Thiết bị tiêu tán năng lượng - Giảm dao động: Phần 1

Chia sẻ: Hoa La Hoa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:173

Thêm vào BST

Báo xấu

159
lượt xem 38
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Giảm dao động bằng thiết bị tiêu tán năng lượng của tác giả Nguyễn Đông Anh và Lã Đức Việt giới thiệu đến bạn đọc một số cơ sở khoa học và công nghệ của các lĩnh vực như: Cơ khí chế tạo máy, việc sửa chữa gia cố các công trình DK trên biển, công nghiệp tự động hóa trong ngành cơ khí, công nghiệp dầu khí,.... Tài liệu gồm 8 chương, được chia thành 2 phần. Phần 1 giới thiệu đến bạn đọc nội dung từ chương I đến chương IV về cơ sở lý thuyết, quá trình TTNL của vật liệu, TBTTNL lắp trong, ứng dụng của TBTTNL lắp trong.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết bị tiêu tán năng lượng - Giảm dao động: Phần 1

Mục lục Trang Lời giới thiệu Mục lục i Lời nói đầu 1 Các ký hiệu viết tắt 4 Mở đầu 5 1. Yêu cầu giảm dao động và va chạm có hại 5 2. Phương pháp sử dụng các TBTTNL 6 3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các TBTTNL 8 4. Mục đích và nội dung của chuyên khảo 10 Chương I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 1.1 Giới thiệu 12 1.2. Dao động của hệ tuyến tính 1 bậc tự do 12 1.2.1. Tải va chạm 12 1.2.2. Tải sóng, gió 15 1.2.3. Tải gia tốc nền 19 1.3. Các giải pháp chính để giảm dao động 20 1.3.1. Các giải pháp về hình học 20 1.3.2. Các giải pháp về kết cấu 21 1.3.3. Giải pháp cách ly nền 21 1.3.4. Giải pháp sử dụng các TBTTNL 22 1.3.5. Giải pháp điều khiển tích cực, nửa tích cực 24 1.3.6. Tóm tắt về các giải pháp giảm dao động 26
ii 1.4. Các TBTTNL 27 1.4.1. Đặc trưng của thiết bị 27 1.4.2. Các đặc trưng tuyến tính hóa 28 1.5. Hệ nhiều bậc tự do 30 1.5.1. Các công thức chung 30 1.5.2. Các dạng riêng không cản 32 1.5.3. Các dạng riêng có cản 37 1.6. Trường hợp kích động ngẫu nhiên 41 1.6.1. Ma trận tương quan và mômen bậc 2 42 1.6.2. Kích động ngẫu nhiên dừng 43 Chương II. QUÁ TRÌNH TTNL CỦA VẬT LIỆU 49 2.1. Sự TTNL qua tính dẻo của vật rắn 49 2.2. Sự TTNL qua ma sát khô giữa các bề mặt 53 2.3. Sự TTNL qua tính đàn nhớt của vật rắn 54 2.3.1. Môđun tích trữ và môđun tiêu tán 54 2.3.2. Đo môđun tích trữ và môđun tiêu tán 57 2.3.3. Sự phụ thuộc vào tần số 58 2.3.4. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ và biến dạng 64 2.4. Sự TTNL qua tính nhớt của chất lỏng 64 2.4.1. Mô hình chất lỏng lý tưởng không nén được 66 2.4.2. Mô hình chất lỏng nhớt Newton 67 2.4.3. Mô hình chất lỏng phi newton 68 Chương III. TBTTNL LẮP TRONG 69 3.1. TBTTNL kim loại BRB 69 3.2. TBTTNL kim loại dạng bản thép 73 3.3. TBTTNL ma sát dạng Pall 77
iii 3.4. TBTTNL ma sát qua chuyển động quay 82 3.5. TBTTNL kim loại và ma sát dạng một trục 84 3.6. TBTTNL đàn nhớt 85 3.7. TBTTNL dạng vách cản nhớt 93 3.8. TBTTNL chất lỏng nhớt dạng khe van 97 3.9. Một số nhận xét 105 Chương IV. ỨNG DỤNG CỦA TBTTNL LẮP TRONG 107 4.1. Ứng dụng của TBTTNL kim loại 107 4.2. Ứng dụng của TBTTNL ma sát 110 4.3. Ứng dụng của TBTTNL đàn nhớt 113 4.4. Ứng dụng thực tế TBTTNL chất lỏng nhớt 115 4.4.1. Giảm dao động cho mái sân vận động 115 4.4.2. Giảm dao động cho nhà cao tầng 117 4.4.3. Lắp đặt TBTTNL vào kết cấu dạng khung 119 4.4.4. Lắp đặt TBTTNL cho cầu Thiên niên kỷ 121 4.4.5. Lắp đặt TBTTNL chất lỏng nhớt cho cầu 123 4.4.6. TBTTNL cản nhớt lắp đặt cho hệ đường ống 125 4.4.7. Ứng dụng của thiết bị dạng vách cản nhớt 126 4.5. Hãm các vật chuyển động bằng TBTTNL chất 127 lỏng nhớt 4.6. Thử nghiệm TBTTNL chất lỏng nhớt giảm dao 132 động của cáp cầu dây văng tại Việt Nam 4.6.1. Dao động của cáp có gắn TBTTNL chất lỏng nhớt 134 4.6.2. Cầu dây văng Ngòi Lằn và cầu dây văng Bến Cốc 142 4.6.3. Chế tạo và kiểm tra các TBTTNL 145 4.6.4. Nghiên cứu thí nghiệm trên các mô hình thu nhỏ 149 4.6.5. Đo đạc tại hiện trường cầu Bến Cốc có gắn 153 TBTTNL
