Phân tích phi tuyến động lực học & ổn định kết cấu biển hệ thanh trên nền san hô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Nguyễn Thanh Hưng Tên đề tài: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Nguyễn Thanh Hưng Tên đề tài: PHÂN TÍCH PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Hoàng Xuân Lượng Hà Nội - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi là Nguyễn Thanh Hưng, xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Tác giả Nguyễn Thanh Hưng ii LêI C¶M ¥N T¸c gi¶ luËn ¸n xin bµy tá lßng biÕt ¬n ch©n thµnh ®èi víi GS.TS, NGND Hoµng Xu©n L­îng ®· tËn t×nh h­íng dÉn, gióp ®ì vµ cho nhiÒu chØ dÉn khoa häc cã gi¸ trÞ, gióp cho t¸c gi¶ hoµn thµnh luËn ¸n nµy. T¸c gi¶ tr©n träng sù ®éng viªn, khuyÕn khÝch vµ nh÷ng kiÕn thøc khoa häc còng nh­ chuyªn m«n mµ ThÇy h­íng dÉn ®· chia sÎ cho t¸c gi¶ trong nhiÒu n¨m qua, gióp cho t¸c gi¶ n©ng cao n¨ng lùc, ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu khoa häc.

T¸c gi¶ tr©n träng c¶m ¬n tËp thÓ Bé m«n C¬ häc vËt r¾n, Khoa C¬ khÝ, Phßng Sau ®¹i häc - Häc viÖn Kü thuËt qu©n sù vµ Tr­êng §¹i häc C«ng nghÖ giao th«ng vËn t¶i ®· t¹o mäi ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho t¸c gi¶ trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu. T¸c gi¶ xin tr©n träng c¶m ¬n GS.TS NguyÔn Th¸i Chung - Häc viÖn Kü thuËt qu©n sù, GS.TSKH NguyÔn TiÕn Khiªm - ViÖn C¬ häc ®· cung cÊp cho t¸c gi¶ nhiÒu tµi liÖu quý hiÕm, c¸c kiÕn thøc khoa häc hiÖn ®¹i vµ nhiÒu lêi khuyªn bæ Ých, cã gi¸ trÞ ®Ó t¸c gi¶ hoµn thµnh luËn ¸n nµy. Cuèi cïng, t¸c gi¶ xin bµy tá lßng c¶m ¬n ®èi víi nh÷ng ng­êi th©n trong gia ®×nh ®· th«ng c¶m, ®éng viªn vµ chia sÎ nh÷ng khã kh¨n víi t¸c gi¶ trong suèt thêi gian lµm luËn ¸n. Tr©n träng! T¸c gi¶ NguyÔn Thanh H­ng iii MỤC LỤC Lời cam đoan.

ii Mục lục……. iii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt. vi Danh mục các bảng. ix Danh mục các hình vẽ, đồ thị.

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. Sơ lược về san hô và nền san hô. Công trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển. Tổng quan về công trình biển.

Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển. Tải trọng sóng biển. Tải trọng gió. Tổng quan về tính toán công trình biển.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Tình hình nghiên cứu ở trong nước. Các kết quả nghiên cứu đạt được từ các công trình đã công bố. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.

Kết luận rút ra từ tổng quan .22 CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN PTHH PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG BIỂN VÀ GIÓ. Giới thiệu bài toán và các giả thiết. Thiết lập các phương trình chủ đạo của bài toán. Các quan hệ đối với phần tử thanh mô hình hóa công trình.

Trường chuyển vị. Trường biến dạng [15], [78]. Trường ứng suất [15], [78]. Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ.

Phương trình mô tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể. Các quan hệ đối với phần tử thuộc các lớp nền san hô. Các quan hệ ứng xử cơ bản của phần tử. Phương trình mô tả dao động của phần tử.

Quan hệ đối với phần tử thuộc lớp tiếp xúc giữa thanh và nền san hô. Tải trọng sóng và gió tác dụng lên công trình. Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh. Tải trọng gió tác dụng lên công trình.

Phương trình phi tuyến mô tả dao động của hệ. Tập hợp ma trận và véc tơ toàn hệ. Tập hợp ma trận độ cứng tổng thể [K]. Tập hợp véc tơ tải trọng tổng thể {f}.

Phương trình mô tả dao động của hệ. Phân tích ổn định động của hệ. Tiêu chuẩn kiểm tra bền đối với các thanh cấu thành kết cấu. Tiêu chuẩn ổn định động của Budiansky - Roth.

Phân tích ổn định của kết cấu công trình hệ thanh trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió. Phân tích phi tuyến động lực học của hệ theo thuật toán PTHH. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính. Chương trình tính.

Kiểm tra độ tin cậy của chương trình. Kết luận chương 2 .64 CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN ĐÁP ỨNG PHI TUYẾN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ. Bài toán xuất phát. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến dao động và ổn định của hệ.

Ảnh hưởng của lực quy đổi sàn công tác. Ảnh hưởng của gió. Ảnh hưởng của sóng. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu.

Ảnh hưởng của nền. Kết luận chương 3 .88 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH PHẢN ỨNG ĐỘNG VÀ ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU HỆ THANH MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH BIỂN. Mục đích thí nghiệm. Mô hình và các thiết bị thí nghiệm.

Mô hình thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm. Các thiết bị gây tải. Thiết bị cảm biến gia tốc biến dạng.

