Nghiên Cứu Cải Tiến Hình Thức Kết Cấu Hệ Dàn Cửa Van Phẳng Kéo Đứng Nhịp Lớn

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu cải tiến hình thức kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn cho công trình kiểm, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Trần Xuân Hải
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Hoàng Hưng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Nghiên Cứu Cải Tiến Kết Cấu Hệ Dàn Cửa Van Phẳng Kéo Đứng Nhịp Lớn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN
• 1.1. Tổng quan về cửa van nhịp lớn
• 1.1.1. Khái niệm cửa van nhịp lớn
• 1.1.2. Các hình thức cửa van nhịp lớn
• 1.1.3. Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 1.2. Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu cửa van nhịp lớn
• 1.2.1. Tối ưu hóa kết cấu cửa van
• 1.2.2. Dao động kết cấu cửa van
• 1.2.3. Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van
• 1.3. Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ
• 2.1. Tối ưu hóa kết cấu
• 2.1.1. Khái quát về tối ưu hóa kết cấu
• 2.1.2. Công thức cơ bản của bài toán tối ưu hóa kết cấu
• 2.1.3. Vấn đề tính toán tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 2.2. Động lực học kết cấu
• 2.2.1. Khái quát về động lực học kết cấu
• 2.2.2. Phương pháp tích phân trực tiếp giải bài toán động lực học kết cấu
• 2.2.3. Vấn đề tính toán động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 2.3. Tương tác khối nước – kết cấu
• 2.3.1. Khái quát về tương tác khối nước – kết cấu
• 2.3.2. Vấn đề tính toán tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 2.4. Phá hoại mỏi kết cấu
• 2.4.1. Khái quát về phá hoại mỏi kết cấu
• 2.4.2. Tập trung ứng suất
• 2.4.3. Lan truyền vết nứt
• 2.4.4. Vấn đề tính toán phá hoại mỏi của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 2.5. Công cụ sử dụng trong nghiên cứu
• 2.5.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS
• 2.5.2. Phần tử sử dụng trong mô hình
• 2.5.3. Kỹ thuật tính toán tối ưu
• 2.5.4. Kỹ thuật tính toán động lực học kết cấu
• 2.5.5. Kỹ thuật tính toán tương tác khối nước - kết cấu
• 2.5.6. Kỹ thuật tính toán phá hoại mỏi kết cấu thép
• 2.6. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN
• 3.1. Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn
• 3.1.1. Đề xuất thay đổi hình thức kết cấu dàn
• 3.1.2. Xây dựng chương trình tính toán kết cấu cửa van
• 3.1.3. Kết quả tính toán kết cấu cửa van
• 3.1.4. Tổng hợp kết quả tính toán và nhận xét
• 3.2. Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý
• 3.2.1. Ảnh hưởng của chiều cao dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn
• 3.2.2. Ảnh hưởng của khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn
• 3.2.3. Ảnh hưởng của độ cong thanh cánh thượng dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn
• 3.2.4. Lựa chọn góc nghiêng hai dàn chính
• 3.3. Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang thanh dàn
• 3.3.1. Phương án tính toán tối ưu
• 3.3.2. Kết quả tính toán tối ưu kích thước mặt cắt đối với các phương án
• 3.3.3. Kiểm tra độ bền và độ cứng cửa van với kích thước đề xuất
• 3.4. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
• 4.1. Giới thiệu công trình
• 4.2. Thông số cơ bản dùng trong thiết kế
• 4.3. Lựa chọn kết cấu cửa van
• 4.4. Xây dựng mô hình tính toán
• 4.5. Tính toán độ bền và độ cứng kết cấu thép cửa van
• 4.5.1. Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản
• 4.5.2. Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất
• 4.5.3. So sánh kết quả tính toán tĩnh và động theo mô hình FSI
• 4.6. Kiểm tra khả năng phá hoại mỏi của kết cấu thép cửa van
• 4.6.1. Khả năng phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van
• 4.6.2. Vị trí kiểm tra phá hoại mỏi
• 4.6.3. Kết quả tính toán kiểm tra phá hoại mỏi
• 4.7. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Cửa Van Phẳng Kéo Đứng Nhịp Lớn Khái Niệm

Việt Nam, với nguồn tài nguyên nước dồi dào, từ lâu đã phát triển các giải pháp công trình thủy lợi để điều phối nguồn nước, phục vụ dân sinh và kinh tế. Nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nước biển dâng, đòi hỏi các giải pháp kiểm soát nước hiệu quả hơn. Các vùng đồng bằng ven biển, vốn trù phú về nông nghiệp và thủy sản, thường chịu tác động mạnh của thủy triều và có địa hình thấp, cần các công trình kiểm soát nước tiên tiến. Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đóng vai trò quan trọng trong các công trình này, giúp kiểm soát lưu lượng và mực nước, ngăn mặn, giữ ngọt và tháo lũ. Các công trình này ngày càng trở nên quan trọng để bảo vệ và phát triển kinh tế xã hội.

