Luận Văn Thạc Sĩ Về Thiết Kế và Mô Phỏng Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất

Luận văn thạc sĩ trình bày tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ nghiên cứu động đất, góp phần nâng cao hiệu quả nghiên cứu.

• Tác giả: Nguyễn Văn Phúc
• Người hướng dẫn: TS. Phan Đức Huynh
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng và Cơ Học Ứng Dụng, Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế và Mô Phỏng Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tìm hiểu về động đất
• 2.2. Độ lớn và cường độ của động đất
• 2.3. Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất
• 2.4. Phân tích miền thời gian sự vận động mặt đất của động đất
• 2.5. Thiết kế các bước của vòng lặp thủy lực
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THỰC TẾ
• 3.1. Xác định lực động tác dụng lên bộ dẫn động
• 3.2. Xác định kích thước nhỏ nhất cho đường kính pittong
• 3.3. Xác định lưu lượng tại các tần số khác nhau
• 3.4. Lựa chọn ống mềm thủy lực linh hoạt (dẻo)
• 3.5. Lựa chọn dung dịch thủy lực
• 3.6. Tính toán công suất lý thuyết của máy bơm
• 3.7. Lựa chọn motor
• 3.8. Thiết kế bồn chứa nước thủy lực
• 3.9. Lựa chọn bộ dẫn động cho đường hút
• 3.10. Vị trí bộ lọc
• 3.11. Hệ thống làm lạnh
• 3.12. Kết cấu bàn rung và bộ dẫn động
• 3.13. Các thông số kĩ thuật cuối của hệ thống thiết kế
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3 BIẾN (TVC)
• 4.1. Hàm truyền của bộ điều khiển 3 biến (TVC)
• 4.2. Bộ điều khiển 3 biến TVC
• 4.3. Bộ phát tham chiếu GR
• 4.4. Bộ hồi tiếp
• 4.5. Bộ lọc lực hồi tiếp thông thấp
• 4.6. Hàm truyền mạch kín
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC
• 5.1. Phân tích tổng quan về van Servo thủy lực
• 5.2. Phương trình lưu lượng tải
• 5.3. Van servo trên hệ thống và tiêu chuẩn về dạng sóng không xác định tối thiểu
• 5.4. Bộ truyền động một đầu
• 5.5. Mô hình bộ tích trữ
• 6. CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH LẮP RÁP 2D CỦA BÀN RUNG
• 6.1. Ma trận khối lượng của mặt phẳng bàn rung
• 6.2. Lực tác dụng của piston thủy lực
• 6.3. Lực lò xo đứng
• 6.4. Lực lò xo theo phương ngang
• 6.5. Lực ma sát Coulomb
• 6.6. Phản lực do mẫu thí nghiệm
• 6.7. Thể hiện chi tiết phương trình chuyển động
• 6.8. Phương trình chuyển động tuyến tính của hệ thống khung trượt 2 tầng
• 7. CHƯƠNG 7: HỆ THỐNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN RUNG
• 7.1. Hàm truyền tuyến tính của hệ thống mạch hở và mạch kín của bàn rung
• 7.2. Hàm truyền cho hệ thống mạch hở của bàn rung
• 7.3. Hàm truyền mạch kín
• 7.4. Tương tác giữa bộ điều khiển - bàn phẳng - kết cấu
• 7.5. Bộ điều khiển ba giá trị
• 7.6. Ảnh hưởng của các hệ số khuếch đại của bộ TVC trên hàm truyền mạch kín
• 8. CHƯƠNG 8: MÔ PHỎNG BÀN RUNG
• 8.1. Bộ điều khiển 3 biến TVC
• 8.2. Bộ truyền động
• 8.3. Hệ thống bàn rung tổng thể
• 8.4. Các thông số tính toán tiến hành mô phỏng
• 9. CHƯƠNG 9: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 9.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế và Mô Phỏng Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất

Thiết kế và mô phỏng bàn rung là một phần quan trọng trong nghiên cứu động đất. Bàn rung giúp tái tạo các tác động của động đất lên các cấu trúc, từ đó giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách các công trình chịu đựng các lực tác động. Việc sử dụng bàn rung trong nghiên cứu động đất không chỉ giúp cải thiện độ bền của các công trình mà còn giúp giảm thiểu thiệt hại trong các trận động đất thực tế.

1.1. Khái Niệm Về Bàn Rung và Vai Trò Trong Nghiên Cứu Động Đất

Bàn rung là thiết bị mô phỏng các tác động của động đất lên các cấu trúc. Nó cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm để đánh giá độ bền và khả năng chịu lực của các công trình. Bàn rung có thể được điều khiển bằng nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm thủy lực và điện.

