Chương 1. Tổng quan Hiện nay, việc sử dụng các bộ hấp thụ dao động trong lĩnh vực giảm dao động và va chạm đang phát triển do các nguyên nhân sau đây: • Qui mô ngày càng lớn của các công trình, máy móc, thiết bị, phương tiện giao thông khiến cho các hệ kỹ thuật rất nhạy cảm với dao động và va chạm. Các phương pháp giảm dao động thông thường như tăng khối lượng hoặc độ cứng không còn đủ hiệu quả và trở nên không kinh tế. • Cùng với sự gia tăng về qui mô là sự gia tăng các nguyên nhân gây ra dao động và va chạm có hại.
Ví dụ các toà nhà ngày càng cao, cầu ngày càng dài nên càng phải đối mặt với những điều kiện gió và động đất rất phức tạp. • Ngoài ra, sự gia tăng về qui mô làm cho các hệ kỹ thuật trở nên ngày càng đắt tiền, dẫn tới các yêu cầu về độ an toàn, tuổi thọ và hiệu quả sử dụng cũng tăng theo. Ngoài ra, sự phát triển của những ngành công nghệ cao như công nghệ điện tử, công nghệ nano cũng đòi hỏi những tiêu chuẩn cao về giảm dao động mà các phương pháp thông thường không đáp ứng được. • Nguyên nhân cuối cùng có tính chất động lực cho sự phát triển của công nghệ, đó là những tiến bộ trong khoa học vật liệu, trong công nghệ chế tạo và khả năng phân tích thiết kế của máy tính.
Các vật liệu mới được sản xuất có khả năng tiêu tán năng lượng lớn, tuổi thọ cao, đặc tính ổn định và giá thành chấp nhận được. Những thiết bị được sản xuất có độ chính xác cao cho phép các kỹ sư đạt được đặc trưng động lực mong muốn. Việc thiết kế các bộ hấp thụ dao động cũng ngày càng hiệu quả do sự trợ giúp của các phần mềm mô hình hoá vật liệu và kết cấu. Bộ hấp thụ dao động chia làm hai loại chính: • Bộ hấp thụ dao động lắp trong: đây là loại bộ hấp thụ dao động hoạt động thông qua chuyển động tương đối giữa các phần bên trong kết cấu.
Bộ hấp thụ dao động lắp trong bao gồm bộ hấp thụ dao động kim loại BRB (Buckling Restrained Braces), bộ hấp thụ dao động dạng bản thép, bộ hấp thụ dao động ma sát dạng Pall, bộ hấp thụ dao động ma sát qua chuyển động quay, bộ hấp thụ dao động kim loại và ma sát dạng một trục, bộ hấp thụ dao động đàn nhớt, bộ hấp thụ dao động dạng vách cản nhớt, bộ hấp thụ dao động chất lỏng nhớt dạng khe van,. • Bộ hấp thụ dao động lắp ngoài: bao gồm bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng hay còn gọi là TMD (Tuned Mass Damper) hoặc DVA (Dynamic Vibration Absorber) và bộ hấp thụ dao động dạng chất lỏng TLD (Tuned Liquid Damper). Bộ hấp thụ dao động lắp ngoài tỏ ra rất hiệu quả trong trường hợp kết cấu cứng, chuyển động tương đối giữa các phần trong kết cấu là nhỏ. Tổng quan Như vậy trong phần này luận án đã trình bày các khái niệm cơ bản nhất về bộ hấp thụ dao động trong việc giảm dao động có hại của kết cấu.
Chi tiết hơn về bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng TMD sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo. Bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng Bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng TMD (Tuned Mass Damper) là một loại bộ hấp thụ dao động lắp ngoài. TMD bản chất là một hệ tích hợp giữa khối lượng, lò xo với các bộ hấp thụ dao động lắp trong khác như bộ hấp thụ dao động đàn nhớt hoặc bộ hấp thụ dao động chất lỏng nhớt. Khi sử dụng các bộ hấp thụ dao động lắp trong, năng lượng dao động sẽ được tiêu tán qua chuyển động tương đối giữa các phần khác nhau bên trong kết cấu.
