Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích ứng xử động lực học dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét đến ảnh hưởng khối lượng nền chịu tải trọng chuyển động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của nghiên cứu này nhằm phân tích ứng xử động lực học cho kết cấu dầm Euler-Bernoulli chịu tải trọng chuyển động trên nền đàn nhớt hai thông số Pasternak có xét đến ảnh hưởng của thông số khối lượng nền và sự gồ ghề của bề mặt dầm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Phân tích ứng xử động lực học dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét đến ảnh hưởng khối lượng nền chịu tải trọng chuyển động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM ------------------------- TRẦN QUỐC TỈNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ ĐỘNG LỰC HỌC DẦM TRÊN NỀN ĐÀN NHỚT HAI THÔNG SỐ CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƢỞNG KHỐI LƢỢNG NỀN CHỊU TẢI TRỌNG CHUYỂN ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã ngành : 60 58 02 08 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. KHỔNG TRỌNG TOÀN TP. Hồ CHÍ MINH, tháng10 năm 2017
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. KHỔNG TRỌNG TOÀN Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày04 tháng 10năm2017 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 PGS. TS. Lương Văn Hải Chủ tịch 2 TS. Đào Đình Nhân Phản biện 1 3 TS. Trần Tuấn Nam Phản biện 2 4 TS. Nguyễn Văn Giang Ủy viên 5 TS. Nguyễn Hồng Ân Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2017 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Quốc Tỉnh Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1989 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp MSHV: 1541870020 I. Tên đề tài: Phân tích ứng xử động lực học dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét đến ảnh hƣởng khối lƣợng nền chịu tải trọng chuyển dộng II. Nhiệm vụ và nội dung 1. Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận cản cho các phần tử dầm và kết cấu xe, xây dựng phương trình vi phân chủ đạo của hệ sử dụng phương pháp phần tử chuyển động cải tiến IMEM (Improved Moving Element Method). 2. Sử dụng thuật toán Newmark và lập trình Matlab để giải phương trình vi phân chủ đạo của hệ cho các bài toán kiểm chứng và khảo sát. 3. Kiểm tra mức độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương trình tính với kết quả của bài báo quốc tế đã công bố. 4. Tiến hành thực hiện các bài toán ví dụ số nhằm khảo sát ảnh hưởng của các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến ứng xử động của dầm, từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị. III. Ngày giao nhiệm vụ : 14/11/2016 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 31/08/2017 V. Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Khổng Trọng Toàn CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Khổng Trọng Toàn Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. Tp. HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2017 Học viên thực hiện Luận văn Trần Quốc Tỉnh
ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cám ơn đế n Bố, Mẹ và các thành viên trong gia đin ̀ hđã luôn ủng hộ và tạo điều kiện vật chất và tinh thần để tôi có được những thuâ ̣n lơ ̣i nhấ t trong suố t khoá ho ̣c vừa qua . Và đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Khổng Trọng Toàn, Thầy đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài. Đồng thời, Thầy đã tận tụy hướng dẫn, chỉ dạy và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức cũng như nhiều tài liệu hữu ích đã giúp tôi hoàn thành nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô thuộc Ban đào tạo Sau đại học, Khoa Xây dựng Trường Đại học Công nghệ Tp.HCM đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu khoa học tại đây. Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được nhiều sự giúp đỡ của tập thể và các cá nhân. Tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS Lương Văn Hải, NCS. Cao Tấn Ngọc Thân, NCS. Hồ lê Huy Phúcđã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót. Kính mong quý Thầy, Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Tp. HCM, ngày 31 tháng 08 năm 2017 Học viên thực hiện Luận văn Trần Quốc Tỉnh
iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văntập trung phân tích ứng xử động học của kết cấu dầm Euler-Bernoulli trên hai mô hình nền là đàn nhớt hai thông số Pasternak và động lực học chịu tải trọng chuyển động.Phương pháp phần tử chuyển động cải tiến IMEM (Improved Moving Element Method) đã được sử dụng để phân tích. Dựa trên nguyên lý cân bằng công ảo và lý thuyết của phương pháp phần tử chuyển động, các ma trận khối lượng, ma trận độ cứng, ma trận cản của phần tử chuyển động và phương trình vi phân chủ đạo của hệ cũng được trình bày một cách chi tiết.Việc giải phương trình vi phân được thực hiện bằng phương pháp tích phân số dựa trên thuật toán Newmark. Bên cạnh đó, mô hình nền cũng xét đầy đủ các thông số như độ cứng đàn hồi Winkler, lớp chịu cắt dựa trên mô hình Pasternak, cản nhớt và thông số khối lượng nền. Tải trọng chuyển động được mô hình là hệ thống khối lượng treo gồm thân xe, giá chuyển hướng và bánh xe. Luận văn đã xem xét ảnh hưởng củacác thông số đến ứng xử động học của dầm như thông số độ cứng lớp chịu cắt ks,thông số khối lượng nền, vận tốc của tải chuyển động và độ gồ ghề trên mặt dầm.Từ những kết quả nghiên cứu đạt được, tác giả hy vọng có thể là một trong những tài liệu tham khảo hữu ích nhằm tạo điều kiện thuận lợi hơn nữa cho công việc thiết kế và nghiên cứu trong tương lai.