1.2. Lịch Sử Phát Triển Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất

Bàn rung đã được phát triển từ những năm 1960 và đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu động đất. Các công nghệ mới đã giúp cải thiện khả năng mô phỏng và độ chính xác của bàn rung, từ đó nâng cao hiệu quả nghiên cứu.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Thiết Kế Bàn Rung

Mặc dù bàn rung đã được sử dụng rộng rãi, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc thiết kế và mô phỏng. Các vấn đề như độ chính xác của mô hình, khả năng chịu tải và sự ổn định của hệ thống là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Chính Xác Của Mô Hình Mô Phỏng

Độ chính xác của mô hình mô phỏng là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu động đất. Các mô hình toán học cần phải phản ánh chính xác các đặc tính của động đất để đảm bảo kết quả thí nghiệm là đáng tin cậy.

2.2. Khả Năng Chịu Tải Của Bàn Rung

Khả năng chịu tải của bàn rung là một yếu tố quan trọng trong thiết kế. Bàn rung cần phải có khả năng chịu được các lực tác động lớn mà không bị hư hỏng, điều này đòi hỏi các kỹ sư phải tính toán kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bàn Rung Hiệu Quả

Thiết kế bàn rung hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn. Các phương pháp thiết kế hiện đại sử dụng các công nghệ tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất của bàn rung.

3.1. Sử Dụng Công Nghệ Mới Trong Thiết Kế

Công nghệ mới như mô phỏng máy tính và phân tích dữ liệu lớn giúp các kỹ sư thiết kế bàn rung chính xác hơn. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng giúp dự đoán các phản ứng của bàn rung dưới tác động của động đất.

3.2. Tối Ưu Hóa Các Thông Số Kỹ Thuật

Tối ưu hóa các thông số kỹ thuật như kích thước, trọng lượng và vật liệu sử dụng là rất quan trọng. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất

Bàn rung được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu động đất để kiểm tra độ bền của các cấu trúc. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện thiết kế công trình mà còn giúp bảo vệ tính mạng con người.

4.1. Kiểm Tra Độ Bền Của Các Cấu Trúc

Bàn rung cho phép các kỹ sư kiểm tra độ bền của các cấu trúc trước khi đưa vào sử dụng. Việc này giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn và giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng.

4.2. Nghiên Cứu Tác Động Của Động Đất Đến Các Công Trình

Các nghiên cứu về tác động của động đất đến các công trình giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về cách các lực tác động lên cấu trúc. Điều này giúp cải thiện thiết kế và nâng cao độ an toàn cho các công trình.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Trong Nghiên Cứu Bàn Rung

Kết luận từ các nghiên cứu cho thấy bàn rung là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu động đất. Hướng phát triển trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện công nghệ và tối ưu hóa thiết kế để nâng cao hiệu quả sử dụng.

5.1. Tương Lai Của Bàn Rung Trong Nghiên Cứu Động Đất

Tương lai của bàn rung trong nghiên cứu động đất hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về công nghệ và thiết kế. Các nghiên cứu mới sẽ giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả của bàn rung.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Mới

Các hướng nghiên cứu mới có thể bao gồm việc phát triển các loại bàn rung mới với khả năng mô phỏng tốt hơn hoặc nghiên cứu các phương pháp mới trong thiết kế và kiểm tra độ bền của các cấu trúc.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thảm họa động đất luôn là một trong những hiểm họa tự nhiên khốc liệt nhất đối với các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp trên toàn cầu. Các trận động đất có cường độ từ 5 độ Richter trở lên trên thang đo địa chấn có thể gây ra những dao động phá hủy nghiêm trọng, làm sụp đổ các tòa nhà cao tầng và cơ sở hạ tầng giao thông. Trong thực tế tính toán kỹ thuật, các mô hình toán học giải tích truyền thống thường bị đơn giản hóa so với các kết cấu phức tạp ngoài hiện trường, dẫn đến sự sai lệch đáng kể trong việc đánh giá khả năng chịu lực động. Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, việc nghiên cứu thực nghiệm trên thiết bị mô phỏng động đất chuyên dụng đóng vai trò tiên quyết.

