Tổng quan nghiên cứu

Trong kết cấu hạ tầng giao thông hiện đại, cầu vòm ống thép nhồi bê tông đang trở thành giải pháp đột phá nhờ khả năng chịu lực nén vượt trội, tiết kiệm tới 25% khối lượng vật liệu và nâng cao tính thẩm mỹ công trình. Điển hình tại Việt Nam, công trình Cầu Ông Lớn tại Thành phố Hồ Chí Minh được xây dựng với khẩu độ nhịp 99 mét gồm 3 làn xe, hay dự án Cầu Công Lý sử dụng các đoạn vòm ống thép đường kính 508 milimét và chiều dày thành ống 10 milimét đã chứng minh tiềm năng to lớn của dạng kết cấu liên hợp này. Tuy nhiên, việc chế tạo các phân đoạn vòm cong khẩu độ lớn đòi hỏi quá trình biến dạng dẻo chính xác trên máy uốn 3 trục, nơi kim loại phải chịu trạng thái ứng suất phi tuyến phức tạp.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự xuất hiện của các khuyết tật gia công nghiêm trọng như biến mỏng thành ngoài, dày cục bộ thành trong, méo mặt cắt ngang tạo độ ôvan và đặc biệt là hiện tượng hồi phục đàn hồi sau khi dỡ tải. Nếu không được dự báo chuẩn xác, tỷ lệ sai lệch hình học có thể vượt quá 5%, dẫn đến phế phẩm và làm tăng chi phí thi công thực tế. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Công nghệ Chế tạo máy của tác giả Đoàn Minh Thuận, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Tường Long tại Trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung nghiên cứu mô phỏng quá trình tạo hình ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng mô hình số đánh giá ứng xử biến dạng dẻo của ống thép trên máy uốn 3 con lăn, phân tích quy luật thay đổi chiều dày, độ ôvan và góc hồi phục đàn hồi theo bán kính uốn từ 664 milimét đến 76050 milimét. Nghiên cứu được triển khai trong giai đoạn từ tháng 2 năm 2011 đến tháng 7 năm 2011, kết hợp kiểm chứng thực nghiệm tại Công ty Trách nhiệm hữu hạn Nguyễn Trình ở Trà Vinh và số liệu thi công Cầu Công Lý. Kết quả của luận văn có ý nghĩa then chốt trong việc giảm thiểu 80% số lần uốn thử nghiệm, hạ tỷ lệ phế phẩm hình học xuống dưới 3% và hoàn thiện quy trình công nghệ uốn ống khẩu độ lớn tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết uốn dẻo phi tuyến và cơ học biến dạng lớn của vật liệu kim loại hình ống. Hiện tượng biến dạng mặt cắt ngang được giải thích thông qua hiệu ứng Brazier thiết lập từ năm 1927, chỉ ra xu hướng dẹt phẳng của vỏ mỏng khi chịu mômen uốn thuần túy. Để xác định sự thay đổi kích thước hình học, luận văn áp dụng công thức giải tích của Tang nhằm tính toán định lượng độ mỏng thành ngoài tại góc 0 độ và độ dày thành trong tại góc 180 độ so với đường trung hòa. Đặc tính cơ lý của vật liệu thép CT3 được mô hình hóa theo quy luật biến cứng dẻo phi tuyến dạng hàm mũ với giới hạn bền danh định 413,9 Megapascal, hệ số mũ biến cứng 0,23, môđun đàn hồi 210000 Megapascal và hệ số Poisson 0,3.

Mô hình nghiên cứu tích hợp phương trình cân bằng phi tuyến tổng quát suy dẫn từ nguyên lý công ảo. Để giải quyết bài toán biến dạng lớn có sự quay cục bộ của phân tố vật liệu, lý thuyết phân cực biến dạng được đưa vào để tách biệt ma trận quay thuần túy và ma trận kéo dãn. Thuật toán Newton-Raphson kết hợp tích phân tường minh được sử dụng để giải quyết phương trình vi phân chuyển động và xử lý tương tác tiếp xúc phi tuyến giữa bề mặt con lăn thép tôi cứng với bề mặt ống phôi.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp phương pháp mô phỏng số phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS/LS-DYNA và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng tại xưởng sản xuất. Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chọn mẫu mục đích để khảo sát hai nhóm mẫu đại diện cho hai cấp quy mô hình học khác nhau: cỡ mẫu thí nghiệm gồm ống thép CT3 đường kính ngoài 60 milimét, dày 1,9 milimét, chiều dài cung uốn tương ứng góc 90 độ gia công trên máy uốn 3 trục nhỏ; cỡ mẫu công nghiệp gồm ống thép kết cấu đường kính ngoài 508 milimét, dày 10 milimét, chiều dài phôi 12000 milimét uốn trên máy uốn 3 trục thủy lực cỡ lớn.