iv ABSTRACT The thesis focuses on analyzing the dynamic response of the Euler-Bernoulli beam structures resting on two models: the two-parameter viscoelastic Pasternak foundation and the dynamic foundation model subjected to the moving load. Improved Moving Element Method (IMEM) is used to analyze. Based on the principal of the virtual public balancing and the theory of moving element method mass matrices, stiffness matrices, dashpot matrices of the moving elements and the motion differential equation of the system is also represented in details. Solving the differential equation is done by the numerical integration based on the Newmark algorithm. Besides that, the foundation model also considers the full parameters such as Winkler stiffness, shear layer based on the Pasternak model, viscoelastic dashpot and parameter of mass on a foundation. The moving load is modeled the overhanging mass system as the car body, bogie, and wheel-axle. The thesis also examines the effect of parameters on the dynamic response of beams such as the parameter shear layer stiffness ks, the parameter of mass on foundation, the velocity of the moving load and the roughness of the beam surface. From the research results achieved, the author can hope is one useful reference materials in order to create more favorable conditions for work and research in the future.
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. ii TÓM TẮT LUẬN VĂN............................................................................................. iii ABSTRACT ............................................................................................................... iv MỤC LỤC................................................................................................................... v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... x DANH MỤC CÁC HÌNH......................................................................................... xii Chƣơng 1: MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1 1.1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu........................................................................... 1 1.2 Đối tượng nghiên cứu............................................................................................ 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu.............................................................................................. 2 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn............................................................................... 3 1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................ 4 1.6 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................................... 6 1.7 Cấu trúc luận văn .................................................................................................. 9 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 10 2.1 Mô hình dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét khối lượng nền.................. 10 2.1.1 Mô hình nền hai thông số ............................................................................ 10 2.1.2 Mô hình dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét khối lượng nền .......... 12 2.1.3 Mô hình dầm trên nền đàn nhớt hai thông số có xét khối lượng nền và tải trọng chuyển động ................................................................................................ 13 2.2 Thiết lập các ma trận khối lượng, độ cứng, cản của phương tiện chuyển động. 15 2.3 Phương pháp phần tử chuyển động MEM .......................................................... 17 2.4 Thiết lập công thức ma trận kết cấu dầm trên nền động lực học dùng phương pháp phần tử chuyển động cải tiến IMEM. ........................................................ 19 2.5 Giải phương trình chuyển động của hệ bằng phương pháp Newmark ............... 23 2.6 Sơ đồ khối giải thuật bài toán.............................................................................. 26