Luận văn tập trung vào mục tiêu trọng tâm: tính toán, thiết kế cơ khí và xây dựng mô hình điều khiển mô phỏng một hệ thống bàn rung thủy lực hạng trung có 3 bậc tự do (3-DOF). Thiết bị được định hình với kích thước bàn rung 3m x 3m x 0.8m, chế tạo bằng thép kết cấu tiêu chuẩn, có khả năng mang tải trọng mô hình công trình tối đa lên đến 4.170 kg và tạo ra gia tốc cực đại 1.5g. Nghiên cứu được triển khai tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào năm 2014, sử dụng dữ liệu sóng địa chấn lịch sử tiêu biểu El Centro năm 1940 để kiểm chứng. Giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn của công trình thể hiện qua việc làm chủ quy trình thiết kế trạm nguồn thủy lực công suất 75 kW kết hợp thuật toán điều khiển 3 biến số tiên tiến, giúp tái hiện chính xác trên 95% biên độ dao động thực tế của động đất, mở ra giải pháp kiểm thử an toàn kết cấu hiệu quả và tiết kiệm chi phí cho ngành xây dựng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chuyên ngành vững chắc:

Thứ nhất là lý thuyết lan truyền sóng địa chấn và phân tích phổ phản hồi động lực học công trình. Sóng động đất phát sinh từ sự giải phóng năng lượng biến dạng dưới vỏ trái đất bao gồm sóng dọc (sóng P) và sóng cắt (sóng S). Sự phản xạ và tương tác của các sóng này tạo nên chuỗi dao động ngẫu nhiên phức tạp. Phổ phản hồi và phương pháp phân tích miền thời gian từ trận động đất El Centro năm 1940 được sử dụng làm chuẩn mực tham chiếu để đánh giá các thông số dịch chuyển, vận tốc và gia tốc tác động lên kết cấu.

Thứ hai là lý thuyết động lực học hệ thống thủy lực servo công suất lớn. Mô hình toán học của van servo điện - thủy lực 4 tầng 3 giai đoạn được thiết lập dựa trên phương trình lưu lượng tải phi tuyến và tính chất đàn hồi của dòng chất lỏng. Dầu thủy lực Mobil DTE 25 có mô đun khối đàn hồi 0.7 GN/m² được phân tích để kiểm soát hiện tượng cộng hưởng áp suất cột dầu trong khoang xi lanh.

Thứ ba là lý thuyết điều khiển tự động nhiều biến trạng thái (Three-Variable Control - TVC). Khung điều khiển TVC tích hợp ba biến trạng thái đồng thời gồm khoảng cách (chuyển vị), vận tốc và gia tốc kết hợp tín hiệu bù rung động (jerk) và phản hồi lực. Hệ thống điều khiển sử dụng 5 bộ lọc notch toàn dải không tổn thất để triệt tiêu tần số cộng hưởng riêng của cơ cấu chấp hành và kết cấu mẫu thử.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm cơ sở dữ liệu sóng gia tốc El Centro ghi nhận với bước thời gian 0.01 giây, các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất bơm Vickers, van servo MTS, cùng các tiêu chuẩn cơ khí ASTM A36 cho vật liệu kết cấu dầm thép W220x22.5.

Cỡ mẫu và thông số thiết kế được xác lập nghiêm ngặt: tải trọng thử nghiệm cực đại của mô hình là 4.170 kg, khối lượng bản thân bàn rung đạt khoảng 1.167 kg (gồm 897 kg thép tấm và 270 kg dầm thép I). Cơ cấu chấp hành gồm 2 xi lanh thủy lực hai ti tác động kép với đường kính piston được lựa chọn chuẩn hóa D = 63 mm và đường kính ti d = 36 mm, vận hành dưới áp suất làm việc định mức 200 bar.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích miền thời gian và mô phỏng trên nền tảng MATLAB Simulink là vì hệ thống thủy lực kết hợp kết cấu chịu động đất có tính phi tuyến cao, ma sát Coulomb phức tạp và tương tác qua lại liên tục giữa bàn phẳng và mẫu thử. Phương pháp này cho phép khảo sát chính xác đáp ứng quá độ, độ ổn định mạch kín và tính bền vững của hệ thống.

Quy trình nghiên cứu được triển khai tuần tự qua 7 bước: khảo sát lý thuyết địa chấn, tính toán thiết kế kích thước cơ khí bàn rung, tính chọn thiết bị thủy lực công suất lớn, thiết lập phương trình vi phân chuyển động, xây dựng thuật toán điều khiển TVC, lập trình mô phỏng toàn diện trên MATLAB Simulink, và đánh giá tối ưu hóa các thông số đáp ứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán và mô phỏng đã mang lại bốn kết quả cốt lõi:

Thứ nhất, tính toán cơ học xác định tổng lực động tác dụng lên bộ dẫn động đạt 80.240 N và lực tĩnh danh định là 89.155 N. Khi sử dụng 2 xi lanh thủy lực tác động kép đối xứng đường kính 63 mm ở áp suất 200 bar, hệ thống tạo ra lực đẩy thực tế 41.966 N mỗi xi lanh, đảm bảo khả năng gia tốc cho toàn bộ khối lượng 4.170 kg đạt mức 1.5g với hệ số an toàn uốn của ti xi lanh lớn hơn 3.

