Xem mẫu

30 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG




Ứng dụng mô phỏng fem để xác định tỷ lệ các thông số
trong liên kết nối ống thép tròn bằng mặt bích và bulông
TRỊNH HỒNG VI
Phân hiệu Đại học Đà Nẵng tại Kon Tum

Việc nghiên cứu về sự làm việc của liên kết nối ống thép tròn sử dụng mặt bích và bulông chịu kéo
xoắn đồng thời chưa đề cập nhiều. Ứng xử của liên kết này khá phức tạp. Đã có một số tác giả nghiên cứu
về vấn đề này, nhưng những nghiên cứu chỉ dừng lại ở một số vấn đề đơn giản, chưa mô phỏng hết được
sự làm việc thực tế của liên kết. Vì lí do đó, nên các tiêu chuẩn tiên tiến phổ biến như Eurocode 3 và AISC
đều không quy định tính toán liên kết ống thép tròn vào nội dung.
Bài báo nhằm đưa ra những quy luật ứng xử của mối nối, đề xuất các thông số hợp lý của liên kết
(mối quan hệ giữa chiều dày bản mã, đường kính bulông và chiều dày ống thép) trong trường hợp chịu
kéo xoắn đồng thời để đảm bảo kết cấu làm việc tốt và tiết kiệm vật liệu.
Từ khóa: Mặt bích, Lực kéo trong bulông , Mối nối ống thép, Cơ chế phá hoại mối nối.
1. Đặt vấn đề
Việc tính toán thiết kế mối nối ống thép tròn đối đầu dùng mặt bích và bulông cường độ cao chịu
tác dụng đồng thời lực kéo xoắn phụ thuộc nhiều vào tỷ lệ kích thước giữa các thông số như: Chiều dày
mặt bích, đường kính bulông và chiều dày ống thép.
Qua một số nghiên cứu trước đây thì ta thấy cấu kiện ống thép dạng tròn liên kết nối đối đầu dùng
bulông và mặt bích ngoài rất ít được đề cập hoặc nghiên cứu kỹ về sự làm việc khi chịu các tác nhân đồng
thời. Ngay cả tài liệu quy chuẩn về thiết kế mối nối liên kết đối đầu ống thép tròn của Eurocode 3(part 1-
8) hoặc AISC vẫn chỉ nhắc đến tính toán và khảo sát cấu kiện này một cách rất sơ sài của tác động riêng lẽ
hoặc chỉ là thiết kế dựa trên tính toán giống các liên kết của cấu kiện dạng liên kết T-Stub. Hiện nay, trên
thế giới, các nhà khoa học đã đưa ra nhiều lý thuyết tính toán đường quan hệ giữa lực dọc trong bulông
và lực kéo trong cấu kiện nhưng chưa đưa ra được mối quan hệ giữa các kích thước hợp lý giữa đường
kính bulông, mặt bích và ống thép.
Vì vậy, nghiên cứu này sẽ mô phỏng ứng xử của mối nối ống thép sử dụng mặt bích và bulông
cường độ cao trong phần mềm Abapus, xem xét mô hình phá hoại và kiến nghị tỷ lệ kích thước hợp lý
cho đường kính bulông, chiều dày mặt bích và ống thép.
2. Cơ sở lý thuyết
2.1. Ứng suất Von-Mises
Ứng suất Von – Mises là một thuyết bền phổ biến nhất được dùng để đánh giá độ bền của kết cấu trong
phân tích CAE. Công thức tính ứng suất Von – Mises




σ1, σ2, σ3 lần lượt là các ứng suất chính.
2.2. Mô hình đường 3 đoạn của Schmidt-Neuper
Có rất nhiều mô hình khác nhau về liên kết mặt
bích đã được nghiên cứu suốt những năm qua.
Phương pháp chung là dựa trên nghiên cứu của
Petersen, mà sau này được phát triển bởi Seidel
Bulông ứng lực trước trong kết ống thép tròn sử
dụng mặt bích và bulông cường độ cao thường bị mỏi.
Để xác định ứng lực kéo trong bulông ứng lực trước, Hình 1: Biểu đồ quan hệ giữa lực kéo và lực
Schmidt-Neuper đã đề xuất một biểu đồ quan hệ giữa dọc trong bulông của Schmidt – Neuper
lực kéo và lực dọc trong bulông.
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 31




SỐ 03 NĂM 2018
2.2. Mô hình của Seidel
Seidel (2001) đã đề xuất đường đặc trưng biểu
diễn quan hệ phi tuyến giữa ngoại lực và lực dọc trong
bulông (hình 4).
Vùng 1 (Range 1): Chưa xuất hiện biến dạng, ngoại
lực tác dụng được giới hạn bởi ứng lực nén trước trong
bulông
Vùng 2 (Range 2): Khe hở bắt đầu phát triển
Vùng 3 (Range 3): Liên kết hở ra với một độ hở phụ
thuộc vào ngoại lực tác dụng Hình 2: Quan hệ phi tuyến giữa
ngoại lực và lực dọc trong bulông
Vùng 4 (Range 4) : Xuất hiện vùng chảy dẻo của
bulông và/hoặc bản mã cho đến khi liên kết bị phá hoại.
2.3. Mô hình phá hoại do Petersen đề xuất
Ba mô hình phá hoại của Petersen
Mô hình phá hoại 1: Bản mã đủ độ dày, không có biến
dạng xuất hiện trong mô hình này. Có nghĩa là lực kéo
trong bản mã ảnh hưởng trực tiếp đến bulông, và khi lực
dọc trong bulông vượt quá giới hạn cho phép thì liên kết
bị phá hoại.
Mô hình phá hoại 2: Lực dọc trong bulông đạt giới hạn Hình 3: Ba mô hình phá hoại của
cho phép, đồng thời khớp dẻo cũng xuất hiện trong bản Petersen trong liên kết T-stub
mã.
Mô hình phá hoại 3: Bản mã quá mỏng, sự phá hoại
xảy ra trong bản mã.
3. Mô phỏng liên kết mối nối ống thép tròn dùng mặt bích và bulông bằng fem
3.1 Vật liệu sử dụng
Bảng 1: Thông số vật liệu đầu vào

