Sử dụng phần mềm Ansys với hàm phân bố ngẫu nhiên Rand(x,y) để mô phỏng các lỗ ăn mòn trong kết cấu thép thủy công - Vũ Hoàng Hưng

Nội dung text: Sử dụng phần mềm Ansys với hàm phân bố ngẫu nhiên Rand(x,y) để mô phỏng các lỗ ăn mòn trong kết cấu thép thủy công - Vũ Hoàng Hưng

1. SỬ DỤNG PHẦN MỀM ANSYS VỚI HÀM PHÂN BỐ NGẪU NHIÊN RAND(x,y) ĐỂ MÔ PHỎNG CÁC LỖ ĂN MÒN TRONG KẾT CẤU THÉP THỦY CÔNG Vò Hoµng H­ng, §ç V¨n Høa Trường Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Trước đây khi đánh giá khả năng chịu lực cửa van thép có xét đến ảnh hưởng của ăn mòn, trong quá trình mô hình tính toán thường sử dụng độ dày trung bình còn lại sau khi ăn mòn mà xét được đến dạng ăn mòn. Bài báo này đã thực hiện mô phỏng dạng ăn mòn lỗ trong quá trình thiết lập phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS đồng thời so sánh kết quả với cách thiết lập phần tử hữu hạn truyền thống. Kết quả tính toán cho thấy ăn mòn lỗ có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố và độ lớn của ứng suất trong cấu kiện kim loại. 1. MỞ ĐẦU nhiên về vị trí và kích thước của lỗ trong quá Thiết bị kết cấu kim loại thủy công là một trình thiết lập mô hình tính bằng phương pháp trong những bộ phận quan trọng của công trình phần tử hữu hạn với sự sử dụng phần mềm thủy lợi, thủy điện. Cửa van là một loại kết cấu ANSYS . chủ yếu được sử dụng trong hầu hết các loại công trình thủy lợi, thủy điện. Sự làm việc an 2. HIỆN TƯỢNG ĂN MÒN CỬA VAN toàn của cửa van ảnh hưởng trực tiếp đến an Qúa trình khảo sát ăn mòn cửa van ở 53 công toàn toàn bộ công trình đầu mối. Yếu tố rất quan trình thuộc 17 tỉnh trên phạm vi cả nước cho trọng liên quan đến khả năng chịu lực của cửa thấy sự ăn mòn phụ thuộc chủ yếu vào môi van là mức độ và dạng ăn mòn. Ăn mòn diễn ra trường (nước lợ, nước ngọt, chua phèn hay ô liên tục theo thời gian làm giảm nhỏ kích thước nhiễm ), vào quá trình duy tu bảo dưỡng, vào mặt cắt các cấu kiện, làm cho khả năng chịu lực loại vật liệu sử dụng (loại thép chịu lực, vật liệu của kết cấu giảm dần ảnh hưởng trực tiếp đến lớp phủ ) [1]. Đánh giá định tính tình trạng tuổi thọ sử dụng và vận hành an toàn của cửa ăn mòn là dựa vào quan sát dạng ăn mòn, diện van. tích ăn mòn và vị trí ăn mòn của mỗi cấu kiện Ăn mòn ở cửa van rất đa dạng nhưng dạng để tiến hành miêu tả đánh giá mức độ ăn mòn phổ biến nhất là ăn mòn lỗ. Các lỗ có hình dạng của mỗi cấu kiện. Mức độ ăn mòn thông thường khác nhau lại phân bố ngẫu nhiên rất phức tạp. được chia thành 5 cấp [4]: Trong quá trình khảo sát không thể xác định (1) Ăn mòn nhẹ: Tầng bảo vệ cơ bản tốt, được vị trí tất cả các lỗ cũng như kích thước của cục bộ tại một vài vị trí có lượng nhỏ lốm đốm nó. gỉ hoặc hiển thị không rõ ràng, bề mặt cấu kiện Trong quá trình phân tích và tính toán