Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích bất ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

HÀ PHƢỚC CƢỜNG

PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO

VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ

HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Long An - 2019

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

HÀ PHƢỚC CƢỜNG

PHÂN TÍCH BẤT ỔN ĐỊNH KẾT CẤU SILO VÁCH TRỤ BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Mã số: 8.580.201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện

Long An – 2019

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của

học viên tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của

học viên, hoàn thành chƣơng trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp

đỡ của tập thể Thầy Cô khoa Kiến trúc Xây dựng, Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp

Long An trong quá trình học tập cũng nhƣ hoàn thành Luận văn cao học này.

Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS-TS Trƣơng Tích

Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hƣớng dẫn, truyền đạt

kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt Luận văn này.

Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học

Xây dựng khoá 4 đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hà Phƣớc Cƣờng

iii

BẢN CAM KẾT

Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác nhƣ đã đƣợc ghi trong

Luận văn, tôi xin cam kết rằng Luận văn này là do chính tôi thực hiện và Luận văn chỉ

đƣợc nộp tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.

Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là hoàn

toàn trung thực và chƣa từng đƣợc sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào

khác.

Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin

trích dẫn trong Luận văn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Hà Phƣớc Cƣờng

iv

TÓM TẮT

Bất ổn định là một bài toán cổ điển, nhƣng cho đến nay vẫn có rất nhiều công trình

nghiên cứu liên quan đến vấn đề này. Ngƣời đầu tiên đặt nền móng cho việc tính toán bất

ổn định kết cấu là Leonard Euler cách đây hơn 200 năm. Bắt đầu từ thập niên 30 của thế

kỷ trƣớc, ngƣời đại diện cho Euler là S.P.Timoshenko đã tiến thêm một bƣớc dài trong

lĩnh vực tính toán bất ổn định với việc cho ra đời cuốn sách Theory of Elastic Stability.

Sau đó, với hàng loạt công trình tính toán liên quan tới tính toán bất ổn định của các nhà

khoa học khác đã chứng tỏ bất ổn định là một đề tài rất có sức hút, vì nó có ý nghĩa thực

tiễn rất quan trọng. Khi xảy ra mất ổn định dù chỉ của một thanh cũng dẫn tới sự sụp đổ

của toàn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do mất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy

khi thiết kế cần đảm bảo ba điều kiện: điều kiện bền, điều kiện cứng và điều kiện ổn định.

Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm

dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều loại

vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản phẩm

công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác. Do đó, kết cấu silo là

giải pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam.

Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên

cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong môi trƣờng tự nhiên

phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng

cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác. Trong quá trình hoạt động, các tải

trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và ma sát bề mặt trong của vách do các hạt

sản phẩm gây ra. Ngoài ra, với những silo có chiều cao lớn, còn có thêm sự tác động của

tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán

bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan trọng và cần những phân tích, tính toán chính

xác trong quá trình thiết kế.

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii

BẢN CAM KẾT ................................................................................................................ iv

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .......................................................................................................... v

MỤC LỤC ....................................................................................................................... vi

DANH MỤC BẢNG........................................................................................................ viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xii

Chƣơng 1. TỔNG QUAN.................................................................................................. 1

1.1. Tổng quan về Silo ...................................................................................................... 1

1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài ................................................................................ 6

1.2.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc ....................................................................................... 6

1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc ....................................................................................... 7

1.3. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................. 8

1.4. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. 8

1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 9

1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................................................... 9

1.7. Lợi ích của đề tài ..................................................................................................... 10

1.7.1. Lợi ích khoa học ................................................................................................ 10

1.7.2. Lợi ích thực tiễn ................................................................................................ 10

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 11

2.1. Giới thiệu bài toán bất ổn định ................................................................................ 11

2.1.1. Trạng thái ổn định của kết cấu .......................................................................... 11

2.1.2. Trạng thái bất ổn định ....................................................................................... 12

2.2. Lý thuyết bất ổn định tấm ........................................................................................ 14

2.2.1. Phƣơng pháp giải tích ....................................................................................... 14

2.2.2. Lý thuyết tấm cổ điển ........................................................................................ 14

2.2.3. Phƣơng pháp năng lƣợng - Lý thuyết bất ổn định Ritz cho tấm có gân thẳng sử dụng hàm lƣợng giác ................................................................................................... 18

2.3. Lý Thuyết Bền ......................................................................................................... 21

2.4. Phƣơng pháp quy đổi lực tác dụng lên silo ............................................................. 22

vi

2.4.1. Áp lực do vật liệu chứa tác dụng lên silo .......................................................... 22

2.4.2. Tải gió tác dụng lên silo .................................................................................... 24

2.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) ............................................................. 25

2.5.1. Trình tự giải bài toán tĩnh theo PP PTHH ......................................................... 26

2.5.2. Ví dụ phân tích dầm chịu uốn bằng PP PTHH ................................................. 27

2.5.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán bất ổn định ................................... 29

2.5.4. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chƣơng trình ANSYS ................................ 30

2.6. Qui trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình Ansys Workbench ............. 34

Chƣơng 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU SILO BẰNG ANSYS WORKBENCH ........ 35

3.1. Phân tích ứng xử kết cấu Silo .................................................................................. 35

3.1.1. Kích thƣớc Silo ................................................................................................. 35

3.1.2. Thông số vật liệu Silo – vật liệu chứa ............................................................... 36

3.1.3. Mô hình phần tử hữu hạn .................................................................................. 36

3.1.4. Phân tích ứng xử Silo dƣới tác động tải trọng tĩnh ........................................... 39

3.1.5. Phân tích ứng xử bất ổn định của Silo .............................................................. 48

3.2. Phân tích ứng xử kết cấu Silo có cải tiến ................................................................ 51

3.2.1. Kết quả phân tích tĩnh ....................................................................................... 53

3.2.2. Kết quả phân tích bất ổn định ........................................................................... 55

3.3. Đánh giá kết quả .................................................................................................... 588

3.4. Kết luận ................................................................................................................. 599

3.5. Kiến nghị ................................................................................................................. 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 61

Tiếng Anh ....................................................................................................................... 62

PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 633

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho ................................................. 1

Bảng 2.2.1. Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam ...... 25

Bảng 2.2.2. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình ..... 25

Bảng 3.1. Bảng thông số thiết kế Silo [5] ................................................................. 35

Bảng 3.2. Thông số vật liệu của thép CT3 TCVN [5] .............................................. 36

Bảng 3.3. Thông số vật liệu chứa - Cám .................................................................. 36

Bảng 3.4. Thông số lƣới mô hình Silo ...................................................................... 37

Bảng 3.5. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình ............................................ 48

Bảng 3.6. Thông số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng ........................................ 51

Bảng 3.7. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình ............................................ 55

Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mô hình ....................................................... 58

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1. Mô hình Silo vách trụ .................................................................................. 3

Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tông .................................................. 4

Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng .............................................................. 5

Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS ..................................... 6

Hình 2.1. Các dạng ổn định ....................................................................................... 11

Hình 2.2. Mô hình thanh chịu nén đúng tâm............................................................. 12

Hình 2.3. Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm ...................................... 13

Hình 2.4. Sự nguy hiểm của hiện tƣợng bất ổn định của thanh trong kết cấu thực tế ............ 14

Hình 2.5. Mô hình bài toán tấm ................................................................................ 15

Hình 2.6. Điều kiện biên mô hình tấm khảo sát ........................................................ 15

Hình 2.7. Mô hình tấm khảo sát ................................................................................ 16

Hình 2.8. Điều kiện biên bài toán ............................................................................. 17

Hình 2.9. Sơ đồ áp lực tác dụng lên thành silo do vật liệu chứa gây ra .................... 22

Hình 2.10. Sơ đồ áp lực tác dụng lên đáy phễu silo theo chuẩn EuroCode .............. 24

Hình 2.11. Tính hệ số khí động theo mô hình ........................................................... 25

Hình 2.12. Tính dầm chịu uốn bằng phƣơng pháp PTHH ........................................ 27

Hình 2.13. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS ........................................... 33

Hình 2.14. Lƣợt đồ phân tích bất ổn định kết cấu trong ANSYS WB ...................... 34

Hình 3.1. Sơ đồ mô hình Silo [5] .............................................................................. 35

Hình 3.2. Mô hình hình học Silo đƣợc import từ SolidWork vào ANSYS .............. 37

Hình 3.3. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của Silo ......................................... 38

Hình 3.4. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của đỉnh Silo ................................. 38

Hình 3.5. Kết cấu Silo đang làm việc ngoài công trình ............................................ 39

ix

Hình 3.6. Mô hình điều kiện biên ............................................................................. 40

Hình 3.7. Khai báo gia tốc trọng trƣờng ................................................................... 41

Hình 3.8. Áp lực do cám tác dụng lên silo ................................................................ 41

Hình 3.9. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên thân trụ silo ..................................... 42

Hình 3.10. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên đáy silo ......................................... 43

Hình 3.11 Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên thân silo ........................................... 43

Hình 3.12. Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên đáy silo ........................................... 44

Hình 3.13. Sơ đồ ứng suất tác dụng lên silo với tốc độ gió 160 km/h theo chuẩn

Eurocode [5] .............................................................................................................. 45

Hình 3.14. Áp lực gió tác dụng lên thân silo ............................................................ 46

Hình 3.15. Áp lực gió tác dụng lên đáy silo .............................................................. 46

Hình 3.16. Phân bố trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo ................. 47

Hình 3.17. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo .............................................. 47

Hình 3.18. Dạng bất ổn định 1 (mode 1) ................................................................... 49

Hình 3.19. Dạng bất ổn định 2 (mode 2) ................................................................... 49

Hình 3.20. Dạng bất ổn định 3 (mode 3) ................................................................... 50

Hình 3.21. Dạng bất ổn định 4 (mode 4) ................................................................... 50

Hình 3.22. Dạng bất ổn định 5 (mode 5) ................................................................... 51

Hình 3.23. Mô hình Silo với 3 gân tăng cứng. .......................................................... 52

Hình 3.24. Kích thƣớc gân ........................................................................................ 53

Hình 3.25. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees ...................................... 53

Hình 3.26. Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo ............... 54

Hình 3.27. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo .............................................. 54

Hình 3.28. Dạng bất ổn định 1 (mode 1) ................................................................... 55

Hình 3.29. Dạng bất ổn định 2 (mode 2) ................................................................... 56

x

Hình 3.30. Dạng bất ổn định 3 (mode 3) ................................................................... 56

Hình 3.31. Dạng bất ổn định 4 (mode 4) ................................................................... 57

Hình 3.32. Dạng bất ổn định 5 (mode 5) ................................................................... 57

xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên đầy đủ Ý nghĩa

PP PTHH Phƣơng pháp phần tử hữu hạn

EC Tiêu chuẩn Eurocode

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

E Module đàn hồi

I Mô men quán tính

Cƣờng độ tính toán thép theo giới hạn chảy của vật liệu fy

G Mô đun trƣợt

u, v, w Các hàm chuyển vị

x, y, z Tọa độ điểm

Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng W0

k Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió thay đổi theo độ cao

c Hệ số khí động

Lực tác dụng lên vách silo theo phƣơng tiếp tuyến

Áp lực theo phƣơng ngang

Hệ số khuếch đại lực tại đáy silo Cb

Hệ số ma sát trên vách đứng

xii

1

Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan về Silo

Silo là một dạng thiết bị bảo quản kín thƣờng đƣợc sử dụng để lƣu trữ sản phẩm

dạng hạt ở quy mô lớn từ vài trăm đến vài ngàn tấn [1]. Silo có thể dùng để lƣu trữ nhiều

loại vật liệu khác nhau từ sản phẩm nông nghiệp nhƣ lúa, gạo, các loại hạt đến các sản

phẩm công nghiệp nhƣ xi măng, than và một số loại nguyên vật liệu khác.