Thứ hai, việc khảo sát quan hệ giữa tần số rung và lưu lượng dầu cho thấy nếu vận hành ở tần số 100 Hz, lưu lượng yêu cầu sẽ vượt quá mức kinh tế cho phép. Luận văn đã tối ưu hóa dải tần số làm việc của bàn rung về khoảng từ 0 đến 20 Hz, tương ứng với dải tần số phá hoại nguy hiểm nhất của động đất thực tế (thường dưới 5 Hz theo ghi nhận địa chấn). Nhờ đó, lưu lượng dầu cực đại được khống chế ở mức 8.5344 x 10^-3 m³/s (khoảng 512.18 L/min), giúp tiết kiệm hơn 70% công suất tiêu thụ của trạm nguồn.

Thứ ba, trạm nguồn thủy lực được cấu hình tối ưu với bơm cánh gạt ba tầng Vickers VMQ3-352525 có thể tích riêng 300 cm³/vòng, đạt hiệu suất thể tích 97.4%, dẫn động bởi động cơ điện xoay chiều công suất 75 kW tốc độ 1480 vòng/phút và bồn chứa dầu dung tích 1.536 m³ (gấp 3 lần lưu lượng bơm phút) kết hợp hệ thống làm mát bằng không khí.

Thứ tư, mô hình điều khiển 3 biến TVC kết hợp 5 bộ lọc notch đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng cộng hưởng áp suất cột dầu ở tần số riêng. Kết quả mô phỏng đáp ứng với tín hiệu điều hòa biên độ 0.25g ở tần số 4 Hz và xung nhiễu ngẫu nhiên White Noise cho thấy sai số bám quỹ đạo vị trí đạt dưới 5%, không xảy ra hiện tượng vọt lố biên độ quá mức.

Thảo luận kết quả

Các kết quả nghiên cứu có thể được biểu diễn một cách trực quan thông qua bảng thông số kỹ thuật hệ thống, biểu đồ Bode đáp ứng tần số của bộ lọc notch và đồ thị miền thời gian mô phỏng dao động El Centro. Trên biểu đồ Bode của hệ thống hở, các đỉnh cộng hưởng sắc nhọn của cột chất lỏng được làm phẳng hoàn toàn sau khi kích hoạt các bộ lọc notch tại các tần số trung tâm xác định. Đồ thị đáp ứng miền thời gian cho thấy khi đưa vào tín hiệu sóng địa chấn El Centro thực tế, đường gia tốc và chuyển vị của mặt bàn rung bám sát gần như tuyệt đối với tín hiệu kích thích đầu vào.

So sánh với các hệ thống bàn rung kích thích bằng động cơ điện từ thường bị giới hạn tải trọng dưới 500 kg và hành trình hẹp dưới 10 mm, bàn rung thủy lực được thiết kế trong luận văn này thể hiện ưu thế vượt trội khi mang được tải trọng nặng gấp hơn 8 lần (4.170 kg) cùng hành trình làm việc linh hoạt ±50 mm. Sự phối hợp đồng bộ giữa cảm biến chuyển vị LVDT ở dải tần số thấp (0-15 Hz) và cảm biến gia tốc ở dải tần số cao (15-50 Hz) trong bộ phát hồi tiếp giúp khắc phục hoàn toàn hiện tượng suy giảm độ chính xác của từng cảm biến đơn lẻ. Điều này khẳng định tính khả thi và độ tin cậy vượt trội của mô hình thiết kế trong việc ứng dụng vào các nghiên cứu động lực học công trình chuyên sâu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán thiết kế và mô phỏng đã đạt được, luận văn đưa ra bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể nhằm hoàn thiện và ứng dụng thiết bị vào thực tiễn:

Thứ nhất, chế tạo và thử nghiệm phần cứng thực nghiệm hệ thống bàn rung theo các thông số kỹ thuật đã tính toán. Mục tiêu là kiểm chứng sai số động học giữa mô hình mô phỏng và phần cứng thực tế đạt dưới 3% trong các bài thử nghiệm rung lắc tải trọng tĩnh và động. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 12 tháng do nhóm nghiên cứu cơ điện tử và chế tạo máy tại các trường đại học kỹ thuật chủ trì.

Thứ hai, tối ưu hóa thuật toán điều khiển thích nghi và bù phi tuyến cho bộ điều khiển 3 biến TVC. Việc tích hợp các giải thuật ước lượng trạng thái thời gian thực sẽ giúp giảm độ vọt lố gia tốc xuống dưới 2% khi kết cấu thử nghiệm bước vào giai đoạn biến dạng dẻo hoặc nứt vỡ cục bộ. Lộ trình thực hiện trong 6 tháng do các chuyên gia điều khiển tự động phụ trách.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống giám sát nhiệt độ và xử lý lưu chất thủy lực. Cần lắp đặt thêm các cảm biến nhiệt độ và áp suất kỹ thuật số trên đường hồi và đường nén, kết hợp quạt tản nhiệt biến tần nhằm duy trì nhiệt độ dầu Mobil DTE 25 ổn định dưới 55°C khi hệ thống vận hành liên tục 8 giờ ở công suất tối đa 75 kW. Thời gian hoàn thiện trong 3 tháng do đơn vị quản lý phòng thí nghiệm thực hiện.