vi Chƣơng 3: BÀI TOÁN KIỂM CHỨNG .................................................................. 27 3.1.1 Bài toán 1: Kiểm chứng bài toán tải trọng chuyển động trên dầm với vận tốc không đổi, không xét ảnh hưởng thông số nền thứ hai và thông số khối lượng nền. ........................................................................................................................ 28 3.1.2 Bài toán 2: Kiểm chứng bài toán tải trọng chuyển động trên dầm với vận tốc thay đổi, không xét ảnh hưởng thông số nền thứ hai và thông số khối lượng nền. ........................................................................................................................ 31 3.1.3 Bài toán 3: Khảo sát sự hội tụ của bài toán khi tải trọng chuyển động trên dầm với vận tốc không đổi. ................................................................................... 34 3.1.4 Bài toán 4: Khảo sát sự hội tụ của bài toán khi tải trọng chuyển động trên dầm với vận tốc thay đổi. ...................................................................................... 37 3.2 Kết luận ............................................................................................................... 40 Chƣơng 4: BÀI TOÁN KHẢO SÁT ........................................................................ 41 4.1.1 Bài toán 5: Khảo sát ảnh hưởng của thông số nền thứ hai, biên độ và bước sóng độ gồ ghề trên dầm đến ứng xử động lực của dầm khi tải trọng chuyển động với vận tốc không đổi, không xét ảnh hưởng thông số khối lượng nền. ............... 43 4.1.2 Bài toán 6: Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc, thông số nền thứ hai, biên độ và bước sóng độ gồ ghề trên dầm đến ứng xử động lực của dầm khi tải trọng chuyển động với vận tốc thay đổi, không xét ảnh hưởng thông số khối lượng nền. ............................................................................................................................... 47 4.1.3 Bài toán 7: Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của vận tốc, biên độ và bước sóng độ gồ ghề trên dầm đến ứng xử động lực của dầm, không xét ảnh hưởng thông số khối lượng nền. ....................................................................................... 51 4.1.4 Bài toán 8: Khảo sát ảnh hưởng của thông số khối lượng nền đến ứng xử động lực của dầm khi tải trọng chuyển động với vận tốc không đổi, không xét ảnh hưởng độ gồ ghề trên dầm. .................................................................................. 55 4.1.5 Bài toán 9: Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của thông số khối lượng nền và vận tốc tải trọng đến ứng xử động lực của dầm, không xét ảnh hưởng độ gồ ghề trên dầm. ............................................................................................................... 57
vii 4.1.6 Bài toán 10: Khảo sát ảnh hưởng đồng thời của thông số khối lượng nền, biên độ và bước sóng độ gồ ghề của dầm đến ứng xử động của dầm khi tải trọng chuyển động với vận tốc không đổi. ..................................................................... 59 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 64 5.1 Kết luận ............................................................................................................... 64 5.2 Hạn chế và kiến nghị hướng phát triển của luận văn .......................................... 66 5.3 Kết quả nghiên cứu công bố từ luận văn............................................................. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 69 PHỤ LỤC...................................................................................................................... LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..........................................................................................
viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt DOF Bậc tự do (Degree of Freedom); FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method); MEM Phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method); IMEM Phương pháp phần tử chuyển động cải tiến (Improved Moving Element Method); Ma trận và véctơ M Ma trận khối lượng tổng thể ; K Ma trận độ cứng tổng thể ; C Ma trận cản tổng thể; F Ma trận Pseudo-force tổng thể; Me Ma trận khối lượng phần tử dầm; Ke Ma trận độ cứng phần tử dầm; Ce Ma trận cản phần tử dầm; Fe Ma trận Pseudo-force phần tử dầm; Peff Ma trận tải trọng hiệu dụng; Keff Ma trận độ cứng hiệu dụng; Z Vector chuyển vị tổng thể; Z Vector Vận tốc tổng thể; Z Vector Gia tốc tổng thể; Ký hiệu E Module đàn hồ i c ủa vật liệu dầm; I Mômen quán tính của vật liệu dầm; V Vận tốc của tải trọng chuyển động; a Gia tốc của tải trọng chuyển động; m1 Khối lượng thân xe;
ix m2 Khối lượng giá chuyển hướng; m3 Khối lượng bánh xe; k1 Độ cứng lò xo của thân xe; k2 Độ cứng lò xo của giá chuyển hướng; k3 Độ cứng lò xo của bánh xe; c1 Bộ giảm xóc của thân xe; c2 Bộ giảm xóc của giá chuyển hướng; c3 Bộ giảm xóc của bánh xe; Fc Lực liên kết giữa bánh xe và dầm; L Chiều dài của dầm ; le Chiều dài một phần tử dầm; m Khối lượng dầm trên mét dài; m Khối lượng nền tham gia dao động; kw Độ cứng đàn hồi nền; ks Độ cứng lớp cắt của thông số nền thứ hai; c Hệ số cản nhớt; Ni Hàm dạng; n Số phần tử; t Thời gian; w( x,t ) Độ võng của dầm; t Bước thời gian;  Hệ số tích phân Newmark;  Hệ số tích phân Newmark.
