Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mô hình 3d sử dụng phương pháp phần tử chuyển động

Luận văn thạc sĩ phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mô hình 3D, áp dụng phương pháp phần tử chuyển động trong kỹ thuật xây dựng.

• Tác giả: Bùi Văn Nhựt
• Người hướng dẫn: TS. Lương Văn Hải
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mô hình 3-D sử dụng phương pháp phần tử chuyển động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc

Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc là một vấn đề quan trọng trong kỹ thuật đường sắt, đặc biệt khi xét đến sự an toàn và hiệu quả vận hành. Nghiên cứu này tập trung vào việc mô phỏng và phân tích các hiện tượng động lực học xảy ra khi tàu di chuyển trên đường ray. Sử dụng mô hình 3D và phương pháp phần tử chuyển động (MEM), nghiên cứu đã xem xét các yếu tố như tương tác giữa bánh xe và ray, độ nhám bề mặt ray, và độ cứng của đất nền. Các kết quả cho thấy rằng việc mô phỏng đầy đủ các bậc tự do của hệ thống tàu và ray-nền giúp cải thiện độ chính xác trong phân tích ứng xử động.

1.1. Mô hình 3D và phương pháp phần tử chuyển động

Mô hình 3D được sử dụng để mô phỏng hệ thống tàu cao tốc với các bậc tự do đầy đủ, bao gồm chuyển vị ngang, xoay và xoắn. Phương pháp phần tử chuyển động (MEM) được áp dụng để giải các phương trình động lực học phi tuyến. Phương pháp này cho phép phân tích chính xác tương tác giữa bánh xe và ray, cũng như ảnh hưởng của đất nền. Các kết quả mô phỏng được so sánh với các nghiên cứu trước đây để đảm bảo độ tin cậy.

1.2. Tương tác giữa bánh xe và ray

Tương tác giữa bánh xe và ray được mô hình hóa dựa trên lý thuyết Hertzian và Kalker. Các lực tương tác theo phương đứng và ngang được tính toán để đánh giá hiện tượng mất tương tác giữa bánh xe và ray. Phương pháp Newton-Raphson kết hợp với phương pháp Newmark được sử dụng để giải các bài toán phi tuyến. Kết quả cho thấy rằng độ nhám bề mặt ray và vận tốc tàu có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử động của hệ thống.

II. Mô phỏng tàu cao tốc và ứng xử động

Mô phỏng tàu cao tốc là một công cụ quan trọng để đánh giá ứng xử động của hệ thống. Nghiên cứu này sử dụng mô hình 3D để mô phỏng toàn bộ hệ thống tàu, bao gồm thân xe, giá chuyển hướng, bánh xe và tương tác với ray-nền. Các yếu tố như vận tốc tàu, độ nhám ray và độ cứng đất nền được xem xét để phân tích ảnh hưởng đến ứng xử động. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc tăng vận tốc tàu và độ nhám ray có thể dẫn đến hiện tượng cộng hưởng, làm giảm độ an toàn của hệ thống.

2.1. Ảnh hưởng của vận tốc tàu

Vận tốc tàu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu. Khi vận tốc tăng, hiện tượng cộng hưởng có thể xảy ra, dẫn đến tăng dao động và giảm độ ổn định của hệ thống. Nghiên cứu đã phân tích các trường hợp với vận tốc từ 180 km/h đến 360 km/h, cho thấy rằng việc kiểm soát vận tốc là cần thiết để đảm bảo an toàn.

2.2. Ảnh hưởng của độ nhám ray

Độ nhám ray là một yếu tố khác ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu. Nghiên cứu đã phân tích các trường hợp với độ nhám ray khác nhau, cho thấy rằng độ nhám cao có thể dẫn đến tăng dao động và giảm độ ổn định của hệ thống. Kết quả này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo trì và kiểm tra đường ray thường xuyên.

III. Giá trị thực tiễn và ứng dụng

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc thiết kế và vận hành tàu cao tốc. Các kết quả phân tích và mô phỏng cung cấp cái nhìn sâu sắc về ứng xử động của tàu, giúp cải thiện độ an toàn và hiệu quả vận hành. Nghiên cứu cũng đề xuất các biện pháp kiểm soát vận tốc và bảo trì đường ray để giảm thiểu rủi ro tai nạn. Các kết quả này có thể được áp dụng trong các dự án đường sắt cao tốc tại Việt Nam và các quốc gia khác.