Thứ tư, mở rộng cấu trúc cơ khí và mạch điều khiển từ 3 bậc tự do lên 6 bậc tự do (6-DOF). Việc bổ sung các bộ truyền động thủy lực theo các phương xoay sẽ cho phép mô phỏng toàn diện các chuyển động lắc ngang, xoắn và trồi sụt của nền đất không gian đa chiều với mục tiêu thử nghiệm mô hình kết cấu lên tới 5.000 kg. Lộ trình dài hạn dự kiến 24 tháng dưới sự phối hợp của các viện nghiên cứu chuyên ngành xây dựng công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang tính liên ngành sâu sắc giữa cơ khí chế tạo, thủy lực công suất lớn, kỹ thuật xây dựng công trình và điều khiển tự động, là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng sau:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng, Công trình Thủy và Địa kỹ thuật: Sử dụng luận văn như một cẩm nang phương pháp luận để thiết lập các bài thí nghiệm mô phỏng động đất trên mô hình thu nhỏ của cầu đường, đập thủy điện và nhà cao tầng chịu tải trọng động đất El Centro.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống Thủy lực công nghiệp và Cơ điện tử: Ứng dụng các bước tính toán chi tiết về lựa chọn đường kính xi lanh, công suất bơm cánh gạt 75 kW, lưu lượng van servo và thể tích bồn dầu 1.536 m³ vào việc thiết kế các hệ thống truyền động thủy lực chịu tải trọng lớn.

3. Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực Lý thuyết Điều khiển tự động: Tham khảo cấu trúc hàm truyền phức hợp của bộ điều khiển 3 biến TVC, kỹ thuật lọc kết hợp giữa LVDT và gia tốc kế, cùng thuật toán thiết kế 5 bộ lọc notch triệt tiêu cộng hưởng trong các cơ cấu chấp hành có độ nhớt và đàn hồi.

4. Giảng viên và cán bộ quản lý phòng thí nghiệm tại các trường đại học kỹ thuật: Sử dụng tài liệu để xây dựng chương trình đào tạo chuyên sâu về mô phỏng động lực học trên MATLAB Simulink và làm căn cứ lập dự toán kỹ thuật để đầu tư chế tạo bàn rung mô phỏng thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên sử dụng bàn rung thủy lực thay vì bàn rung truyền động điện? Bàn rung thủy lực vượt trội hoàn toàn về mật độ năng lượng và khả năng chịu tải trọng nặng. Hệ thống thủy lực trong đề tài mang được mô hình thử nghiệm lên tới 4.170 kg với hành trình chuyển vị lớn ±50 mm dưới áp suất 200 bar, trong khi bàn rung điện từ thường bị giới hạn tải trọng dưới 500 kg và hành trình rất ngắn, không đáp ứng được yêu cầu thử nghiệm kết cấu công trình xây dựng.

Bộ điều khiển 3 biến (TVC) đóng vai trò gì trong việc kiểm soát sai số rung chấn? Bộ điều khiển TVC kiểm soát đồng thời ba biến trạng thái gồm vị trí, vận tốc và gia tốc thay vì chỉ một biến vị trí đơn lẻ. Nhờ tích hợp phản hồi lực và 5 bộ lọc notch, TVC bù đắp chính xác các sai lệch phi tuyến, ngăn ngừa hiện tượng cộng hưởng dầu và giúp đáp ứng gia tốc bám sát tín hiệu địa chấn với sai số dưới 5%.

Vì sao dải tần số thiết kế của bàn rung được giới hạn trong khoảng từ 0 đến 20 Hz? Mặc dù khảo sát ban đầu mở rộng đến 100 Hz, việc vận hành ở tần số quá cao đòi hỏi lưu lượng dầu vượt ngưỡng 0.04 m³/s, gây lãng phí công suất nghiêm trọng. Trong thực tế địa chấn, năng lượng phá hoại của động đất tập trung chủ yếu ở dải tần số thấp từ 0 đến 5 Hz, do đó dải tần 0-20 Hz vừa tối ưu hóa công suất động cơ 75 kW vừa đáp ứng trọn vẹn yêu cầu mô phỏng.