Lý do lựa chọn phần mềm ANSYS/LS-DYNA với phần tử vỏ SHELL163 là nhờ khả năng mô phỏng tối ưu các bài toán biến dạng đàn dẻo cực lớn, ma trận tiếp xúc 3 chiều phức tạp và hiện tượng hồi phục đàn hồi giải phóng năng lượng sau khi con lăn dỡ tải mà phương pháp giải tích thông thường không thể giải quyết trọn vẹn. Toàn bộ chuỗi thu thập dữ liệu, đo kiểm đường tên độ võng bằng đồng hồ so cơ khí chính xác 0,01 milimét và phân tích số học được thực hiện liên tục trong khung thời gian 5 tháng theo đề cương khoa học nghiêm ngặt.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã lượng hóa chi tiết các thông số hình học và cơ học của ống thép trong suốt chu trình tạo hình:

  1. Sự phân bố bất đối xứng của chiều dày thành ống: Dưới tác dụng của mômen uốn, nửa mặt cắt phía trên chịu ứng suất kéo làm chiều dày giảm từ 1,9 milimét xuống mức tối thiểu 1,74 milimét (mỏng đi 8,4%), trong khi nửa mặt cắt phía dưới chịu ứng suất nén làm chiều dày tăng lên mức 2,05 milimét (dày thêm 7,9%). Biến dạng tương đối tại thớ ngoài cùng của ống đường kính 508 milimét luôn được kiểm soát chặt chẽ dưới ngưỡng 2%.
  2. Mức độ ôvan hóa mặt cắt ngang: Các điểm trên đỉnh và đáy ống có xu hướng dịch chuyển hướng tâm về phía trục trung hòa để giải phóng năng lượng kéo nén cục bộ. Độ ôvan hình học thực nghiệm đạt mức 2,45% đối với ống nhỏ và 2,8% đối với ống lớn đường kính 508 milimét, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu kỹ thuật khắt khe dưới 3% của tiêu chuẩn xây dựng cầu vòm.
  3. Quy luật hồi phục đàn hồi: Góc hồi phục đàn hồi tăng tuyến tính theo bán kính uốn từ 34590 milimét đến 76050 milimét do mức độ tích lũy biến dạng dẻo giảm dần, khiến thành phần đàn hồi chiếm ưu thế. Đồng thời, góc hồi phục cũng tăng phi tuyến tỷ lệ thuận theo góc uốn từ 17 độ đến 73 độ.
  4. Mức độ tương thích giữa mô hình số và thực tế: Kết quả đo kiểm độ võng đường tên cung uốn cho thấy sai số giữa mô phỏng ANSYS/LS-DYNA và thực tế uốn ống tại Trà Vinh chỉ dao động trong khoảng từ 2,1% đến 4,8%.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi chiều dày và hình dáng mặt cắt phản ánh chính xác trạng thái ứng suất cơ học tiếp tuyến trong quá trình uốn lăn 3 trục. Khi bán kính uốn càng nhỏ, sự chênh lệch gradient ứng suất giữa vùng nén và vùng kéo càng lớn, thúc đẩy hiện tượng mỏng thành diễn ra mạnh mẽ hơn. So sánh với các công bố quốc tế của nhóm tác giả Tang hay Zhan, quy luật biến dạng dẻo trong nghiên cứu này có sự tương đồng cao về mặt định tính, đồng thời bổ sung dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho vật liệu thép kết cấu mác CT3 sản xuất tại Việt Nam.