iv Chương V. TBTTNL KHỐI LƯỢNG TMD 165 5.1. Giới thiệu 165 5.2. Phương pháp giải tích chọn tham số tối ưu của 167 TMD khi hệ chính không cản có 1 bậc tự do 5.2.1. Phương trình chuyển động của hệ con lắc - lò xo 168 5.2.2. Phương pháp điểm cố định 172 5.2.3. Phương pháp cực tiểu mômen bậc 2 178 5.2.4. Phương pháp cân bằng cực 179 5.2.5. Phương pháp cực đại độ cản tương đương 183 5.2.6. Phương pháp cực tiểu sai số bình phương 184 5.3. Hệ khối lượng - lò xo chịu kích động trực tiếp 186 5.3.1. Phương pháp điểm cố định 188 5.3.2. Phương pháp cực tiểu mômen bậc 2 191 5.3.3. Phương pháp cân bằng cực 193 5.3.4. Phương pháp cực đại độ cản tương đương 193 5.3.5. Phương pháp cực tiểu sai số bình phương 194 5.3.6. Các ví dụ 195 5.4. Hệ khối lượng - lò xo chịu tải gia tốc nền 200 5.4.1. Phương pháp điểm cố định 201 5.4.2. Phương pháp cực tiểu mômen bậc 2 202 5.4.3. Phương pháp cân bằng cực và cực tiểu sai số 203 bình phương 5.4.4. Phương pháp cực đại độ cản tương đương 203 5.4.5. Các ví dụ 203 5.5. Hệ chính dạng con lắc thuận 206 5.5.1. Phương pháp điểm cố định 208 5.5.2. Phương pháp cực đại độ cản tương đương 209 5.5.3. Phương pháp cân bằng cực 210
v 5.5.4. Các ví dụ 211 5.6. Hệ chính dạng con lắc ngược 217 5.7. Công thức kinh nghiệm cho hệ một bậc tự do có 222 cản yếu 5.7.1. Cực tiểu đỉnh của phổ đáp ứng 222 5.7.2. Các phương pháp khác 224 5.7.3. Ví dụ 225 5.8. Thiết kế TMD cho dạng riêng thứ nhất của hệ 226 nhiều bậc tự do 5.8.1 Phương trình chuyển động 226 5.8.2. Thiết kế TMD 228 5.8.3. Ví dụ 231 5.9. Khảo sát ảnh hưởng của các sai số 233 5.9.1. Điều kiện ổn định 233 5.9.2. Ảnh hưởng của sai số đến hiệu quả giảm dao động 237 5.10. Kết luận chung 242 Chương VI. ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ TMD 243 6.1. Mô hình thiết bị TMD lắp đặt vào kết cấu 243 6.1.1. TMD chuyển động tịnh tiến giảm dao động ngang 243 6.1.2. TMD chuyển động trên mặt cong 244 6.1.3. TMD dạng con lắc 245 6.1.4. TMD dạng tịnh tiến giảm dao động thẳng đứng 247 6.2. Những ví dụ lắp đặt TMD trong thực tế 249 6.2.1. TMD dạng chuyển động theo 2 hướng trực giao 249 6.2.2. TMD dạng chuyển động tịnh tiến trên đệm cao su 251 6.2.3. TMD chuyển động cong 252 6.2.4. TMD dạng con lắc đơn 253
vi 6.2.5. TMD dạng con lắc nhiều tầng 256 6.2.6. TMD là một bộ phận của kết cấu 257 6.2.7. TMD dạng con lắc cho các kết cấu mảnh 258 6.2.8. TMD giảm dao động của cầu 260 6.2.9. TMD dạng con lắc giảm dao động cho tháp cầu 264 6.3. Một số nghiên cứu về TBTTNL TMD tại Việt Nam 267 6.3.1. Dao động của công trình biển 267 6.3.2. Các nghiên cứu lý thuyết về giải pháp giảm dao 271 động bằng TBTTNL 6.3.3. Những nghiên cứu thực nghiệm về giải pháp 281 giảm dao động bằng các TBTTNL Chương VII. TBTTNL CHẤT LỎNG 293 7.1. Giới thiệu 293 7.2. Chuyển động sóng sánh trong bình chứa hình 295 chữ nhật 7.2.1. Các phương trình cơ bản trong trường hợp 2 chiều 296 7.2.2. Trường hợp tuyến tính 299 7.2.3. Sự tương đương cơ học giữa TSD và TMD 303 7.2.4. Trường hợp sóng tuyến tính 3 chiều 306 7.2.5. Trường hợp phi tuyến 308 7.3. Chuyển động sóng sánh trong bình chứa hình trụ 311 7.3.1. Các phương trình cơ bản 311 7.3.2. Trường hợp tuyến tính 313 7.3.3. Mô hình TMD tương đương 317 7.3.4. Trường hợp phi tuyến 320 7.4. Sự tiêu tán năng lượng trong chuyển động sóng sánh 321 7.4.1. Tiêu tán năng lượng do nhớt 322 7.4.2. Tiêu tán năng lượng do va đập với màng ngăn 323