Kết cấu Silo có ƣu điểm là có thể xây dựng theo chiều cao nên ít tốn kém mặt bằng

nhƣng vẫn đảm bảo khả năng chứa đƣợc khối lƣợng lớn sản phẩm. Bên cạnh đó, với kết

cấu silo, ngƣời ta dễ dàng trang bị các hệ thống kiểm định chất lƣợng sản phẩm đầu vào,

thiết bị làm sạch và sấy khô, nhờ vậy có thể bảo quản chất lƣợng sản phẩm trong thời

gian dài hơn so với cách bảo quản bằng nhà kho thông thƣờng. Do đó, kết cấu silo là giải

pháp rất phù hợp cho quá trình bảo quản các sản phẩm dạng hạt ở Việt Nam. Ở Đồng

bằng sông Cửu Long cũng đã có một số các cụm silo vào thập niên 70 của thế kỷ trƣớc

nhƣ ở Cao Lãnh (48.000 tấn), Trà Nóc (10.000 tấn), Bình Chánh (12.000 tấn) nhƣng vì

kỹ thuật lạc hậu, thiết bị không đồng bộ nên không đƣợc sử dụng đúng công năng hoặc

bỏ trống [2].

Silo có nhiều ƣu điểm trong lƣu trữ sản phẩm khi so sánh với cách lƣu trữ bằng nhà

kho (bảng 1) [3]

Bảng 1.1. So sánh hiệu quả sử dụng Silo và nhà kho

SỬ DỤNG SILO SỬ DỤNG NHÀ KHO

- Xây dựng nhà kho phải cần có diện tích

đất lớn. Chiếm rất nhiều đất đai.

- Xây dựng Silo không cần diện tích đất so với lƣợng lƣu trử. Tiết kiệm diện tích đất. - Sức chứa 10m2/Tấn.

- Silo chứa khoảng 2m2 / Tấn. - Phát sinh về diện tích đất khi muốn mở

- Không phát sinh về diện tích đất khi rộng lƣợng lƣu trữ.

muốn tăng lƣợng chứa của silo.

- Thời gian bảo quản nông sản loại hạt - Thời gian lƣu trử sản phẩm ngắn, khó

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

2

của silo dài và nhiều và bảo đảm đƣợc bản quản cho sản phẩm tốt đến khi xuất

chất lƣợng không giảm. kho.

- Thời gian lƣu khoảng 3 năm. - Thời gian lƣu trữ trong kho là khoảng 1

năm phải xuất kho.

- Silo có hệ thống bảo quản sẵn, để ngăn chăn sự phá hoại của côn trùng, vi khuẩn (mọt, mối, ẩm mốc…). Sự thất thoát là không có. - Lƣu trữ trong kho sẽ bị côn trùng và vi khuẩn phá hoại là đều không tránh khỏi, sự thiệt hại đó nằm trong khoảng 2 – 6% lƣợng sản phẩm trong kho.

- Thời gian nhập và xuất hàng phải nói là rất lâu, bất tiện. Do cần nhiều nhân công và sức ngƣời. - Thời gian nhập và xuất hàng ra nhanh, có thể vận chuyển trực tiếp tới bến tàu, tiết kiệm thời gian hoàn thành hợp đồng mua bán.

- Do nhiệt độ và độ ẩm luôn thay đổi theo mùa, nên các hạt lƣu trữ trong kho không đƣợc giữ trạng thái ổn định, nhƣ vậy rất khó để bảo quản tính năng và chất lƣợng của hạt theo thời gian. - Silo có hệ thống máy đo và điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm bên trong Silo. Do vậy, không làm thay đổi hoạt tính trong các hạt nông sản, luôn giữ đƣợc chất tƣơi của hạt. Rất thuận tiện việc bảo quản.

- Silo không cần thêm một hệ thống quản - Phải cần một hệ thống quản lý kho, kế lý nào nữa. toán kiểm kê.

- Tỉ lệ nhân công là 1:10 giảm chí phí - Tỉ lệ nhân công 10:1 tăng chi phí nhân nhân công. công, cấp quản lý…

- Silo dựa vào một hệ thống xuất hàng và nguyên tắc của nó nên sự thất thoát trong vận chuyển là không có.

- Kho thì sự thất thoát khi vận chuyển do đổ tháo và kể cả con ngƣời quản lý nó. - Việc lƣu trữ trong kho, có rất nhiều nhƣợc điểm, tăng thời gian lấy lại vốn cho nhà đầu tƣ. - Theo nhƣ tham khảo ở trên việc đầu tƣ Silo sẽ tiết kiệm thời gian hơn và sinh lời hơn cho các nhà đầu tƣ.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

3

Hình 1.1. Mô hình Silo vách trụ

Về mặt cấu tạo và hình dáng, silo thƣờng có dạng vách thẳng và vách trụ. Với các

Silo vách trụ, vách trụ có gợn sóng thƣờng đƣợc sử dụng hơn vách trụ phẳng do nó có độ

cứng theo phƣơng đứng tốt hơn.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

4

Hình 1.2. Hệ thống Silo trong các trạm trộn bê tông

Silo thép dạng vách trụ có kết cấu khá phức tạp, có chiều cao lớn, vách mỏng nên

cần nhiều nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử kết cấu của nó trong môi trƣờng tự nhiên

phức tạp để ngăn ngừa những tai nạn và hƣ hỏng có thể xảy ra, đặc biệt là các đặc trƣng

cơ học của nó cần đƣợc phân tích một cách chính xác.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

5

Hình 1.3. Silo thép với vách trụ có gợn sóng

Trong quá trình hoạt động, các tải trọng chính tác động lên silo là áp lực ngang và

ma sát bề mặt trong của vách do các hạt sản phẩm gây ra. Ngoài ra, với những silo có

chiều cao lớn, còn có thêm sự tác động của tải trọng gió. Với kết cấu vách mỏng, cao

chịu tác động của tải trọng ngang nên bài toán bất ổn định kết cấu silo là bài toán rất quan

trọng và cần những phân tích, Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) [3] (Finite

Element Method - FEM) đƣợc phát triển bởi Alexander Hrennikoff (1941) và Richard

Courant (1942). Cơ sở của phƣơng pháp này là làm rời rạc hóa miền xác định của bài

toán, bằng cách chia nó thành nhiều miền con (phần tử). Các phần tử này đƣợc liên kết

với nhau tại các điểm nút chung. Trong phạm vi mỗi phần tử đại lƣợng cần tìm đƣợc lấy

xấp sỉ trong dạng một hàm đơn giản đƣợc gọi là hàm xấp xỉ (Approximation function) và

các hàm xấp xỉ này đƣợc biểu diễn qua các giá trị của hàm tại các điểm nút trên phần tử.

Các giá trị này đƣợc gọi là bậc tự do của phần tử đƣợc xem là ẩn số cần tìm của bài toán.

Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là phƣơng pháp số phổ biến và có độ chính

xác cao khi đƣợc dùng để phân tích kết cấu, đặc biệt là các bài toán bất ổn định kết cấu.

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của ngành kỹ thuật máy tính đã tạo điều kiện

thuận lợi cho việc ứng dụng các chƣơng trình tính toán mạnh mẽ nhƣ ANSYS hay

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

6

ABAQUS – các chƣơng trình đƣợc xây dựng dựa trên nền tản PP PTHH - để phân tích

ứng xử các kết cấu phức tạp nhƣ kết cấu silo tính toán chính xác trong quá trình thiết kế.

Hình 1.4. Phân tích bất ổn định kết cấu vỏ trụ bằng ANSYS

1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài

1.2.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc

Kết cấu silo đã đƣợc phát triển từ thế kỷ 19, đƣợc sử dụng rất phổ biến trong lĩnh

vực nông nghiệp và công nghiệp tại các nƣớc phát triển. Do vậy, kết cấu này thu hút

đƣợc sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Một số nghiên cứu trong những

năm gần đây:

- Adam J. Sadowski và J. Michael Rotter (2010) [7] đã sử dụng PP PTHH

thông qua chƣơng trình ABAQUS để phân tích bất ổn định cho silo dƣới tác

động của dòng chảy của sản phẩm đƣợc lƣu trữ trong silo. Trong nghiên cứu

này, nhóm tác giả sử dụng tiêu chuẩn Eurocode EN 1991-4 để tính toán tải

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

7

trọng do sản phẩm trong silo tác động lên thành silo. Các kết quả phân tích

bất ổn định của nghiên cứu rất phù hợp với các hiện tƣợng ngoài thực tế.

- Dhanya Rajendran (2014) [8] cùng các cộng sự đã thực hiện đã thực hiện so

sánh khả năng chịu tải trọng ngang của silo đƣợc xây từ bê tông cốt thép và

silo thép. Từ kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả này kết luận silo bê tông cốt

thép có nhiều ƣu điểm hơn so với silo thép.

- Tawanda Mushiri (2014) [9] và các cộng sự đã sử dụng PP PTHH để phân

tích cho kết cấu silo 5.000 tấn chịu tải trọng đơn điệu (monotonic loads), silo

này đƣợc thiết kế để chứa sản phẩm khai thác từ quặng mỏ. Trong nghiên

cứu này, nhóm tác giả đã đạt đƣợc mục tiêu là phân tích đƣợc lực và áp suất

do quặng tác dụng lên silo, nhƣng chƣa đạt đƣợc mục tiêu phân tích bất ổn

định cho silo…

- Yu Xie (2015) [10] đã thực hiện Luận văn thạc sĩ về vấn đề ứng xử của kết

cấu silo, trong đó có ứng xử bất ổn định. Trong nghiên cứu này, tác giả tiến

hành thực nghiệm với một vài mô hình và so sánh với kết quả tính toán từ

chƣơng trình PTHH. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự phù hợp cao giữa PP

PTHH và thực nghiệm.

1.2.2. Nghiên cứu trong nƣớc

Trong thời gian gần đây, kết cấu silo với nhiều tính năng lƣu trữ nổi trội so với các

nhà kho thông thƣờng đã thu hút đƣợc sự chú ý của nhiều công ty sản xuất, của các nhà

khoa học trong nƣớc. Một số công bố trong nƣớc gần đây có liên quan đến kết cấu silo:

- Nguyễn Tƣờng Long (2010) cùng các cộng sự [4] đã nghiên cứu xây dựng

chƣơng trình tính toán silo dùng ANSYS APDL và VISUAL BASIC. Trong

nghiên cứu này, nhóm tác giả xây dựng mối liên kết giữa Visual Basic và

ANSYS APDL để tính toán và thiết kế silo dạng tròn và dạng vuông.

- Nguyễn Văn Cƣơng và Nguyễn Hoài Tân (2014) [5] nghiên cứu tính toán

thiết kế silo tồn trữ cám viên với năng suất 500 tấn. Mục tiêu của nghiên cứu

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

8

này là kiểm tra bền cho kết cấu đã thiết kế và tính toán thông gió bên trong

silo.

- Ngô Quang Hƣng (2016) [6] đã thực hiện nghiên cứu tính toán kết cấu bản

tròn bê tông cốt thép (thƣờng áp dụng cho silo) theo tiêu chuẩn Việt Nam

TCVN 5574:2012.

Thực tế cho thấy rằng trong quá trình sử dụng silo, có nhiều vấn đề cần đƣợc quan

tâm nghiên cứu nhƣ độ biến dạng của silo, khả năng thông thoáng gió trong silo, kết cấu

thành silo… và những nghiên cứu gần đây tại Việt Nam cũng chủ yếu tập trung vào các

vấn đề này mà chƣa có nhiều công bố về vấn đề ổn định kết cấu silo.