1.1. Định Nghĩa và Đặc Điểm Cửa Van Phẳng Kéo Đứng

Cửa van kéo đứng là loại cửa van di chuyển thẳng đứng trong mặt phẳng khe van khi đóng mở, với dòng nước chảy dưới đáy. Cửa van phẳng có bản mặt chắn nước phẳng và chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng. Cửa van nhịp lớn có bề rộng chắn nước lớn hơn nhiều so với chiều cao (B/H ≥ 4). Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn kết hợp các đặc điểm này, có bề rộng chắn nước lớn (thường trên 30m), bản chắn nước phẳng, kết cấu chịu lực chính dạng dàn ống thép, và chuyển động thẳng đứng. Các công trình này được sử dụng để kiểm soát lưu lượng và mực nước, ngăn mặn, giữ ngọt và tháo lũ trong vùng ảnh hưởng của thủy triều.

1.2. Vai Trò của Cửa Van Nhịp Lớn trong Hệ Thống Thủy Lợi

Cửa van nhịp lớn đóng vai trò then chốt trong các công trình kiểm soát nước vùng triều, đảm bảo khả năng kiểm soát lưu lượng và mực nước hiệu quả. Chúng giúp ngăn chặn xâm nhập mặn, duy trì nguồn nước ngọt cho sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp, đồng thời hỗ trợ tháo lũ nhanh chóng trong mùa mưa. Việc lựa chọn và thiết kế cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của toàn bộ hệ thống thủy lợi. Các nghiên cứu về cải tiến kết cấu và tối ưu hóa thiết kế cửa van có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của các công trình này.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Cửa Van Phẳng Kéo Đứng Nhịp Lớn

Việc thiết kế cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Kích thước lớn đòi hỏi kết cấu phải chịu được áp lực nước lớn và các tải trọng động phức tạp. Đồng thời, yêu cầu về độ bền, độ cứng và tuổi thọ cao đòi hỏi các giải pháp thiết kế tối ưu. Các yếu tố như tương tác khối nước – kết cấu, dao động kết cấu và phá hoại mỏi cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp và công nghệ chế tạo tiên tiến cũng đóng vai trò quan trọng. Các nghiên cứu về tối ưu hóa kết cấu và phân tích ứng suất là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của cửa van.

2.1. Vấn Đề Ứng Suất và Độ Bền Kết Cấu trong Cửa Van Nhịp Lớn

Do kích thước lớn, cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn phải chịu áp lực nước rất lớn, dẫn đến ứng suất cao trong các bộ phận kết cấu. Việc đảm bảo độ bền kết cấu là yếu tố then chốt để tránh các sự cố đáng tiếc. Các nghiên cứu về phân tích ứng suất và tính toán kết cấu cần được thực hiện cẩn thận để xác định các điểm yếu và đưa ra các giải pháp gia cường phù hợp. Việc sử dụng các phần mềm mô hình hóa kết cấu tiên tiến giúp mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất và biến dạng của cửa van dưới tác dụng của tải trọng.

2.2. Ảnh Hưởng của Tương Tác Khối Nước Kết Cấu Đến Độ Ổn Định

Tương tác khối nước – kết cấu (FSI) là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong thiết kế cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn. Sự tương tác giữa nước và kết cấu có thể gây ra các dao động và rung động, ảnh hưởng đến độ ổn định và tuổi thọ của cửa van. Các nghiên cứu về FSI giúp hiểu rõ hơn về cơ chế tương tác và đưa ra các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực. Việc sử dụng các mô hình FSI phức tạp cho phép mô phỏng chính xác hơn hành vi của cửa van trong điều kiện vận hành thực tế.