vii 7.5. Thiết bị TLCD 325 7.6. Một số vấn đề thực tế khi thiết kế TSD 327 7.6.1. So sánh TMD và TSD 327 7.6.2. Những hạn chế khi thiết kế TSD 327 7.7. Áp dụng thực tế 329 7.8. Kết luận chung 336 Chương VIII . CÁC PHẦN TỬ TTNL TRONG 337 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 8.1. Đặt vấn đề 337 8.2. Hệ tọa độ địa phương và các bậc tự do 338 8.3. Các công thức phần tử hữu hạn 339 8.3.1. Phương pháp phần dư có trọng 340 8.3.2. Hàm dạng 343 8.4. Một số phần tử đàn hồi liên tục 345 8.4.1. Phần tử dàn 346 8.4.2. Phần tử dầm phẳng Euler-Becnuli 347 8.4.3. Phần tử cáp thẳng 350 8.4.4. Phần tử cáp võng 352 8.5. Phần tử TTNL kim loại 359 8.6. Phần tử TTNL ma sát 363 8.7. Phần tử TTNL đàn nhớt 364 8.8. Phần tử TTNL chất lỏng nhớt 365 8.9. Phần tử TTNL TMD dạng khối lượng lò xo 366 8.10. Phần tử TTNL TMD dạng con lắc 368 8.11. Phần tử TTNL TLD 370 8.12. Tính toán trên miền thời gian kết cấu có tích hợp 370 các phần tử TTNL
viii 8.12.1. Đặc trưng của phần tử TTNL trong hệ tổng thể 370 8.12.2. Phương trình chuyển động 375 8.12.3. Khử các điều kiện biên 376 8.12.4. Giải hệ phương trình chuyển động 377 8.13. Ví dụ tính toán 379 8.13.1. Ví dụ 1 380 8.13.2. Ví dụ 2 386 8.13.3. Ví dụ 3 391 Tài liệu tham khảo 396
Lời nói đầu Trong thế kỷ 21, công nghệ giảm dao động có hại là một trong những quan tâm hàng đầu của rất nhiều cơ quan nghiên cứu khoa học, cơ sở nghiên cứu và ứng dụng... Dao động có hại xuất hiện trong khá nhiều lĩnh vực: phương tiện giao thông chịu kích động mặt đường; tàu thủy và các công trình ngoài khơi chịu tác động sóng gió; các tháp vô tuyến, các cao ốc chịu tác động gió và động đất; các cầu giao thông nhịp lớn chịu tác động của phương tiện vận tải; các cầu treo chịu tải trọng gió bão; các thiết bị, tuốc bin hoạt động với tốc độ cao... Hiện nay, các loại dao động này ngày càng nguy hiểm và cần được quan tâm thích đáng vì 3 lý do: sự tăng lên về quy mô kết cấu, về tốc độ máy móc và cường độ kích động ngoài; sự cấp thiết về việc giảm giá thành các công trình lớn; yêu cầu cao về an toàn cho các công trình quan trọng. Trước đây, phương pháp phổ biến giảm dao động là tăng cường độ cứng. Tuy nhiên phương pháp này gặp phải vấn đề về chi phí và độ phức tạp. Vì thế, trong vài thập kỷ trở lại đây, trên thế giới đã phát triển công nghệ sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng (TBTTNL) để giảm dao động. Việc sử dụng TBTTNL có nhiều ưu điểm: kinh tế, hiệu quả, tăng tuổi thọ công trình, cài đặt và thay thế đơn giản. Theo ước tính tại Mỹ, việc sử dụng các TBTTNL có thể giúp giảm được 7 tỷ USD cho việc thay thế các bộ phận hư hỏng của cầu mỗi năm. Ngoài ra, sử dụng TBTTNL chỉ chiếm 25% chi phí so với việc gia cố các bộ phận thép và bê tông. Trong quá trình lắp đặt, các phương tiện giao thông vẫn đi lại bình thường và tuổi thọ cầu có thể tăng từ 40-50 năm... Với hiệu quả về kinh tế và kỹ thuật, công nghệ sử dụng các TBTTNL đã và đang trở thành một hướng triển vọng của thế giới, một phương pháp hiệu quả giảm dao động của thế kỷ 21. Trong các hội nghị quốc tế về kết cấu, điều khiển dao động bằng các TBTTNL luôn là một vấn đề được nhiều nhà khoa học công nghệ quan tâm nghiên cứu và phát triển ứng dụng. Điển hình là các hội nghị toàn thế giới về điều khiển kết cấu (USA - 1994, Japan - 1998, Italy - 2002) đã tập hợp các nhà khoa học hàng đầu để phát triển hợp tác. Tại đây, các nhà khoa học Việt Nam cũng đã có tham gia trao đổi và nghiên cứu. Đây là bước tiền đề tốt để chúng ta có
