Tiến Sĩ Phân tích động lực học kết cấu tấm mỏng chịu tải trọng di động

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Phân tích động lực học kết cấu tấm mỏng chịu tải trọng di động


Môc lôc
Trang
Lời cam ñoan i
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vii
Danh mục các bảng x
Danh mục các hình vẽ, ñồ thị xii
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 5
1.1. Tổng quan về tải trọng di ñộng và phương pháp tính kết cấu chịu
tải trọng di ñộng 5
1.2. Tổng quan về tính toán kết cấu chịu tải trọng di ñộng 10
1.3. Kết quả nghiên cứu ñạt ñược từ các công trình ñã công bố 18
1.4. Các vấn ñề cần tiếp tục nghiên cứu . 20
1.5. Kết luận rút ra từ tổng quan . 20
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA TẤM MỎNG CHỊU
TẢI TRỌNG DI ĐỘNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN . 23
2.1. Đặt vấn ñề 23
2.2. Xây dựng thuật toán PTHH phân tích dao ñộng của tấm mỏng
chịu tải trọng di ñộng .23
2.2.1. Giới thiệu bài toán và các giả thiết . 23
2.2.2. Phương trình dao ñộng tổng quát của hệ 25
2.2.3. Xây dựng các ma trận và véc tơ tải trọng phần tử thông thường . 26
2.2.3.1. Phần tử tấm chịu uốn . 26
2.2.3.2. Phần tử gối ñàn hồi 29
2.2.4. Xây dựng các véc tơ tải trọng và ma trận bổ sung do
tải trọng di ñộng 30
iii
2.2.4.1. Phần tử tấm chịu tác dụng của khối lượng di ñộng với vận tốc
thay ñổi . 31
2.2.4.2. Phần tử tấm chịu tác dụng của hệ dao ñộngdi ñộng với vận tốc
thay ñổi . 38
2.2.5. Ghép nối các ma trận phần tử vào ma trận chung của toàn hệ . 48
2.2.6. Điều kiện biên . 48
2.2.6.1. Liên kết tựa bản lề . 48
2.2.6.2. Liên kết ngàm . 49
2.2.7. Phương trình vi phân mô tả dao ñộng của toànhệ . 49
2.2.7.1. Tấm chịu tác dụng của khối lượng di ñộng . 49
2.2.7.2. Tấm chịu tác dụng của hệ dao ñộng di ñộng . 50
2.2.8. Thuật toán PTHH giải hệ phương trình vi phândao ñộng
tổng thể của hệ 51
2.3. Chương trình tính và kiểm tra ñộ tin cậy của chương trình tính . 54
2.3.1. Giới thiệu chương trình tính . 54
2.3.2. Kiểm tra ñộ tin cậy của chương trình tính 54
2.3.2.1. Trường hợp tấm chịu tác dụng của khối lượng di ñộng . 54
2.3.2.2. Trường hợp tấm chịu tác dụng của hệ dao ñộng di ñộng . 56
2.4. Kết luận chương 2 57
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN
DAO ĐỘNG CỦA TẤM CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
DI ĐỘNG . 58
3.1. Đặt vấn ñề . 58
3.2. Ảnh hưởng của một số yếu tố ñến sự làm việc của tấm trên liên kết
cứng tuyệt ñối chịu tác dụng của khối lượng di ñộng 58
3.2.1. Bài toán xuất phát 58
3.2.2. Khảo sát ảnh hưởng cuả một số yếu tố ñến sự làm việc của hệ . 65
iv
3.2.2.1. Ảnh hưởng của cản kết cấu . 65
3.2.2.2. Ảnh hưởng của tốc ñộ tải trọng 69
3.2.2.3. Ảnh hưởng của sự thay ñổi gia tốc của tải trọng 73
3.2.2.4. Ảnh hưởng của liên kết . 74
3.2.2.5. Ảnh hưởng của chiều dày tấm 78
3. 3. Ảnh hưởng của một số yếu tố ñến sự làm việc của tấm trên
liên kết cứng tuyệt ñối chịu tác dụng của hệ dao ñộng di ñộng
(mô phỏng xe bánh lốp 4 bậc tự do) 82
3.3.1. Bài toán xuất phát 82
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố ñến sự làm việc của hệ . 86
3.3.2.1. Ảnh hưởng của tốc ñộ tải trọng 86
3.3.2.2. Ảnh hưởng của sự thay ñổi gia tốc của tải trọng 90
3.3.2.3. Ảnh hưởng của liên kết . 91