2.3. Nguy Cơ Phá Hoại Mỏi và Yêu Cầu Kiểm Định Chất Lượng

Phá hoại mỏi là một nguy cơ tiềm ẩn đối với cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn, đặc biệt tại các mối nối và các điểm tập trung ứng suất. Việc kiểm định chất lượng vật liệu và quá trình chế tạo là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của cửa van. Các nghiên cứu về phá hoại mỏi giúp xác định các vị trí dễ bị phá hoại và đưa ra các giải pháp thiết kế và bảo trì phù hợp. Việc áp dụng các phương pháp kiểm tra không phá hủy giúp phát hiện sớm các vết nứt và các khuyết tật khác, từ đó ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng.

III. Cải Tiến Kết Cấu Hệ Dàn Cửa Van Phương Pháp Nghiên Cứu

Nghiên cứu cải tiến kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp tính toán kết cấu bằng phần mềm mô hình hóa như ANSYS được sử dụng để phân tích ứng suất, biến dạng và độ ổn định của cửa van. Các thí nghiệm trên mô hình vật lý giúp kiểm chứng kết quả tính toán và đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải tiến. Việc tối ưu hóa kết cấu được thực hiện bằng các thuật toán tối ưu hóa, nhằm giảm trọng lượng, tăng độ bền và giảm chi phí chế tạo. Các kết quả nghiên cứu được áp dụng vào thiết kế thực tế, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của cửa van.

3.1. Sử Dụng Phần Mềm Phân Tích Kết Cấu ANSYS để Mô Hình Hóa

Phần mềm phân tích kết cấu ANSYS là công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa và phân tích cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn. ANSYS cho phép mô phỏng chính xác trạng thái ứng suất, biến dạng và độ ổn định của cửa van dưới tác dụng của các tải trọng khác nhau. Việc sử dụng các phần tử hữu hạn phù hợp giúp mô tả chính xác hình dạng và đặc tính vật liệu của các bộ phận kết cấu. ANSYS cũng cung cấp các công cụ để phân tích tương tác khối nước – kết cấu và phá hoại mỏi, giúp đánh giá toàn diện hiệu suất của cửa van.

3.2. Tối Ưu Hóa Kết Cấu Bằng Thuật Toán và Mô Hình Hóa

Tối ưu hóa kết cấu là quá trình tìm kiếm giải pháp thiết kế tốt nhất, đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ cứng, trọng lượng và chi phí. Các thuật toán tối ưu hóa, như thuật toán di truyền (GA) và thuật toán bầy đàn (PSO), được sử dụng để tìm kiếm các thông số thiết kế tối ưu. Quá trình tối ưu hóa thường được thực hiện lặp đi lặp lại, với sự hỗ trợ của các phần mềm mô hình hóa kết cấu. Kết quả tối ưu hóa giúp giảm trọng lượng cửa van, tăng độ bền và giảm chi phí chế tạo.

3.3. Thí Nghiệm Kiểm Định Chất Lượng và Đánh Giá Độ Bền Kết Cấu

Thí nghiệm kiểm định chất lượng là bước quan trọng để đảm bảo độ bền kết cấu của cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn. Các thí nghiệm được thực hiện trên mô hình vật lý hoặc trên cửa van thực tế, nhằm kiểm tra khả năng chịu tải, độ ổn định và tuổi thọ của cửa van. Các kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính toán, giúp kiểm chứng độ chính xác của các mô hình và phương pháp tính toán. Thí nghiệm cũng giúp phát hiện các khuyết tật và các điểm yếu tiềm ẩn, từ đó đưa ra các giải pháp khắc phục.

IV. Ứng Dụng Nghiên Cứu Tính Toán Kết Cấu Cho Công Trình Thực Tế

Kết quả nghiên cứu về cải tiến kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn được ứng dụng vào tính toán kết cấu cho các công trình thực tế. Các thông số thiết kế tối ưu, vật liệu phù hợp và công nghệ chế tạo tiên tiến được lựa chọn dựa trên kết quả nghiên cứu. Quá trình tính toán kết cấu được thực hiện bằng phần mềm mô hình hóa, với sự xem xét đến các yếu tố như áp lực nước, tải trọng động và tương tác khối nước – kết cấu. Kết quả tính toán được sử dụng để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của cửa van trong điều kiện vận hành thực tế.

4.1. Lựa Chọn Kết Cấu Cửa Van Phù Hợp Với Yêu Cầu Công Trình

Việc lựa chọn kết cấu cửa van phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của công trình. Các yếu tố cần xem xét bao gồm kích thước cửa van, áp lực nước, điều kiện địa chất và yêu cầu về độ bền, độ cứng và tuổi thọ. Các kết quả nghiên cứu về cải tiến kết cấu giúp đưa ra các lựa chọn kết cấu tối ưu, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế của công trình.