Dữ liệu nghiên cứu cho thấy tiến trình uốn ống lớn đường kính 508 milimét được kiểm soát tối ưu qua 5 cấp áp lực thủy lực: cấp 5 Megapascal tạo độ võng 6 centimét, cấp 7 Megapascal đạt 9 centimét, cấp 10 Megapascal đạt 12 centimét, cấp 12 Megapascal đạt 15 centimét và cấp trên 14 Megapascal đưa kết cấu đạt chuẩn bán kính thiết kế 34630 milimét. Các tập dữ liệu chuyển vị và phân bố ứng suất von Mises này có thể được trình bày trực quan thông qua bảng đối chiếu dung sai thực nghiệm và đồ thị tương quan đa trục, giúp kỹ sư dễ dàng tra cứu góc hồi phục đàn hồi theo từng cấp dịch chuyển của con lăn trên từ mức 100 milimét đến 290 milimét.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng và thực nghiệm uốn ống thép 3 trục, 4 khuyến nghị công nghệ mang tính ứng dụng cao được đề xuất:

  1. Chuẩn hóa quy trình gia công uốn đa giai đoạn: Đơn vị chế tạo cơ khí cần thiết lập quy trình uốn qua 4 bước chỉnh bước tiến con lăn trung tâm, giới hạn độ dịch chuyển mỗi lần ép không quá 5 milimét đối với ống nhỏ và điều chỉnh áp lực thủy lực tăng dần theo các mốc 5, 7, 10, 12 và 14 Megapascal đối với ống lớn, nhằm đưa độ ôvan về dưới mức 2,5% và triệt tiêu nguy cơ hình thành nếp nhăn cục bộ.
  2. Tích hợp phần mềm mô phỏng ANSYS/LS-DYNA vào khâu chuẩn bị sản xuất: Phòng kỹ thuật công nghệ cần ứng dụng mô hình số để tính toán lượng bù góc hồi phục đàn hồi trước từ 1,5 độ đến 3,2 độ tùy theo bán kính uốn danh định, giúp rút ngắn 40% thời gian căn chỉnh máy và tiết kiệm ít nhất 15% chi phí kim loại thử nghiệm trong vòng 6 tháng tới.
  3. Thiết kế bổ sung dưỡng gá và con lăn dẫn hướng chuyên dụng: Xưởng gia công chế tạo máy cần trang bị bộ dưỡng con lăn có bán kính rãnh ôm sát biên dạng ngoài của ống đường kính 508 milimét, hạn chế tối đa độ lệch tâm trục và khống chế độ mỏng thành ống dưới ngưỡng 8%.
  4. Ban hành quy chuẩn đo kiểm đường tên tại hiện trường: Đội ngũ giám sát chất lượng cần áp dụng phương pháp kiểm tra đường tên đa điểm dọc theo chiều dài phân đoạn vòm 12000 milimét, đào tạo 100% công nhân vận hành nắm vững kỹ thuật kiểm soát thời gian duy trì lực ép tĩnh để triệt tiêu ứng suất dư trước khi dỡ tải hoàn toàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy: Khai thác bảng thông số công nghệ uốn ống đường kính 60 milimét đến 508 milimét, công thức tính chuyển vị con lăn và phương pháp bù góc đàn hồi để tối ưu hóa thiết kế máy uốn 3 trục cũng như kết cấu khuôn ép.
  2. Nhà thầu thi công cầu đường và kết cấu thép: Sử dụng bảng định mức cấp lực uốn từ 5 Megapascal đến trên 14 Megapascal và quy trình kiểm soát độ võng để chế tạo các phân đoạn vòm ống thép nhồi bê tông đạt chuẩn kỹ thuật cho các dự án cầu đô thị.
  3. Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Cơ kỹ thuật: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo chất lượng cao về phương pháp thiết lập phần tử hữu hạn phi tuyến SHELL163, giải thuật tương tác tiếp xúc và phương pháp giải phương trình biến dạng lớn trong ANSYS/LS-DYNA.
  4. Chuyên viên tư vấn giám sát và quản lý chất lượng công trình: Ứng dụng các ngưỡng giới hạn kiểm tra độ ôvan dưới 3%, mức độ mỏng thành dưới 10% và phương pháp đo đường tên để xây dựng quy trình nghiệm thu sản phẩm kết cấu vòm ống thép ngoài hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng hồi phục đàn hồi trong uốn ống thép 3 trục bị chi phối bởi những yếu tố nào?

