®¹i häc quèc gia hµ néi ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam Trêng ®¹i häc c«ng nghÖ ViÖn c¬ häc Hä vµ tªn t¸c gi¶ luËn v¨n NguyÔn v¨n luËt Tªn ®Ò tµi luËn v¨n C«ng thøc phÇn tö, thuËt to¸n vµ ch-¬ng tr×nh sè trong ph©n tÝch kÕt cÊu dÇm ®µn-dÎo b»ng ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n LuËn v¨n th¹c sÜ Hµ néi- 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ®¹i häc quèc gia hµ néi ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam Tr-êng ®¹i häc c«ng nghÖ ViÖn c¬ häc NguyÔn v¨n luËt C«ng thøc phÇn tö, thuËt to¸n vµ ch-¬ng tr×nh sè trong ph©n tÝch dÇm ®µn-dÎo b»ng ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n Ngµnh : C¬ häc Chuyªn ngµnh : C¬ häc vËt thÓ r¾n M· sè : 60 44 21 LuËn v¨n th¹c sÜ Ng-êi h-íng dÉn khoa häc : TS. nguyÔn ®×nh kiªn Hµ néi - 2008 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1 Môc lôc Trang Môc lôc ……………………………………………………………. 1 Danh môc c¸c ký hiÖu …………………………………………………. 3 Danh môc c¸c h×nh vÏ, ®å thÞ ………………………………….
4 Danh môc c¸c b¶ng ……………………………………………………. 6 Ch-¬ng I : øng xö ®µn-dÎo cña vËt liÖu kÕt cÊu 1.2 C¸c kÕt qu¶ tõ thùc nghiÖm …………………………………….5 M« h×nh ®µn-dÎo l-ìng tuyÕn tÝnh …………………………….6 LuËt ch¶y dÎo ………………………………………………….8 KÕt luËn ch-¬ng 1……………………………………………. 19 Ch-¬ng II : Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n cho dÇm ®µn-dÎo 2.2 Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ………………………………….3 Ph©n tÝch phÇn tö h÷u h¹n phi tuyÕn…………………………… 25 2.4 ThuËt to¸n sè trong ph©n tÝch phÇn tö h÷u h¹n phi tuyÕn……… 27 2.5 PhÇn tö dÇm ®µn-dÎo …………………………………….2 Ma trËn ®é cøng tiÕp tuyÕn ……………………………….6 TÝch ph©n sè …………………………………………………… 36 2.7 KÕt luËn ch¬ng 2……………………………………………. 38 Ch-¬ng III : Quy tr×nh tÝnh to¸n vµ vÝ dô sè 3.1 Quy tr×nh tÝnh to¸n …………………………………………….
40 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 2 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc 3.2 CËp nhËt øng suÊt ……………………………………………… 42 3.1 DÇm tùa gi¶n ®¬n d-íi t¸c dông cña lùc tËp trung ……….2 DÇm c«ng-x«n d-íi t¸c dông cña lùc tËp trung…………… 51 3.3 DÇm c«ng-x«n d-íi t¸c dông cña m«-men………….4 KÕt luËn ch-¬ng 3……………………………………………. 55 h-íng ph¸t triÓn tiÕp theo cña luËn v¨n………………………. 56 Tµi liÖu tham kh¶o ……………………………………………… 57 Phô lôc ……………………………………………………………. 