1.3. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam nằm trong nhóm những nƣớc xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Theo Bộ

Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng sản lƣợng lúa thu hoạch năm 2016 là 43,6

triệu tấn, tuy nhiên khối lƣợng gạo xuất khẩu chỉ đạt 4,88 triệu tấn. Trong khi đó, hệ

thống lƣu trữ còn thiếu và lạc hậu về kỹ thuật nên gây nhiều khó khăn trong việc lƣu trữ.

Trong bối cảnh này, các kết cấu lƣu trữ silo là giải pháp tối ƣu. Do đó, vấn đề nghiên

cứu, phân tích ứng xử của silo để thiết kế và sản xuất silo phù hợp với hoàn cảnh địa lý

của Việt Nam là cấp bách.

Tại nƣớc ta, tuy có nhiều nghiên cứu về ứng xử bất ổn định tấm mỏng, tấm nhiều

lớp [7-10], nhƣng chủ yếu các nghiên cứu này tập trung phân tích các bài toán mang tính

lý thuyết. Có rất ít những nghiên cứu về ổn định các kết cấu thực tế nhƣ silo đƣợc công

bố trong những năm qua. Do đó, trong Luận văn này, tác giả chọn Đề tài “Phân tích bất

ổn định kết cấu silo vách trụ bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn” dƣới sự hƣớng dẫn của

PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện.

1.4. Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn này đƣợc thực hiện nhằm đáp ứng các mục tiêu sau:

- Mục tiêu 1: Tìm hiểu tổng quan kết cấu silo vách trụ, bao gồm:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

9

 Cấu tạo của silo vách trụ.

 Các phƣơng pháp tính toán áp lực do sản phẩm lƣu trữ tác động lên

vách trong silo.

 Phân tích lựa chọn kết cấu silo phù hợp với khu vực Đồng bằng sông

Cửu Long.

- Mục tiêu 2: Tìm hiểu PP PTHH cho phân tích ứng xử bất ổn định tấm trụ.

 Tìm hiểu các loại phần tử dùng để mô hình cho kết cấu.

 Qui trình phân tích bài toán bất ổn định kết cấu tấm bằng PP PTHH.

- Mục tiêu 3: Nghiên cứu cách sử dụng chƣơng trình ANSYS để phân tích ứng

xử bất ổn định tấm vỏ trụ.

- Mục tiêu 4: Phân tích ảnh hƣởng tỉ lệ L/D đến tải tới hạn của silo.

1.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tƣợng nghiên cứu: Kết cấu silo vách trụ.

- Phạm vi nghiên cứu: Luận văn tập trung phân tích ứng xử bất ổn định của kết cấu

silo vách trụ dƣới tác động của tải trọng ngang.

1.6. Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp số đƣợc phát triển dựa vào các lý thuyết cơ học và liên tục đƣợc kiểm

chứng bởi các kết quả thí nghiệm. Tùy theo từng điều kiện chịu lực của kết cấu, các lý

thuyết tính toán có thể phát huy đƣợc tính ƣu việt của mình một cách thích hợp. Ngoài ra,

ƣu điểm của phƣơng pháp số là tranh thủ đƣợc những tiến bộ khoa học của nhiều nghiên

cứu từ trƣớc tới nay. Những tri thức này liên tục đƣợc bổ sung, tích lũy trong các mô hình

tính toán.

Hiện nay, phƣơng pháp tính toán số đang phát triển rất mạnh, đặt biệt là phƣơng

pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) với sự ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực,

đặc biệt là trong lĩnh vực thiết kế kết cấu thép. PP PTHH có thể dự đoán trƣớc tải tới hạn

cũng nhƣ các dạng bất ổn định của dầm, từ đó giúp quá trình thiết kế đƣợc tới ƣu hơn.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

10

Do đó trong Luận văn này, tác giả sử dụng phƣơng pháp tính toán số, cụ thể là

phƣơng pháp phân tử hữu hạn để phân tích bất ổn định cho kết cấu Silo vách trụ.

1.7. Lợi ích của Đề tài

1.7.1. Lợi ích khoa học

Việc áp dụng các phƣơng pháp số trong tính toán để phân tích các ứng xử cơ học

của kết cấu là một trong những xu hƣớng đang đƣợc các nhà nghiên cứu cũng nhƣ các

nhà kỹ thuật rất quan tâm. Dựa trên các kết quả mô phỏng tính toán, chúng ta có thêm cơ

sở khoa học để đánh giá tính hiệu quả và an toàn của thiết kế, cũng nhƣ đƣa ra đƣợc các

đề xuất cải tiến, tối ƣu hóa kết cấu.

1.7.2. Lợi ích thực tiễn

Việc tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử bất ổn định của kết cấu là rất

tốn kém, đặc biệt là với kết cấu phức tạp nhƣ silo. Vì vậy, việc ứng dụng các phần mềm

tính toán PTHH mạnh mẽ nhƣ: ANSYS, ABAQUS,.. để phân tích ứng xử bất ổn định của

silo có ý nghĩa thực tiễn đặc biệt quan trọng.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

11

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Giới thiệu bài toán bất ổn định

2.1.1. Trạng thái ổn định của kết cấu

Ổn định là tính chất kết cấu giữ nguyên đƣợc:

- Vị trí ban đầu của nó.

- Dạng cân bằng ban đầu trong trạng thái biến dạng tƣơng đƣơng với các tải

trọng tác dụng.

Ổn định là khả năng duy trì hình thức biến dạng ban đầu nếu bị nhiễu. Trong thực

tế, yếu tố nhiễu có thể đƣợc coi là sự sai lệch so với sơ đồ tính toán ban đầu nhƣ độ cong,

sự nghiêng hoặc lệch tâm của lực tác dụng.

Ổn định có 3 dạng, có thể đƣợc minh họa bởi sự cân bằng của viên bi đặt trong mặt

cầu lõm, đặt trong mặt cầu lồi và đặt trên mặt phẳng.

Hình 2.1. Các dạng ổn định

Sau khi cho viên bi ra khỏi vị trí cân bằng ban đầu với một giá trị vô cùng bé, rồi

thả ra, ta nhận thấy:

- Trƣờng hợp thứ nhất: hòn bi dao động quanh vị trí ban đầu, rồi cuối cùng trở

về vị trí cũ. Nhƣ vậy, vị trí này là vị trí cân bằng ổn định. Khi hòn bi lệch

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

12

khỏi vị trí cân bằng ổn định, thế năng của nó tăng lên. Do đó, vị trí hòn bi ở

đáy lõm cầu tƣơng đƣơng thế năng cực tiểu.

- Trƣờng hợp thứ hai: hòn bi không quay trở về vị trí ban đầu mà tiếp tục lăn

xuống phía dƣới. Vị trí này là vị trí cân bằng không ổn định. Khi hòn bi lệch

khỏi vị trí này, thế năng của hòn bi giảm xuống. Do đó, vị trí cân bằng

không ổn định của hòn bi tƣơng ứng với thế năng của hòn bi là cực đại.

- Trƣờng hợp thứ ba: hòn bi không quay về vị trí ban đầu, nhƣng cũng không

chuyển động tiếp tục. Vị trí này gọi là vị trí cân bằng phiếm định. Trong

trƣờng hợp này, thế năng của viên bi là không đổi.

2.1.2. Trạng thái bất ổn định

Bất ổn định là ứng xử của một kết cấu hay một hệ kết cấu đột nhiên bị biến dạng và

lệch ra khỏi mặt phẳng đặt tải. Bất ổn định có thể xảy ra đối với mọi phần tử, có thể là

cột, dầm, khung, tấm…

Bất ổn định đƣợc chia làm nhiều dạng khác nhau: bất ổn định nén, bất ổn định uốn

(Flexural Buckling), bất ổn định xoắn (Torsional Buckling), bất ổn định uốn xoắn đồng

thời (Flexural_Torsional Buckling).

Mọi kết cấu đều chịu đƣợc lực và moment với một giá trị nhất định, vƣợt qua giá trị

đó thanh sẽ bị biến dạng và đƣợc coi là bất ổn định.

Xét một thanh thẳng, dài, mảnh, một đầu ngàm, một đầu chịu nén đúng tâm bởi lực

P nhƣ hình 2.2.

Hình 2.2. Mô hình thanh chịu nén đúng tâm

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

13

Khi có tải trọng ngang (gió, khuyết tật vật liệu hay sự lệch tâm của lực P, …) tác

động vào thanh, thanh sẽ bị nhiễu động. Sự nhiễu động này đƣợc quy thành lực ngang R.

- Khi giá trị của lực P nhỏ, thanh đƣợc gọi là kéo nén đúng tâm. Khi xuất hiện

nhiễu động R thì thanh sẽ cong, tuy nhiên thanh sẽ thẳng trở lại nếu R mất

đi. Trạng thái này đƣợc gọi là trạng thái ổn định của thanh.

- Khi lực P đƣợc tăng dần: R xuất hiện sẽ làm thanh cong, tuy nhiên khi R

triệt tiêu thì thanh vẫn cong, không trở về trạng thái thẳng ban đầu. Trạng

thái này đƣợc gọi là trạng thái bất ổn định của thanh.

Hình 2.3. Các trạng thái của thanh chịu kéo nén đúng tâm

Tồn tại trạng thái trung gian (chuyển tiếp) giữa hai trạng thái ổn định và bất ổn

định: trạng thái tới hạn. Tải trọng tƣơng ứng gọi là tải trọng tới hạn Pth.

Khi xảy ra bất ổn định thì dù chỉ của một thanh trong hệ cũng dẫn tới sự sụp đổ của

toàn bộ kết cấu. Tính chất phá hoại do bất ổn định là đột ngột và nguy hiểm. Vì vậy, khi

thiết kế ngoài điều kiện bền thì thiết kế cần phải đảm bảo cả điều kiện ổn định.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

14

Hình 2.4. Sự nguy hiểm của hiện tƣợng bất ổn định của thanh trong kết cấu thực tế

2.2. Lý thuyết bất ổn định tấm

2.2.1. Phƣơng pháp giải tích

Trong phƣơng pháp này, tải tới hạn đƣợc tính thông qua việc giải phƣơng trình vi

phân của hàm độ võng tấm kết hợp với các dạng điều kiện biên và giả sử rằng không có

lực ngang và lực bản thân. Đồng thời, giả sử rằng tấm bất ổn định ở mức độ nhỏ dƣới tác

dụng của lực đặt vào mặt phẳng trung hòa của tấm và giá trị độ lớn của lực tác dụng phải

giữ cho tấm ở trong biên dạng bất ổn định nhỏ. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chỉ áp dụng

đƣợc đối với một số dạng hàm độ võng.

2.2.2. Lý thuyết tấm cổ điển

Xét mô hình tấm nhƣ hình 2.5 với u là chuyển vị theo phƣơng x, v là chuyển vị theo

phƣơng y và w là chuyển bị theo phƣơng z. Ta có biểu thức của u,v và w nhƣ sau:

(2.1)

(2.2)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

15

(2.3)

Hình 2.5. Mô hình bài toán tấm

Hàm độ võng của tấm đƣợc xác định từ phƣơng trình (2.4):

(2.4)

Với p* là biểu thức tải tổng quát tác động lên tấm nhƣ sau:

(2.5)

Hình 2.6. Điều kiện biên mô hình tấm khảo sát

Xét điều khiện biên với tấm gối tựa 4 cạnh và chịu tải ở hai đầu nhƣ hình 2.6 ta có

đƣợc:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

16

(2.6)

Thế các điều kiện biên, p* vào (2.5). Thức hiện phép biến đổi ta thu đƣợc:

(2.7)

Đây là phƣơng trình chuyển vị của tấm gối tựa hai đầu với tại nén theo trục x.