Tên Bulông Mặt bích
Vật liệu M20, F10T SM400

Khối lượng riêng 7,850 T/m3 =7850kg/ m3 7,850 T/m3=7850kg/ m3

Giới hạn bền kéo 9x105 kN/m2=90daN/mm2 2,55x105kN/m2=25.5 daN/mm2
Hệ số Poisson 0,3 0,3
Hệ số dẫn nhiệt 0,053 kJ/m.s.oC -
Độ giãn nở nhiệt 1,2x10-5 -
3.2. Phương pháp phân tích
3.2.1. Bước tiến hành
Mô hình liên kết đơn lẻ 1 bu lông và mặt bích
Mô hình toàn bộ mối nối liên kết
dạng chữ L
+ Kiểm tra ứng xử từ kết quả mô phỏng với cơ chế + Khảo sát ứng xử của toàn bộ bu lông và mặt
phá hủy đề xuất bởi Petersen (1990) và mối quan hệ bích trong mối nối khi làm việc chung.
phi tuyến giữa lực dọc trong bu lông và lực kéo trong + Đề xuất tỷ lệ kích thước cho các thông số
thân ống thép được đề xuất bởi Seidel (2001). chiều dày ống thép, chiều dày mặt bích và
đường kính bu lông.
Bước 1 Bước 2
32 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG




3.2.2. Điều kiện biên
Điều kiện biên được dùng để khống chế các yếu tố để mô hình làm việc như trong thực tế. Ở đây
tác giả khống chế các điều kiện biên về chuyển vị thẳng, chuyển vị xoay, nhiệt độ, lực tập trung, lực phân
bố,…
3.2.3. Ứng lực trước cho bulông
Để tạo ra lực xiết ban đầu trong bulông tác giả sử dụng phương pháp làm lạnh bulông đến một
nhiệt độ nhất định để tạo được ứng suất kéo ban đầu như thiết kế Tv=0,7. y.Ae.
3.2.4. Hệ số ma sát
Ở đây sử dụng hệ số ma sát giữa thép - thép là 0,5.
3.3. Mô phỏng mô hình liên kết một bulông và mặt bích (phần tử dạng L) kiểm chứng với cơ sở lý
thuyết
3.3.1 Mô hình




Hình 4: Mô hình bulông, mặt bích và liên kết chữ L trong Abaqus




Hình 5: Mô hình phần tử dạng chữ L Hình 6: Hình ảnh phân tích phần tử dạng chữ L
3.3.2 Kết quả phân tích liên kết L




Hình 7: Quan hệ giữa lực dọc Tp trong bulông và lực kéo Ts so sánh với biểu đồ của Schmidt-
Neuper
Qua mối quan hệ giữ lực TP và Ts trong kết quả mô phỏng. Chúng ta có thể tìm ra sự giống nhau
của kết quả phân tích với biểu đồ Schmidt-Neuper, biểu đồ của Seidel, mô hình phá hoại của Pertersen.
Như vậy, có thể khẳng định tính đúng đắng của mô hình Abaqus mà tác giả đang sử dụng.
KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 33




SỐ 03 NĂM 2018
3.4. Mô phỏng mối nối liên kết đối đầu của ống thép tròn dùng bulông và mặt bích ngoài chịu kéo xoắn
đồng thời


Bảng 2: Bảng kích thước các mẫu ống mô phỏng
C.dày mặt
Đ.kính ống Đ.kính bulông Số lượng bulông
Mẫu bích e1 e1
dixti (mm) (mm) tối thiểu
(mm) (mm) (mm)
1 165.2x4 16 20 6 40 30
2 267.4x6.0 25 22 10 40 35
3 355.6x9.5 32 24 18 45 40




Hình 8: Mô hình ống thép chịu kéo xoắn đồng thời


3.4.1. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ 165.2x4
3.4.1.1 Chọn kích thước hợp lý cho trường hợp chịu kéo




Hình 9: Qui trình thực hiện mô phỏng kéo
Hình 10: Chọn chiều dày mặt bích hợp lý




Hình 11: Chọn chiều dày ống thép hợp lý

Hình 12: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép
4 trường hợp

Như vậy: Với trường hợp kích thước: ds =20 mm, tf =20 mm ; ti=6 mm. Mô hình ống thép chịu kéo sẽ
phá hoại theo mô hình 2 (Pentersen). Từ đây tác giả tìm được kích thước sơ bộ cho việc khảo sát liên
kết nối ống thép tròn này trong trường hợp chịu kéo xoắn đồng thời bên dưới.
34 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG




3.4.1.2. Trường hợp mô phỏng ống nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời




Hình 15: Chọn chiều dày ống thép
Hình 13: Qui trình mô phỏng kéo xoắn




Hình 16: Biểu đồ ứng suất trong Bulông và ống thép
4 trường hợp
Hình 14: Mẫu nhỏ chịu kéo xoắn đồng thời
Kết luận: Với tỷ lệ kích thước: (0.8
nguon tai.lieu . vn