3.1. Ứng dụng trong thiết kế tàu cao tốc

Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế tàu cao tốc, đặc biệt là trong việc lựa chọn vật liệu và cấu trúc hệ thống. Việc mô phỏng đầy đủ các bậc tự do giúp đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng các yêu cầu về độ an toàn và hiệu suất.

3.2. Ứng dụng trong vận hành và bảo trì

Nghiên cứu cũng cung cấp các khuyến nghị về vận hành và bảo trì tàu cao tốc. Việc kiểm soát vận tốc và bảo trì đường ray thường xuyên là cần thiết để giảm thiểu rủi ro tai nạn và đảm bảo an toàn cho hành khách.

Trích đoạn nội dung tài liệu

DAI HOC QUOC GIA TP. HO CHi MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA KHOA KY THUAT XAY DUNG BUI VAN NHUT PHAN TICH UNG XU DONG CUA TAU CAO TOC BANG MO HINH 3-D SU DUNG PHUONG PHAP PHAN TU CHUYEN DONG Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình dân dụng va công nghiệp Mã số ngành : 60 58 20 LUẬN VĂN THẠC SĨ Tp.HCM, 12 - 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HÒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: Cán bộ hướng dẫn: TS. Lương Văn Hải Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Kiến Quắc Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

Nguyễn Văn Hiếu Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, ngày 23 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm: 1. Nguyễn Sỹ Lâm (Chủ tịch hội đồng) 2. TS Đỗ Kiến Quốc (Phản biện 1) 3. Đào Đình Nhân (Thành viên) 5.

Nguyễn Hồng Ân (Thư ký) CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: BÙI VĂN NHỰT MSHV: 13213088 Ngày, tháng, năm sinh: 10/09/1990 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 605820 I. TÊN ĐÈ TÀI: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc bằng mô hình 3-D sử dụng phần tử chuyển động I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Thiết lập mô hình tính toán 3-D tàu cao tốc sử dụng phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element Method).

Phát triển thuật toán, sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để giải hệ phương trình động tổng thể bài toán. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính bằng cách so sánh kết quả của chương trình với kết quả của các bài báo tham khảo. Kết quả của các ví dụ số sẽ đưa ra các kết luận quan trọng về ứng xử động của hệ thống tàu cao tốc.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV. NGAY HOAN THÀNH NHIỆM VỤ : 22/12/2014 Vv.

HO VA TEN CAN BO HUONG DAN: TS. Luong Van Hai Tp. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS. Lương Văn Hải TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) 1 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS.

Lương Văn Hải, người đã tận tình dẫn dắt và hướng dẫn tôi ngay từ bước đầu làm quen với công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành Luận văn Thạc sĩ. Thầy đã khuyên bảo tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắng các vẫn đề nghiên cứu của đề tài và đã hướng dẫn tận tình, có những lời khuyên quý báu, những kỹ năng làm việc hiệu quả và nguồn tài liệu giá trị trong suốt thời gian thực hiện Luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tôi từ khi tôi học Đại học và trong suốt khóa Cao học vừa qua. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến NCS.

Trần Minh Thi đã có nhiều đóng góp trao đổi giúp tôi hiểu rõ về bản chất đề tài. Mặc dù bản thân đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thiện, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót nhất định. 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 quý Thầy Cô.

HCM, ngay tháng năm 20 Bùi Văn Nhựt 11 TÓM TÁT LUẬN VĂN THẠC SĨ Một trong những nguyên nhân nên tai nạn đối với tàu cao tốc là xuất hiện hiện tượng mắt tương tác giữa ray và bánh xe, do đó hiện tượng này là một đề tài luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu. Luận văn này sẽ tập trung phân tích ứng xử động của hệ thống tàu tàu cao tốc bằng mô hình 3-D và có xét đến tương tác với hệ ray-đất nền. Phương pháp phần tử chuyển động MEM (Moving Element Method) được nghiên cứu và phát triển để thực hiện cho các bài toán phân tích trong Luận văn này. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ xét mô hình 2-D hệ thống tàu và hệ ray-nền, nghĩa là các bộ phận của toa tàu gồm thân xe, giá chuyên hướng, bánh xe chỉ được xét như hệ có các bậc tự do chuyên vị theo phương đứng.