3.3.2.4. Ảnh hưởng của chiều dày tấm 94
3.4. Ảnh hưởng của một số yếu tố ñến phản ứng ñộng của tấm trên
liên kết ñàn hồi tuyến tính chịu tải trọng di ñộng 96
3.4.1. Ảnh hưởng của mô hình tải trọng ñến phản ứngñộng của tấm . 96
3.4.2. Ảnh hưởng của ñộ cứng liên kết ñến phản ứng ñộng của tấm 98
3.4.3. Ảnh hưởng của cách bố trí liên kết ñến phản ứng ñộng của tấm 99
3.4.4. Ảnh hưởng của chiều dài ñến phản ứng ñộng của tấm 102
3.5. Kết luận chương 3 104
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA TẤM
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG
BẰNG THỰC NGHIỆM 106
4.1. Mục ñích thí nghiệm . 106
4.2. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm 106
4.2.1. Mô hình thí nghiệm . 106
v
4.2.2. Thiết bị thí nghiệm 109
4.2.2.1. Các thiết bị gây tải . 109
4.2.2.2. Cảm biến gia tốc 110
4.2.2.3. Thiết bị ño dao ñộng 110
4.3. Phương pháp xác ñịnh gia tốc, chuyển vị của kết cấu . 111
4.4. Phân tích và xử lý kết quả thí nghiệm . 112
4.5. Kết quả thí nghiệm 113
4.5.1. Thử nghiệm trên kết cấu tấm với liên kết ngàm 4 cạnh
chịu khối lượng di ñộng 113
4.5.2. Thử nghiệm trên kết cấu tấm với liên kết tựalò xo ñàn hồi
trên 4 cạnh chịu khối lượng di ñộng . 117
4.6. Kết luận chương 4 119
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 120
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ . 122
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 123
PHỤ LỤC 132
Phụ lục 1. Mã nguồn chương trình PLATE_MOVING_2012 . 133
Phụ lục 2. Kết quả ño thí nghiệm 140


MỞ ĐẦU
Kết cấu dạng tấm mỏng chịu tác dụng của tải trọng di ñộng thường
gặp trong các lĩnh vực giao thông vận tải, xây dựng, quốc phòng, chẳng
hạn các tấm mặt cầu dưới tác dụng của xe cộ, các dải vệt chống lầy trang
bị trong công binh, xe chạy trên mặt cầu phao, máy bay chạy trên ñường
băng hay trên ñường băng các tàu sân bay, v.v. Do tính ứng dụng thực
tiễn và nhu cầu sử dụng của chúng, nên hiện nay vấnñề nghiên cứu dao
ñộng của kết cấu nói chung và kết cấu thanh, dầm, tấm, vỏ, ống dẫn nói
riêng chịu tải trọng di ñộng ñã thu hút ñược sự chúý của nhiều nhà khoa
học trong nước và trên thế giới. Nhiều kết quả nghiên cứu về phương
pháp tính cũng như nghiên cứu ảnh hưởng của các yếutố liên quan ñối
với các hệ như vậy, của các tác giả trên thế giới và ở Việt Nam ñã ñược
công bố và ứng dụng trong thực tế. Song, ñối với kết cấu tấm chịu tải
trọng di ñộng, trong ñó xét ñầy ñủ quá trình và tính chất tác dụng của tải
trọng di ñộng lên kết cấu vẫn còn ít công trình công bố. Ngày nay, do sự
phát triển của phương pháp và công cụ tính, xu hướng chung là sử dụng
phương pháp số cùng với sự hỗ trợ của máy tính ñiệntử ñể giải quyết các
dạng bài toán phức tạp như trên, nội dung của ñề tài luận án cũng sẽ ñược
giải quyết trên cơ sở phương pháp ñó. Nghiên cứu, tính toán, lựa chọn các
thông số hợp lý cho kết cấu tấm mỏng chịu tải trọngdi ñộng nói chung,
nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, sử dụng, ñảm bảo an toàn, kéo dài tuổi
thọ, phục vụ tốt hơn cho nền kinh tế quốc dân và anninh quốc phòng là
ñiều cần thiết, cấp bách và có tính thời sự hiện nay. Do ñó, vấn ñề “Phân
tích ñộng lực học kết cấu tấm mỏng chịu tải trọng di ñộng”mà luận án
tập trung giải quyết cũng không ngoài mục ñích trên.