2 thể tiếp cận công nghệ tiên tiến của thế giới. Việc thiết kế chế tạo TBTTNL phục vụ nhu cầu thực tế đang được đầu tư phát triển ở nhiều quốc gia như Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hồng Kông... Với sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và kỹ sư, công nghệ thiết kế chế tạo đã có những bước tiến to lớn và đã được áp dụng rộng rãi vào tất cả các lĩnh vực đã nêu. Một số lượng phong phú về chủng loại các TBTTNL đã được các tập đoàn lớn sản xuất và ứng dụng: kim loại, ma sát khô, vật liệu đàn nhớt, chất lỏng nhớt, từ biến... Điển hình có thể kể đến các tổng công ty Lord (Mỹ), Taylordevices (Mỹ), Kajima (Nhật Bản), Takenaka (Nhật Bản)... Hiện nay việc phát triển kinh tế xã hội đang đặt ra cho nền KH - CN nước ta hàng loạt vấn đề cần được nghiên cứu và ứng dụng, trong đó có vấn đề về phát triển các TBTTNL để dập tắt các dao động có hại, nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ các phương tiện và thiết bị kĩ thuật. Thật vậy, để phát triển giao thông trong thành phố lớn, Bộ GTVT và thành phố Hà Nội đang xem xét phương án xây dựng các tuyến tàu chạy nhanh. Do khoảng cách giữa các ga ngắn, nên gia tốc của đoàn tàu rất lớn, khiến cho việc giảm rung lắc trở nên quan trọng. Việc xây dựng các cầu cáp treo như Cầu Mỹ Thuận, Cầu Kiền, Cầu Đà Nẵng đều đòi hỏi phải nghiên cứu dập tắt các dao động có hại bằng các TBTTNL. Nhiều cầu đã xây dựng từ lâu bị xuống cấp, bị quá tải nên thường chịu các dao động quá tiêu chuẩn cho phép khiến cho việc giao thông đi lại khá nguy hiểm, cần có các biện pháp khắc phục. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, nhu cầu loại bỏ các dao động có hại là công việc rất cần thiết, các TBTTNL là một hướng để xử lý các dao động có hại này. Có thể đưa các ví dụ như các hệ thống máy công cụ, các hệ thống cơ điện, thang máy, xe chạy cáp treo... đều cần sử dụng các TBTTNL. Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng hiện nay, việc sửa chữa gia cố các công trình DK trên biển đang rất được quan tâm. Do việc giảm ma sát giữa các cọc trụ và nền san hô, các công trình DK hiện nay bị dao động rất lớn khiến cho chất lượng và tuổi thọ các công trình ngày càng giảm. Việc sử dụng các TBTTNL cho các công trình này có khả năng mở ra một phương án sửa chữa hiệu quả. Ngoài ra nước ta đang phát triển công nghiệp đóng tàu biển trọng tải lớn, công nghiệp tự động hóa trong ngành cơ khí, công nghiệp dầu
3 khí, dàn khoan biển v.v. Tất cả các lĩnh vực này đều có nhu cầu áp dụng các biện pháp dập tắt những dao động có hại. Cuốn sách "Giảm dao động bằng thiết bị tiêu tán năng lượng" nhằm giới thiệu với các độc giả một số cơ sở khoa học và công nghệ của lĩnh vực được đề cập đến ở trên. Do trình độ và thời gian còn hạn chế cuốn sách không tránh khỏi những sơ suất. Chúng tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp để có thể sửa chữa. Nhân dịp này chúng tôi xin chân thành cám ơn các giáo sư và bạn đồng nghiệp trong và ngoài Viện Cơ học đã cộng tác giúp đỡ chúng tôi trong các nghiên cứu liên quan đến nội dung của cuốn sách. Xin trân trọng cám ơn GS. TSKH. Nguyễn Khoa Sơn, Quyền Chủ tịch Viện KH và CN Việt Nam đã động viên và cho nhiều nhận xét để cuốn sách được hoàn thiện hơn. GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh
4 Các ký hiệu viết tắt TBTTNL: Thiết bị tiêu tán năng lượng TTNL: Tiêu tán năng lượng BRB: Buckling Restrained Braces ADAS: Added Damping And Stiffness TADAS: Triangular Added Damping And Stiffness CTB: Công trình biển TMD: Tuned mass damper TLD: Tuned liquid damper TLCD: Tuned liquid column damper PTHH: Phần tử hữu hạn SAVA: Structural Anti Vibration Analysis TSD: Tuned Sloshung Damper CFD: Computational Fhid Dynamics
5 Mở đầu 1. Yêu cầu giảm dao động và va chạm có hại Dao động và va chạm là hai hiện tượng thường gặp trong tự nhiên và kỹ thuật. Dao động và va chạm có thể có ích hoặc có hại tùy thuộc vào trường hợp cụ thể. Đối với các hệ kỹ thuật, rất nhiều các dạng dao động và va chạm là có hại. Ta có thể lấy một số ví dụ sau: Trong lĩnh vực công nghiệp nặng, các va chạm không mong muốn sẽ sinh ra khi cần phải hãm các vật chuyển động với khối lượng lớn và tốc độ cao, chẳng hạn như các thùng đựng khoáng sản, thùng đựng vật liệu trong các ngành khai khoáng, khai thác kim loại, đúc, các dàn cần cẩu nâng thiết bị trong công nghiệp đóng tàu... Lực va chạm rất lớn nên có thể phá hủy thiết bị nếu không được thiết kế tốt. Trong ngành công nghiệp nhẹ, quá trình vận hành sản xuất có thể sinh ra các va chạm không mong muốn cho các sản phẩm trên băng chuyền. Để tăng tốc độ sản xuất cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, cần giảm các va chạm này. Trong lĩnh vực vận tải hàng hóa và con người, do chuyển động với tốc độ cao nên các phương tiện vận tải thường phải chịu những dao động và va chạm có hại, ảnh hưởng đến tuổi thọ của phương tiện, chất lượng hàng hóa vận tải cũng như sự dễ chịu và an toàn của hành khách. Các ví dụ thường gặp là dao động của ô tô do mặt đường nhấp nhô, va chạm của ô tô khi gặp tai nạn, dao động của tàu thủy gây ra bởi sóng gió, dao động lắc lư do gió của các xe vận chuyển trên cáp treo, dao động của hàng hóa khi vận chuyển bằng cần cẩu treo. Các máy móc hoạt động với tốc độ cao hoặc trong các trường hợp thay đổi tốc độ đột ngột đều dẫn tới những dao động và va chạm không mong muốn. Chẳng hạn như các máy xay, máy nghiền nếu không được chống rung cẩn thận sẽ gây đổ vỡ. Trong lĩnh vực quốc phòng, các thiết bị quân sự như các loại súng cỡ lớn hoặc xe chở súng đều cần được giảm giật để tăng độ
6 chính xác và tăng tốc độ chiến đấu, các tàu chiến cần có hệ thống cân bằng và ổn định tự động vì các loại tàu này có sự thay đổi vận tốc và quĩ đạo rất lớn. Các hệ thống cân bằng và ổn định đều dựa trên các kỹ thuật hiện đại về việc chống các dao động có hại. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, các công trình hiện đại đang ngày càng cao và dài nên khả năng dao động ngày càng lớn. Những loại công trình cao, dài, nhẹ và mảnh trở nên rất phổ biến như các tháp vô tuyến, các cao ốc, các cầu nhịp dài, cầu dây văng, cầu treo, ống khói, các tháp cầu trong quá trình xây dựng... Đối với loại công trình này, các tải động như tải do gió, dòng chảy, sóng, động đất, phương tiện giao thông, va đập... sẽ gây ra các dao động nguy hiểm cho công trình. Qua các ví dụ trên, có thể thấy rằng yêu cầu giảm dao động trong các hệ kỹ thuật là khá phổ biến. 2. Phương pháp sử dụng các TBTTNL Các phương pháp giảm dao động và va chạm thường dựa trên cơ sở giảm hoặc cách ly lực kích động, thay đổi tần số riêng