Đồng thời, hệ đất nền dưới ray chỉ được xét độ cứng và độ cản theo phương đứng, trong đó bỏ qua ảnh hưởng theo phương vuông góc trục ray và ảnh hưởng của chuyển vị xoay và xoắn. Tuy nhiên, trong thực tế các chuyển vị ngang, xoay và xoắn của các bộ phận toa tàu cũng có ảnh hưởng đến ứng xử động của tàu. Do đó, Luận văn được thực hiện nhằm mô phỏng đầy đủ hơn ứng xử của kết cấu toa tàu, và tương tác giữa tàu và đất nền khi kể đến đầy đủ các bậc tự do của các bộ phận toa tàu và tương tác tổng thể của hệ thống tàu-ray-đất nền. Cách thiết lập các phương trình cân bằng của thân tàu, giá chuyển hướng, bánh xe, và tương tác giữa kết cấu tàu và ray-nền khi tàu chuyển động trên hai ray trong hệ trục tọa độ tương đối được trình bày.

Lý thuyết tương tác của Hertzian và Kalker được sử dụng đề tính toán lực tương tác theo phương đứng và phương ngang vì mô hình này phản ánh một cách tốt nhất hiện tượng mất tương tác giữa ray và bánh xe. Phương pháp Newton-Raphson kết hợp với phương pháp Newmark để giải bài toán tương tác phi tuyến giữa ray và bánh xe. Các kết quả số được triển khai nhằm đánh giá ảnh hưởng của những yếu tố quan trọng đến ứng xử của hệ thống tàu cao tốc như: vận tốc tàu, độ nhám của hai ray, độ cứng của đất nền dưới hai ray. Các kết quả trình bày rất có giá trị thực tế cho việc nghiên cứu nhằm đảm bảo an toàn cho sự vận hành tàu cao tốc.

iv LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện đưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình.HCM,ngày tháng năm 20 Bùi Văn Nhụt MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ. ñ TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ.

iv MỤC LỤC oo ceescssssssssssssssesssssecsessssesscsnsssscsscesscsssssscsucassesscsusasecsssesecssessssusssteseessessess V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIÊU ĐỒ.- 22 2-5222 2E2222E12E22EEEEEcrree vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU .--- 2-5 S222 SE£SEEEEEEEEE2EE2127112112171221 22 2eE X MOT SO KY HIEU VIET TAT. ceccscscsssesessescssssessesessesessestsstssssesassesasssseesvsneaneaes xi CHUONG 1. TONG QUAN oooceecsccsccsssssssssesesssessssessscsvsssssessussesanssessecacsuesessaeeecsneeecese 1 1.1 Gi6i thidu duOng sat a0 t6C.ccecccceccccseesscssssessssessessessessessesseseesseesessessssessesees 1 12 Du an duong sắt cao tốc tại ViSt MAM.3 Những sự cố xảy ra khi sử dụng tàu cao tỐC.------¿+c+cx+zx+rxerxerxereereee 5 1. Tình hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài.1 Các công trình nghiên cứu trên thế giới .2 Các công trình nghiên cứu trong RƯỚC.5 Mục tiêu và hướng nghiên CỨU.

-- --- << k 1kg nh nườn 10 1.6 Cấu trúc Luận văn. CO SO LY THUYET ooeecsscsssessssssssssesssssseesessusssecsvsssecsssssecsecasecseesneane 12 "Noi .1 Mô hình toa tàu. Mô hình tương tác giữa ray và bánh xe. Lực tương tác giữa ray và bánh xe theo phương đứng.

Lực tương tác giữa ray và bánh xe theo phương ngang. Mô hình tương tác ray-nÈn. s22 +2cx+2E+2EEE2Exerxerkrerrrrrreree 21 2. Mô hình tương tác ray-nền theo phương đứng (phương trục y).