kết cấu không có hoặc chỉ có một lượng nhỏ phân tán cửa van xét đến ảnh hưởng của ăn mòn thường ăn mòn lỗ nông (hình 1a). sử dụng mô hình độ dày trung bình sau khi bị ăn (2) Ăn mòn thông thường: Tầng bảo vệ bị mòn để thay thế độ dày thực tế, mà chưa xét bong tróc cục bộ, lốm đốm ăn mòn, ăn mòn lỗ được sự phân bố của lỗ cũng như dạng lỗ tồn tại có hiển thị rõ ràng, nhưng độ sâu ăn mòn lỗ khá thực tế trên cửa van, vì vậy kết quả tính toán nông hoặc có ăn mòn lỗ khá sâu (độ sâu lỗ trong khả năng chịu lực còn lại của cửa van bị hạn chế khoảng từ 1.0~2.0mm) nhưng rất ít và phân tán, về độ tin cậy [2]. Bài báo này đưa ra phương mức độ suy yếu của cấu kiện chưa hiển thị rõ pháp mô phỏng ăn mòn lỗ xét đến tĩnh ngẫu ràng (hình 1b). 133
2. (3) Ăn mòn khá nặng: Bong tróc lớp phủ có thể đánh giá mức độ ăn mòn của mỗi cấu lớn hoặc lớp phủ và kim loại tách biệt và có lớp kiện cửa van, tính toán tốc độ ăn mòn của cấu gỉ ở giữa, ăn mòn lỗ tập trung thành vùng tương kiện cửa van, xác định độ dày ăn mòn cấu kiện, đối lớn, cục bộ có điểm ăn mòn lỗ khá sâu (độ làm số liệu cung cấp cho tính toán cấu kiện. sâu lỗ trong khoảng từ 2.0~3.0mm), suy yếu cấu Ở Việt Nam, qua khảo sát 53 công trình trên kiện đã có mức độ nhất định (hình 1c). phạm vi cả nước chúng tôi thấy rằng đại bộ (4) Ăn mòn nghiêm trọng: Ăn mòn lỗ khá phận cửa van đều bị ăn mòn với các hình thức sâu và tập trung thành vùng, cục bộ có ăn mòn và mức độ khác nhau tùy thuộc vào thời gian sử lỗ sâu (độ sâu lỗ trên 3.0mm), cấu kiện đã suy dụng, vật liệu thép, môi trường làm việc, duy tu yếu nghiêm trọng (hình 1d). bảo dưỡng trong đó có trên 10 công trình tập (5) Ăn mòn rất nghiêm trọng: Ăn mòn lỗ trung chủ yếu ở các tỉnh miền Bắc có cửa van sâu, suy giảm diện tích tiết diện trên 25%, cục thép bị ăn mòn lỗ nghiêm trọng. Để giúp người bộ cấu kiện đã bị phá hoại, xuất hiện lỗ thủng quản lý có những quyết sách đúng đắn trong (hình 1e). việc duy tu sửa chữa và thay thế cửa van thì cần Đánh giá định lượng mức độ ăn mòn cửa van phải đánh giá lại khả năng chịu lực thực tế của là dựa vào thiết bị máy móc đo đạc chiều dày cửa van, dự báo tuổi thọ cửa van [1]. thực tế với các cấu kiện chủ yếu cửa van, từ đó a/ b/ c/ d/ e/ Hình 1: Hiện tượng ăn mòn lỗ cửa van CTTL ở Việt Nam [1] a / Cửa van cống Long Hải Tiền Giang b/ Cửa van cống Luỳnh Huỳnh Kiên Giang c/ Cửa van cống Lân 1 – Thái Bình d/ Cửa van cống Xuân Quan – Hà Nội e/ Cửa van cống An Thổ - Hải Dương 134