Trong trường hợp kết cấu khá rắn, chuyển động tương đối giữa các phần trong kết cấu không lớn thì sử dụng các bộ hấp thụ dao động lắp trong tỏ ra không hiệu quả. Bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng TMD là một giải pháp thay thế thích hợp vì đây là một thiết bị lắp ngoài nên năng lượng sẽ được tiêu tán thông qua chuyển động tương đối giữa kết cấu với khối lượng phụ của TMD. Nguyên nhân tạo ra chuyển động tương đối này là quán tính của khối lượng phụ. Quán tính của khối lượng phụ càng lớn thì chuyển động tương đối cũng càng lớn.
Thiết bị TMD được ứng dụng cho nhiều lĩnh vực khác như giao thông vận tải, máy móc thiết bị,. trong đó vật cần giảm dao động chuyển động như một vật rắn. Luận án sẽ đề cập tới hai trường hợp của bộ hấp thụ dao động dạng khối lượng: trường hợp thụ động và trường hợp bán chủ động. Bộ hấp thụ dao động TMD thụ động Như đã đề cập tới trong phần 1.1, điều khiển thụ động là trường hợp không có năng lượng truyền vào hệ chính và cũng không có sự bất kỳ sự điều khiển nào được thực hiện mà hoàn toàn chỉ có các thiết bị cơ học để tiêu tán năng lượng.
Mô hình TMD kinh điển Ý tưởng về TMD đầu tiên được đề xuất bởi Frahm [31] vào năm 1909. Tuy nhiên mô hình TMD đầu tiên này không chứa phần tử cản nên chỉ hiệu quả trong một dải tần số rất hẹp xung quanh tần số riêng của TMD. Vào năm 1928, Ormondroyd và Den Hartog [47] phát hiện ra rằng nếu TMD có thêm phần tử cản nhớt thì nó sẽ hiệu quả trên một dải tần số rộng hơn. Mô hình TMD đưa ra bởi Ormondroyd và Den Hartog cho đến nay được coi là một mô hình kinh điển 17 z Chương 1.
Tổng quan của TMD ở đó một phần tử cản nhớt và một phần tử lò xo được mắc song song như trong Hình 1. Trong bài toán thiết kết TMD, mục tiêu đó là đưa ra các Hình 1.1: Mô hình TMD kinh điển thông số tối ưu của TMD sao cho hiệu quả giảm dao động của nó là tốt nhất. Tuy nhiên bởi vì trong thực tế khối lượng của TMD không thể quá lớn (thông thường chỉ khoảng 3% đến 5% khối lượng của kết cấu chính), do đó hai thông số cần phải tối ưu của TMD đó là tỷ số tần số của TMD so với kết cấu chính và tỷ số cản của TMD. Trong trường hợp kết cấu chính không cản, đã có rất nhiều tiêu chuẩn được đưa ra để thiết kế TMD.
Ba tiêu chuẩn điển hình thường hay dùng nhất đó là tiêu chuẩn H∞ , tiêu chuẩn H2 và tiêu chuẩn cực đại sự ổn định. Tiêu chuẩn H∞ được đưa ra bởi Ormondroyd và Den Hartog [47] vào năm 1928 khi hệ chính chịu kích động điều hòa. Mục đích chính của tiêu chuẩn này đó là hạ thấp đỉnh của hàm khuếch đại dao động trong miền cộng hưởng. Sử dụng phương pháp điểm cố định, Den Hartog [29] đã đưa các thông số tối ưu của TMD đối với tiêu chuẩn H∞.