Mô hình tương tác ray-nén theo phuong ngang (phuong truc z).2 Phương pháp phần tử chuyên động MEM.----2- ¿5252 cx2zxvrxeeceee 23 vi PS No ái 008005,. Phương pháp Newton-Raphson.5 Lực tương tác động và hệ số động.6 Thuật toán sử dụng trong Luận văn .- -- -- - c + Sc kn**vn n ng nrưy 35 2.7 Độ ôn định và hội tụ của phương pháp Newmark.rrree 37 CHƯƠNG 3.1 Bài toán 1: Khảo sát sự hội tụ của chương trình .2 Bài toán 2: Kiểm chứng chương trình Matlab của Luận văn. Bài toán 3: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi biên độ của độ nhám giữa hai ray khác nhaU. -- -- G1111 E1 HH ngưng.4 Bài toán 4: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi bước sóng của độ nhám Ihiệ 8410.5 Bài toán 5: Phân tích ứng xử động của tàu cao tốc khi độ cứng đất nền theo phương đứng giữa hai ray khác nhau.6 Bài toán 6: Khảo sát hiện tượng cộng hưởng của tàu cao tốc do ảnh hưởng của bước sóng của độ nhấm ray.

ng ng ng 64 3.7 Bài toán 7: Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc đến ứng xử động của tàu cao tốc69 3.8 Bài toán 8: Khảo sát ứng xử động của tàu khi biên độ và bước sóng của độ nhám ray thay đỔI.------ 2-52 s x21 EEC2ESE12211710712117111121121221121111 11 E1 xe 72 3.9 Bài toán 9: Khảo sát ứng xử động của tàu khi thay đổi khoảng cách hai ray. KẾT LUẬN VÀ KIÉN NGHỊ,.LScTkk TT 11112111111 01111 111101111 1111110111111 xay 76 4. s2 TH TH TH T1 112102111111211211211211201 1111121111 re 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO.-- +22 SE 2E9EE22EE15212127111117111 21171212121. 82 KÉT QUẢ CÔNG BỒ ĐẠT ĐƯỢC TỪ LUẬN VĂN.--5-©52+cccccrcrsces 102 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG.

SE tt k SE E111 1111115111111 1111111111111 1e. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BIÊU ĐÒ ¡hư nNgg.ÔỎ 1 Tàu chạy bằng từ tính của Nhật Bản .-22-S22S+222EEcEzzxcrrrree 2 Tàu cao tốc CRH380AL, cuả Trung Quốc .:- 2-55 55+2csz 55c: 3 Tàu cao tốc TGV V150 của Pháp.----¿- 2+2 2zxtzxvzrxrrrrerxerreee 3 Tàu cao tốc Transrapid TR-07 của Đức .------¿+s2ccccxrzrxerseee 4 Tai nạn tàu cao tốc ở Tây Ban Nha.--2-5525222cc2cccrxerrrsrxerreee 5 Tai nạn tàu cao tốc ở Trung Quốc. 5 Tai nạn tàu cao tốc ở Mỹ.-- ¿25c ccS2t 2x22 2222112212212 1c 6 Tai nạn ở Khánh Hòa. -- (c5 2 0112310111133 113 8111181 111 1 crrreg 6 Mô hình tàu cao tốc 3-D của Galvin et al.-------s¿ 8 Tàu cao tốc 3-D của Brien và Rizos (2005) [16].-----5----=s55«2 8 Mô hình tàu cao tốc 3-D của Huan Feng (2011) [I7] .- ---«- 8 Mô hình 2-D tàu cao tốc với 3 bậc tự đo.------2+cs+cszxczrsrxerrres 10 Mô hình 3-D thực tế hệ thống toa tàu.-----2- 2+ 2+z2+£+£xczrszxezrrrs 13 Mô hình 3-D tính toán hệ thống toa tàu.-- 2: 2©22+c+2zczrsrxrrrrs 14 Liên kết bánh xe và ray trong thực tẾ.------ s+c++csczzrcrkrrrsrkerrres 17 Mô hình 3-D tương tác giữa ray và bánh xe.

-- «+ «+ se 18 Vị trí các điểm tương tÁc.------ +: +22 t2 2E2EE 2122121221 crkrrei 19 Góc hình côn của bánh Xe. - ¿- 6 + + +1 k1 1v vn nàng rưy 21 Mô hình ray-nền ballast. Mô hình ray-nền ERS. 21 Cấu tạo mô hình ray-nén ERS.ceccecessessessessessesseseesesssesesssesessesesseesees 22 Mô hình tương tác ray-nền 3-D.---- 5:52 22+22xE22xezxezrxrrrrerkrree 22 Rời rạc hóa phần tử dầm ray với 8 bậc tự do.