để tránh cộng hưởng, tăng cản cho cơ hệ. Trong số các phương pháp đó, phương pháp sử dụng các TBTTNL được sử dụng khá phổ biến. Các TBTTNL hoạt động trên nguyên tắc năng lượng, được lắp đặt với mục đích hấp thụ và chuyển một phần năng lượng thừa của hệ kỹ thuật thành dạng năng lượng khác, từ đó làm giảm dao động hoặc va chạm có hại của hệ kỹ thuật đó. Năng lượng dư thừa có thể được tiêu tán qua một số hiện tượng: • Tính đàn nhớt của vật liệu rắn như polime, cao su,... • Tính nhớt của chất lỏng như dầu silicon • Sự ma sát giữa các mặt vật liệu • Biến dạng dẻo của vật liệu • Chuyển động trong từ trường • Sự tiêu tán năng lượng của các vật liệu “thông minh” như vật liệu áp điện, chất lỏng từ biến, chất lỏng điện biến, ....
7 Do sự đa dạng của các hiện tượng tiêu tán năng lượng nên chủng loại của các TBTTNL khá phong phú và phù hợp với những ứng dụng kỹ thuật khác nhau. Hiện nay, việc sử dụng các TBTTNL trong lĩnh vực giảm dao động và va chạm đang phát triển do 4 nguyên nhân chính: Qui mô ngày càng lớn của các công trình, máy móc, thiết bị, phương tiện giao thông khiến cho các hệ kỹ thuật rất nhạy cảm với dao động và va chạm. Các phương pháp giảm dao động thông thường như tăng khối lượng hoặc độ cứng không còn đủ hiệu quả và trở nên không kinh tế. Cùng với sự gia tăng về qui mô là sự gia tăng các nguyên nhân gây ra dao động và va chạm có hại. Ví dụ các tòa nhà ngày càng cao, cầu ngày càng dài nên càng phải đối mặt với những điều kiện gió và động đất rất phức tạp. Ngoài ra, sự gia tăng về qui mô làm cho các hệ kỹ thuật trở nên ngày càng đắt tiền, dẫn tới các yêu cầu về độ an toàn, tuổi thọ và hiệu quả sử dụng cũng tăng theo. Sự phát triển của những ngành công nghệ cao như công nghệ điện tử, công nghệ nano cũng đòi hỏi những tiêu chuẩn cao về giảm dao động mà các phương pháp thông thường không đáp ứng được. Nguyên nhân cuối cùng có tính chất động lực cho sự phát triển của công nghệ, đó là những tiến bộ trong khoa học vật liệu, trong công nghệ chế tạo và khả năng phân tích thiết kế của máy tính. Các vật liệu mới được sản xuất có khả năng tiêu tán năng lượng lớn, tuổi thọ cao, đặc tính ổn định và giá thành chấp nhận được. Những thiết bị được sản xuất có độ chính xác cao cho phép các kỹ sư đạt được đặc trưng động lực mong muốn. Việc thiết kế các TBTTNL cũng ngày càng hiệu quả do sự trợ giúp của các phần mềm mô hình hóa vật liệu và kết cấu. Đối với các công trình xây dựng, các TBTTNL có một số ưu điểm chính sau đây: Hiệu quả về kỹ thuật Các TBTTNL có hiệu quả giảm dao động vì nó được thiết kế tối ưu dựa trên đáp ứng động. Một số TBTTNL, ngoài hiệu quả giảm
8 chuyển dịch còn giảm gia tốc của kết cấu (điều này thông thường khó có thể thực hiện với biện pháp gia cố). Hiệu quả về kinh tế Do không làm tăng nhiều ứng suất của kết cấu và khối lượng không quá lớn, việc bổ sung các TBTTNL không làm thay đổi nhiều đến kết cấu. Trong khi đó, bằng biện pháp gia cố, khối lượng kết cấu thường tăng lên nhiều gây tốn kém. Dễ dàng lắp đặt và bảo dưỡng Việc lắp đặt và tháo dỡ các TBTTNL thường không đòi hỏi quá trình thi công quá phức tạp và tốn kém. Quá trình có thể thực hiện ngay khi kết cấu đang vận hành (chẳng hạn cầu vẫn đang có phương tiện qua lại) Đạt yêu cầu về thẩm mỹ Do có kích thước nhỏ các TBTTNL thường không làm cho kết cấu của hệ kỹ thuật thay đổi đáng kể nên vẫn giữ lại được cấu trúc thẩm mỹ cần thiết. 3. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng các TBTTNL Trên thế giới, các TBTTNL được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực cần giảm dao động như đã nêu. Các ứng dụng TBTTNL vào kết cấu công trình hiện nay mang tính hiện đại. Sở dĩ như vậy là vì trong xây dựng, những tính toán cổ điển thường coi công trình xây dựng là những kết cấu tĩnh và những yếu tố động đều được đưa về các yếu tố tĩnh tương đương. Do đó, những phương pháp giảm dao động cũng mang tính "tĩnh" như tăng cường, gia cố độ cứng của kết cấu. Xu hướng này ngày nay đã thay đổi và phát triển theo hướng tăng hiệu quả kinh tế và khả năng xây dựng ở các vùng địa hình phức tạp. Vì thế, những công nghệ giảm dao động trong các lĩnh vực truyền thống một lần nữa lại được áp dụng vào lĩnh vực xây dựng. Tuy nhiên, quy mô của những áp dụng này lớn và phong phú hơn nhiều, kết cấu của thiết bị giảm dao động cũng phức tạp hơn nhiều. Tuy còn đang phát triển nhưng công nghệ này đã được áp dụng cho hàng nghìn công trình (trong đó có nhiều công
9 trình nổi tiếng) tại Nhật, Mỹ, NewZealand, Úc, Canada, Trung Quốc, Đài Loan, Anh, Đức, Ý, Bỉ, Ả rập xê út, Pakistan, Thái Lan, Malaysia... Hiện tại các TBTTNL đã được đưa vào các tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế và phân tích các kết cấu nhà và cầu chịu kích động động đất. Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hóa là sự gia tăng nhu cầu giảm dao động và va chạm có hại để nâng cao chất lượng và tuổi thọ các công trình kỹ thuật, giảm chi phí cũng như tăng hiệu quả sản xuất. Ví dụ trong các nhà máy sản xuất xi măng, yêu cầu về tốc độ sản xuất đòi hỏi tốc độ đổ xi măng vào các thùng chứa cao, dẫn tới những va chạm cần được hấp thụ. Trong lĩnh vực khai thác khoáng sản và kim loại, yêu cầu về khối lượng và tốc độ khai thác đòi hỏi các xe vận chuyển phải chuyển động với vận tốc lớn, sau đó lại phải được hãm lại với tốc độ nhanh nhất và an toàn nhất để lấy vật liệu khai thác. Những yêu cầu giảm va chạm tương tự cũng được đặt ra cho các hệ thống cần cẩu trong các ngành công nghiệp nặng, hệ thống cần cẩu bốc dỡ hàng ở cảng hoặc trên các dây chuyền sản xuất tự động. Trong lĩnh vực vận tải, sự phát triển của các đoàn tàu chạy nhanh, các hệ thống xe vận chuyển trên cáp treo, các hệ thống thang máy đều có khả năng mất an toàn nếu không có biện pháp hợp lý để giảm dao động và va chạm. Trong lĩnh vực xây dựng, một số cầu xây dựng từ lâu đã bị xuống cấp đòi hỏi có những biện pháp khắc phục những dao động vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Ngoài ra, vấn đề bảo vệ các trụ cầu chống va chạm do các phương tiện đường thủy gây ra cũng đang được Bộ Giao thông Vận tải rất quan tâm. Hiện nay, số lượng các cầu dây văng xuất hiện ngày càng nhiều do tính kinh tế và thẩm mỹ. Loại kết cấu này rất nhạy cảm với dao động và cần có những biện pháp kinh tế và hiệu quả để giảm bớt những hậu quả bất lợi do dao động gây ra. Các nhà cao tầng cũng đang được tiến hành xây dựng nhiều. Trong khi việc giảm dao động cho bản thân tòa nhà chưa trở thành vấn đề cấp thiết ở Việt Nam thì việc bảo vệ một số bộ phận của toà nhà như hệ thống cửa kính khỏi những va đập bất chợt cũng là một nhu cầu không nhỏ. Trong lĩnh vực an ninh quốc phòng, việc sửa chữa gia cố các công trình DK trên biển đang rất được quan tâm. Do việc giảm ma sát giữa các cọc trụ và nền san hô, các công trình DK hiện nay bị dao động rất lớn khiến cho chất lượng và tuổi thọ các công trình ngày càng giảm. Việc sử dụng các
