Tiến Sĩ Nghiên cứu giảm dao động cho công trình theo mô hình con lắc ngược chịu tác dụng của ngoại lực

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC
NĂM 2011

MỤC LỤC
Lời cam đoan .1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu .5
Mở đầu .8

Chương 1: Tổng quan về bộ hấp thụ dao động thụ động . 13
1.1 Giới thiệu chung . 13
1.2 Nguyên lý cơ bản của bộ hấp thụ dao động thụ động . .15
1.3 Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ không có cản nhớt .17
1.3.1 Hệ chịu kích động điều hoà . 17
1.3.2 Hệ chịu kích động ồn trắng . 22
1.4 Tính bộ hấp thụ dao động thụ động cho hệ có cản nhớt . .23
1.5 Một số tiêu chuẩn để xác định bộ hấp thụ dao động thụ động .24
1.6 Bộ hấp thụ dao động cho hệ con lắc ngược . . .26
1.7 Kết luận chương 1 . .30

Chương 2: Phương trình chuyển động của hệ con lắc ngược có lắp đặt hệ thống giảm dao động TMD 31
2.1 Mô hình tính toán của cơ cấu con lắc ngược, có gắn bộ hấp thụ dao động được nghiên cứu trong luận án .31
2.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ con lắc ngược. .32
2.2.1 Động năng của cơ hệ . .33
2.2.2 Lực suy rộng của cơ hệ . 38
2.2.2.1 Thế năng của cơ hệ . 39
2.2.2.2 Hàm hao tán của cơ hệ . 41
2.2.2.3 Lực hoạt suy rộng của cơ hệ . 41
2.2.3 Phương trình vi phân chuyển động của hệ .43
2.3 Kết luận chương 2 . . 46
3
Chương 3. Nghiên cứu, phân tích, tính toán, giảm dao động cho các công trình có dạng hệ con lắc ngược . .47
3.1 Trường hợp chỉ có bộ hấp thụ dao động TMD-D. 49
3.1.1 Phương trình vi phân chuyển động của hệ . .49
3.1.2 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật trường hợp chỉ lắp bộ TMD-D . 50
3.1.3 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động TMD-D để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược . 55
3.2 Trường hợp chỉ lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N . .65
3.2.1 Phương trình vi phân chuyển động của hệ khi lắp đặt bộ hấp thụ dao động TMD-N. . .66
3.2.2 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật khi lắp bộ hấp thụ dao động TMD-N .67
3.2.3 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động TMD-N để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược 69
3.3 Trường hợp con lắc ngược có lắp đặt đồng thời cả hai bộ hấp thụ dao động TMD-N và TMD-D .81
3.3.1 Nghiên cứu ổn định chuyển động của hệ con lắc ngược theo tiêu chuẩn kĩ thuật trường hợp có lắp đặt cả hai bộ TMD 82
3.3.2 Tính toán các thông số của bộ hấp thụ dao động để giảm dao động cho cơ cấu con lắc ngược 86

3.4 Kết luận chương 3 . 103
Chương 4: Mở rộng kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ TMD-D và DVA. Tính toán mô phỏng số các các kết quả nghiên cứu giảm dao động cho một số kết cấu công trình . . 106
4.1 Mở rộng kết quả nghiên cứu trường hợp có lắp đồng thời hai bộ TMD-D và DVA . 106
4.1.1 Mô hình của con lắc ngược có lắp hai bộ hấp thụ dao động TMD-D và DVA . . 106
4. 1.2 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động của hệ con lắc ngược có lắp đặt bộ DVA và TMD 107
4.1.3 Nghiên cứu xác định các thông số của bộ hấp thụ dao động DVA và bộ TMD-D để công trình làm việc ổn định và giảm dao động cho hệ con lắc ngược một cách tối ưu . 118
4.2 Tính toán mô phỏng số các kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động vào một số kết cấu công trình. . 123
4.2.1 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động cho tháp nước 123
4.2.2 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động theo phương thẳng đứng của ô tô . .129
4.2.3 Áp dụng kết quả nghiên cứu bộ hấp thụ dao động, tính toán giảm dao động cho tháp ngoài biển .132
4.3 Kết luận chương 4 . .137
Kết luận và kiến nghị . . 138
Danh mục các công trình đã công bố của tác giả. . 142
Danh mục tài liệu tham khảo .143
Lời cảm ơn . 151
Phụ lục chương trình máy tính : Lập trình vẽ đồ thị trên phần mềm MAPLE để mô phỏng dao động cho hệ . .