2
Mục ñích của luận án:
- Xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn (PTHH) và chương trình máy
tính phân tích ñộng lực học kết cấu tấm mỏng chịu tác dụng của hai mô hình
tải trọng di ñộng mô phỏng tác dụng của hai loại phương tiện khai thác
thường gặp: khối lượng di ñộng (mô phỏng xe bánh xích) – hệ không tương
tác và hệ dao ñộng di ñộng (mô phỏng xe bánh lốp 4 bậc tự do) – hệ tương
tác. Trong ñó vận tốc và quỹ ñạo chuyển ñộng của tải trọng là bất kỳ.
- Xem xét ảnh hưởng của một số thông số về kết cấu, tải trọng di
ñộng, vật liệu, ñiều kiện liên kết ñến các ñặc trưng dao ñộng của tấm.
- Nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình tấm mỏng chịutác dụng của
tải trọng di ñộng với các ñiều kiện liên kết khác nhau (liên kết ngàm bốn
cạnh tấm và liên kết gối ñàn hồi tuyến tính trên bốn cạnh tấm), nhằm
nghiên cứu trực quan phản ứng ñộng của tấm và kiểm tra ñộ tin cậy của
chương trình tính ñược thiết lập theo nội dung nghiên cứu lý thuyết.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Về kết cấu:Tấm mỏng chịu uốn với các liên kết cứng tuyệt ñối và các
liên kết ñàn hồi tuyến tính;
Về tải trọng:Khối lượng di ñộng (mô phỏng xe bánh xích) và hệ dao
ñộng di ñộng (mô phỏng xe bánh lốp 4 bậc tự do) vớivận tốc không ñổi
hoặc thay ñổi, quỹ ñạo di chuyển của tải trọng là bất kỳ;
Mục tiêu giải quyết của bài toán: Xác ñịnh phản ứngñộng của tấm.
Phương pháp nghiên cứu:
Nghiên cứu bằng lý thuyết, dựa trên phương pháp PTHH (xây dựng
thuật toán, chương trình tính) và nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình tại
phòng thí nghiệm, với các thiết bị thí nghiệm hiện ñại.
3
Cấu trúc của luận án: Luận án bao gồm 152 trang thuyết minh, trong ñó
có 20 bảng, 79 ñồ thị, hình vẽ, 69 tài liệu tham khảo, 20 trang phụ lục,
ñược cấu trúc bởi phần mở ñầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài
liệu tham khảo và phần phụ lục.
Mở ñầu:Trình bày tính cấp thiết của ñề tài luận án và bố cục luận án
Chương 1: Tổng quan vấn ñề nghiên cứu
Trình bày các kết quả nghiên cứu về tải trọng di ñộng, tính toán kết
cấu chịu tải trọng di ñộng của các công trình nghiên cứu trong nước và
nước ngoài. Trên cơ sở những vấn ñề cần tiếp tục nghiên cứu, ñề xuất mục
tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Phân tích dao ñộng của tấm mỏng chịu tải trọng di ñộng
bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Xây dựng thuật toán PTHH và chương trình máy tính nghiên cứu phản
ứng ñộng của tấm mỏng chịu tác dụng của tải trọng di ñộng với hai mô
hình: khối lượng di ñộng (mô phỏng xe bánh xích) vàhệ dao ñộng di ñộng
(mô phỏng xe bánh lốp 4 bậc tự do).