Thực ra các thông số tối ưu của TMD thu được khi sử dụng phương pháp điểm cố định này là không hoàn toàn chính xác tuyệt đối vì có một vài sự xấp xỉ trong quá trình tính toán. Tuy nhiên vào năm 2002, khi hai tác giả người Nhật là Nishihara và Asami [45] đưa ra lời giải chính xác cho tiêu chuẩn H∞ và so sánh với kết quả của Den Hartog [29] thì họ phát hiện ra rằng kết quả của Den Hartog [29] là vô cùng gần với lời giải chính xác. Chính vì vậy phương pháp điểm cố định được sử dụng rộng rãi đối với tiêu chuẩn H∞ vì lời giải chính xác quá phức tạp và rất khó để áp dụng trong thực tế. Tiêu chuẩn H2 được đề xuất bởi Crandall và Mark [28] vào năm 1963 khi kết cấu chính chịu kích động ngẫu nhiên.
Mục đích của tiêu chuẩn này là cực tiểu phần diện tích nằm dưới đường cong của hàm khuếch đại dao động, nghĩa là cực tiểu tổng năng lượng dao động của kết cấu chính trên toàn bộ dải tần số của ngoại lực. Sau đó các thông số tối ưu của TMD sử dụng tiêu chuẩn H2 được đưa ra bởi Iwata [38] vào năm 1982 và Asami [20] vào năm 1991. Tiêu chuẩn cực đại sự ổn định và lời giải cho các thông số của TMD được đề xuất bởi Yamaguchi [62] vào năm 1988. Mục đích 18 z Chương 1.
Tổng quan của tiêu chuẩn này là tăng cản tương đương của kết cấu chính để giảm dao động tự do. Như vậy, toàn bộ các tiêu chuẩn đều đã có lời giải giải tích khi kết cấu chính không cản. Tuy nhiên giả thiết kết cấu chính không cản chỉ là sự xấp xỉ gần đúng bởi vì trong thực tế luôn luôn tồn tại cản kết cấu chính. Khi tính đến cản của kết cấu chính, việc tìm lời giải giải tích cho các tham số tối ưu của TMD trở lên khó khăn hơn rất nhiều.
Vào năm 1978, Ioi and Ikeda [37] sử dụng phương pháp số sau đó xây dựng công thức kinh nghiệm gần đúng cho các thông số của TMD khi sử dụng tiêu chuẩn H∞. Năm 1981, Randall và cộng sự [50] đề xuất một phương pháp tối ưu số cho việc thiết kế TMD. Cũng trong năm 1981, Thompson [52] đưa ra một phương pháp trong đó tỷ số tần số được xác định bằng phương pháp số, sau đó tỷ số cản của TMD được xác định bằng công thức giải tích theo tỷ số tần số vừa thu được. Warburton [60] sử dụng phương pháp số khi kết cấu chính chịu tác dụng của cả lực điều hòa và ngẫu nhiên sau đó xây dựng tham số tối ưu của TMD dưới dạng bảng.
Fujino và Abe [32] sử dụng phương pháp nhiễu để tìm ra các thông số tối ưu trong trường hợp tỷ số khối lượng của TMD so với kết cấu chính nhỏ hơn 2% và tỷ số cản kết cấu rất nhỏ. Năm 1997, Nishihara và Matsuhisa [46] đã tìm ra lời giải chính xác cho trường hợp tiêu chuẩn cực đại sự ổn định. Năm 1998, Pennestrì [49] đưa ra một phương pháp số có tên là phương pháp min-max cho trường hợp tiêu chuẩn H∞ , trong phương pháp này hàm mục tiêu min-max chịu 6 phương trình ràng buộc và chứa 7 biến chưa xác định. Năm 2002, Asami và cộng sự [18] đã đưa ra nghiệm xấp xỉ dạng chuỗi đối với tiêu chuẩn H∞ và lời giải chính xác đối với tiêu chuẩn H2 , tuy nhiên kết quả của họ vô cùng phức tạp và rất khó sử dụng trong thực tế.
Năm 2007, sử dụng giả thiết gần đúng về sự tồn tại điểm cố định, Ghosh and Basu [33] đưa ra công thức gần đúng cho tiêu chuẩn H∞ .