Giả sử chuyển vị các điểm trên tấm là hàm có dạng sin, cos. Biểu thức chuyển vị

tổng quát của tấm nhƣ sau:

(2.7)

Thay (2.7) vào (2.6), ta đƣợc biểu thức xác định tải tới hạn theo m và n nhƣ sau:

(2.8)

2.2.2.1. Lý thuyết biến dạng cắt bật nhất

Hình 2.7. Mô hình tấm khảo sát

Xét một diện tích vô cùng bé (hình 2.7) của tấm khảo sát có chuyển vị ta có:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

17

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Với . Trong đó là góc xoay quanh các trục x, y.

Hệ phƣơng trình chuyển vị và góc xoay của tấm:

(2.12)

Hình 2.8. Điều kiện biên bài toán

Giả thuyết chuyển vị và góc xoay của từng điểm trên tấm là các hàm sạng sin, cos

nhƣ (2.13):

(2.13)

(2.14)

(2.15)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

18

Điều kiện biên bài toán (hình 2.8) đƣợc mô tả bởi (2.9), (2.10) và (2.11), kết hợp

với hệ (2.12), ta đƣợc:

(2.16)

Trong đó:

Đặt các vị trí trong ma trận của phƣơng trình (2.16) bằng các hệ số C1, C2, C3, C4,

C5 ta thu đƣợc hệ phƣơng trình mới nhƣ sau:

(2.17)

Để phƣơng trình (2.17) có nghiệm không tầm thƣờng thì phải thoả điều kiện sau:

(2.18)

Giải phƣơng trình (2.18), ta thu đƣợc biểu thức tính tải tới hạn:

(2.19)

2.2.3. Phƣơng pháp năng lƣợng - Lý thuyết bất ổn định Ritz cho tấm có gân thẳng

sử dụng hàm lƣợng giác

Phƣơng pháp này hữu dụng trong các trƣờng hợp tấm có sƣờn gia cố hoặc có bề dày

thay đổi. Khi đó, tải tới hạn chỉ tìm đƣợc bằng giá trị xấp xỉ. Trong phƣơng pháp này,

tấm đƣợc giả sử bị ép bởi lực tác dụng lên mặt trung hòa, chịu đựng một vài lực uốn nhỏ

phù hợp với điều kiện biên đƣợc đƣa ra. Cơ sở của phƣơng pháp này dựa trên biểu thức

cần bằng lƣợng uốn và công sinh ra do ngoại lực tác dụng. Nếu công này bé hơn năng

lƣợng biến dạng uốn ở các dạng có thể xảy ra hiện tƣợng bất ổn định ngang, thì dạng cân

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

19

bằng của tấm là ổn định. Ngƣợc lại, nếu công ấy lớn hơn năng lƣợng uốn của một dạng

võng theo phƣơng nào đó thì tấm là mất ổn định. Tải trọng tới hạn thu đƣợc từ phƣơng

trình (2.20) khi tổng năng lƣợng uốn và công do ngoại lực sinh ra bằng không.

Áp dụng phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng:

(2.20)

Với là hàm thế năng toàn phần, đƣợc xác định:

(2.21)

Trong đó: là năng lƣợng biến dạng; là năng lƣợng biến dạng của tấm; là năng

lƣợng biến dạng của gân; là thế năng của tải tác động lên tấm và là thế năng của

tải tác động lên gân. Các đại lƣợng này đƣợc xác định từ các công thức từ (2.22) đến

(2.25).

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Trong đó: (2.26)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

20

Nếu có dạng hàm lƣợng giác nhƣ (2.27)

(2.27)

Trong đó đƣợc gọi là hàm thử, nó đƣợc xác định bởi biểu thức (2.28)

(2.28)

Sau khi thế u3 vào các phƣơng trình trên thì chỉ còn 1 ẩn chƣa biết là Wi. Biến đổi

phƣơng trình bảo toàn năng lƣợng thu đƣợc:

(2.29)

Đối với hệ thống phi tuyến ta có thể viết lại phƣơng trình trên theo dạng ma trận:

(2.30)

Với thành phần các ma trận nhƣ sau:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

21

2.3. Lý thuyết bền

Khi kiểm tra độ bền kết cấu bị kéo nén (trạng thái ứng suất đơn), bị cắt hoặc xoắn

(trƣợt thuần túy), ta có điều kiện sau:

(2.31)

Nếu muốn kiểm tra độ bền kết cấu trạng thái ứng suất phức tạp (phẳng hoặc khối)

thì ta cần có những kết quả thí nghiệm phá hoại những mẫu thử ở trạng thái ứng suất

tƣơng tự, tức là tỉ lệ giữa những ứng suất chính , và của mẫu thử khi bị phá hoại

phải bằng tỉ lệ giữa những ứng suất chính của điểm cần kiểm tra. Việc thực hiện những

thí nghiệm nhƣ thế rất khó khăn và thực tế có khi không thực hiện đƣợc vì:

- Số lƣợng thí nghiệm phải rất nhiều mới đáp ứng đƣợc các tỉ lệ giữa những

ứng suất có thể gặp trong thực tế.

- Trình độ kỹ thuật hiện nay chƣa cho phép thực hiện đƣợc tất cả những thí

nghiệm về trạng thái ứng suất phức tạp, ví dụ trƣờng hợp kéo theo 3 phƣơng

vuông góc nhau.

Ðể đơn giản, ngƣời ta đƣa trạng thái ứng suất phức tạp đang xét về trạng thái

ứng suất đơn tƣơng đƣơng và việc kiểm tra bền sẽ tiến hành đối với trạng thái ứng

suất đơn tƣơng đƣơng này.

Bây giờ ta phải tìm sự liên hệ giữa các ứng suất chính , và với ứng suất

tƣơng đƣơng là nhƣ thế nào. Những giả thuyết cho phép thiết lập sự liên hệ đó gọi là

các lý thuyết bền.

Thuyết bền là những giả thuyết về nguyên nhân cơ bản gây ra trạng thái ứng

suất giới hạn của vật liệu, cho phép ta đánh giá độ bền của vật ở bất kỳ một trạng

thái ứng suất phức tạp nào, nếu biết độ bền của vật liệu đó từ thí nghiệm kéo nén

đúng tâm.

Nghĩa là, với phân tố ở trạng thái ứng suất bất kì có các ứng suất , , ta phải tìm ứng suất tính theo thuyết bền là một hàm của , , rồi so sánh với [ ] hay [ ]

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

22

ở trạng thái ứng suất đơn. Điều kiện bền của vật liệu có thể biểu diễn dƣới dạng tổng quát

nhƣ sau:

(2.32) ( ) [ ] ( ( ) [ ] )

Với hay là ứng suất tính hay ứng suất tƣơng đƣơng. Các ứng suất đƣợc tính

dựa trên hàm f hay tìm đƣợc thuyết bền.

2.4. Phƣơng pháp quy đổi lực tác dụng lên silo

Mô hình đƣợc chọn để tính toán trong Luận văn là mô hình Silo chứa cám đƣợc

thiết kế bởi nhóm nghiên cứu tại trƣờng Đại học Cần Thơ [5]. Quá trình thiết kế dựa trên

chuẩn EuroCode. Đây là tiêu chuẩn đƣợc thiết lập bởi các nƣớc thành viên của khối cộng

đồng châu Âu (EU) nhằm thống nhất các tiêu chuẩn kỹ thuật về kết cấu trong nhiều lĩnh

vực kỹ thuật, trong đó có kết cấu cho việc tính toán, thiết kế và xây dựng silo.

2.4.1. Áp lực do vật liệu chứa tác dụng lên silo

a) Áp lực tác dụng lên phần thân trụ tròn silo

Hình 2.9. Sơ đồ áp lực tác dụng lên thành silo do vật liệu chứa gây ra

- Áp lực theo phƣơng ngang:

(2.33) ( )

- Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến:

(2.34) ( )

- Áp lực theo phƣơng đứng:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

23

(2.35) ( )

- Áp lực theo phƣơng đứng tính toán:

(2.36)

Trong đó:

- : giá trị áp lực tại mức cao nhất h0 tƣơng ứng với vật liệu tiếp

xúc với vách.

-

- A: Diện tích mặt cắt ngang

- U: Nội chu vi tiết diện

- ( )

- z: độ sâu dƣới mặt phẳng tƣơng đƣơng của vật liệu

- k = 0,54: Hệ số áp lực ngang do ảnh hƣởng của vật liệu

- Cb= 1,3: Hệ số khuếch đại lực tại đáy silo

- ( ) ( ) : Hệ số ma sát trên vách đứng (chọn góc ma

sát nghĩ là 22

b) Áp lực táy dụng lên đáy phễu silo:

- Áp lực tác dụng lên vách theo phƣơng pháp tuyến:

(2.37) ( )

Với các thành phần lực:

(2.38) ( )

(2.39)

√

(2.40)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

24

Hình 2.10. Sơ đồ áp lực tác dụng lên đáy phễu silo theo chuẩn EuroCode

- Áp lực tác dụng lên vách silo theo phƣơng tiếp tuyến:

(2.41)

Trong đó:

- x: độ dài giữa 0 

- : Chiều dài phần phễu

- : giá trị áp lực theo phƣơng thẳng đứng tại vị trí mặt chuyển tiếp khi z=zt

2.4.2. Tải gió tác dụng lên silo

Giá trị tiêu chuẩn thành phần tĩnh của tải trọng gió W ở độ cao Z so với mốc tiêu

chuẩn xác định theo công thức:

(2.42)

- W0 - Giá trị áp lực gió lấy theo bản đồ phân vùng (phụ lục D và điều 6.4)

- k - Hệ số tính đến sự thay đổi của áp lực gió thay đổi theo độ cao

- c - Hệ số khí động

Chọn vị trí đặt silo ở Cần thơ. Theo phụ lục D vùng chọn thuộc khu vực II. Địa

hình dạng B là dạng địa hình tƣơng đối trống trải, có vật cản thƣa thớt không quá 10m.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

25

Bảng 2.2.1. Giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng áp lực gió trên lãnh thổ Việt Nam

Vùng áp lực gió trên bản đồ I II III IV V

65 95 125 155 185 Wo (daN/m²)

Bảng 2.2.2. Hệ số k kể đến sự thay đổi áp lực gió theo độ cao và dạng địa hình

Dạng địa hình A B C

Độ cao Z (m)

1,00 0,80 0,47 3

1,07 0,88 0,54 5

1,18 1,24 1,00 1,08 0,66 0,74 10 15

1,29 1,13 0,80 20

1,37 1,22 0,89 30

Hình 2.11. Tính hệ số khí động theo mô hình

2.5. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH)

Ý tƣởng của PP PTHH là chia miền bài toán thành nhiều miền con

gọi là phần tử. Các phần tử này liên kết với nhau tại nút trên biên phần tử. Trong mỗi phần tử, đại

lƣợng cần xác định đƣợc tính gần đúng qua hàm xấp xỉ. Các giá trị này khi tính tại nút sẽ

đƣợc gọi là bậc tự do của nút. Các vị trí khác trong miền xác định không phải là nút

đƣợc xấp xỉ bằng phép nội suy.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

26

2.5.1. Trình tự giải bài toán tĩnh theo PP PTHH

Bƣớc 1: Rời rạc hóa miền khảo sát: Trong bƣớc này, miền khảo sát đƣợc chia

làm các miền con có dạng hình học và vật liệu thích hợp. Với mỗi bài toán cụ thể, tùy

thuộc vào cách mô hình bài toán với các chú ý sau:

- Mức độ yêu cầu kỹ thuật của bài toán: Sự đòi hỏi của các ngành kỹ thuật khác

nhau dựa trên những tiêu chuẩn khác nhau. Trong nhiều trƣờng hợp sự cần có sự

đánh giá phá hủy, các tải trọng động phức tạp.