Phương pháp kết hợp cảm biến LVDT và gia tốc kế trong bộ hồi tiếp hoạt động như thế nào? Cảm biến LVDT cho độ chính xác cao ở dải tần số thấp (0-15 Hz) nhưng kém tin cậy ở tần số cao do khe hở cơ khí. Ngược lại, gia tốc kế hoạt động tối ưu ở dải tần từ 15-50 Hz. Bộ hồi tiếp TVC sử dụng các bộ lọc thông cao và thông thấp bổ sung để hòa trộn hai nguồn tín hiệu, tạo ra trạng thái đo lường hoàn chỉnh trên toàn dải tần số công tác.

Làm thế nào để triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng áp suất cột dầu trong hệ thống thủy lực? Hiện tượng cộng hưởng cột dầu được giải quyết bằng cách áp dụng bộ lọc thông cao cho tín hiệu lực hồi tiếp từ khoang xi lanh và tích hợp chuỗi 5 bộ lọc notch trong mạch điều khiển. Mỗi bộ lọc notch được hiệu chỉnh chính xác theo tần số trung tâm và băng thông 3dB để cắt giảm đỉnh khuếch đại biên độ, triệt tiêu nguy cơ mất ổn định hệ thống.

Kết luận

• Luận văn đã tính toán và thiết kế hoàn chỉnh hệ thống bàn rung thủy lực hạng trung 3 bậc tự do kích thước 3m x 3m x 0.8m, chịu tải trọng mô hình 4.170 kg với gia tốc cực đại 1.5g.
• Xác lập cấu hình trạm nguồn thủy lực tối ưu gồm 2 xi lanh tác động kép đường kính 63 mm, bơm cánh gạt ba tầng Vickers, động cơ điện 75 kW và bồn dầu dung tích 1.536 m³ vận hành ở áp suất 200 bar.
• Giới hạn dải tần số công tác hiệu quả ở mức 0 đến 20 Hz, kiểm soát lưu lượng dầu cực đại 8.5344 x 10^-3 m³/s giúp tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu chi phí đầu tư thiết bị.
• Phát triển thành công thuật toán điều khiển 3 biến TVC kết hợp 5 bộ lọc notch và bộ hồi tiếp hòa trộn cảm biến LVDT với gia tốc kế, triệt tiêu hoàn toàn cộng hưởng áp suất dầu.
• Mô phỏng thành công trên MATLAB Simulink, chứng minh hệ thống tái hiện trung thực đáp ứng sóng địa chấn El Centro năm 1940 với sai số vị trí dưới 5%.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp một bộ giải pháp kỹ thuật toàn diện từ tính toán cơ khí - thủy lực đến thuật toán điều khiển số cho bàn rung động đất đầu tiên theo tiêu chuẩn học thuật trong nước. Kế hoạch tiếp theo là chế tạo phần cứng thực nghiệm trong vòng 12 tháng và nâng cấp mô hình lên 6 bậc tự do trong 24 tháng tới. Các viện nghiên cứu và trường đại học kỹ thuật hãy ứng dụng ngay mô hình thiết kế này để nâng cao năng lực thử nghiệm động lực học kết cấu công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 04 năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Phúc HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC iii Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS.

PHAN ĐỨC HUYNH CẢM TẠ Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng và Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Phan Đức Huynh, dù rất bận rộn với công việc giảng dạy nhưng thầy vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã động viên, khuyến khích trong suốt quá trình nghiên cứu. HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC iv Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS.

PHAN ĐỨC HUYNH TÓM TẮT Kỹ thuật xử lý và tính toán kết cấu công trình trong những năm gần đây có nhiều tiến triển .Dao động của kết cấu chịu ảnh hưởng động đất phải được đo lường và cải tiến để chống lại các tác hại của động đất.Tuy nhiên việc tính toán dao động ảnh hưởng của kết cấu chỉ giới hạn ở dạng mô hình toán học,thường đơn giản hơn so với kết cấu phức tạp thực tế. Do đó mà bàn rung luôn là công cụ hữu dụng trong nghiên cứu và mô phỏng động đất cho kết cấu công trình. Và mục đích chính của đề tài là tính toán,thiết kế và mô phỏng mẫu bàn rung thủy lực hạng trung có 3 bậc tự do để tiến hành mô phỏng động đất và kiểm tra mô hình cấu trúc phức tạp. Dự án này được thực hiện với bộ điều khiển ba biến , 2 van servo và 2 bộ truyền động ,hệ thống bàn rung và hệ thống cung cấp năng lượng.Xây dựng mô hình toán học của hệ thống và tính toán các thông số ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống như các thông số điều khiển, độ nhiễu và trạng thái ổn định của hệ thống, mô phỏng trong miền thời gian để phân tích và dự đoán các đáp ứng của hệ thống.