Hiện tượng này phụ thuộc chủ yếu vào bán kính uốn danh định, góc uốn và cơ tính vật liệu. Trong thí nghiệm với thép CT3, bán kính uốn càng lớn thì góc hồi phục đàn hồi càng tăng do mức độ biến cứng dẻo thấp. Ngoài ra, góc hồi phục cũng tăng phi tuyến khi góc uốn tăng từ 17 độ đến 73 độ.

Tại sao chiều dày thành ống lại biến đổi không đồng đều sau khi uốn?

Khi chịu mômen uốn, nửa tiết diện phía ngoài đường trung hòa chịu ứng suất kéo dọc trục dẫn đến hiện tượng mỏng thành từ 4,5% đến 8,4%. Ngược lại, nửa tiết diện phía trong chịu ứng suất nén cực đại làm dồn ép kim loại, khiến thành ống dày thêm khoảng 5% đến 7,9%.

Tiêu chuẩn độ ôvan cho phép của ống thép vòm cầu là bao nhiêu và nghiên cứu đã kiểm soát thế nào?

Theo tiêu chuẩn kỹ thuật thi công cầu vòm thép, độ biến dạng mặt cắt ngang méo ôvan không được vượt quá 3%. Mô hình uốn 3 trục trên phôi ống đường kính 508 milimét dày 10 milimét của nghiên cứu đạt độ ôvan 2,8%, đảm bảo điều kiện làm việc an toàn và thẩm mỹ.

Ưu điểm vượt trội của phần mềm ANSYS/LS-DYNA trong bài toán uốn ống là gì?

Phần mềm sử dụng phần tử vỏ SHELL163 và giải thuật tích phân tường minh, cho phép mô phỏng chính xác sự tiếp xúc trượt phi tuyến giữa 3 con lăn và ống, đồng thời giải quyết bài toán biến dạng đàn dẻo lớn với thời gian tính toán tối ưu và sai số thực nghiệm dưới 5%.

Có bắt buộc phải gia nhiệt hay nhồi cát khi gia công ống thép đường kính 508 milimét không?

Nghiên cứu chứng minh phương pháp uốn nguội trên máy 3 trục thủy lực với chế độ tăng áp lực đa cấp từ 5 đến 14 Megapascal hoàn toàn đảm bảo chất lượng hình học của ống rỗng mà không cần gia nhiệt hay nhồi cát, giúp tiết kiệm đáng kể nhân công và chi phí.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình số bằng phần tử hữu hạn ANSYS/LS-DYNA mô phỏng chính xác quá trình uốn ống thép 3 trục cho kết cấu cầu vòm.
  • Xác lập đầy đủ quy luật định lượng về sự thay đổi chiều dày thành ống, mức độ ôvan hóa dưới 3% và góc hồi phục đàn hồi theo bán kính uốn thực tế.
  • Kiểm chứng thực nghiệm trên hai hệ thống máy uốn cho độ tin cậy cao với sai số hình học so với mô phỏng chỉ từ 2,1% đến 4,8%.
  • Đề xuất hoàn chỉnh quy trình công nghệ uốn nguội 5 cấp áp lực thủy lực áp dụng trực tiếp cho các ống thép khẩu độ lớn đường kính 508 milimét.
  • Tạo tiền đề khoa học vững chắc để các đơn vị cơ khí trong nước tự chủ sản xuất kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông khẩu độ lớn với chi phí cạnh tranh.

Đóng góp lớn nhất của công trình là giải quyết triệt để bài toán dự báo khuyết tật hình học và góc hồi phục đàn hồi trong gia công vòm thép tại Việt Nam. Trong các giai đoạn tiếp theo, các doanh nghiệp chế tạo và viện nghiên cứu nên tiếp tục mở rộng mô phỏng cho các loại ống thép cường độ cao có tỷ lệ đường kính trên chiều dày lớn hơn. Hãy ứng dụng ngay mô hình mô phỏng ANSYS/LS-DYNA và quy trình uốn 5 cấp lực vào dây chuyền sản xuất để nâng cao năng suất, triệt tiêu sai hỏng và kiến tạo nên những công trình cầu vòm bền vững, hiện đại.