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng xác định độ cứng và cản của xe ...................................................... 16 Bảng 3.1: Thông số xe .............................................................................................. 27 Bảng 3.2: Thông số dầm và nền ................................................................................ 28 Bảng 3.3: So sánh kết quả chuyển vị khi vận tốc không đổi .................................... 31 Bảng 3.4: So sánh kết quả chuyển vị khi vận tốc thay đổi ....................................... 34 Bảng 3.5: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi tăng số lượng phần tử và chia nhỏ bước thời gian t trong trường hợp vận tốc không đổi .................................... 35 Bảng 3.6: Chênh lệch chuyển vị lớn nhất của dầm khi chia nhỏ bước thời gian t trong trường hợp vận tốc không đổi (%) ................................................. 36 Bảng 3.7: Chênh lệch chuyển vị lớn nhất của dầm khi tăng số lượng phần tử n trong trường hợp vận tốc không đổi (%) ........................................................... 36 Bảng 3.8: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi tăng số lượng phần tử và chia nhỏ bước thời gian t trong trường hợp vận tốc thay đổi ....................................... 38 Bảng 3.9: Chênh lệch chuyển vị lớn nhất của dầm khi chia nhỏ bước thời gian t trong trường hợp vận tốc thay đổi (%) .................................................... 39 Bảng 3.10: Chênh lệch chuyển vị lớn nhất của dầm khi tăng số lượng phần tử n trong trường hợp vận tốc thay đổi (%) .................................................... 39 Bảng 4.1: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề trên dầm t = 0.5m, thay đổi thông số thứ hai của nền ks và biên độ độ gồ ghề (mm)......................................................................................................... 44 Bảng 4.2: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầm at= 1.6 mm, thay đổi thông số thứ hai của nền ks và bước sóng độ gồ ghề (mm)......................................................................................................... 47 Bảng 4.3: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề trên dầm t = 0.5m, thay đổi biên độ độ gồ ghề (mm) ................................... 50 Bảng 4.4: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầm at = 1.6 mm, thay đổi bước sóng độ gồ ghề (mm) ...................................... 51
xi Bảng 4.5: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầm at=0.5mm, thay đổi vận tốc và bước sóng độ gồ ghề (mm) .................... 53 Bảng 4.6: Chu kỳ và tần số dao động của dầm (mm) .............................................. 54 Bảng 4.7: Kết quả tần số dao động riêng của hệ trong 5 mode đầu tiên................... 55 Bảng 4.8: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi vận tốc tải trọng và thông số đặc trưng khối lượng của nền βF thay đổi (mm) ...................................................... 58 Bảng 4.9: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề trên dầmt = 0.5m, thay đổi thông số đặc trưng khối lượng của nền βFvà biên độ độ gồ ghề (mm) ................................................................................... 61 Bảng 4.10: Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầm at = 0.5 mm, thay đổi thông số đặc trưng khối lượng của nền βF và bước sóng độ gồ ghề (mm) ............................................................................... 63