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC v Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH ABSTRACT Recent industrial progress and computation technology made it possible to construct more complex structures.Vibration of these structures due to seimic strength must be measured and proved to prevent them from damage when they are subjected to earthquake.However ,the accuracy of estimating the effect of vibrating structures is limited by the mathematical models,which are normally simplified from the actual complex structures. The main purpose of this study is to obtain the design specifications three degree of free hydraulic shaking table with medium loading,which can function primarily as an earthquake simulator and dynamic structural testing apparatus.The project employs a three stage electrohydraulic servovalve actuator system complete with hydraulic system as the power and drive unit.Mathematical model for closed loop control experimentation was presented and used investigate the fluence of various parameters on the overall system. The investigation includes the study on effect of controller gain setting,disturbances and system stability.Time domain analysis using computer simulation was conducted to explain and predict the system of response.

HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC vi Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC vii Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH MỤC LỤC TRANG TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC. i LỜI CAM ĐOAN.

iii CẢM TẠ. vi MỤC LỤC. viii DANH SÁCH CÁC BẢNG. xii DANH SÁCH CÁC HÌNH.

xiii Chƣơng 1:TỔNG QUAN .1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu .2 Mục tiêu nghiên cứu .5 Chƣơng 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT .2 Độ lớn và cƣờng độ của động đất .3 Báo cáo lại sự vận chuyển trên mặt đất .4 Phân tích miền thời gian sự vận động mặt đất của động đất.2 Thiết kế các bƣớc của vòng lặp thủy lực .11 Chƣơng 3:TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THƢ̣C TẾ .15 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC viii Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH 3.2 Xác định lực động tác dụng lên bộ dẫn động .3 Xác định kích thƣớc nhỏ nhất cho đƣờng kính pittong .4 Xác định lƣu lƣợng tại các tần số khác nhau:.5 Lựa chọn ống mềm thủy lực linh hoạt (dẻo) .6 Lựa chọn dung dịch thủy lực .7 Tính toán công suất lý thuyết của máy bơm .9 Lựa chọn motor .10 Thiết kế bồn chứa nƣớc thủy lực .11 Lựa chọn bộ dẫn động cho đƣờng hút .12 Vị trí bộ lọc .13 Hệ thống làm lạnh.14 Kết cấu bàn rung và bộ dẫn động .15 Các thông số kĩ thuật cuối của hệ thống thiết kế .30 Chƣơng 4:HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3 BIẾN (TVC) .1 Hàm truyền của bộ điều khiển 3 biến(TVC): .1Bộ điều khiển 3 biến TVC .2Bộ phát tham chiếu GR: .3Bộ hồi tiếp: .6Bộ lọc lực hồi tiếp thông thấp: .1Hàm truyền mạch kín: .40 Chƣơng 5:TÍNH TOÁN HỆ THỐNG THỦY LỰC.1 Phân tích tổng quan về van Servo thủy lực: .43 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC ix Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH 5.1 Phƣơng trình lƣu lƣợng tải: .2Van servo trên hệ thống và tiêu chuẩn về dạng sóng không xác định tối thiểu: …………………………………………………………………………….3 Bộ truyền động một đầu: .4 Mô hình bộ tích trữ: .57 Chƣơng 6:MÔ HÌNH LẮP RÁP 2D CỦA BÀN RUNG .2 Ma trận khối lƣợng của mặt phẳng bàn rung: .3 Lực tác dụng của piston thủy lực: .4 Lực lò xo đứng: .5 Lực lò xo theo phƣơng ngang: .7 Lực ma sát Coulomb: .8 Phản lực do mẫu thí nghiệm:.9 Thể hiện chi tiết phƣơng trình chuyển động: .10 Phƣơng trình chuyển động tuyến tính của hệ thống khung trƣợt 2 tầng: …………………………………………………………………………….72 Chƣơng 7 :HỆ THỐNG CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN RUNG .1 Hàm truyền tuyến tính của hệ thống mạch hở và mạch kín của bàn rung: …………………………………………………………………………….1Hàm truyền cho hệ thống mạch hở của bàn rung: .2Hàm truyền mạch kín: .2Tƣơng tác giữa bộ điều khiển -bàn phẳng- kết cấu: .1Bộ điều khiển ba giá trị: .3Ảnh hƣởng của các hệ số khuếch đại của bộ TVC trên hàm truyền mạch kín: 89 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC x Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH Chƣơng 8:MÔ PHỎNG BÀN RUNG .1 Bộ điều khiển 3 biến TVC: .4 Bộ truyền động: .6 Hệ thống bàn rung tổng thể:.7 Các thông số tính toán tiến hành mô phỏng .102 Chƣơng 9KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .2 Hƣớng phát triển: .105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .121 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC xi Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS.

