ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- NGÔ TRUNG VŨ PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HYDROELASTIC CỦA KẾT CẤU NỔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BEM&FEM SỬ DỤNG PHẦN TỬ TẤM KIRCHHOFF VÀ MINDLIN Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Dân dụng Và Công nghiệp Mã số ngành: 60580208 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp.HCM, 2018 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS LƢƠNG VĂN HẢI Cán bộ chấm nhận xét 1: Cán bộ chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM, ngày 23 tháng 8 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: -PGS.TS Bùi Công Thành-Chủ tịch Hội đồng -PGS.TS Nguyễn Trung Kiên -PGS.TS Nguyễn Trọng Phƣớc -PGS.TS Lê Song Giang -TS.Châu Đình Thành-Thƣ kí Hội đồng -TS.Nguyễn Hồng Ân -TS.Nguyễn Tấn Cƣờng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGÔ TRUNG VŨ MSHV: 1571030 Ngày, tháng, năm sinh: 13/07/1984 Nơi sinh: KHÁNH HÒA Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công trình Dân Dụng và Công Nghiệp Mã số: 60580208 I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ HYDROELASTIC CỦA KẾT CẤU NỔI BẰNG PHƢƠNG PHÁP KẾT HỢP BEM&FEM SỬ DỤNG PHẦN TỬ TẤM KIRCHHOFF VÀ MINDLIN II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Trình bày cơ sở lý thuyết tấm Kirchhoff, tấm Mindlin, chất lỏng lý tƣởng, phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp phần tử biên 2.
Phát triển thuật toán giải hệ phƣơng trình tƣơng tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian và xây dựng chƣơng trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ tấm- nƣớc 3. Kiểm chứng chƣơng trình và thực hiện các bài toán khảo sát để đánh giá ảnh hƣởng của chiều dày tấm lên các đại lƣợng đặc trƣng của hệ. Đƣa ra kết luận và kiến nghị từ kết quả nghiên cứu số. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : IV.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS. TS LƢƠNG VĂN HẢI Tp. năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) PGS.TS Lƣơng Văn Hải TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng v.v… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học.
Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân. Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn tới tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó. Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS Lƣơng Văn Hải và Thầy TS.Trần Minh Thi. Các thầy đã đƣa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tƣởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trƣờng Đại học Bách Khoa TP.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi, đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đƣờng nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh NCS. Nguyễn Xuân Vũ đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này. Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót.
Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn. Xin trân trọng cảm ơn. HCM, ngày tháng năm 2018 NGÔ TRUNG VŨ iv TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đại dƣơng bao phủ 70% Trái Đất là nơi làm giảm nhu cầu cấp bách về vấn đề đất đai ven biển. Gần 50% thế giới công nghiệp hóa hiện nay sống trong vòng 1 km bờ biển, nhu cầu về tài nguyên đất và không gian đang bắt đầu tiến tới một giai đoạn quan trọng khi dân số thế giới tiếp tục tăng với tốc độ đáng báo động.
Cần có một sự phát triển bền vững và thân thiện với môi trƣờng. Một trong những sáng kiến thân thiện với môi trƣờng xuất hiện trong thời gian gần đây là khái niệm về các công trình nổi siêu lớn (VLFS) - một công nghệ cho phép tạo ra các vùng đất nhân tạo từ biển mà không phá hủy môi trƣờng biển, không làm ô nhiễm nguồn nƣớc ven biển và không thay đổi dòng chảy thủy triều và dòng chảy tự nhiên. Cho đến nay nhiều phƣơng pháp số đã đƣợc phát triển để phân tích VLFS trong môi trƣờng sóng biển, trong luận văn này sẽ sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phần tử biên (BEM) và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích kết cấu tấm nổi Kirchhoff và Mindlin chịu tải trọng di động để giải quyết bài toán kết cấu nổi siêu lớn. Chƣơng 1 là phần giới thiệu tổng quan về kết cấu nổi siêu lớn, lịch sự phát triển, những ƣu điểm và ứng dụng của kết cấu nổi siêu lớn trong thực tế, mục tiêu và hƣớng nghiên cứu của đề tài.