xii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1. Chuyển vị của nền đàn hồi dưới tác dụng tải phân bố đều ....................... 11 Hình 2.2. Mô hình dầm trên nền hai thông số Pasternak .......................................... 11 Hình 2.3. Mô hình dầm trên nền đàn nhớt hai thông số............................................ 12 Hình 2.4. Mô hình dầm trên nền động lực học ......................................................... 12 Hình 2.5. Mô hình dầm trên nền động lực học chịu tải trọng chuyển động ............. 14 Hình 2.6. Các sơ đồ xác định ma trận khối lượng, độ cứng, cản của phương tiện chuyển động. ............................................................................................ 16 Hình 2.7. Phần tử dầm Euler – Bernoulli hai nút chịu uốn ...................................... 18 Hình 2.8. Hệ tọa độ của phương pháp MEM ............................................................ 18 Hình 3.1. Mô hình dầm chịu khối lượng treo động trên nền đàn nhớt ..................... 28 Hình 3.2. Chuyển vị lớn nhất của dầm ud tại điểm tương tác trong một chu kỳ....... 29 Hình 3.3. Chuyển vị lớn nhất của bánh xe u3 trong một chu kỳ ............................... 30 Hình 3.4. Sơ đồ biến đổi vận tốc tàu ......................................................................... 32 Hình 3.5. Chuyển vị lớn nhất của dầm ud tại điểm tương tác và toàn dầm............... 32 Hình 3.6. Chuyển vị của bánh xe u3 .......................................................................... 33 Hình 3.7. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi chia nhỏ bước thời gian và tăng số lượng phần tử dầm trong trường hợp vận tốc không đổi ................................... 35 Hình 3.8. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi chia nhỏ bước thời gian và tăng số lượng phần tử dầm trong trường hợp vận tốc thay đổi ...................................... 38 Hình 4.1. Mô hình dầm chịu khối lượng treo động trên nền đàn nhớt hai thông số . 42 Hình 4.2. Chuyển vị của dầm .................................................................................... 43 Hình 4.3. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề dầmt=0.5m, thay đổi thông số thứ hai của nền ks và biên độ gồ ghề.... 44 Hình 4.4. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầm at=1.6mm, thay đổi thông số thứ hai của nền ks và bước sóng độ gồ ghề.46 Hình 4.5. Chuyển vị của dầm ud tại điểm tương tác trong các giai đoạn của vận tốc48 Hình 4.6. Chuyển vị của dầm ud tại điểm tương tác ................................................. 48
xiii Hình 4.7. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề dầmt=0.5m, thay đổi biên độ gồ ghề ..................................................... 49 Hình 4.8. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầmat=1.6mm, thay đổi bước sóng độ gồ ghề. ....................................... 50 Hình 4.9. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầmat=0.5mm, thay đổi vận tốc và bước sóng độ gồ ghề ....................... 52 Hình 4.10. Mô hình dầm chịu khối lượng treo động trên nền động lực học............. 55 Hình 4.11. Chuyển vị của dầm ud tại điểm tương tác .............................................. 56 Hình 4.12. Chuyển vị lớn nhất của dầm ud tại điểm tương tác ................................. 57 Hình 4.13. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên bước sóng độ gồ ghề trên dầm t =0.5m, thay đổi thông số đặc trưng khối lượng của nền βF và biên độ gồ ghề.................................................................................................. 60 Hình 4.14. Chuyển vị lớn nhất của dầm khi giữ nguyên biên độ độ gồ ghề trên dầmat=0.5mm, thay đổi thông số khối lượng của nền và bước sóng độ gồ ghề............................................................................................................ 62