- Dạng hình học và chi tiết: Trong một mô hình có sẵn, các chi tiết nào có thể đƣợc

bỏ qua chẳng hạn nhƣ các mối hàn, góc lƣợn… Một số trƣờng hợp cơ hệ không

liên tục nhƣ sự thay đổi độ cong của vỏ, các khớp nối. Ở những trƣờng hợp nhƣ

thế này, kinh nghiệm từ các thiết kế trƣớc là rất quan trọng.

- Lựa chọn kiểu phần tử và chọn lƣới: Tùy thuộc vào cách nhìn nhận bài thực tế mà

phần tử có những lựa chọn giữa phần tử khối hay mặt hay phần tử bậc thấp với

bậc cao và kiểu phần tử tứ giác với tam giác (bài toán hai chiều), tứ diện với lục

diện (bài toán ba chiều).

- Mô hình tải và điều kiện biên: Vì phƣơng pháp phần tử hữu hạn lý tƣởng hóa cấu

trúc thực tế nên đôi khi việc mô hình và áp đặt tải gặp khó khăn vì tải và điều kiện

biên phải thể hiện đƣợc cấu trúc thực.

Bƣớc 2: chọn hàm xấp xỉ thích hợp: Vì đại lƣợng cần tìm là chƣa biết, ta giả thiết

dạng hàm xấp xỉ của nó sao cho đơn giản với tính toán nhƣng vẫn thỏa mãn các tiêu

chuẩn hội tụ. Dạng hay gặp là đa thức hoặc hàm lƣợng giác vì tính khả vi của hàm xấp xỉ

và vi phân của nó luôn đƣợc đảm bảo, ta biểu diễn hàm xấp xỉ theo tập hợp giá trị (có thể

là đạo hàm của nó) tại các nút phần tử .

Bƣớc 3: Xây dựng phƣơng trình phần tử: Ở bƣớc này ma trận độ cứng và vec

tơ tải phần tử đƣợc thiết lập trực tiếp hoặc dựa trên các nguyên lý biến phân.

- Kết quả ta thu đƣợc một phƣơng trình viết cho phần tử có dạng:

(2.31)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

27

Bƣớc 4: Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình tƣơng thích ta thu đƣợc hệ:

(2.32)

Trong đó: là ma trận cứng tổng thể; là vec tơ chuyển vị nút tổng thể; là vec

tơ tải tổng thể. Sau khi áp dụng điều kiện biên bài toán, ta thu đƣợc hệ phƣơng trình:

(2.33)

Bƣớc 5: Giải hệ phƣơng trình đại số (2.33). Với bài toán tuyến tính, việc giải hệ

phƣơng trình này không khó khăn. Kết quả tìm đƣợc là chuyển vị tại các nút. Với bài

toán phi tuyến, nghiệm thu đƣợc sau một chuỗi các phép lặp mà trong đó ma trận cứng

trong bài toán phi tuyến vật lý hay vec tơ tải trong bài toán phi tuyến hình học đƣợc cập

nhật liên tục.

Bƣớc 6: Từ tập hợp các kết quả ở bƣớc 5, ta tìm các đại lƣợng còn lại ở tất cả các

phần tử.

Bƣớc 7: Phân tích đánh giá kết quả.

2.5.2. Ví dụ phân tích dầm chịu uốn bằng PP PTHH

Cho một dầm chịu lực nhƣ Hình 2.12. Biết E = 200 GPa, J = 4106 mm4, = 1000

mm, p = 12 kN/m. Xác định góc xoay tại B, C và độ võng tại điểm giữa đoạn BC.

Hình 2.12. Tính dầm chịu uốn bằng phƣơng pháp PTHH

Chia dầm ra 2 phần tử, mỗi phần tử có 2 nút; mỗi nút có 2 bậc tự do (hình 2.9).

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

28

Các chuyển vị: Q1 = Q2= Q3= Q5= 0; cần tìm Q4 và Q6.

Ta có:

Lực phân bố trong đoạn BC đƣợc qui đổi về tại các nút B và C theo công thức:

Áp dụng công thức trên, ta tính đƣợc lực nút qui đổi: F4 = -1000 Nm ;F6 = 1000 Nm

Ghép hai phần tử, ta thu đƣợc ma trận độ cứng chung của dầm

và ta có hệ phƣơng trình

Giải hệ phƣơng trình trên sẽ đƣợc

(Rad)

Đối với phần tử 2: q1 = 0; q2 = Q4; q3 = 0; q4 = Q6. Để xác định độ võng tại điểm

giữa của phần tử 2, ta áp dụng công thức (9.15): v = Hq, tại  = 0

Suy ra:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

29

2.5.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho bài toán bất ổn định

Trong PP PTHH, việc xác định tải tới hạn cho các bài toán bất ổn định đƣợc xây

dựng nhƣ một bài toán tìm trị riêng:

(2.34)

Trong đó:

- là ma trận cứng tổng thể; với phần tử thanh dầm ma trận độ cứng phần tử

đƣợc xác định:

(2.35)

- Trong đó, là module đàn hồi của vật liệu, là moment quán tính của mặt

cắt ngang và là chiều dài của phần tử.

- là ma trận độ cứng hình học, với phần tử thanh dầm, ma trận phần tử

đƣợc xác định:

(2.36)

- Trong đó: là biến dạng dài dọc trục trung hòa và là chiều dài của phần

tử.

- là các trị riêng thứ I.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

30

2.5.4. Phân tích bất ổn định kết cấu bằng chƣơng trình ANSYS

2.5.4.1. Tổng quan về chƣơng trình ANSYS

Ansys là một trong nhiều chƣơng trình phần mềm công nghiệp, sử dụng phƣơng

pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích bài toán vật lý – cơ học, chuyển các phƣơng

trình vi phân, phƣơng trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, với việc sử dụng

phƣơng pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải. Nhờ ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu

hạn, các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt, thủy khí, điện từ, sau khi mô hình hóa và xây

dựng mô hình toán học, cho phép giải chúng với các điều kiện biên cụ thể với số bậc tự

do lớn.

Trong bài toán kết cấu (Stuctural), phần mềm Ansys dùng để giải các bài toán

trƣờng ứng suất – biến dạng, trƣờng nhiệt cho các kết cấu. Giải các bài toán dạng tĩnh,

dao động, cộng hƣởng, bài toán ổn định, bài toán va đập, bài toán tiếp xúc. Các bài toán

đƣợc giải cho các dạng phần tử kết cấu thanh, dầm, 2D và 3D, giải các bài toán với vật

liệu đàn hồi đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo lý tƣởng, dẻo nhớt, đàn nhớt… Ansys cung cấp

trên 200 kiểu phần tử khác nhau. Mỗi kiểu phần tử tƣơng ứng với một dạng bài toán. Khi

chọn một phần tử, bộ lọc sẽ chọn các module tính toán phù hợp, và đƣa ra các yêu cầu về

việc nhập các tham số tƣơng ứng để giải. Đồng thời việc chọn phần tử, Ansys yêu cầu

chọn dạng bài toán riêng cho từng phần tử. Việc tính toán còn phụ thuộc vào dạng vật

liệu.

Mỗi bài toán cần đƣa mô hình vật liệu, cần xác định rõ mô hình là vật liệu đàn hồi

hay dẻo, là vật liệu tuyến tính hay phi tuyến tính, với mỗi vật liệu cần nhập đủ thông số

vật lý của vật liệu. Ansys là phần mềm giải các bài toán bằng phƣơng pháp số, chúng giải

trên mô hình học thực. Vì vậy cần đƣa vào mô hình học đúng. Ansys cho phép xây dựng

các mô hình học 2D và 3D với các kích thƣớc thực hình dáng đơn giản hóa hoặc mô hình

nhƣ vật thật. Ansys có khả năng mô phỏng theo mô hình học với các điểm, đƣờng, diện

tích và mô hình phần tử hữu hạn với các nút và phần tử. Hai dạng mô hình đƣợc trao đổi

và thống nhất với nhau để tính toán. Ansys là phần mềm giải bài toán bằng phƣơng pháp

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

31

phần tử hữu hạn, nên sau khi dựng mô hình hình học, Ansys cho phép chia lƣới phần tử

do ngƣời sử dụng hoặc tự động chia lƣới. Số lƣợng nút và phần tử quyết định đến độ

chính xác của bài toán, nên cần chia lƣới càng nhỏ càng tốt. Nhƣng việc chia lƣới phụ

thuộc năng lực của từng phần mềm.

Để giải một bài toán bằng phần mềm Ansys, cần đƣa các điều kiện ban đầu và điều

kiện biên cho mô hình hình học. Các ràng buộc, các nội lực hoặc ngoại lực (lực, chuyển

vị, nhiệt độ, mật độ) đƣợc đƣa vào tại từng nút, từng phần tử trong mô hình hình học.

Sau khi xác lập đƣợc các điều kiện bài toán, để giải chúng, Ansys cho phép chọn

các dạng bài toán. Khi giải các bài toán phi tuyến, đặt ra vấn đề là sự hội tụ của bài toán.

Ansys cho phép xác lập các bƣớc lặp để giải bài toán lặp với độ chính xác cao. Để theo

dõi bƣớc tính, Ansys cho biểu đồ các bƣớc lặp và hội tụ. Các kết quả tính toán đƣợc ghi

vào file dữ liệu. Việc xuất các dữ liệu đƣợc tính toán và lƣu trữ, Ansys xử lý rất mạnh,

cho phép xuất dữ liệu dƣới dạng đồ thị, ảnh đồ, để có thể quan sát trƣờng ứng suất và

biến dạng, đồng thời cũng cho phép xuất kết quả dƣới dạng bảng số.

2.5.4.2. Trình tự phân tích

- Chọn kiểu phần tử: với các bài toán trong Luận văn, ta chọn kiểu phần tử SHELL.

- Khai báo vật liệu: cần khai báo các tính chất của vật liệu chế tạo vật thể, nhƣ mô

đun đàn hồi, hệ số Poisson, trọng lƣợng riêng, ...

- Xây dựng mô hình hình học: vẽ kết cấu cần khảo sát, bằng cách cho tọa độ từng

điểm trong một hệ trục tọa độ đã đƣợc chọn trƣớc.

- Xây dựng mô hình phần tử: thiết lập kích thƣớc phần tử, cách thức chia lƣới

và tiến hành chia lƣới mô hình.

- Đặt các điều kiện biên: lựa chọn ràng buộc bậc tự do của những nút đặc biệt trong

mối liên kết giữa các phần tử với nhau, các phần tử với giá. Đặt tải trọng tác dụng

lên vật thể khảo sát. Tải trọng có thể là lực tập trung, lực phân bố, mô men, áp

suất.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

32

- Chọn các yêu cầu khi giải bài toán: chọn các thuật toán phù hợp khi giải bài toán,

nhƣ chọn số bƣớc con khi tính, chỉ tiêu hội tụ, cách xuất kết quả vào file dữ liệu,

....

- Xử lý kết quả: kết quả tính toán sau khi chạy chƣơng trình có thể xuất ra dƣới

dạng các giá trị, các đồ thị, các bảng, file dữ liệu. Ứng suất và biến dạng của vật

thể có thể xuất ra dƣới dạng ảnh đồ phân bố trƣờng, cho phép quan sát và nhận

biết đƣợc trƣờng phân bố của các giá trị ứng suất.