Chương 3:Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố ñến dao ñộng của tấm
chịu tác dụng của tải trọng di ñộng
Trên cơ sở giải nhiều lớp bài toán với các thông sốtải trọng, hình học, vật
liệu, liên kết thay ñổi, xem xét ảnh hưởng của chún g ñến các ñặc trưng dao
ñộng của tấm và ñưa ra các nhận xét, kiến nghị ñịnhhướng ứng dụng thực tiễn.
Chương 4:Nghiên cứu phản ứng ñộng của tấm chịu tác dụng củatải
trọng di ñộng bằng thực nghiệm
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, thiết kế, chế tạo mô hình
thí nghiệm, sử dụng các thiết bị ño ñộng ña kênh hiện ñại, tác giả tiến hành
nghiên cứu thực nghiệm với tấm chữ nhật có chiều dày khác nhau, chịu tác
4
dụng của tải trọng di ñộng, với hai dạng liên kết: liên kết ngàm bốn cạnh
tấm, liên kết gối ñàn hồi tuyến tính trên bốn cạnh tấm.
Kết luận chung: Trình bày các kết quả chính, những ñóng góp mới
của luận án và các kiến nghị.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về tải trọng di ñộng và phương pháp tính kết cấu chịu
tải trọng di ñộng
Từ lâu tải trọng di ñộng ñã ñược quan tâm trong việc tính toán, thiết kế
các công trình giao thông, xây dựng, v.v. Do tính phức tạp của nó trong ứng
xử cơ học và tính toán, nên tải trọng di ñộng ñưa vào mô hình tính thường
ñược mô tả là dạng tải trọng ñộng có chu kỳ, với ñiểm ñặt không ñổi, ñây là
mô hình tải trọng phản ánh không thật chính xác sự làm việc thực của hệ,
song do tính ñơn giản trong tính toán, nên ngày naymô hình này vẫn ñược
sử dụng trong một số trường. Thực tế ñã chỉ ra rằng, ảnh hưởng do tính chất
di chuyển của tải trọng tới phản ứng ñộng của kết cấu là rất ñáng kể, có thể
phát sinh những hiện tượng không mong muốn, như làm tăng các giá trị
chuyển vị, nội lực và có thể làm kết cấu bị phá huỷ. Do ý nghĩa thực tiễn
quan trọng nên ñã từ lâu, cách ñây khoảng 150 năm, vấn ñề nghiên cứu dao
ñộng của kết cấu chịu tải trọng di ñộng ñã thu hút sự chú ý của nhiều nhà
khoa học trên thế giới. Ngày nay, với sự phát triểncủa phương pháp và công
cụ tính, nên các nhà khoa học trong nước và nước ngoài ñã và ñang xem xét
kết cấu chịu tải trọng di ñộng với việc xét ñến cả quá trình và tính chất di
chuyển của tải trọng, ñiều ñó ñã tiếp cận dần sát với sự làm việc thực tế của
hệ hơn. Theo hướng này, tải trọng di ñộng ñược xét có thể là một trong ba
dạng như sau [49]:
Dạng thứ nhất:Lực có ñiểm ñặt di chuyển trên kết cấu;
Dạng thứ hai:Vật mang khối lượng cùng với lực tác dụng vào nó di
chuyển trên kết cấu;
Dạng thứ ba:Hệ dao ñộng di chuyển trên kết cấu, giữa hệ di ñộng và


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2002), Phương pháp phần tử hữu
hạn – Lý thuyết và lập trình, Tập 1,2, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ
thuật.
2. Nguyễn Thái Chung, Hoàng Xuân Lượng (2010), “Phân tích ñộng lực
học dầm liên hợp chịu tác dụng ñồng thời của tải trọng di ñộng và ñộng
ñất”, Tuyển tập Công trình khoa học Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ
học vật rắn biến dạng lần thứ X, Thái Nguyên 12-13/11/2010.