1 Chƣơng 1: MỞ ĐẦU 1.1 Sự cần thiết của việc nghiên cứu Kết cấu dạng dầm được sử dụng rất rộng rãi trong ngành xây dựng hiện nay. Hầu hết các kết cấu xây dựng chịu tải trọng thay đổi theo thời gian và không gian. Ismail Esen [1]đã nghiên cứu ứng xử động của dầm chịu tải chuyển động có gia tốc, tải trọng được mô hình như phần tử chuyển động để xét ảnh ảnh hưởng của lực quán tính.Junping Pu và Peng Liu [2]đã sử dụng phương pháp số để phân tích ứng xử của dầm nhiều nhịp có tiết diện thay đổi chịu vật chuyển động, ngoài ra nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của lực ma sát, lực quán tính, lực hướng tâm và lực Coriolis đến ứng xử của dầm.Ngoài ra, cũng có nhiều bài toán phân tích ứng xử động lực học của dầm chịu tải trọng chuyển động xét đến các điều kiện biên khác nhau như liên kết ngàm, liên kết gối tựa đơn,… Bên cạnh đó, bài toán phân tích ứng xử động lực học của kết cấu dầm trên nền đất cũng là đề tài có sức thu hút và quan tâm lớn của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước từ trước tới nay. Phần lớn các công trình xây dựng, cơ sở hạ tầng giao thông, đường sắt, mặt đường sân bay,… đều được xây dựng trên nền đất, do vậy phạm vi áp dụng của bài toán này khá rộng.Tải trọng chuyển động trên kết cấu cũng đã được khá nhiều nhà nghiên cứu mô tả dưới dạng khác nhau như: lực di động, khối lượng di động, nhiều lực di động, phương tiện di động.Riêng phần nền, khi phân tích ứng xử của các kết cấu thì được mô tả khá phức tạp như mô hình nền một thông số Winkler [3]hoặc mô hình nền nhiều thông số Filonenko-Borodich [4], Hentényi [5], Pasternak[6], Reissner[7],…Đặc điểm chung của các mô hình nền này là lớp nền đàn hồi (thông số thứ nhất) được mô tả dựa trên mô hình nền đàn hồi Winkler, với độ cứng của lớp nền đàn hồi được mô tả bằng các lò xo đàn hồi không khối lượng, đối với mô hình nền nhiều thông số, thông số nền thứ hai được mô tả bằng các phần tử màng chịu kéo, dầm hoặc tấm chịu uốn hoặc lớp chịu cắt không
2 khối lượng liên kết với các bề mặt lò xo trong mô hình nền Winkler để mô tả sự tương tác liên tục của nền. Tuy nhiên, điều đặc biệt trong các mô hình bài toán phân tích ứng xử động lực học của kết cấu trên nền là không xem xét đến ảnh hưởng của khối lượng đất nền bên dưới lên ứng xử động lực học của kết cấu bên trên. Nhưng bản chất của đất nền là có khối lượng, vì vậy khối lượng của nền đất sẽ có ảnh hưởng nhất định đến ứng xử động lực học của kết cấu bên trên, đặc biệt là trong bài toán phân tích ứng xử động lực học của kết cấu dầm trên nền chịu tải trọng chuyển động. Từ những phân tích trên cho thấy rằng, vấn đề phân tích ảnh hưởng của khối lượng nền lên ứng xử động lực học của kết cấu dầm tương tác với đất nền là sự cần thiết và có ý nghĩa khoa học và phù hợp với thực tiễn. Vì vậy luận văn sẽ nghiên cứu ứng xử động lực học của dầm Euler-Bernoulli chịu tải trọng chuyển động trên nền đàn nhớt hai thông số có xét đến ảnh hưởng của thông số khối lượng nền. 1.2 Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là kết cấu dầm Euler–Bernoullichịu tải trọng chuyển động được mô hình là một hệ thống các khối lượng treo động. Dầm được liên kết trực tiếp với đất nền và có kể đến ảnh hưởng do sự gồ ghề của bề mặt dầm. Trong mô hình đất nền, các thông số của mô hình nền được mô tả gồm: độ cứng đàn hồi, độ cứng lớp cắt dựa trên mô hình Pasternak, cản nhớt của nền và đặc biệt có xét đến ảnh hưởng của khối lượng nền lên đáp ứng của kết cấu dầm. Mô hình nền đó được gọi là “ nền động lực học”. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của nghiên cứu này nhằm phân tích ứng xử động lực học cho kết cấu dầm Euler-Bernoulli chịu tải trọng chuyển động trên nền đàn nhớt hai thông số Pasternak có xét đến ảnh hưởng của thông số khối lượng nền và sự gồ ghề của bề mặt dầm.