2.5.4.3. Các kiểu phần tử đƣợc dùng trong Luận văn

ANSYS là chƣơng trình tính toán mạnh mẽ với thƣ viện phần tử phong phú, gồm

nhiều loại phần tử đƣợc ứng dụng để mô hình cho các bài toán ở nhiều lĩnh vực kỹ thuật

nhƣ kết cấu, nhiệt, lƣu chất… Trong Luận văn này, tác giả sử dụng phần tử SHELL181

để mô hình cho kết cấu Silo vách trụ.

Phần tử SHELL181 là phần tử tấm vỏ có 4 nút với 6 bậc tự do tại mỗi nút, bao gồm

3 bậc tự do chuyển vị và ba bậc tự do góc xoay theo các phƣơng x, y, z. Phần tử này

thƣờng đƣợc dùng để mô hình cho các tấm mỏng và cho kết quả rất tốt với các bài toán

kết cấu thép.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

33

Hình 2.13. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

34

2.6. Qui trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình Ansys Workbench

Hình 2.14. Lƣợt đồ phân tích bất ổn định kết cấu trong ANSYS WB

2.7. Kết luận

Trong chƣơng này, học viên đã giới thiệu khái niệm bài toán bất ổn định kết cấu và

cơ sở lý thuyết để phân tích bài toán này của kết cấu tấm bao gồm lý thuyết cổ điển và

qui trình phân tích bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn thông qua chƣơng trình ANSYS.

Cách thức quy đổi các loại tải trọng tác động lên kết cấu Silo cũng đƣợc trình bày

trong chƣơng này.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

35

Chƣơng 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU SILO BẰNG

ANSYS WORKBENCH

3.1. Phân tích ứng xử kết cấu Silo

Mô hình đƣợc chọn để tính toán trong Luận văn là mô hình Silo chứa cám đƣợc

thiết kế bởi nhóm nghiên cứu tại trƣờng Đại học Cần Thơ [5].

Kích thƣớc Silo 3.1.1.

Hình 3.1. Sơ đồ mô hình Silo [5]

Bảng 3.1. Bảng thông số thiết kế Silo [5]

THÔNG SỐ ĐƠN VỊ KẾT QUẢ

Năng suất chứa của silo tấn 500

Đƣờng kính thiết kế Silo m 8,09

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

36

Đƣờng kính đáy Silo DB m 2,00

Tổng chiều cao Silo m 27,70

Chiều cao phần đáy côn m 6,30

Chiều cao phần nắp silo m 0,83

Chiều dày thành silo mm 10 – 8 – 6

Tốc độ gió chọn thiết kế km/giờ 160

Góc nghiêng của phần đáy độ 26

3.1.2. Thông số vật liệu Silo – vật liệu chứa

Dựa vào đặc tính của vật liệu tồn trữ, tính kết cấu của silo; vật liệu đƣợc chọn để

chế tạo silo là thép tấm CT3 với bề dày khác nhau đƣợc tính toán đảm bảo các điều kiện

bền của silo [5].

Bảng 3.2. Thông số vật liệu của thép CT3 TCVN [5]

Thông số

Kết quả 210.109

Module đàn hồi (N/m2) Khối lƣợng riêng (kg/m3) 7850

Hệ số Poisson 0,3

Giới hạn bền (MPa) 380

Biến dạng dài tƣơng đối (mm) 26

Bảng 3.3. Thông số vật liệu chứa - Cám

Thông số Giá trị

Khối lƣợng riêng (kg/m3) 480

3.1.3. Mô hình phần tử hữu hạn

3.1.3.1. Mô hình hình học

Mô hình hình học của Silo đƣợc mô hình bằng các mặt (surface) trong phần mềm

SolidWork và đƣa vào (import) vào chƣơng trình ANSYS WorkBench để tiến hành xây

dựng mô hình phần tử hữu hạn.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

37

Hình 3.2. Mô hình hình học Silo đƣợc import từ SolidWork vào ANSYS

3.1.3.2. Mô hình phần tử hữu hạn (lƣới)

Do kết cấu Silo là kết cấu thành mỏng nên tác giả lựa chọn phần tử Shell181 để xây

dựng mô hình PTHH. Mô hình Silo đƣợc chia lƣới với 4.260 phần tử và 12.821 node.

Chỉ số Skewnees đƣợc dùng để đánh giá chất lƣợng lƣới phần tử của mô hình. Kết

quả chia lƣới (hình 3.3) cho thấy chỉ số Skewnees lớn nhất là 0,52 và nhỏ nhất là xấp xỉ

0. Với các bài toán phân tích kết cấu, chỉ số Skewnees này hoàn toàn đảm bảo tính chính

xác của kết quả tính toán.

Bảng 3.4. Thông số lƣới mô hình Silo

Thành phần Kết quả

Nodes 12.821

Elements 4.260

Skewnees (max) 0,5212

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

38

Hình 3.3. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của Silo

Hình 3.4. Chỉ số Skewnees của mô hình PTHH của đỉnh Silo

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

39

3.1.4. Phân tích ứng xử Silo dƣới tác động tải trọng tĩnh

3.1.4.1. Điều kiện biên

Trong quá trình hoạt động, để giữ kết cấu cân bằng và ổn định, các chân trụ của

Silo đƣợc ràng buộc tất cả bậc tự do (ngàm) (hình 3.5). Do Luận văn chỉ tập trung phân

tích ứng xử của phần thân Silo nên điều kiện ngàm tại 4 chân trụ đƣợc chuyển thành điều

kiện ngàm tại 4 vị trí tiếp xúc giữa chân và thân (hình 3.6).

Hình 3.5. Kết cấu Silo đang làm việc ngoài công trình

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

40

Hình 3.6. Mô hình điều kiện biên

3.1.4.1. Tải tác động

Theo [5], Silo đƣợc thiết kế để chứa cám, tải trọng thiết kế gồm: tải trọng bản thân,

tải trọng gió, tải trọng do cám tác động lên thành trong của Silo.

a. Tải trọng bản thân

Theo [5], Silo đƣợc chế tạo từ thép CT3 (thông số đƣợc trình bày trong bảng 3.2). Theo TCVN, thép CT3 có trọng lƣợng riêng (Density) là 7850 (kg/m3). Trong ANSYS,

để khai báo tải trọng bản thân, ta chỉ cần khai báo Density cho vật liệu và gia tốc trọng

trƣờng (hình 3.7), chƣơng trình sẽ tự quy đổi thành tải trọng bản thân tại từng nút của mô

hình.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

41

Hình 3.7. Khai báo gia tốc trọng trƣờng

b. Áp lực do cám tác động lên thành trong Silo

Áp lực tác dụng lên silo gồm có áp lực tác dụng lên phần thân silo (trụ tròn), áp lực

tác dụng lên phần đáy Silo (phễu). Áp lực này đƣợc phân tích thành áp lực pháp tuyến và

áp lực tiếp tuyến.

(a) (b)

Hình 3.8. Áp lực do cám tác dụng lên silo

(a) – Hình minh họa áp lực lên phần trụ; (b) – Hình minh họa áp lực lên phần

phễu

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

42

Hình 3.9, hình 3.10 trình bày kết quả đặt áp lực theo phƣơng pháp tuyến lên phần

thân trụ và phần phễu. Các công thức tính áp lực đã đƣợc trình bày trong mục 2.4.

Hình 3.9. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên thân trụ silo

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

43

Hình 3.10. Áp lực theo phƣơng pháp tuyến trên đáy silo

Đối với áp lực theo phƣơng tiếp tuyến, theo công thức tiêu chuẩn EuroCode là

hàm bậc 2. Tuy nhiên ANSYS WORKBENCH không cho phép đặt tải theo hàm. Vì vậy

với các giá trị áp lực tính toán đƣợc chia đoạn và đặt tải trung bình trên các đoạn mặt

đƣợc chia. Xem nhƣ áp lực tại mỗi mặt chia là tuyến tính để giải bài toán gần đúng.

Hình 3.11 Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên thân silo

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

44

Hình 3.12. Áp lực theo phƣơng tiếp tuyến trên đáy silo

c. Tải trọng gió

Theo [5], tải trọng gió đƣợc tính toán theo tiêu chuẩn Eurocode, với tốc độ gió đƣợc

chọn là 160 km/h. Tải trọng gió đƣợc chia thành áp lực theo từng khoảng với đƣờng kính

và bề dày thân trụ.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

45

Hình 3.13. Sơ đồ ứng suất tác dụng lên silo với tốc độ gió 160 km/h theo chuẩn Eurocode [5]

Tuy nhiên, với chƣơng trình ANSYS, tải trọng gió có thể đƣợc khai báo một cách

đơn giản dƣới dạng hàm số theo độ cao của Silo. Do đó, tác giả đã sử dụng TCVN để tính

toán tải trọng gió. Qui trình tính tải trọng gió theo TCVN đã đƣợc trình bày trong mục

2.4.2. của chƣơng 2.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

46

Hình 3.14. Áp lực gió tác dụng lên thân silo

Hình 3.15. Áp lực gió tác dụng lên đáy silo

3.1.4.2. Kết quả phân tích tĩnh

Kết quả ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises đƣợc trình bày trong hình 3.15. Kết quả

cho thấy ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises cực đại là 315 MPa. Giá trị này vẫn nhỏ hơn

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

47

giới hạn bền của vật liệu (380MPa). Do đó, kết cấu Silo đảm bảo điều kiện bền theo

thuyết bền von-Mises.

Hình 3.16. Phân bố trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo

Hình 3.17. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

48

Kết quả chuyển vị tổng đƣợc trình bày trong hình 3.17. Kết quả cho thấy chuyển vị

cực đại của mô hình là 9,56mm. Rõ ràng kết quả chuyển vị cũng thõa mãn điều kiện thiết

kế về chuyển vị (nhỏ hơn 26mm).

3.1.5. Phân tích ứng xử bất ổn định của Silo

3.1.5.1. Điều kiện biên

Điều kiện biên trong bài toán này hoàn toàn tƣơng tự nhƣ điều kiện biên của bài

toán tĩnh.

3.1.5.2. Tải trọng

Để tính toán tải tới hạn bất ổn định và phân tích các dạng bất ổn định tƣơng ứng, tác

giả thay thế các tải trọng thực thành các tải trọng đơn vị.

3.1.5.3. Kết quả

Kết quả 5 tải tới hạn bất ổn định đƣợc trình bày trong bảng 3.5. Tải trọng tới hạn ở

mode 1 là 10.743 N, tuy có lớn hơn tải trọng thực tế tác động vào mô hình nhƣng lớn hơn

không nhiều. Do đó, cần có thêm những cải tiến về mô hình để tăng khả năng an toàn của

kết cấu.

Bảng 3.5. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình

Mode Giá trị lực tới hạn

1 10.743

2 15.260

3 18.479

4 21.361

5 22.113

Kết quả 5 dạng bất ổn định đƣợc trình bày trong các hình từ 3.18 đến 3.22. Vị trí

xảy ra bất ổn định tập trung gần khu vực tiếp giáp phần thân trụ và phần phễu của Silo.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

49

Hình 3.18. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)

Hình 3.19. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

50

Hình 3.20. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)

Hình 3.21. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

51

Hình 3.22. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)

3.2. Phân tích ứng xử kết cấu silo có cải tiến

Các kết quả tính toán trong phần 3.1.4 và 3.1.5 cho thấy ứng uất tƣơng đƣơng von-

Mises cực đại và tải trọng tới hạn bất ổn định ở mode 1 tuy nhỏ hơn các giá trị giới hạn

nhƣng khoảng cách là không lớn.