58 Danh môc c¸c ký hiÖu {d} , {D} - lÇn l-ît lµ vec-t¬ chuyÓn vÞ nót cña phÇn tö, kÕt cÊu Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc [k t ] , [K t ] - ma trËn ®é cøng tiÕp tuyÕn cña phÇn tö, kÕt cÊu {G} - vec-t¬ chªnh lÖch lùc (vec-t¬ lùc d-) cña kÕt cÊu {N} - ma trËn c¸c hµm d¹ng {f in } , {Fin } - vec-t¬ néi lùc t¹i c¸c nót cña phÇn tö, kÕt cÊu {f ex } , {Fex } - vec-t¬ ngo¹i lùc t¹i c¸c nót cña phÇn tö, kÕt cÊu υ - c«ng ¶o cña néi lùc vµ ngo¹i lùc t¸c ®éng lªn phÇn tö in - c«ng ¶o cña néi lùc {} , {} - vec-t¬ øng suÊt, biÕn d¹ng E, E ep , E t - lÇn l-ît lµ m«-®un ®µn håi, m«-®un ®µn dÎo, m«-®un tiÕp tuyÕn cña vËt liÖu w 1 , w 2 - chuyÓn vÞ ngang cña dÇm t¹i hai nót phÇn tö 1 , 2 - gãc xoay tiÕt diÖn ngang cña dÇm t¹i hai nót phÇn tö L, A - chiÒu dµi, thiÕt diÖn ngang cña phÇn tö dÇm b, h - chiÒu réng, chiÒu cao cña thiÕt diÖn phÇn tö Q1 , Q 2 - c¸c lùc c¾t t¹i hai nót cña phÇn tö M1 , M 2 - c¸c m«-men t¹i hai nót cña phÇn tö Danh môc c¸c h×nh vÏ vµ ®å thÞ trang H×nh 1.1 : S¬ ®å ®iÓn h×nh cña thö nghiÖm kÐo mÉu kim lo¹i 9 Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc H×nh 1.2 : BiÓu ®å øng suÊt-biÕn d¹ng cho thÐp kÕt cÊu ®iÓn h×nh nhËn ®-îc 10 tõ thö nghiÖm kÐo H×nh 1.3 : M« h×nh l-ìng tuyÕn tÝnh cho vËt liÖu ®µn-dÎo 15 H×nh 1.4 : MÆt dÎo von Mises trong kh«ng gian øng suÊt chÝnh 16 H×nh 1.5 : LuËt t¸i bÒn: (a) t¸i bÒn ®¼ng h-íng, (b) t¸i bÒn ®éng häc 18 H×nh 2.1 : KÕt cÊu ph¼ng víi m« h×nh PTHH t¹o tõ c¸c phÇn tö kh¸c nhau 21 H×nh 2.2 : PhÇn tö dÇm ph¼ng hai nót vµ c¸c bËc tù do 24 H×nh 2.3 : Tr×nh tù c¸c b-íc lÆp ®Ó tÝnh ®iÓm c©n b»ng 30 H×nh 2.4 : Lùc c¾t vµ m«-men t¹i c¸c nót phÇn tö dÇm Bernoulli 31 H×nh 3.1 : S¬ ®å khèi quy tr×nh ph©n tÝch ®µn-dÎo 41 H×nh 3.2 : Gia sè øng suÊt trong m« h×nh ®µn-dÎo l-ìng tuyÕn tÝnh 43 Hinh 3.3 : DÇm tùa gi¶n ®¬n d-íi t¸c dông cña lùc tËp trung 50 H×nh 3.4 : L-íi phÇn tö vµ c¸c bËc tù do cña m« h×nh dÇm tùa gi¶n ®¬n 50 H×nh 3.5 : Mèi quan hÖ gi÷a lùc ngoµi P vµ ®é vâng d t¹i ®iÓm gi÷a cña 51 dÇm víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña m«-®un tiÕp tuyÕn E t H×nh 3.6 : DÇm c«ng-x«n d-íi t¸c ®éng cña lùc tËp trung ë ®Çu tù do 52 H×nh 3.7 : Quan hÖ gi÷a lùc ngoµi P vµ ®é uèn w t¹i ®Çu tù do cña dÇm 52 c«ng-x«n víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña m«-®un tiÕp tuyÕn E t .8 : DÇm c«ng-x«n d-íi t¸c ®éng cña m«-men ë ®Çu tù do 53 H×nh 3.9 : Quan hÖ gi÷a lùc m«-men M vµ ®é vâng w t¹i ®Çu tù do cña 53 dÇm c«ng-x«n víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña m«-®un tiÕp tuyÕn E t.