3. 3. XỬ LÝ MÔ PHỎNG ĂN MÒN ĐỐI VỚI BỀ Vì vậy, đối với mô phỏng ăn mòn trong tính MẶT CỬA VAN toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn Trước đây khi phân tích và tính toán kết cấu có thể phân thành hai bước để thực hiện: cửa van bằng phương pháp phần tử hữu hạn (sử (a) Đối với những phạm vi phát sinh ăn dụng phần mềm SAP2000). Mô hình mô phỏng mòn lỗ khá nông, lốm đốm gỉ, gỉ bong tróc bề được chọn như sau: Dựa vào bản vẽ thiết kế, độ mặt, có thể sử dụng độ dày trung bình sau khi ăn sâu ăn mòn đo được tại hiện trường, độ dày cấu mòn để mô phỏng tính toán. kiện đưa vào tính toán là độ dày trung bình sau (b) Đối với cấu kiện ăn mòn lỗ khá sâu, khi bị ăn mòn [2]. khá lớn cần sử dụng mô hình nón cụt hoặc hình Khi ăn mòn lỗ còn nông, lốm đốm gỉ, gỉ bán cầu với hình dạng tương tự nó để tiến hành bong tróc với diện tích lớn bề mặt, có thể chọn thay thế mô phỏng. giá trị độ dày bình quân (độ dày sau khi ăn mòn) Muốn xử lý tốt vấn đề mô phỏng phân bố ăn để tiến hành mô phỏng. Việc lấy độ dày cấu mòn lỗ này, đòi hỏi trong quá trình kiểm tra đo kiện sau khi đã xét tới tình trạng ăn mòn trong đạc hiện trường cần thu thập đầy đủ số liệu để trường hợp này đã có tính khoa học nhất định. thống kê cấp độ lớn nhỏ của lỗ ăn mòn và quy Nhưng đối với trường hợp ăn mòn lỗ khá sâu, luật phân bố Sau khi xử lý số liệu, căn cứ kết khá lớn thì sẽ ảnh hưởng rất lớn tới giá trị và sự quả phân tích số liệu thống kê để xác định kích phân bố ứng suất trong cấu kiện, do đó không thước của hình nón cụt hoặc hình bán cầu và nên chỉ tiến hành thay thế giá trị chiều dầy bình quy luật phân bố, nhằm mô phỏng mô hình tính quân đơn giản, mà nên sử dụng phương pháp toán sát với thực tế ăn mòn lỗ trên . mô phỏng sao cho mô hình tính toán gần giống Trong công tác đo đạc kiểm tra phát hiện, ăn với thực tế. mòn lỗ khá sâu, khá lớn phạm vi phân bố thông Sau khi tiến hành nghiên cứu sự phân bố thường tập trung ở một nơi nào đó (không theo thực tế của ăn mòn lỗ đã ở mức độ khá lớn, khá quy luật phân bố) hoặc quy luật phân bố thưa sâu cho thấy đại bộ phận hình dạng của ăn mòn thớt trong phạm vi giới hạn khá lớn (phù hợp lỗ tương tự với hình nón cụt ngược hoặc hình quy luật phân bố ngẫu nhiên). Vì vậy, quá trình bán cầu (hình 2a, b). Vì vậy trong quá trình tính mô hình phần tử hữu hạn bằng ANSYS có thể toán mô phỏng kết cấu bị ăn mòn lỗ bằng lợi dụng hàm số nội bộ trong phần mềm phương pháp phần tử hữu hạn chúng ta có thể GDIS(x,y), RAND(x,y) phát sinh số Gauss, lấy hình nón cụt hoặc hình bán cầu tương tự để số ngẫu nhiên để mô phỏng quy luật phân bố thay thế lỗ ăn mòn thực tế, kết quả tính toán này ăn mòn lỗ [5] [6]. Phương pháp mô phỏng lỗ ăn tiếp cận tính chân thực hơn đối với phương pháp mòn trên mô hình có thể sử dụng phần mềm truyền thống thay thế độ dày bình quân sau khi ANSYS, dựa vào phương thức APDL để thực ăn mòn [4]. hiện, thiết lập theo phương thức thông thường GUI là không thực hiện được. 2R 2R Từ số liệu đo đạc thực tế, xác định được độ h dày trung bình sau khi ăn mòn. Sau đó căn cứ kích thước và sự phân bố lỗ ăn mòn trên kết cấu 2r (lỗ đã được mô phỏng theo hình nón cụt hoặc hình bán cầu), mô hình tính toán được đưa vào a/ b/ các lỗ do ăn mòn phân bố theo quy luật ngẫu Hình 2: Hình dạng lỗ ăn mòn thường gặp nhiên a/ Lỗ hình nón cụt ngược; b/ Lỗ hình bán cầu Dựa vào tư tưởng nêu trên, sự phân bố ăn mòn lỗ có thể đạt được hợp lý có thể tiếp cận 135