Với các kết cấu silo bên ngoài thực tế, để tăng khả năng chịu lực, tăng khả năng ổn

định trong quá trình hoạt động, ngƣời ta thƣờng thiết kế thêm các gân. Dựa trên thực tế

này, tác giả cũng mô hình lại bài toán trên nhƣng có thêm và các gân tăng cứng (hình 3.

23). Các gân này cũng đƣợc chế tạo từ thép CT3

Bảng 3.6. Thông số vật liệu và kích thƣớc gân tăng cứng

Thông số Đơn vị Kết quả

Số lƣợng gân tăng cứng 3

Bề dày 5 mm

Chiều cao 50 mm

Vật liệu thép CT3

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

52

Điều kiện biên và tải trọng tƣơng tự nhƣ bài toán đƣợc trình bày trong mục 3.1. Mô

hình phần tử hữu hạn của mô hình cũng đƣợc mô hình tử phần tử Shell181 với 8.894

phần tử và 9.188 nút. Chỉ số Skewnees có giá trị biến thiên từ 0,072 đến 0,65. Mô hình

lƣới này hoàn toàn phù hợp cho phân tích các bài toán kết cấu.

Hình 3.23. Mô hình Silo với 3 gân tăng cứng.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

53

Hình 3.24. Kích thƣớc gân

Hình 3.25. Đánh giá chất lƣợng lƣới qua chỉ số Skewnees

3.2.1. Kết quả phân tích tĩnh

Do đƣợc tăng cƣờng các gân tăng cứng nên ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises cực

đại giảm đi so với trƣờng hợp không có gân. Giá trị cực đại trong trƣờng hợp này là

272,8 MPa, nhỏ hơn giới hạn bền của thép CT3 (380MPa). Kết cấu thỏa điều kiện bền

theo thuyết bền von-Mises.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

54

Hình 3.26. Phân bố Trƣờng ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises trong Silo

Kết quả trƣờng chuyển vị tổng đƣợc trình bày trong hình 3.27. Giá trị cực đại của

chuyển vị tổng là 9,72mm, thỏa mãn điều kiện thiết kế về chuyển vị.

Hình 3.27. Phân bố trƣờng chuyển vị tổng trong Silo

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

55

3.2.2. Kết quả phân tích bất ổn định

Kết quả 5 tải tới hạn bất ổn định đƣợc trình bày trong bảng 3.7. Tải trọng tới hạn ở

mode 1 là 19.652 N. Giá trị này lớn hơn rất nhiều so với giá trị lớn nhất của tải trọng thực

tế. Do đó, kết cấu silo hoàn toàn đảm bảo điều kiện ổn định trong quá trình hoạt động.

Bảng 3.7. Giá trị 5 tải tới hạn bất ổn định của mô hình

Mode Giá trị lực tới hạn

1 19.652

2 22.418

3 28.262

4 29.381

5 30.103

Kết quả 5 dạng bất ổn định đƣợc trình bày trong các hình từ 3.28 đến 3.33. Vị trí

xảy ra bất ổn định tập trung gần khu vực tiếp giáp phần thân trụ và phần phễu của Silo.

Hình 3.28. Dạng bất ổn định 1 (mode 1)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

56

Hình 3.29. Dạng bất ổn định 2 (mode 2)

Hình 3.30. Dạng bất ổn định 3 (mode 3)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

57

Hình 3.31. Dạng bất ổn định 4 (mode 4)

Hình 3.32. Dạng bất ổn định 5 (mode 5)

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

58

3.3. Đánh giá kết quả

Bảng 3.8 trình bày kết quả so sánh các kết quả tính toán về ứng suất, chuyển vị, tải

tới hạn bất ổn định giữa 2 mô hình silo có và không có gân. Cả hai mô hình đều thỏa mãn

các điều kiện về độ bền, độ ổn định nhƣng rõ ràng mô hình silo có gân đáp ứng tốt hơn

các yêu cầu về độ bền, độ ổn định.

Bảng 3.8. Bảng so sánh kết quả giữa 2 mô hình

Thông số Silo không có gân Silo với 3 gân

315 272 Ứng suất von - Meses (MPa)

7,89 6,37 Chuyển vị theo phƣơng x (mm)

8,33 8,46 Chuyển vị theo phƣơng y (mm)

2,77 2,83 Chuyển vị theo phƣơng x (mm)

9,56 9,70 Chuyển vị tổng (mm)

10.743 19.652 Lực tới hạn mode 1

15.260 22.418 Lực tới hạn mode 2

18.479 28.262 Lực tới hạn mode 3

21.361 29.381 Lực tới hạn mode 4

22.113 30.103 Lực tới hạn mode 5

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

59

3.4. Kết luận

Với mục tiêu đề ra, Luận văn đã sử dụng PP PTHH để phân tích ứng xử bất

ổn định kết cấu silo vách trụ thông qua chƣơng trình ANSYS WORKBENCH.

Trong Luận văn đã thực hiện đƣợc :

- Nghiên cứu các lý thuyết tính toán bất ổn định tấm mỏng, đặc biệt là lý

thuyết và quy trình tính toán bất ổn định tấm bằng phƣơng pháp phần tử

hữu hạn.

- Nghiên cứu các lý thuyết tính toán tải trọng do vật chứa tác dụng lên Silo

theo tiêu chuẩn Eurocode và tải trọng gió theo TCVN.

- Áp dụng ANSYS phân tích ứng xử của hai mô hình Silo có gân và không

có gân. Mô hình đƣợc chọn để phân tích trong Luận văn là mô hình tham

khảo theo Nguyễn Văn Cƣơng [5], đây là mô hình đã đƣợc thiết kế hoàn

chỉnh. Các kết quả phân tích cho thấy kết cấu silo theo [5] hoàn toàn đáp

ứng yêu cầu về sức bền. Tuy nhiên khi xét về khả năng ổn định thì kết cấu

tuy đảm bảo nhƣng hệ số an toàn chƣa cao. Để tăng hệ số an toàn, mô

hình cần đƣợc bố trí thêm các gân. Các kết quả phân tích cho thấy Silo có

gân thì đảm bảo tốt hơn các điều kiện về độ bền, độ ổn định trong quá

trình Silo hoạt động.

Những điểm chƣa thực hiện đƣợc:

- Luận văn mới phân tích đƣợc bài toán bất ổn định tuyến tính của silo,

chƣa đi vào phân tích bài toán bất ổn định phi tuyến.

- Mô hình tính toán có độ phức tạp chƣa cao.

- Chƣa khảo sát đƣợc ảnh hƣởng của tỉ lệ chiều cao và đƣờng kính silo đến

khả năng chịu lực của silo.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

60

3.5. Kiến nghị

Từ các kết quả của Luận văn, tác giả có một vài kiến nghị:

- Ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp số là cho phép giảm rất nhiều chi phí so

với việc sử dụng phƣơng pháp thực nghiệm với nhiều mẫu thử. Do đó, chúng

ta nên mạnh dạn áp dụng các phƣơng pháp số vào các bài toán truyền thống.

- Việc đơn giản hóa mô hình trong quá trình mô phỏng số là rất quan trọng.

Nó giúp chúng ta tiết kiệm đƣợc thời gian và tài nguyên máy tính.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Bùi Song Cầu. Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống silo bảo quản các hạt

nông sản xuất khẩu qui mô 200 - 300 tấn. Hội thảo "nghiên cứu công nghệ và

silo bảo quản các nông sản xuất khẩu", Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí

Minh, 2003.

[2]. http://www.thesaigontimes.vn/42580/Khong-the-thieu-si-lo-vao-luc-nay.html

[3]. Chu Quốc Thắng. Phương pháp phần tử hữu hạn. NXB khoa học và kỹ thuật –

1997.

[4]. Nguyễn Tƣờng Long, Trần Thái Dƣơng, Cao Nhân Tiến, Nguyễn Công Đạt,

Nguyễn Thái Hiền. Xây dựng chương trình tính toán silo dùng Apdl và Visual

Basic. Tạp chí phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 13, số K5 – 2010.

[5]. Nguyễn Văn Cƣơng và Nguyễn Hoài Tân. Tính toán thiết kế silo tồn trữ cám

viên năng suất 500 tấn. Tạp chí khoa học trƣờng Đại học Cần Thơ, số 30,

2014.

[6]. Ngô Quang Hƣng. Tính toán và cấu tạo bản tròn bê tông cốt thép theo TCVN

5574:2012. Tạp chí KHCN Xây dựng, số 3 – 2016.

[7]. Hoàng Xuân Lƣợng, Nguyễn Lê Sinh, Phan Anh Tuấn. Xây dựng phương pháp

phần tử hữu hạn tính vỏ có gân tăng cường chịu áp lực cao. Tuyển tập Công

trình Khoa học Hội nghị Khoa học toàn quốc về Cơ học Kỹ thuật - 2001, tr.

122-128.

[8]. Nguyễn Thị Hiền Lƣơng, Nguyễn Hải, Huỳnh Quốc Hùng. Nghiên cứu ổn định

động tấm mỏng bằng phương pháp độ cứng động lực. Hội nghị Khoa học toàn

quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ X, Thái Nguyên, 2010.

[9]. Nguyễn Trung Quang. Phân tích kết cấu tấm nhiều lớp dùng lý thuyết biến

dạng cắt bậc 3 bằng phần tử MITC3+. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Sƣ

Phạm Kỹ Thuật TP. HCM, 2016.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

62

[10]. Trƣơng Đức Thái. Phân tích kết cấu tấm nhiều lớp dùng lý thuyết biến dạng cắt

bậc 3 bằng phần tử MITC3. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Đại học Sƣ Phạm Kỹ

Thuật TP. HCM, 2016.

Tiếng Anh

[11]. Adam J. Sadowski, J. Michael Rotter. A study of buckling in steel silos under

eccentric discharge flows of stored solids. ASCE Journal of Engineering

Mechanics, 136(6), 769-776, 2010.

[12]. Dhanya Rajendran and Mr. Unni Kartha. Comparison of lateral analysis of

Reinforced concrete and steel silo. International Journal Of Civil Engineering

And Technology (Ijciet), 2014.

[13]. Tawanda Mushiri, Kelvin Tengende, Talon Garikayi. Finite Element Analysis

Of Rom Silo Subjected To 5000 Tons Monotonic Loads At An Anonymous Mine

In Zimbabwe. International Conference on challenges in IT, Engineering and

Technology (ICCIET’2014) Conference Proceeding, 2014.

[14]. Yu Xie. Structural Behaviour Of Grain Bin Steel Silo. Master thesis, 2015,

Windsor university.

[15]. Reddy J. N., Khdeir A. A.,. Buckling and vibration of laminated plates using

various plate theories. AIAA Journal, 27, (1989), 1808-1817.

[16]. Michael Bak. Nonlinear Buckling Analysis Using Workbench v15. Course of

ANSYS, 2014.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

63

PHỤ LỤC

I. Quy trình giải bài toán bất ổn định bằng chƣơng trình ANSYS WORKBENCH:

Gồm 2 bƣớc.

- Bƣớc 1: Giải bài toán tĩnh.

- Bƣớc 2: Sử dụng kết quả của bài toán tĩnh trong bƣớc 1 để phân tích tìm tải

tới hạn cũng nhƣ dự đoán các mode bất ổn định tƣơng ứng.