4.2. Kiểm Tra Độ Bền và Độ Cứng Kết Cấu Thép Cửa Van

Kiểm tra độ bền và độ cứng là bước quan trọng để đảm bảo an toàn của cửa van. Quá trình kiểm tra được thực hiện bằng phần mềm mô hình hóa, với sự xem xét đến các tải trọng khác nhau. Các kết quả kiểm tra được so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật, đảm bảo kết cấu thép của cửa van đáp ứng các yêu cầu về an toàn và độ tin cậy.

4.3. Đánh Giá Khả Năng Phá Hoại Mỏi và Tuổi Thọ Cửa Van

Đánh giá khả năng phá hoại mỏi là yếu tố quan trọng để dự đoán tuổi thọ của cửa van. Quá trình đánh giá được thực hiện bằng phần mềm mô hình hóa, với sự xem xét đến các chu kỳ tải trọng và các yếu tố ảnh hưởng đến phá hoại mỏi. Kết quả đánh giá giúp xác định các vị trí dễ bị phá hoại và đưa ra các giải pháp bảo trì phù hợp, kéo dài tuổi thọ của cửa van.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Cửa Van Phẳng

Nghiên cứu cải tiến kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn đã đạt được những kết quả quan trọng, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các công trình kiểm soát nước. Các giải pháp tối ưu hóa kết cấu, lựa chọn vật liệu phù hợp và công nghệ chế tạo tiên tiến đã được đề xuất và kiểm chứng. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn, như tương tác khối nước – kết cấu phức tạp, dao động kết cấu và phá hoại mỏi trong điều kiện vận hành thực tế. Hướng phát triển của nghiên cứu là tập trung vào các giải pháp thiết kế thông minh, sử dụng vật liệu mới và áp dụng các công nghệ tiên tiến để tạo ra các cửa van phẳng có hiệu suất cao, tuổi thọ dài và chi phí thấp.

5.1. Đóng Góp Mới và Ý Nghĩa Khoa Học của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đóng góp vào việc cải tiến kết cấu hệ dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn, mang lại những giải pháp tối ưu hóa và nâng cao hiệu quả hoạt động. Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu nằm ở việc phát triển các phương pháp tính toán kết cấu tiên tiến, áp dụng các thuật toán tối ưu hóa và đánh giá khả năng phá hoại mỏi một cách chính xác. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo các cửa van phẳng có hiệu suất cao và tuổi thọ dài.

