase F1 F2 F3 M1 M2 M3
Text Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m
351 th2 -19456.20 1860.80 -3482.14 -502.75 0.00 -4982.32 1303 th2 -19456.20 -1860.80 -3482.14 502.75 0.00 4982.32
R* = 19765.35 Ft = 941.79
Kết quả tính toán sau 2 bước lặp cho thấy chỉ cần 2 bước lặp ta có kết quả đủ độ chính xác yêu cầu.
Bảng 3.9 - Phản lực liên kết tại nút C
TABLE: Joint Reactions
Joint OutputCase CaseType F1 F2 F3 M1 M2 M3
Text Text Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m
1405 th2 Combination 0 0 -2688.80 0 0 0
- Cánh tay đòn lực kéo van phụ thuộc vào vị trí gối bản lề (O), vị trí bệ treo xy lanh (F) trên trụ pin, điểm treo xy lanh (C) ở cửa van. Vậy số liệu tính toán gồm có tọa độ các điểm O, E, F và góc mở cửa ϕ. Kết quả tính toán cánh tay đòn lực kéo van và hành trình của xy lanh thủy lực cho ở bảng 3.10.
Bảng 3.10 - Xác định hành trình của xy lanh thủy lực
1) Số liệu tính toán Ký hiệu Công thức tính Số liệu
Góc mở tùy chọn ϕ(độ/radian) 80
Tọa độ gối bản lề O Xo(m) 12
Zo(m) 7
Tọa độ điểm treo xy lanh C Xc(m) 6.48
Zc(m) 11.52
Tọa độ bệ treo xy lanh F XF(m) 18.2
ZF(m) 15.58
2) Tên các đại lượng Kết quả
Chiều dài đoạn OC OC(m) OC=SQRT(XCO^2+ZC0^2) 7.13 Chiều dài đoạn OF OF(m) OF=SQRT(XFO^2+ZF0^2) 10.59 Chiều dài đoạn FC CF(m) CF=SQRT(XFC^2+ZFC^2) 12.40
Góc θ
Góc(OC,Ox) θ1=atan(Zco/Xoc) 0.69 39.33 Góc(CF,Ox) θ2=atan(ZFC/XFC) 0.33 19.12
Cánh tay đòn lực kéo van khi
bắt đầu rời khỏi ngưỡng ρ(m) ρ=OCsinθ 6.08
Góc OC và cánh tay đòn ρ αο α=90ο −θο 31.55
Tọa độ điểm treo xy lanh C* Xc*(m) 15.47
Zc*(m) 13.24
Chiều dài đoạn OC* OC*(m) OC*=SQRT(XC*O^2+ZC*0^2) 7.14 Chiều dài đoạn FC* FC*(m) FC*=SQRT(XC*O^2+ZC*0^2) 3.60
Góc θ∗
Góc(OC*,Ox) θ1*=atan(ZC*O/XC*O) 1.06 60.95 Góc(C*F,Ox) θ2∗
=atan(ZFc*/XFc*) 0.71 40.62
θ∗(rad/độ) θ∗=θ1−θ2 0.35 20.33 Cánh tay đòn lực kéo van
ρ∗ khi mở hoàn toàn ρ∗
(m) ρ=OC*sinθ 2.48
Góc OC* và cánh tay đòn ρ∗ α∗ο α∗=90ο −θ∗ο 69.67 Hành trình xy lanh thủy lực S(m) S=FC-FC* 8.81 Cánh tay đòn trọng lượng
bản thân van khi mở hoàn toàn
g*(m) g*=gcosϕ 1.76
Lực kéo van khi mở hoàn
toàn T*(KN) T*=Gg*/ρ∗ 2238.42