10 TBTTNL cho các công trình này có khả năng mở ra một phương án sửa chữa hiệu quả. Các loại súng tự động với tốc độ bắn ngày càng cao cần được giảm giật để tăng độ chính xác, các tàu tuần tiễu của hải quân với tốc độ lớn cần có các biện pháp hấp thụ dao động của các thiết bị quân sự và kỹ thuật đặt trên tàu. Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ giảm chấn được nghiên cứu ở nhiều cơ quan và các trường đại học trong nước như Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng), Viện kỹ thuật Giao thông Vận tải, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Viện nghiên cứu Cơ khí, Viện Cơ học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), Đại học Bách khoa Hà nội, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Đại học Giao thông Vận tải, Đại học Xây dựng… Các nghiên cứu có hệ thống về các TBTTNL và vấn đề ứng dụng các TBTTNL giảm dao động đã và đang được quan tâm nhiều hơn. 4. Mục đích và nội dung của chuyên khảo Các TBTTNL được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực cần giảm dao động và va chạm có hại. Tuy nhiên, khi áp dụng vào các kết cấu công trình thì phương pháp sử dụng các TBTTNL đòi hỏi các phân tích phức tạp với hệ nhiều bậc tự do và quy mô của các thiết bị cũng lớn hơn rất nhiều so với các ứng dụng thông thường. Do đó, bên cạnh một số mục giới thiệu ứng dụng của TBTTNL cho các lĩnh vực chung, chuyên khảo dành nhiều nội dung để giới thiệu các loại TBTTNL, các phương pháp thiết kế và phân tích TBTTNL cũng như các ứng dụng của TBTTNL trong các kết cấu công trình trên thế giới và ở Việt Nam. Việc phân tích các kết cấu công trình có gắn các TBTTNL khá phức tạp, do vậy cần sử dụng các phương pháp số. Chuyên khảo vì thế cũng có mục đích giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn và chương trình phân tích phần tử hữu hạn do các tác giả tự xây dựng, có khả năng tích hợp và tính toán hiệu quả của các TBTTNL. Nội dung của chuyên khảo gồm các phần: Chương 1 giới thiệu các kiến thức cơ sở để người đọc có thể nắm bắt được các nội dung được trình bày ở các chương sau. Chương này cũng giới thiệu nguyên tắc, ưu nhược điểm của một
11 số phương pháp giảm dao động, qua đó để người đọc có thể so sánh giữa các phương pháp giảm dao động với nhau. Chương 2 trình bày một số mô hình toán học của quá trình TTNL trong vật liệu rắn và lỏng. Trong chương 3, các mô hình TTNL của vật liệu được sử dụng để mô tả các TBTTNL. Các ứng dụng thực tế của thiết bị loại này được giới thiệu trong chương 4. Chương 5 và chương 6 trình bày về cơ sở lý thuyết và ứng dụng của một loại TBTTNL tương đối phổ biến là TMD. Một dạng khác của TMD là TBTTNL chất lỏng sẽ được nghiên cứu trong chương 7. Các TBTTNL trình bày trong các chương 3,5,7 được phân tích chủ yếu dựa trên phương pháp tuyến tính hoá tương đương. Trong hầu hết các ứng dụng, phương pháp tuyến tính hóa tương đương chỉ là những tính toán ban đầu. Vì vậy, chương 8 trình bày phương pháp phân tích động phi tuyến, trong đó các TBTTNL được mô tả như các phần tử hữu hạn. Một số tính toán kết cấu trong chương này dựa trên một chương trình phân tích kết cấu có gắn TBTTNL bằng phương pháp phần tử hữu hạn do các tác giả và cộng sự tự xây dựng. Chuyên khảo được trình bày ở mức độ cân đối giữa lý thuyết và ứng dụng thực tế. Đây là một tài liệu tham khảo hữu ích cho các kỹ sư, cán bộ nghiên cứu, giáo viên, nghiên cứu sinh thuộc lĩnh vực động lực học kết cấu nói riêng cũng như lĩnh vực điều khiển giảm dao động và va chạm nói chung.