1. Bài toán tổng quát

Với mỗi bài toán cụ thể đều có phƣơng pháp giải khác nhau tùy vào các điều kiện

mà bài toán đƣa ra, vì thế mỗi bài toán sẽ có một đặc trƣng riêng nhƣng trình tự để giải

một bài toán trong ANSYS 17 gần nhƣ là giống nhau về mặt tổng quát, đều phải qua các

trình tự cụ thể có liên quan chặt chẽ và quyết định lẫn nhau.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

64

Đối với một bài toán cụ thể, đều phải thực hiện các trình tự giải trên và đòi hỏi sự

chính xác, thống nhất với nhau. Các bƣớc giải một bài toán cụ thể đều đƣợc phần mềm

thể hiện dƣới dạng thƣ mục cây (Tree Outline) giúp chúng ta có thể định hƣớng, trực

quan về bài giải, về vị trí các bƣớc trong hệ thống một bài giải. Chúng ta có thể thay đổi

các thông số hay những điều kiện trong một bƣớc giải vào bất cứ lúc nào trong quá trình

giải theo ý muốn. Tất cả đều đƣợc phần mềm cập nhật và giải lại theo những thông số

mới. Vì vậy sẽ rất thuận tiện trong quá trình nghiên cứu lựa chọn phƣơng án nào là thích

hợp nhất.

Chọn hệ thống phân tích Thiết lập các thuộc tính vật liệu

Xây dựng mô hình hình học

Thiết lập mô hình PTHH

Thiết lập điều kiện biên, tải tác động

Xử lý và xem kết quả

Giải, phân tích

Hình 1. Trình tự giải một bài toán trong ANSYS

2. Bài toán tĩnh

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

65

Đối với bài toán cơ học dạng tĩnh tức là phân tích vật thể ở trạng thái đứng yên dƣới

sự tác động của tải trọng, lực hay moment lực. ANSYS sẽ phân tích bài toán và cho thấy

đƣợc trạng thái ứng suất, biến dạng của chi tiết... Cũng có thể ứng dụng để kiểm tra độ

bền của các kết cấu, tìm ra ứng suất tại từng vị trí, tại vị trí nào chịu ứng suất lớn nhất và

mô phỏng sự biến dạng của chi tiết. Để phân tích một bài toán kết cấu dạng tĩnh (Static

Structural), phải thực hiện các bƣớc sau:

- Engineering Data: Lựa chọn và thiết lập các thông số vật liệu

- Geometry: Xây dựng mô hình hình học

- Model: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn (PTHH)

- Set up: Đặt các ràng buộc và tải

- Solution: Phân tích

- Results: Kết quả phân tích

Hình 2. Trình tự giải một bài toán tĩnh trong ANSYS WORKBENCH

2.1. Engineering Data: Lựa chọn và thiết lập các thông số vật liệu.

Kết quả phân tích của bài toán sẽ phụ thuộc vào loại vật liệu. Vì vậy khi giải bài toán

với ANSYS cần phải xác lập đúng những thông số vật lý của vật liệu nhƣ mô đun đàn

hồi, hệ số Poisson... ANSYS 17 cung cấp thƣ viện vật liệu khá đầy đủ, ngoài ra đối với

từng vật liệu còn có thể thay đổi các thông số vật lý sao cho phù họp với điều kiện bài

toán. Nhấp đúp chuột vào Engineering Data sẽ xuất hiện thƣ viện vật liệu của phần mềm.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

66

Công việc của ngƣời sử dụng là lựa chọn những vật liệu từ thƣ viện vật liệu có sẵn của

phần mềm hoặc tạo ra thƣ viện vật liệu mới, trong đó thiết lập các thông số vật lý cho

thuộc tính của vật liệu sao cho phù họp với yêu cầu mà bài toán đƣa ra nhƣ mô đun đàn

hồi E hay hệ số Poisson V, và tải về cho bài toán chờ sử dụng trong khi giải ở các bƣớc

sau.

Sau khi đƣa về cho bài toán những vật liệu cần thiết, sẽ gán vật liệu cho chi tiết hoặc

từng bộ phận khác nhau, riêng rẽ của chi tiết với mục đích cuối cùng là mô tả chi tiết và

kết cấu một cách chính xác về vật liệu sử dụng. Tiến hành thiết lập vật liệu cho chi tiết

bằng cách thao tác với thƣ mục Model\Geometry trong môi trƣờng Mechanical (môi

trƣờng sẽ xuất hiện ở bƣớc 3: Model).

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

67

Hình 3. Khai báo vật liệu thép trong ANSYS WORKBENCH

Đối với mỗi bộ phận hay khối riêng rẽ trong chi tiết (Solid, Surface, Line), chọn vật

liệu tại hộp thoại Details of “Solid (Surface, Line)”\Material\Assignment và chọn vật liệu

trong số những vật liệu đã tải về từ bƣớc Engineering Data.

2.2. Bƣớc 2. Geometry: Xây dựng mô hình hình học

Sau khi hoàn thành bƣớc đầu tiên về chọn và cài đặt các thông số vật liệu, tiến hành

xây dựng mô hình hình học của bài toán hoặc kết cấu.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

68

Trƣớc tiên, phải chọn kiểu mô hình hình học sắp xây dựng có thể là dạng Line

Bodies, Solid, 2D, 3D... Cách thao tác: nhấp chuột phải vào Geometry trong Static

Structural và chọn New SpaceClaim Geometry.

Trong bài toán này, để chia lƣới mô hình ta dùng SHELL181 cho hệ khung, và

BEAM188 cho đòn tay. Do đó, sau khi xây dựng các line cho đòn tay, ta phải xây dựng

thêm Beam Profiles để add cho các line nhằm chuẩn bị cho việc chia lƣới trong bƣớc 3.

Chọn new để mở một SpaceClain mới.

Hình 4. Tạo new SpaceClaim để xây dựng mô hình hình học

2.3. Bƣớc 3. Model: Xây dựng mô hình PTHH (chia lƣới mô hình)

Sau khi xây dựng xong mô hình hình học cho bài toán, tiến hành chia lƣới phần tử

cho mô hình vừa tạo ra đế phần mềm có thể phân tích trên từng phần tử và đƣa ra kết quả

chính xác nhất cho bài toán. Việc chia lƣới càng chặt chẽ, số lƣợng phần tử sau khi chia

lƣới có kích thƣớc hợp lý thì bài toán phân tích càng chính xác.

Nhấp đúp chuột vào ô Model, phần mềm sẽ tự động xuất hiện môi trƣờng làm việc

mới đó là Mechanical.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

69

Hình 5. Giao diện Mechanical

Trong giao diện Mechanical có 4 vùng chính:

- Thanh công cụ ở phía trên của hộp thoại Mechanical.

- Outline: Thứ tự các bƣớc thực hiện bài toán đƣợc trình bày dƣới dạng cây.

- Details View: Chi tiết cho bƣớc đang thực hiện.

- Graphics: Nơi mô phỏng bài toán, thể hiện tải, các ràng buộc.

Ở hộp thoại Outline, phần mềm thể hiện các bƣớc phải thực hiện thành dạng cây thƣ

mục.

Trong Model có 4 bƣớc con:

- Geometry: Mô tả dạng hình học và thiết lập vật liệu cho từng phần của chi

tiết.

- Coordinate System: Hệ tọa độ (theo mặc định).

- Conections: Liên kết (thể hiện sự liên kết giữa các phần tử của kết cấu). Chỉ

thực hiện bƣớc Conections ở những chi tiết phân tích đƣợc tạo thành từ

những phần (Part) riêng rẽ khác nhau nhiều. ANSYS WORKBENCH 17.2 sẽ

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

70

tự động bắt part tiếp xúc với nhau. Mô hình bài toán của luận văn có 551

part tiếp xúc với nhau.

- Mesh: Chia lƣới phần tử. Trong ANSYS WORKBENCH 17.2 hỗ trợ rất

nhiều phƣơng pháp chia lƣới. Để lựa chọn phƣơng pháp chia lƣới, ta click

chuột phải vào menu Mesh (thanh outline bên trái màn hình) rồi đƣa chuột

vào menu Insert để chọn. Bài toán của luận văn có sử dụng phần tử SHELL

nên ta chọn phƣơng pháp chia lƣới là Face sizing. Sau khi chọn phƣơng

pháp chia lƣới, ta chuyển xuống cửa sổ Details of “Face sizing” để thiết lập

việc chia lƣới, cụ thể, ta cần chọn các mặt đƣợc chia theo phƣơng pháp Face

sizing, ví dụ nhƣ mô hình của luận văn có 2288 mặt cần chia, và chọn

phƣơng pháp chia là quadrilaterals (hình tứ giác). Cuối cùng, ta click

chuột phải vào Mesh -> Generate Mesh để hoàn tất việc chia lƣới.

Hình 6. Cách chọn phƣơng pháp chia lƣới trong ANSYS WORKBENCH

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

71

Hình 7. Thiết lập chia lƣới

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

72

Hình 8. Cách chia lƣới trong ANSYS WORKBENCH

2.4. Set up: Đặt các ràng buộc về chuyển vị và đặt tải

Trong thanh outline, ta bấm chuột phải vào menu Static Structural, chọn Insert để

thiết lập các điều kiện biên, hoặc tải. Trong đó:

- Acceleration: Khai báo gia tốc.

- Standard Earth Gravity: Khai báo gia tốc trọng trƣờng.

- Force, Moment: Khai báo lực, moment.

- Fixed support:

- Displacement: Khai báo các ràng buộc về chuyển vị …

2.5. Solution. Phân tích

Trong thanh Outline, ta bấm chuột phải vào menu Solution (A6), chọn Insert để

thiết lập các điều kiện biên, hoặc tải. Trong đó:

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

73

- Stress tool: Các công cụ phân tích ứng suất.

- Deformation: Các công cụ tính chuyển vị.

 Total: Tính chuyển vị tổng

 Directional: Tính chuyển vị theo các phƣơng x, y, z.

- Strain: Phân tích biến dạng: Biến dạng tƣơng đƣơng von-Mises, các biến

dạng chính.

- Stress: Phân tích ứng suất: ứng suất tƣơng đƣơng von-Mises, các ứng suất

chính.

Sau khi đã thiết lập các đại lƣợng cần phân tích, ta nhấn chuột trái vào menu Solve

trên thanh công cụ

Hình 9. Giải bài toán

3. Bài toán bất ổn định

Khi có kết quả phân tích tĩnh, ta chuyển sang bài toán phân tích bất ổn định cho kết

cấu. Trong cửa sổ Project, từ thanh Toolbox ta chọn menu Eigenvalue Buckling.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

74

Hình 10. Chọn module phân tích bất ổn định

Sau khi tạo module phân tích bất ổn định, ta chuyển dữ liệu từ module bài toán tĩnh

(Static Structural) bao gồm: thuộc tính vật liệu, mô hình hình học, mô hình PTHH và kết

quả ứng suất, biến dạng sang module phân tích bất ổn định (Eigenvalue Buckling).

Hình 11. Truyền dữ liệu từ bài toán tĩnh sang bài toán phân tích bất ổn định

Trên module Eigenvalue Buckling, ta chọn menu Setup để thiết lập bài toán phân

tích bất ổn định. Giao diện hiện ra vẫn là giao diện của Mechanical nhƣng có thêm phần

phân tích Bất ổn định.

- Bƣớc 1: Nhập số mode cần dự đoán: Trên cây Outline, ta chọn menu

Eigenvalue Buckling (B5), tiếp tục chọn Analysis Settings.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng

75

Hình 12. Nhập số Mode cần dự đoán là 2.

- Bƣớc 2: Thiết lập các kết quả cần phân tích: Chuyển vị tổng, ứng suất tƣơng

đƣơng và biến dạng tổng. Để thiết lập, trong cây outline ta chọn Solutiong

(B6) rồi insert các đại lƣợng cần phân tích.

Sau khi thiết lập các bƣớc 1 và 2 nhƣ trên, ta chọn menu solve trên thanh công cụ.

Sau khi giải, ta có kết quả.

GVHD: PGS. TS. Trƣơng Tích Thiện HVTH: Hà Phƣớc Cƣờng