5.2. Tồn Tại và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Cửa Van

Mặc dù đã đạt được những kết quả quan trọng, nghiên cứu vẫn còn một số tồn tại cần được giải quyết. Các vấn đề như tương tác khối nước – kết cấu phức tạp, dao động kết cấu và phá hoại mỏi trong điều kiện vận hành thực tế cần được nghiên cứu sâu hơn. Hướng nghiên cứu tiếp theo là tập trung vào các giải pháp thiết kế thông minh, sử dụng vật liệu mới và áp dụng các công nghệ tiên tiến để tạo ra các cửa van có hiệu suất cao, tuổi thọ dài và chi phí thấp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CÔNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TRẦN XUÂN HẢI NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HÌNH THỨC KẾT CẤU HỆ DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN CHO CÔNG TRÌNH KIỂM SOÁT NƯỚC VÙNG TRIỀU Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 9580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS Vũ Hoàng Hưng 2. TS Hà Văn Khối HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Trần Xuân Hải i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học và Đổi mới Công nghệ, Công ty TNHH MTV Nước và Môi trường Bình Minh đã tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy hướng dẫn PGS. Vũ Hoàng Hưng, cố GS. Hà Văn Khối và PGS.TS Trần Mạnh Tuân, những người đã theo dõi và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian làm luận án tiến sĩ. Xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Vũ Văn Nghị (Trường Đại học KHTN – Đại học Quốc Gia TP. HCM) về sự giúp đỡ chuyên môn và động viên tinh thần trong quá trình tác giả thực hiện, và các giáo sư, tiến sĩ của Khoa công trình trường Đại học Thủy lợi đã đóng góp rất nhiều ý kiến quý báu cũng như giúp đỡ tác giả tìm kiếm tài liệu phục vụ nghiên cứu luận án. Cám ơn Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Cà Mau, Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Bạc Liêu, Trung tâm Quản lý và Khai thác Công trình Thủy lợi Kiên Giang, Công ty TNHH MTV Khai thác Thuỷ lợi Miền Nam, Viện Quy hoạch Thủy lợi Miền Nam, Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, Viện Thủy công… đã chia sẻ công việc và tài liệu cơ bản để tác giả có đủ điều kiện thực hiện luận án. Xin cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp đã động viên tác giả rất nhiều trong những năm qua để tôi có thể vượt qua những giai đoạn khó khăn. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xiv ĐỊNH NGHĨA CÁC CỤM TỪ DÙNG TRONG LUẬN ÁN .xvi MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài . Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng, phạm vi và nội dung nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu . Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Cách tiếp cận . Phương pháp nghiên cứu . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Ý nghĩa khoa học . Ý nghĩa thực tiễn . Cấu trúc luận án . 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỬA VAN NHỊP LỚN VÀ NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU ĐẶT RA VỚI LUẬN ÁN .1 Tổng quan về cửa van nhịp lớn .1 Khái niệm cửa van nhịp lớn.2 Các hình thức cửa van nhịp lớn .3 Cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .2 Tổng quan về các nghiên cứu có liên quan đến tính toán thiết kế kết cấu cửa van nhịp lớn.1 Tối ưu hóa kết cấu cửa van .2 Dao động kết cấu cửa van .3 Phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van .3 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu.4 Kết luận chương 1. 36 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KẾT CẤU CỬA VAN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ .2 Tối ưu hóa kết cấu .1 Khái quát về tối ưu hóa kết cấu .2 Công thức cơ bản của bài toán tối ưu hóa kết cấu .3 Vấn đề tính toán tối ưu dàn thép cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .3 Động lực học kết cấu .1 Khái quát về động lực học kết cấu .2 Phương pháp tích phân trực tiếp giải bài toán động lực học kết cấu .3 Vấn đề tính toán động lực học kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .4 Tương tác khối nước – kết cấu.1 Khái quát về tương tác khối nước – kết cấu.2 Vấn đề tính toán tương tác động lực học khối nước – kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .5 Phá hoại mỏi kết cấu .1 Khái quát về phá hoại mỏi kết cấu .2 Tập trung ứng suất .3 Lan truyền vết nứt .4 Vấn đề tính toán phá hoại mỏi của kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .6 Công cụ sử dụng trong nghiên cứu .1 Giới thiệu phần mềm ANSYS .2 Phần tử sử dụng trong mô hình .3 Kỹ thuật tính toán tối ưu.4 Kỹ thuật tính toán động lực học kết cấu .5 Kỹ thuật tính toán tương tác khối nước - kết cấu.6 Kỹ thuật tính toán phá hoại mỏi kết cấu thép.7 Kết luận Chương 2 . 