Tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất

Nội dung text: Tính toán, thiết kế và mô phỏng bàn rung phục vụ trong nghiên cứu động đất

1. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BÀN RUNG PHỤC VỤ TRONG NGHIÊN CỨU ĐỘNG ĐẤT Học viên cao học: Nguyễn Văn Phúc – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Dưới sự hướng dẫn khoa học: TS. Phan Đức Huynh ABSTRACT: 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. TÓM TẮT: 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. I.Giới thiệu: Mô phỏng chính xác chuyển động trận động đất là một thách thức to lớn cho các nhà nghiên cứu và chuyên gia.Bàn rung ngày càng được sử dụng nhiều tại các trung tâm nghiên cứu động đất trên toàn thế giới, vì nó là phương tiện duy nhất thực sự tái tạo được gần nhất tác động của hiệu ứng động đất lên trên các cấu trúc. Một hệ thống tương đối đơn giản đã được lắp ráp thể hiện đầy đủ các chuyển động đầu vào của hệ thống bàn rung. Từ
2. 2 đó so sánh đáp ứng tín hiệu đầu vào của bàn rung, trong cả miền thời gian và miền tần số, được sử dụng để đưa ra khả năng đo lường của mô phỏng lại trận động đất. Báo cáo này thảo luận về cấu tạo, lắp ráp và các kết quả về đặc tính riêng của đáp ứng của bàn rung II.Cơ sở lý thuyết: 1. Tổng quan về bàn rung Hình 1:Mô hình bàn rung 2.Tính toán sơ bộ hệ thống thủy lực - Lực động trên tải, F=80240N - Kich thước đường kính piston, D = 63mm - Loại khung xy lanh là giá ngõng trục trung gian. - Kích thước đường kính ti piston, d = 36 mm -3 3 - Lưu lượng tối đa tại tần số 20 Hz, Qmaks=8.5344 x10 m /s - Đường ống áp lực sử dụng ống mềm thủy lực với đường kính 20.6 mm từ Parker Hydro-Line Co. - Áp suất hệ thống là 200 bar - Công suất lý thuyết của máy bơm là 102.9 kW - Máy bơm được chọn là máy bơm cánh quạt với hiệu suất là 97.76 % - Đường bơm hút dùng ống thép với kích thước đường kính danh nghĩa là 101.6 mm.
3. 3 - Dung dịch thủy lực là dầu Mobil DTE 25. - Kích thước bôn chứa dầu là 1.5m x 0.8m x 2.5 m. - Hệ thống chống đỡ bàn sử dụng ổ đỡ và thanh chống. - Khối lượng tối đa của mô hình là 4170 kg. - Các bô phận khác như máy làm lạnh, ống nối, van xả an toàn được chọn tứ các bộ phận thủy lực tiêu chuẩn. 3. Hệ thống van servo Theo hình vẽ về van servo và bộ truyền động 1 piston theo 2 hướng đẩy ra và rút về . và là vận tốc đẩy và rút của piston của bộ truyền động, PS và PR là áp suất cung cấp vào và áp suất hồi về, , là áp suất trong bộ truyền xi lanh theo hướng đẩy ra, , là áp suất trong bộ truyền xi lanh theo hướng thu vào, còn A1 và A2 là diện tích giãn ra và nén lại của buồng xi lanh.Tiêu chuẩn thiết kế bộ truyền 1piston có dạng sóng tối thiểu không xác định là phải đảm bảo không có áp suất tải tức là lực trên bộ truyền bằng 0, trong các bộ truyền hành trình đẩy ra và vào phải bằng nhau.Điều này sẽ không gây ra áp suất gián đoạn trong buồng xilanh khi piston trong xi lanh thay đổi hướng chuyển động.Ta biết rằng trong van servo với lỗ cung cấp áp suất tương thích và cân xứng có thể được viết như một số hạng của bộ truyền động (Meritt,1967). PS=P1+P2 (1) trong phương trình (5.36) ta thấy áp suất hồi tiếp bằng 0, chúng ta có thể đưa ra phương trình cho trường hợp không tải (PL=0) P1A1=P2A2 (2) Theo tiêu chuẩn dạng sóng không tối thiểu thì P1= = , = =P2 và . = =V Từ (1), (2) chúng ta có thể viết: P1= PS (3) P2= PS (4) Sử dụng thêm các ràng buộc P1= = , = =P2 và . = =V ta có thể tìm tỉ số cửa ra của van để hoàn thành bộ truyền 1 piston theo tiêu chuẩn dạng sóng không xác định tối thiểu.