4. mô hình kết cấu chân thực hơn. bản mắt nói chung đều có dạng ăn mòn đều. Riêng chỉ có bộ phận thanh dầm ngang ghép bởi hai thép  và thanh xiên ghép bằng hai thép góc  của dàn chống xoắn bị ăn mòn lỗ (xem hình 4), mức độ ăn mòn lỗ tương đối lớn, đường kính lỗ ăn mòn trung bình từ 10~20mm, chiều sâu ăn mòn trung bình khoảng 2mm [3]. Để thấy rõ ảnh hưởng của ăn mòn lỗ đối với trạng thái ứng suất của cấu kiện, thanh dầm ngang dàn chống xoắn được tiến hành tính toán cho hai phương án: không xét đến ảnh hưởng ăn mòn lỗ và xét đến ảnh hưởng ăn mòn lỗ. Kích thước của thanh dầm ngang cho ở hình vẽ 5. Để Hình 3: Mô phỏng hình nón cụt thay thế lỗ ăn mòn giản hoá tính toán, giả thiết thanh dầm ngang chịu áp lực phân bố đều trên bản cánh 4. VÍ DỤ THỰC TẾ 2 Cửa van thép cống phân lũ Đập Đáy - Hà q=400kN/m , hai đầu thanh dầm chịu ràng buộc hoàn toàn. Vật liệu thép có môđun đàn hồi Tây được khảo sát ăn mòn tháng 02/2008. Qua 2 quá trình khảo sát ăn mòn kim loại cửa van nhận E=2.10E8 kN/m , hệ số Poisson =0.3. thấy các cấu kiện như bản mặt thượng và hạ lưu, dầm chịu uốn, dàn đỡ 1, dàn đỡ 2, khung ngang, Hình 4: Đo đạc ăn mòn tại hiện trường cửa van Đập Đáy 10 220 16 220 10 3000 160 136
5. Hình 5: Sơ đồ tính toán dầm Trong quá trình thiết lập giai đoạn đầu của mô hình, giả thiết chiều dày sau khi ăn mòn của mỗi bộ phận cấu kiện kim loại là như nhau; khi thiết lập mô hình ăn mòn lỗ phân bố ngẫu nhiên lỗ ăn mòn trên bản bụng dầm với số lượng lỗ mỗi mặt bên là 50 lỗ, mỗi mặt trên bản cánh là 20 lỗ, tổng số lượng lỗ trên mô hình là 180 lỗ, Hình 6: Phân bố ngẫu nhiên lỗ ăn mòn trên mô đường kính lỗ ăn mòn trung bình từ 10~20mm, hình dầm độ sâu lỗ trung bình 2mm. Sử dụng hàm số nội bộ trong phần mềm ANSYS RAND(x,y) thông a) qua phương thức APDL phân bố ngẫu nhiên lỗ ăn mòn trên mô hình. Phương thức APDL: !Phân bố ngẫu nhiên vị trí 50 lỗ ăn mòn trên một mặt bên bản bụng dầm *DO,i,1,50 K,i,RAND(0,3.0),RAND(0,0.2),0 b) !Tạo ngẫu nhiên vị trí ăn mòn lỗ *ENDDO !Tạo ngẫu nhiên kích thước hình nón cụt tại vị trí ăn mòn lỗ *DO,i,1,50 KWPLAN,1,i CONE,RAND(0.008,0.0012), Hình 7: Sự thay đổi phân bố ứng suất khi xét đến RAND(0.004,0.006), RAND(0.0015,0.0025) ảnh hưởng của ăn mòn lỗ !R1=8~12mm; R2=4~6mm; h=1.5~2.5mm a/ Trạng thái ứng suất của dầm khi chưa xét đến *ENDDO ăn mòn lỗ !Làm tương tự cho mặt bên bản bụng còn lại b/ Trạng thái ứng suất của dầm khi xét đến ăn và các mặt trên bản cánh dầm mòn lỗ Bảng 1: Bảng so sánh ảnh