73 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THAY ĐỔI HÌNH THỨC VÀ TÍNH TOÁN TỐI ƯU KẾT CẤU DÀN CỬA VAN PHẲNG KÉO ĐỨNG NHỊP LỚN.2 Nghiên cứu thay đổi hình thức kết cấu dàn cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .1 Đề xuất thay đổi hình thức kết cấu dàn.2 Xây dựng chương trình tính toán kết cấu cửa van.3 Kết quả tính toán kết cấu cửa van .4 Tổng hợp kết quả tính toán và nhận xét.3 Nghiên cứu lựa chọn kích thước dàn hợp lý .1 Ảnh hưởng của chiều cao dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn .2 Ảnh hưởng của khoảng cách hai thanh cánh hạ dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn .3 Ảnh hưởng của độ cong thanh cánh thượng dàn chính đến nội lực và chuyển vị dàn .4 Lựa chọn góc nghiêng hai dàn chính .4 Nghiên cứu lựa chọn kích thước mặt cắt ngang thanh dàn.1 Phương án tính toán tối ưu .2 Kết quả tính toán tối ưu kích thước mặt cắt đối với các phương án .3 Kiểm tra độ bền và độ cứng cửa van với kích thước đề xuất .5 Kết luận Chương 3. 117 CHƯƠNG 4 ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ .1 Giới thiệu công trình .2 Thông số cơ bản dùng trong thiết kế .3 Lựa chọn kết cấu cửa van .4 Xây dựng mô hình tính toán.5 Tính toán độ bền và độ cứng kết cấu thép cửa van .1 Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng cơ bản .2 Cửa van chịu tác dụng của tổ hợp tải trọng đặc biệt có động đất.3 So sánh kết quả tính toán tĩnh và động theo mô hình FSI .6 Kiểm tra khả năng phá hoại mỏi của kết cấu thép cửa van .1 Khả năng phá hoại mỏi kết cấu thép cửa van .2 Vị trí kiểm tra phá hoại mỏi .3 Kết quả tính toán kiểm tra phá hoại mỏi.7 Kết luận Chương 4 . 136 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . Những kết quả đạt được. Những đóng góp mới của luận án . Những tồn tại và hướng phát triển . 141 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .142 TÀI LIỆU THAM KHẢO . PL1 vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các hình thức cửa van nhịp lớn .2 Công trình có cửa van kéo đứng nhịp lớn nhất trên thế giới (Nguồn: Internet) .3 Một vài công trình có cửa van phẳng kéo đứng tại Việt Nam .4 Kết cấu cửa van phẳng kéo đứng nhịp lớn .5 Sơ đồ áp lực nước tĩnh lên cửa van phẳng .6 Tối ưu hình học dàn phẳng với điều kiện ràng buộc chuyển vị .7 Tối ưu hóa hình học và cấu trúc dàn thép không gian .8 Tối ưu hóa hình học và cấu trúc cầu dàn thép .9 Cửa van phẳng kéo đứng Krimpen – Hà Lan .10 Dạng dao động của cửa van 95 m thực hiện trên mô hình PTHH .11 Nghiên cứu tương tác động lực học 3D kết cấu cửa van phẳng nhịp lớn .12 Hình thức mối nối chân dàn chính .13 Phá hoại tại mối nối chân dàn loại (a) .14 Mô hình PTHH mối nối hàn ống thép với hộp thép .15 Mô hình PTHH nút dàn ống thép có bản mã và kết quả tính toán hệ số tập trung ứng suất khi không có và có bản mã .16 Các loại mô hình phần tử hữu hạn nút dàn .1 Tối ưu hình dạng và kích thước dàn .2 Ví dụ về kết cấu chịu tải trọng động .3 Phương pháp giải phương trình chuyển động của hệ kết cấu .4 Các dạng phá hoại mỏi .5 Tập trung ứng suất .6 Hệ số tập trung ứng suất cho lỗ khoét hình tròn .7 Các giai đoạn lan truyển vết nứt mỏi.8 Tuổi nứt ban đầu tương đối là hàm số của phân bố ứng suất tại khởi tạo vết nứt .9 Phần tử dầm 3-D BEAM188 .10 Phần tử mặt 3-D SHELL63 .11 Phần tử khối 3-D FLUID30 .12 Sơ đồ khối quá trình tính toán tối ưu trong phần mềm ANSYS .13 Sơ đồ khối quá trình tính toán tối ưu theo phương pháp MOGA .14 Sơ đồ tính toán dàn vòm phẳng .15 Mã phần tử các thanh dàn .16 Sơ đồ tính toán kết cấu dàn đứng .17 Chuyển vị và gia tốc theo thời gian tại vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) .18 Quá trình phân tích FSI .19 Mô hình phần tử hữu hạn tương tác khối nước – kết cấu 2D .20 Chuyển vị và gia tốc theo thời gian tại vị trí đỉnh dàn đứng (điểm D) khi xét đến tương tác khối nước trước và sau cửa van .21 Chuyển vị của kết cấu tại thời điểm 10 s và 20 s .22 Sơ đồ khối phân tích mỏi theo tuổi ứng suất bằng phần mềm ANSYS .23 Sơ đồ nút liên kết thanh dàn .24 Đường cong phá hoại mỏi S – N của vật liệu thép S355 .25 Trạng thái chuyển vị và ứng suất tại vị trí liên kết .26 Kết quả tính toán mỏi tại vị trí nút 50 .1 Cửa van dạng dàn một vòm với mặt phẳng dàn chính đặt song song .2 Kết cấu dàn chính có thanh cánh thượng và hạ lưu cong một chiều .3 Cửa van dạng một vòm với mặt phẳng dàn chính đặt nghiêng góc .4 Hình thức dàn chính cửa van phẳng kéo đứng được đề xuất thay đổi .5 Nguyên tắc chịu lực của mặt phẳng dàn làm việc hai chiều .6 Chương trình tính toán tích hợp trong phần mềm ANSYS .7 Cấu trúc của Chương trình LIFTGATE.8 Điều kiện biên của mô hình .9 Cấu trúc của Chương trình LGATE_OP.