Phương pháp đo và ghi tín hiệu gia tốc, biến dạng của kết cấu. Cơ sở phân tích và xử lý số liệu thí nghiệm. Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm. Tổ chức thí nghiệm tại bể tạo sóng 3D.

Kết quả thí nghiệm. Trường hợp không có gia tải lên đỉnh giàn. Trường hợp có gia tải lên đỉnh giàn. Kết luận chương 4 .103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.105 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ .108 TÀI LIỆU THAM KHẢO .120 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1.

Danh mục các ký hiệu 1. Các ký hiệu bằng chữ La tinh ax, ay, az Gia tốc hạt nước theo các phương x, y, z, [B], Bi  Ma trận đạo hàm, ma trận nội suy của phần tử, [B]e, [B]se Ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị của phần tử, PTTX CD, C1, Cp Hệ số lực cản, hệ số lực quán tính, hệ số áp lực gió, Cw, cx, cy Tốc độ truyền sóng và các cosin chỉ phương [C], [C]e, Ma trận cản, ma trận cản phần tử, Ct +t  Ma trận cản phụ thuộc thời gian, Dch, Dph Đường kính ngoài cọc chính, đường kính ngoài cọc phụ, [D], [Dse] Ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử, PTTX, E, Ech, Eph, Ef Môđun đàn hồi của vật liệu, cọc chính, cọc phụ, nền san hô {F}e Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử, fx, fy, fz Tải trọng tác dụng lên phẩn tử thanh theo phương x, y và z, {f}, {f0}, {fs}eVéc tơ tải trọng tổng thể, ngoại lực, tải trọng nút phần tử f e , f e w win Véc tơ tải trọng nút do sóng, gió tác dụng lên phần tử thanh, G, {g} Mô đun đàn hồi biến dạng trượt, véc tơ lực thể tích, Jz Mômen quán tính trục của mặt cắt ngang phần tử thanh, knz, kres Độ cứng pháp tuyến theo phương z, chống trượt tới hạn ksx, ksy Độ cứng tiếp tuyến theo phương x và phương y, k, k  Độ cứng pháp tuyến, tiếp tuyến của PTTX, [K], [K]e Ma trận độ cứng tổng thể, phần tử [Kb]e, [Ks]eMa trận độ cứng của phần tử thanh, PTTX [K*] Ma trận độ cứng hiệu quả, kw, Tw, Hw, Lw, Số sóng, chu kỳ sóng, chiều cao sóng, chiều dài bước sóng, lx, mx, nx, ly, my, ny, lz, mz, nz Cosin chỉ phương của trục x, y, z [M], [M]eMa trận khối lượng, ma trận khối lượng phần tử, vii [N], [N]e Ma trận hàm dạng, ma trận các hàm dạng của phần tử, [Nu()],[Nv()],Nw()] Véc tơ hàng của hàm dạng chuyển vị ngang theo phương x, y, z [Nx()], [Ny()], [Nz()] Véc tơ hàng của hàm dạng chuyển vị xoay quanh trục x, y, z pwin(t) Áp lực gió tác động lên diện tích của công trình theo thời gian, {P}, {P*} Véc tơ tải trọng tổng thể, véctơ tải trọng hiệu quả, qwin ( t ) Lực gió phân bố theo chiều dài của thanh, {q}T, {q}e Véc tơ chuyển vị nút phần tử q t +t  Luỹ tích của véc tơ chuyển vị nút tch, tph Chiều dày thành ống cọc chính, cọc phụ [T]e Ma trận chuyển hệ trục tọa độ, Uwin(t) Hàm vận tốc gió theo thời gian, Ux, U x , U x Đáp ứng chuyển vị ngang, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn, Vx, Vy, Vz Chuyển vị của hạt nước theo các phương x, y, z, 1. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp ,  Các tham số trong tích phân Newmark, r, r Các hằng số cản Rayleigh, : Góc nghiên của cọc chính, , z Số gia ứng suất và số gia biến dạng theo phương pháp tuyến z, zx, zy Số gia ứng suất và số gia biến dạng trong mặt phẳng xoz, yoz zx, zy Số gia biến dạng trong mặt phẳng xoz, yoz U se  Véc tơ số gia chuyển vị nút của PTTX {se}(i) Số gia biến dạng của phần tử tiếp xúc,   (i) set+t Số gia ứng suất trong phần tử tiếp xúc, {} Véctơ chuyển vị nút phần tử tiếp xúc, viii w, i ,  j Tần số sóng, các tần số dao động riêng  Tọa độ cục bộ không thứ nguyên (  [-1,1] và  = 2x/l), I, j Các tỷ số cản,  Hệ số hiệu chỉnh cắt, w Độ cao mặt sóng biển so với mực nước tĩnh, {}, {se} Véctơ biến dạng phần tử, PTTX  x ,  zx ,  xy Biến dạng tại một điểm thuộc phần tử D, F Độ chính xác yêu cầu theo chuyển vị, theo lực gh Ứng suất trượt giới hạn,  Góc hợp bởi trục phần tử thanh dầm và phương thẳng đứng,  Góc hợp bởi Uwin ( t ) và pháp tuyến của mặt chắn gió. Wv, Win và WE là công ảo của nội lực, lực quán tính và ngoại lực do chuyển vị ảo gây ra.

Ký hiệu biểu diễn phép tính chuẩn của một véc tơ.