hưởng của ăn mòn lỗ đối với trạng thái ƯS-BD 2 2 2 2 Trường hợp Umax (m) S1 (kN/m ) S2 (kN/m ) S12 (kN/m ) SEQV (kN/m ) Ăn mòn đều 0.00160 172206 79468 34273 153310 Ăn mòn lỗ 0.00167 186361 86183 37872 157526 Tăng/giảm +4.40% +8.22% +8.45% +10.5% +2.75% 5. KẾT LUẬN toán kết cấu cửa van thủy công bằng phương - Từ kết quả tính toán ở bảng 1 cho thấy: pháp phần tử hữu hạn nên xét đến ảnh hưởng ảnh hưởng ăn mòn bề mặt (dạng ăn mòn lỗ) cấu của ăn mòn lỗ ngẫu nhiên để xác định ứng suất kiện kim loại có ảnh hưởng đáng kể đến trạng của các cấu kiện cửa van. Kết quả tính toán sẽ thái ứng suất của cấu kiện phù hợp với sự làm việc thực tế. Từ đó sẽ xác - Đặc tính phân bố ngẫu nhiên của ăn mòn định được đủ chính xác độ an toàn và tuổi thọ lỗ làm cho sự phân bố ứng suất ở cấu kiện đối cửa van phục vụ cho công tác quản lý và khai xứng có dạng không đối xứng. Vì vậy khi tính thác công trình. 137
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “ Điều tra khảo sát sự ăn mòn kim loại cửa van trong công trình thủy lợi”, Báo cáo dự án Bộ NN và PTNT - 2006. [2] Đỗ Văn Hứa, Nguyễn Hoàng Hà, Vũ Hoàng Hưng, “Ảnh hưởng ăn mòn kim loại đến khả năng chịu lực của cửa van thép công trình thủy lợi”, Tạp chí Khoa học kỹ thuật thủy lợi và Môi trường, số 7/2004, chuyên đề Xây dựng công trình thủy tr 286-294. [3] Bộ môn Kết cấu công trình, Báo cáo kết quả đo chiều sâu ăn mòn kim loại tại hiện trường công trình cửa van thép Đập Đáy – Hà Tây, tháng 02/2008. [4] Trịnh Thánh Nghĩa, Dương Quang Minh và nnk, “Báo cáo kiểm tra an toàn kết cấu kim loại và thiết bị đóng mở đập WuJiangXi”, Đại học Hà Hải – Trung Quốc, 2006. [4] Vương Trường Giang, “Thực hiện mô hình phần tử hữu hạn ăn mòn cửa van thép thủy công”, Học viện Thủy điện - Đại học Hà Hải - Trung Quốc, 2007. [5] Vương Hô Giai , Trần Hồng Quân và nnk “Ví dụ thực tế phân tích công trình bằng ANSYS ” Nhà xuất bản thủy lợi thủy điện Trung Quốc, 2006. [6] “Kỹ thuật phân tích phần tử hữu hạn tham số hoá APDL và ứng dụng vào các ví dụ thực tế ” Nhà xuất bản thủy lợi thủy điện Trung Quốc, 2005. Abstract: Simulation of delve shape corrosion behaviour in hydraulic structural steel analysis using of ANSYS and random distribution function RAND(x,y) Previously, in assessing the strengh of steel sluice gates, traditional analytical simulation methods offen used the averaged post-corrosion thickness of material but do not account for the types of delve shape corrosion. This paper discusses the process of simulating delve shape corrosion in finite element analysis using softwave ANSYS and compares the output results with traditional finite element methods. Computational results have shown that delve shape corrosion has significant effects on stress magnitude and distribution in metal members. 138