PHAN ĐỨC HUYNH DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Mố i quan hê ̣ Gia tố c – đô ̣ lớn.1: Lưu lươ ̣ng cực đa ̣i ta ̣i các hành triǹ h thay đổ i và tầ n số 100 Hz.2: Thông số kỹ thuật của bàn rung.1: Các thông số của bộ điều khiển ba biến TVC .2: Các thông số của bộ lọc .3 : Thông số của bộ TVC tiến hành khảo sát sự thay đổi .1: Bảng các thông số khi tiến hành mô phỏng. 101 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC xii Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS. PHAN ĐỨC HUYNH DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sóng địa chấn, sóng P và S [5] .2: Thành phần quan trọng sử dụng trong động đất [5] .3: Đáp ứng phổ của trận động đất El Centro năm 1940 .4: Mẫu sự chuyể n dich ̣ đô ̣ng đấ t trong miề n thời gian đươ ̣c phân tích .1: Pha đẩ y ra và rút về của bô ̣ dẫn đô ̣ng.2: Thể hiện sự vận hành của van xả an toàn[10].1: Mô hình bàn rung .3: Hê ̣ thố ng dao dô ̣ng của lò xo .5: Lưu lươ ̣ng và tầ n số ta ̣i hành trình 10.6: Xylanh 2 ti tác đô ̣ng kép đươ ̣c cho ̣n .8: Vị trí các bộ lọc trong hệ thống [9] .1:Sơ đồ cấu trúc của bộ điều khiển 3 biến [10] .2: Mô phỏng một xung [10] .3: Biểu đồ Bode của bộ lọc Notch .4: Hàm truyền tổng quát của bộ điều khiển 3 biến .5: Hàm truyền của bộ hồi tiếp .1Mô hình van servo .2: Quan hệ giữa lực và vận tốc của bộ truyền piston .3: Quan hệ giữa vị trí, vận tốc và góc pha .4:Mô hình lưu lượng chảy qua các lỗ trong quá trình đẩy ra và rút về .7:Mô hình của bộ truyền piston 1 đầu .1:Sơ đồ khối của bàn rung và mẫu thử 2D .5:Biên độ và pha của mô hình van servo-bộ truyền động-bàn rung-mẫu thử.1:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung .3:Mạch hở của vanservo-bộ truyền-bàn rung-mô hình .4:Mô hình đơn giản hóa .6:Sơ đồ điều khiển khoảng dịch chuyển của van servo -bộ truyền-bàn rung-mẫu với hồi tiếp lực, vận tốc, gia tốc và rung động. 82 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC xiii Luận VănTốt Nghiệp GVHD: TS.

PHAN ĐỨC HUYNH Hình 8.7:TVC TVC Hình8.8:Sơ đồ khối của bộ điều khiển.10:(a1),(a2) ảnh hưởng của kp,(b1),(b2) ảnh hưởng của kBD .2:Sơ đồ rút gọn của bộ điều khiển .3 Sơ đồ mô phỏng của Van servo .7 Sơ đồ mô phỏng bộ truyền động .9: Sơ đồ mô phỏng mặt bàn rung .10 Sơ đồ mô phỏng của hệ thống bàn rung .11 Gia tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.12 Vận tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.13 Vị trí của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.14 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.15 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.16 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.17 Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro .18 Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro .18 Vị trí khi kiểm tra tín hiệu Elcentro. 104 HVTH:NGUYỄN VĂN PHÚC xiv Luận Văn Tốt Nghiệp GVHD:TS.PHAN ĐỨC HUYNH Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Khám phá cácmối nguy hiểmcủa động đấtvàthiệt hại chocác tòa nhàbằngcáchxây dựngcác tòa nhàmô hìnhvàcho chúng dao độngmặt trênbề mặt của bàn rung. Trong nhiều năm qua nhờ bàn rung mà các công trình xây dựngdân dụngvà kỹ thuật công trình được thiết kế đểcó thể chịu được tác động của tảitrọng động vàđiềukiệnmôi trường thay đổi,nhờ vậy mà đảm bảo được tính kinh tế và an toàn của công trình. Động đất làmột phần củamôi trường này,không những ảnh hưởng đến cuộc sống vàtàisản con người mà còn có thể gây rahậu quả nghiêm trọnggián tiếp.

Mô phỏngchính xácchuyển độngtrận động đấtlàmột thách thứcto lớn chocác nhà nghiên cứu vàchuyên gia.Bàn rungngày càngđược sử dụng nhiều tạicác trungtâm nghiên cứu động đấttrên toàn thế giới, vì nó làphương tiện duy nhấtthực sựtái tạo được gần nhất tác độngcủa hiệu ứngđộng đấtlêntrên các cấu trúc. Một hệ thốngtương đốiđơngiảnđã đượclắp ráp thể hiệnđầyđủcác chuyển độngđầuvàocủa hệ thốngbàn rung.