MỞ ĐẦU
1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
Trong thực tế có nhiều công trình có mô hình ở dạng con lắc ngược như
nhà cao tầng, tháp vô tuyến, giàn khoan, công trình biển cùng với sự phát
triển của khoa học kỹ thuật các công trình này ngày càng lớn về chiều dài và
chiều cao. Sự gia tăng về quy mô kết cấu sẽ dẫn đến các đáp ứng động lực
phức tạp của kết cấu và sẽ sinh ra các dao động có hại. Vì vậy, nghiên cứu
giảm dao động có hại cho cơ cấu con lắc ngược là bài toán đang được rất nhiều
các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu.
Một hướng nghiên cứu mang tích thời sự, cấp thiết và quan trọng ở Việt
Nam hiện nay là nghiên cứu để giảm dao động cho các công trình biển có
dạng con lắc ngược DKI. Bắt đầu từ năm 1989, theo Chương trình Biển Đông
- Hải Đảo của Nhà nước đã tiến hành xây dựng các công trình biển dạng DKI.
Các công trình này đã và đang góp phần vào xây dựng, bảo vệ đất nước và
khai thác tiềm năng vô cùng to lớn của biển. Qua nghiên cứu trong [8], [17],
[18] cho thấy đáp ứng gây ra dao động có hại cho công trình DKI bao gồm
hai loại chính là đáp ứng ngang và thẳng đứng liên quan đến hiện tượng lắc
ngang và nhổ cọc. Dao động của công trình DKI bao gồm hai loại dao động:
Dao động rung lắc có tần số là các tần số riêng của công trình và dao động
cưỡng bức gây ra bởi tải trọng sóng, trong đó dao động rung lắc đặc biệt có
hại với độ bền và tuổi thọ của công trình. Các dao động rung lắc có tần số cao
hơn nhiều lần tần số của sóng biển là một trong các dao động có hại không
mong muốn cần được hạn chế. Để giảm dao động rung lắc cho công trình
DKI theo đề xuất của các nhà khoa học Nguyễn Đông Anh và cộng sự (vcs)
[8], Nguyễn Hoa Thịnh vcs [17, 18] có thể lắp vào công trình DKI hai bộ
TMD để tiêu tán năng lượng cho hệ. Một bộ TMD được đặt theo hướng tác
9
động của sóng biển để giảm dao động lắc ngang. Một bộ TMD khác được đặt
theo hướng thẳng đứng để giảm dao động thẳng đứng và chống nhổ cọc.
Các công trình dạng con lắc ngược DKI có vị trí chiến lược quan trọng
trong sự phát triển, khai thác tiềm năng biển, tăng cường khả năng quốc
phòng, góp phần vào ổn định chính trị của đất nước. Việc tiếp tục nghiên cứu
áp dụng các bộ hấp thụ dao động để giảm dao động cho các công trình DKI
nhằm nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các công trình DKI là vấn đề đã và
đang được Bộ Quốc phòng và các nhà khoa học trong nước đang quan tâm
nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu của luận án
Như đã phân tích ở trên: Dao động rung lắc đặc biệt có hại với độ bền và
tuổi thọ của công trình có dạng con lắc ngược. Các dao động rung lắc có tần
số cao hơn nhiều lần tần số của sóng biển là một trong các dao động có hại
không mong muốn cần được hạn chế. Bởi vậy mục đích của luận án là nghiên
cứu giảm dao động rung lắc cho các công trình có dạng con lắc ngược.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
* Đối tượng nghiên cứu của luận án
Trong [2], [3], [5],[12], [51] đã nghiên cứu dao động của con lắc ngược có
lắp bộ hấp thụ dao động. Tuy nhiên các nghiên cứu đó mới chỉ xét đến dao
động lắc ngang của con lắc ngược. Nhưng trong thực tế nhiều công trình có
dạng con lắc ngược, ngoài thành phần dao động lắc ngang nó còn dao động
theo phương thẳng đứng. Vì vậy đối tượng nghiên cứu của luận án là các bộ
hấp thụ dao động thụ động TMD cho các công trình dạng con lắc ngược có
xét đến cả dao động thẳng đứng và lắc ngang