Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong điều khiển khí động lực học cầu cáp treo

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ĐÃ CÔNG BỐ

1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU CÁP TREO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM

1.2.1. Trên thế giới

1.2.1.1. Sự phát triển của chiều dài nhịp chính từ nửa cuối thế kỷ XIX ở nước Mỹ

1.2.1.2. Xu hướng mới trong thiết kế kết cấu ở châu Âu từ cuối chiến tranh thế giới thứ 2 tới những năm 1960

1.2.1.3. Sự phát triển ở châu Á từ thập kỷ 70

1.2.2. Sự phát triển của cầu cáp treo tại Việt Nam hiện nay

1.3. MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.3.1. Mục tiêu, khách thể

1.3.2. Đối tượng nghiên cứu

1.4. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2. CHƯƠNG 2: TẢI TRỌNG GIÓ ĐỐI VỚI CẦU

2.1. TẢI TRỌNG GIÓ ĐỐI VỚI CẦU

2.1.1. Hiện tượng flutter

2.1.2. Hiện tượng buffeting

2.1.3. Hiện tượng Vortex – Shedding

2.2. PHÂN TÍCH FLUTTER

2.2.1. Phương trình chuyển động

2.2.2. Các lực tự kích

2.2.3. Dẫn xuất flutter

3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO DẦM

3.1. PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN

3.1.1. Các bước tiến hành khi giải một bài toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

3.1.2. Ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

3.2. Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn Cho Dầm

3.2.1. Biến dạng dọc trục của thanh

3.2.2. Phần tử dầm hai nút

3.2.3. Phần tử dầm xoắn

3.3. DAO ĐỘNG TỰ DO – XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

4. CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO VÀ FLUTTER CHO BÀI TOÁN ĐA MODE

4.1. PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO

4.1.1. Thuật toán phân tích flutter 2D

4.1.2. Trường hợp nghiên cứu

4.1.3. Kết quả nghiên cứu

4.1.3.1. Trường hợp G = 0 (không có điều khiển)

4.1.3.2. Trường hợp G ≠ 0 (có điều khiển)

4.1.3.3. Mối quan hệ giữa G và vận tốc Uflutter

4.2. PHÂN TÍCH FLUTTER CHO BÀI TOÁN ĐA MODE

4.2.1. Thuật toán phân tích flutter cho bài toán đa mode

4.2.2. Tìm tần số riêng các modes và hình dạng các modes

4.2.2.1. Dao động tự do theo phương đứng của cầu cáp treo

4.2.2.2. Dao động tự do xoắn của cầu cáp treo

4.2.2.3. Dao động tự do theo phương ngang của cầu cáp treo

4.2.3. Trường hợp nghiên cứu

4.2.4. Hình dạng modes

4.2.5. Tần số các modes

4.2.5.1. Trường hợp G = 0 (không có điều khiển)

4.2.5.2. Trường hợp G ≠ 0 (có điều khiển)

4.2.5.3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa G và Uflutter

4.2.5.4. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số modes N và vận tốc Uflutter

5. CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH FLUTTER CỦA CẦU CÁP TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

5.1. PHÂN TÍCH FLUTTER CHO PHẦN TỬ DẦM

5.1.1. Xây dựng ma trận khối lượng, giảm xóc và ma trận độ cứng của phần tử dầm

5.1.2. Lực khí động

5.2. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU

5.3. TẦN SỐ CÁC MODES

5.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI

6.1. KẾT LUẬN

6.2. CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về cầu cáp treo

Cầu cáp treo nổi bật với khả năng vượt nhịp lớn qua các sông sâu và thung lũng, điều này làm cho nó trở thành một giải pháp ưu việt trong xây dựng cơ sở hạ tầng. Đặc biệt, ở Việt Nam, nơi có nhiều sông lớn và địa hình phức tạp, cầu cáp treo được ưu tiên trong các dự án xây dựng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu và tính toán kết cấu cầu cáp treo vẫn còn hạn chế. Việc tự động hóa tính toán cho các cầu có nhịp dài là một thách thức lớn. Tai nạn của cầu Tacoma Narrows vào năm 1940 đã làm nổi bật tầm quan trọng của thiết kế chống gió trong cầu cáp treo. Hiện tượng flutter và buffeting là những vấn đề nghiêm trọng cần được giải quyết để đảm bảo an toàn cho cầu cáp treo.

1.1. Lịch sử phát triển cầu cáp treo

Cầu cáp treo đã được phát triển từ thế kỷ XIX, với nhiều cây cầu nổi tiếng như cầu Golden Gate và cầu Tacoma Narrows. Những cây cầu này không chỉ có nhịp dài mà còn phải đối mặt với các thách thức về khí động lực học. Sự phát triển của công nghệ và vật liệu đã giúp cải thiện thiết kế cầu cáp treo, từ đó nâng cao độ ổn định và an toàn. Các nghiên cứu về điều khiển khí động học, bao gồm việc sử dụng flaps và hệ thống giảm chấn, đã được đề xuất để kiểm soát hiện tượng flutter, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của cầu cáp treo.

II. Phương pháp phần tử hữu hạn FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích kết cấu cầu cáp treo. Phương pháp này cho phép mô hình hóa các yếu tố phức tạp trong thiết kế cầu, từ đó giúp dự đoán chính xác các phản ứng của cầu dưới tác động của lực gió. Việc áp dụng FEM trong nghiên cứu cầu cáp treo không chỉ giúp tối ưu hóa thiết kế mà còn nâng cao khả năng kiểm soát bất ổn định khí động lực học. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Matlab cho phép thực hiện các tính toán phức tạp một cách hiệu quả, từ đó cung cấp các giải pháp thiết thực cho việc thiết kế và xây dựng cầu cáp treo.

2.1. Ứng dụng FEM trong phân tích cầu cáp treo

FEM được sử dụng để phân tích các hiện tượng như flutter và buffeting trong cầu cáp treo. Các bước tiến hành khi giải bài toán bằng FEM bao gồm việc xác định mô hình, thiết lập các điều kiện biên và thực hiện tính toán. Kết quả từ FEM cung cấp thông tin quan trọng về tần số dao động và hình dạng modes của cầu, từ đó giúp các kỹ sư đưa ra các quyết định thiết kế hợp lý. Việc sử dụng FEM không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán mà còn tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình thiết kế.

III. Phân tích bất ổn định khí động lực học

Phân tích bất ổn định khí động lực học là một phần quan trọng trong thiết kế cầu cáp treo. Hiện tượng flutter có thể gây ra những dao động nguy hiểm, ảnh hưởng đến an toàn của cầu. Việc sử dụng flaps để điều khiển bất ổn định khí động lực học kết hợp với FEM là một giải pháp hứa hẹn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều khiển bằng flaps có thể làm giảm đáng kể nguy cơ xảy ra flutter, từ đó nâng cao độ an toàn cho cầu cáp treo. Các kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa lực gió và tần số dao động, giúp các kỹ sư có cái nhìn rõ hơn về cách thức hoạt động của cầu dưới tác động của gió.

3.1. Các hiện tượng khí động lực học

Các hiện tượng như flutter, buffeting và vortex shedding đều có ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của cầu cáp treo. Flutter là hiện tượng dao động tự kích thích, trong khi buffeting là sự dao động do tác động của gió. Việc phân tích các hiện tượng này thông qua FEM giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các biện pháp điều khiển khí động học có thể làm giảm đáng kể tác động của các hiện tượng này, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả của cầu cáp treo.

Luận văn thạc sĩ: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho điều khiển khí động lực học cầu cáp treo