3. Đỗ Anh Cường, Tạ Hữu Vinh (2004), Tương tác giữa kết cấu hệ thanh
và tải trọng di ñộng có liên kết ñàn hồi và cản nhớt, Tạp chí Khoa học kỹ
thuật Học viện Kỹ thuật quân sự - Số 106, I-2004, tr.27-35.
4. Đỗ Anh Cường, Tạ Hữu Vinh (2004), Tương tác giữa kết cấu hệ thanh
và tải trọng xe di ñộng, Tuyển tập Công trình Hội nghị Cơ học vật rắn
biến dạng toàn quốc lần thứ 7 - Hải Phòng, 8/2004, Tập I, tr.92-101.
5. Đỗ Anh Cường, Lê Toàn (2006), Dao ñộng của tấm mỏng chịu tác dụng
của khối lượng di ñộng, National Conference on Engineering Mechanics
and Automation, 2006 Vietnam National University Publishers, Hanoi.
6. Hoàng Hà (2002), Nghiên cứu dao ñộng uốn phi tuyến của kết cấu nhịp
cầu dây văng chịu tác dụng của hoạt tải khai thác, Đề tài nghiên cứu
khoa học cấp bộ, Đại học GTVT, Hà nội.
7. Nguyen Van Khang, Hoang Ha, Vu Van Khiem, Do Xuan Tho (1999),
On the transverse vibrations of beam - bridges under action of some
moving bodies, Proc. of IUTAM, Holland.
8. Nguyễn Minh Phương (2009), Tính toán dao ñộng uốn của dầm liên tục
và tấm trực hướng hình chữ nhật chịu tác dụng của nhiều vật thể di
ñộng, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.
9. Đỗ Kiến Quốc, Khổng Trọng Toàn, (1999), Phân tích dao ñộng của
tấm trên nền ñàn hồi chịu tải trọng chuyển ñộng,Tuyển tập công trình
Khoa học Hội nghị Cơ học vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ 6, Hà
Nội, 1999.
127
10. Trần Ngọc Sơn (2012), Nghiên cứu mối nối ña năng của cầu nổi hỗn
hợp chịu tải trọng ñộng, Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật
quân sự.
11. Đỗ Xuân Thọ (1996), Tính toán dao ñộng uốn của dầm liên tục chịu
tác dụng của vật thể di ñộng, Luận án PTS KHKT, Hà Nội.
12. Chu Quốc Thắng, 1997, Phương pháp phần tử hữu hạn, Nhà xuất bản
Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.
13. Phan Thanh Tuấn (2012), Phân tích ñộng lực hệ dầm liên hợp chịu tác
dụng ñồng thời của tải trọng di ñộng và lực khí ñộng, Luận án tiến sĩ kỹ
thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội
14. Nguyễn Mạnh Yên, 1996,Phương pháp số trong cơ học kết cấu, Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
15. Tạ Hữu Vinh (2005), Nghiên cứu dao ñộng của kết cấu hệ thanh chịu
tải trọng di ñộng bằng phương pháp số, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, Học
viện KTQS, Hà Nội, 2005.
Tiếng Anh
16. Abu-Hilal M, (2003), Vibration of beams with gereral boundary
conditions due to a moving random load, Archive of Applied Mechanics
72(2003), pp.637-650.
17. Adetunde I.A and Baba Seidu, (2008), “Dynamic response of loads on
viscously damped axial force Rayleigh beam”, Journal of Applied
Sciences8(3), pp.522-527.
18. Asghari M, Ghahremani Amir R and Ghafoori E, (2009), SemiAnalytical analysis of the dynamic response of rectangular plates under
traversing moving oscillator, EUROMECH Solid Mechanics Conference,
Lisbon, Portugal, 11-17 September 2009, pp.1-11.
19. Awodola T.O, (2007), “Variable velocity influences on the vibration of
simply supported Bernoulli – Euler beam under exponentially varying
magnitude moving load”, Journal of Mathematics and statistics 3(4),
pp.228-232.
20. Baker C.J (1991), Ground vehicles in high cross winds, the interaction
of aerodynamic forces and the vehicle system,