Danh môc c¸c b¶ng trang B¶ng 3.1: Gi¸ trÞ biÕn d¹ng vµ øng suÊt t¹i ®iÓm Gauss ®Çu tiªn víi 51 Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña lùc ngoµi P (E 0.2: C¸c gi¸ trÞ øng suÊt biÕn d¹ng t¹i ®iÓm Gauss ®Çu tiªn cña 52 phÇn tö thø nhÊt cña dÇm øng víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña lùc ngoµi (E t 0.3: Gi¸ trÞ cña øng suÊt biÕn d¹ng t¹i ®iÓm Gauss ®Çu tiªn cña 54 phÇn tö thø nhÊt cña dÇm c«ng-x«n øng víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña m«-men M (E t 0.3E ) Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc Më ®Çu C¸c nghiªn cøu vÒ lý thuyÕt dÎo ®-îc ph¸t triÓn rÊt sím, tõ cuèi thÕ kû 19 nh÷ng c«ng tr×nh ®Çu tiªn cña lý thuyÕt dÎo ®· xuÊt hiÖn. Cho ®Õn nay qua nhiÒu giai ®o¹n ph¸t triÓn lý thuyÕt dÎo ®· cã mét nÒn t¶ng lý thuyÕt to¸n häc tæng qu¸t vµ ch¾c ch¾n, ®-îc nhiÒu nhµ khoa häc quan t©m nghiªn cøu. Trong lÜnh vùc thiÕt kÕ m¸y mãc vµ kÕt cÊu, ph©n tÝch ®µn-dÎo ®ãng vai trß quan träng kh«ng thÓ thiÕu. Tuy nhiªn ph©n tÝch ®µn-dÎo b»ng c«ng cô to¸n häc tr-íc ®©y víi c¸c m« h×nh thùc tÕ hiÖn nay tá ra rÊt phøc t¹p vµ nhiÒu bµi to¸n phi tuyÕn t×m ra ch-a cã lêi gi¶i chÝnh x¸c.
V× vËy ®Ó kh¾c phôc ®Æc ®iÓm nµy vµ ®Ó ph¸t triÓn øng dông cña ph©n tÝch ®µn-dÎo trong c¸c bµi to¸n khoa häc kü thuËt ngµy nay c¸c ph-¬ng ph¸p sè, ®Æc biÖt lµ ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n, ®-îc sö dông réng r·i. Lý do chän ®Ò tµi - Ph-¬ng ph¸p sè ®· ®-îc ¸p dông trong hÇu hÕt c¸c bµi to¸n thùc tÕ cña c¬ häc kÕt cÊu trong ph¹m vi lý thuyÕt ®µn håi, ph©n tÝch ®µn-dÎo sö dông ph-¬ng ph¸p sè lµ mét h-íng nghiªn cøu míi. Ph-¬ng ph¸p sè nãi riªng vµ ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n nãi chung lµ lùa chän hîp lý nhÊt trong ph©n tÝch c¸c bµi to¸n ®µn-dÎo v× tÝnh phøc t¹p vµ ®ßi hái khèi l-îng tÝnh to¸n lín. - Tr¹ng th¸i ®µn-dÎo cã thÓ x¶y ra trong bÊt kú kÕt cÊu hay m¸y mãc nµo khi nã lµm viÖc d-íi t¸c ®éng cña t¶i träng, nªn viÖc ph©n tÝch kÕt cÊu ®µn-dÎo lµ vÊn ®Ò hÕt søc cÇn thiÕt vµ cã tÝnh thùc tÕ cao.
- Ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n lµ mét ph-¬ng ph¸p sè ®Æc biÖt cã hiÖu qu¶ trong viÖc ph©n tÝch c¸c bµi to¸n phi tuyÕn qu¸ phøc t¹p mµ c¸c ph-¬ng ph¸p gi¶i tÝch th«ng th-êng kh«ng thÓ ph©n tÝch ®-îc. V× vËy ngµy nay ph-¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n ®-îc sö dông réng r·i vµ kh«ng thÓ thiÕu trong c¸c bµi to¸n khoa häc kü thuËt. Môc ®Ých, ®èi t-îng vµ ph¹m vi nghiªn cøu Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc - Môc ®Ých cña ®Ò tµi ®Æt ra lµ x©y dùng ®-îc c«ng thøc phÇn tö, thuËt to¸n vµ ch-¬ng tr×nh tÝnh cho ph©n tÝch dÇm ®µn-dÎo. Trªn c¬ së ch-a tõng x©y dùng tiÕn hµnh ph©n tÝch mét sè kÕt cÊu ®µn-dÎo cô thÓ.
- §èi t-îng nghiªn cøu cña ®Ò tµi nµy lµ c¸c kÕt cÊu dÇm chÞu lùc - Ph¹m vi nghiªn cøu cña ®Ò tµi lµ phÇn tö dÇm Bernulli hai nót 3. ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cña ®Ò tµi Lý thuyÕt dÎo lµ mét trong nh÷ng h-íng nghiªn cøu c¬ b¶n cña c¬ häc vËt r¾n biÕn d¹ng. Trong ®ã h-íng nghiªn cøu dùa trªn c¸c ph-¬ng ph¸p sè trong ph©n tÝch ®µn-dÎo ®ang lµ xu h-íng rÊt ph¸t triÓn trªn thÕ giíi nh»m ®¸nh gi¸ ®Çy ®ñ c¸c vïng lµm viÖc trong kÕt cÊu vµ m¸y mãc. C¸c kÕt cÊu dÇm chÞu lùc lµ c¸c kÕt cÊu ®-îc thiÕt kÕ phæ biÕn trong thùc tÕ hiÖn nay, v× vËy viÖc nghiªn cøu ®Çy ®ñ c¸c tr¹ng th¸i lµm viÖc cña lo¹i kÕt cÊu nµy lµ vÊn ®Ò hÕt søc quan träng ®-îc ®Æt ra.
Víi ý nghÜa ®ã th× ®Ò tµi ®-îc x©y dùng nh»m ®-a ra mét c«ng cô hiÖu qu¶ ®Ó ph©n tÝch c¸c bµi to¸n thùc tÕ ë tr¹ng th¸i ®µn-dÎo. Häc viªn: NguyÔn V¨n LuËt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 LuËn v¨n th¹c sÜ Ngµnh C¬ häc Ch-¬ng I øng xö ®µn-dÎo cña vËt liÖu kÕt cÊu 1.1 Më ®Çu ThÐp mÒm (mild-steel) lµ lo¹i vËt liÖu kÕt cÊu th«ng dông vµ ®-îc sö dông nhiÒu nhÊt trong thiÕt kÕ kü thuËt. D-íi t¸c ®éng cña lùc ngoµi c¸c phÇn tö kÕt cÊu bÞ biÕn d¹ng, tøc lµ d¹ng h×nh häc ban ®Çu cña chóng bÞ thay ®æi. Tïy theo gi¸ trÞ vµ ®Æc tÝnh cña lùc ngoµi, biÕn d¹ng cña kÕt cÊu cã thÓ kh¸c nhau.
Mèi quan hÖ gi÷a lùc t¸c dông vµ chuyÓn vÞ cña kÕt cÊu hoÆc mèi quan hÖ øng suÊt-biÕn d¹ng trong qu¸ tr×nh kÕt cÊu chÞu lùc lµ ®Æc tr-ng øng xö cña vËt liÖu kÕt cÊu. Khi lùc ngoµi ®ñ nhá, mèi quan hÖ øng suÊt-biÕn d¹ng lµ tuyÕn tÝnh vµ øng xö cña vËt liÖu lµ ®µn håi. Trong miÒn ®µn håi, cÊu h×nh ban ®Çu cña kÕt cÊu ®-îc kh«i phôc hoµn toµn khi t¶i träng ngoµi ®-îc dì bá.