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.