Trong chƣơng 2 trình bày mô hình của kết cấu nổi và chất lỏng cùng với những điều kiện biên thiết lập trong quá trình tính toán, trình bày cơ sở lý thuyết tấm Kirchhoff và tấm Mindlin, chất lỏng lý tƣởng, phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp phần tử biên sử dụng trong quá trình tính toán. Chƣơng 3 sử dụng thuật toán giải hệ phƣơng trình tƣơng tác giữa tấm và chất lỏng trong miền thời gian và xây dựng chƣơng trình Matlab mô phỏng ứng xử của hệ tấm-nƣớc, tiến hành phân tích, so sánh tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với chiều dày tấm thay đổi cùng với sự thay đổi lần lƣợt của vận tốc của tải trọng, độ lớn của tải trọng, chiều sâu đáy chất lỏng, vị trí đặt tải trọng, module đàn hồi và kích thƣớc tấm. Từ kết quả của chƣơng 3, nhận xét và kiến nghị đƣợc trình bày trong chƣơng 4 và cuối cùng là danh mục những tài liệu tham khảo đã sử dụng trong luận văn. iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của Thầy PGS.TS Lƣơng Văn Hải.
Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chƣa đƣợc công bố ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình. HCM, ngày tháng năm 2018 NGÔ TRUNG VŨ v MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iv LỜI CAM ĐOAN v MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT viii CHƢƠNG 1.1 Lịch sử phát triển .3 Tổng quan nghiên cứu và sự cần thiết tiến hành nghiên cứu .2 Các phƣơng pháp phân tích.4 Mục tiêu và hƣớng nghiên cứu .2 Hƣớng nghiên cứu .5 Cấu trúc luận văn .1 Mô hình cấu trúc chất lỏng và các điều kiện biên.1 Mô hình cấu trúc chất lỏng .2 Điều kiện biên .2 Phƣơng trình vi phân chủ đạo tấm mỏng .3 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tấm mỏng.4 Phƣơng pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho tấm dày: .5 Phƣơng pháp phần tử biên .1 Nghiệm cơ bản của phƣơng trình Laplace .1 Bài toán 1: Kiếm chứng chƣơng trình phân tích hydroelastic của tấm đẳng hƣớng so với kết quả của tác giả Ismail .2 Bài toán 2: Phân tích sự hội tụ của bài toán .3 Bài toán 3: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với sự thay đổi giá trị vận tốc của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm .4 Bài toán 4: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các giá trị độ sâu đáy biển thay đổi ứng với sự thay đổi chiều dày tấm .5 Bài toán 5: Khảo sát chuyển vị tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các vị trí khác nhau của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm.6 Bài toán 6: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các giá trị khác nhau của tải trọng ứng với sự thay đổi chiều dày tấm .7 Bài toán 7: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với các giá trị khác nhau của module đàn hồi E ứng với sự thay đổi chiều dày tấm40 3.8 Bài toán 8: Khảo sát chuyển vị của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin với sự thay đổi kích thƣớc tấm L và B ứng với sự thay đổi chiều dày tấm .KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 4. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.
Các thành phần của hệ thống kết cấu nổi 3 Hình 1. Mega-Float tại vịnh Tokyo, Nhật Bản 4 Hình 1. Sân bay Quốc tế Tokyo, (Haneda) 4 Hình 1. Căn cứ cứu hộ khẩn cấp ở vịnh Tokyo và vịnh Osaka 5 Hình 1.
Bãi đáp trực thăng nổi, Vancouver, Canada 5 Hình 1. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở Shirashima, Japan 5 Hình 1. Căn cứ lƣu trữ dầu nổi ở Kamigoto, tỉnh Nagasaki , Japan 5 Hình 1. Phản ứng toàn phần của tấm dƣới tác dụng của tải trọng tĩnh 6 Hình 1.
Sơ đồ phản ứng toàn phần của kết cấu nổi 7 Hình 2. Hệ chất lỏng và hệ tọa độ 11 Hình 2. Các thành phần ứng suất của tấm mỏng 13 Hình 2. Phần tử chữ nhật với 4 điểm nút 16 Hình 2.
Mô hình tấm dày 18 Hình 2. Hàm Green G P, Q 21 Hình 2. Miền khảo sát, mặt biên tròn và mặt biên nữa tròn S , r 21 Hình 3. Mô hình một kết cấu nổi VLFS 26 Hình 3.
Mô hình tấm nổi kích thƣớc 9, 75m 1, 95m 27 Hình 3. Kết quả chuyển vị của Ismail và luận văn 28 Hình 3. Chuyển vị lớn nhất của tấm ứng với lƣới chia phần tử 29 Hình 3. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchoff và tấm Mindlin khi thay đổi vận tốc của tải trọng 31 Hình 3.
Chuyển vị tấm theo phƣơng x khi thay đổi vận tốc tải trọng 32 Hình 3. Kết quả chuyển vị lớn nhất của tấm Kirchhoff và tấm Mindlin khi thay đổi chiều sâu đáy chất lỏng 34 Hình 3.