3 Luận văn sử dụng phương pháp phần tử chuyển động cải tiến IMEM (Improved Moving Element Mothod)dựa trên sự kế thừa từ phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element Mothod)và nghiên cứu của Nguyễn Văn Thành [8]. Các vấn đề nghiên cứu trong luận văn gồm:  Thiết lập các ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng cho các phần tử dầm, kết cấu treo động và các ma trận của toàn hệ có xét đến tương tác với đất nền chịu tải trọng chuyển động. Sử dụng phương pháp phần tử chuyển động cải tiến IMEM để giải tìm kết quả chuyển vị của dầm.  Sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình tính và phương pháp Newmark để phân tích bài toán trong miền thời gian.  Kiểm tra độ tin cậy kết quả của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của luận văn với các kết quả từ các bài báo khác đã được công bố.  Đưa ra các bài toán nhằm khảo sát mức độ ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến ứng xử động của dầm. Các thông số liên quan được khảo sát bao gồm: sự gồ ghề trên bề mặt dầm, các đặc trưng của tải trọng chuyển động và các đặc trưng của đất nền. 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Khi tính toán dầm trên nền đàn hồi thực tế hiện nay các kỹ sư thiết kế vẫn chủ yếu đang tính toán dựa trên mô hình nền Winkler hoặc mô hình nhiều thông số như mô hình nền Pasternak, Filonenko-Borodich, Hentényi, Reissner,.. các mô hình này vẫn chưa xét đến ảnh hưởng của khối lượng nền.Do đó, luận văn sẽ cung cấp một cái nhìn mới đầy đủ về bài toán ứng xử động lực học của kết cấu dầm trên nền đất chịu tải trọng chuyển động. Phân tích ứng xử động lực học cho kết cấu dầm Euler-Bernoulli chịu tải trọng chuyển động trên mô hình nền hai thông số cho thấy việc phân tích ảnh hưởng của thông số đặc trưng khối lượng nền và sự gồ ghề trên bề mặt dầm lên ứng xử động lực học của kết cấu tương tác với đất nền là thực sự cần thiết, có ý nghĩa khoa học và phù hợp với thực tiễn.
4 1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu đã được công bố về phân tích động lực học của dầm trên các mô hình nền chịu tải trọng chuyển độngchẳng hạn như: Roman Bogacz [9]đã xem xét ứng xử của dầm Timoshenko trên nền đàn nhớt, chịu tải phân bố đều chuyển động với vận tốc không đổi đồng thời đưa ra vận tốc tới hạn của tải trọng mà không gây nguy hiểm cho dầm. Cao Chang-Yong và Zhong Yang[10] đã phân tích ứng xử động của dầm Euler- Bernoulli dài vô hạn trên nền Pasternak chịu tải trọng điều hòa di động với vận tốc là hằng số bằng cách biến đổi chuổi fourier kép để giải phương trình bài toán. S. Kumari và cộng sự [11] đã nghiên cứu một dầm dài vô hạn Euler-Bernoulli tựa trên nền Pasternak, dầm chịu một tải trọng tập trung bằng hằng số di chuyển với vận tốc bằng hằng số dọc theo dầm. P. Lou và F.T.K. Au [12] nghiên cứu dầm Euler-Bernoulli dưới tải trọng xe di động bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM. Trong thực tế thì phương pháp FEM (Finite Element Method) đã được xử dụng khá rộng rãi để giải quyết nhiều bài toán phức tạp. Phương pháp FEM đã đưa ra lời giải số bằng cách rời rạc hóa phần tử dầm thành các phần tử hữu hạn. Ma trận phần tử được tính toán dựa trên một số giả thiết về hàm dạng chuyển vị và được ghép nối để tạo thành ma trận tổng thể. Các phương pháp tính lặp từng bước thời gian như phương pháp Newmark thường được sử dụng để giải quyết phương trình vi phân chủ đạo của bài toán động lực học. FEM tiếp tục là một phương pháp rất phổ biến để giải bài toán dầm trên nền đàn nhớt. Mặc dù phương pháp FEM được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu về ứng xử của dầm chịu tải trọng chuyển động, nhưng phương pháp này đã gặp khó khăn khi tải trọng di chuyển đến gần biên của phần tử và di chuyểntừ phần tử này qua phần tử khác, vectơ tải trọng phải được cập nhật tại mỗi bước thời gian của quá trình giải. Vào năm 2003, Koh và cộng sự [13] đã đề xuất ý tưởng về hệ tọa độ chuyển động trong việc giải quyết bài toán phân tích ứng xử động của tàu-ray, phương pháp này được gọi là phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element