4. 4 Bốn lưu lượng dòng chảy trong hình 5.4 có thể tìm ra bằng phương trình Bernoulli, chú ý là theo đó thì PR =0,Theo hướng đẩy ra của piston thì lưu lượng là: q1=A1V=Kv w1 xsv (5) q2=A2V=Kv w2 xsv (6) và theo hướng rút vào thì lưu lượng là: q3=A1V=Kv w3 xsv (7) q4=A2V=Kv w4 xsv (8) Hình 2:Mô hình lưu lượng chảy qua các lỗ trong quá trình đẩy ra và rút về 4.Bộ truyền động một đầu: Hình 3:Mô hình của bộ truyền piston 1 đầu
5. 5 Hình 3 chia ra lưu lượng Q1 và Q2 từ van servo đi vào và ra buồng truyền động và một đường dẫn khác trong bộ truyền động được biểu thị bằng mũi tên nét chấm chấm. Hàm liên tục của bộ truyền động(thể tích điều khiển) có thể được viết bằng cách bỏ qua lưu lượng trong buồng truyền động: = =ρ + (9) = =ρ + trong đó M1 và M2 là khối lượng chất lỏng trong buồng 1 và buồng 2 và , là thể tích tức thời của buồng 1 và 2.Sử dụng thêm dữ kiện khối lượng riêng của chất lỏng bên trong thể tích điều khiển thay đổi một lượng nhỏ như hàm áp suất vì vậy dùng để chỉ ra số hạng tuyến tính Taylor dρ (Merritt,1967) và giả sử rằng nhiệt độ bên trong buồng không đổi, có thể đơn giản hóa Q1= + Q2= + (11) βe: là mô đun đàn hồi của chất lỏng trong buồng truyền động . Bằng cách thay V1= V10 + xpA1 và V2 = V20 - xpA2 cho số hạng đầu tiên trong (11) là lưu lượng cần thiết để đảm bảo hàm liên tục liên quan đến chuyển động của piston và liên quan đến hệ số nén bên trong buồng .Thể tích tức thời của buồng truyền động theo khoảng cách dịch chuyển của piston có thể viết như sau: (t) = V10 (t) = V20 (12) là hành trình của bộ truyền.Thay (11) vào (12) sau đó sắp xếp lại thì phương trình của áp suất trong buồng sẽ là: P1= dt
6. 6 P2= dt (13) Ở đây tích phân là giá trị trên suốt một bước thời gian. Sử dụng P1 và P2 lực truyền động của bộ truyền có thể tìm được:Fact= A1P1-A2P2 5.Phương trình động lực học của Bàn rung Hình 4: Mô hình bàn rung Phương trình chuyển động của lắp ráp này tại O có thể được viết như sau: M0 0=Fact-Fspr-Fdiss-Fspe (14) M0 ma trận khối lượng của mặt phẳng [3x3], Fact(t) là vec tơ lực của bộ truyền động[3x1] , Fspr(t) là [3x1] là lực liên quan cho cả lò xo đứng và ngang, Fdiss(t) là vec tơ lực hao phí liên quan đến độ đàn hồi nhớt theo phương ngang [3x1], Fspe(t) là vec tơ phản lực tác động lên mặt phẳng bàn rung liên quan đến mẫu thử gắn trên mặt bàn rung. Phản lực gây di chuyển của mẫu: tổng khoảng dịch chuyển của sàn mẫu ut được cho như sau: ut= +αu0 (15) trong đó α chỉ là ma trận hình học [2x3], công thức (15) có thể viết chi tiết theo cách sau: ut= + (16)
7. 7 Phương trình chuyển động của mẫu thử có thể viết như sau: Mspe +Cspe +Kspe =-Mspe α 0 (17) Ma trận mô tả cho phương trình chuyển động của mẫu được cho như sau: Mspe= Kspe= Cspe=a0Mspe +a1Kspe (18) Độ giảm chấn của mẫu được thiết lập theo độ giảm chấn Rayleigh, chú ý rằng độ giảm chấn này chỉ dùng riêng cho mẫu thử và a0 và a1 là hệ số giảm chấn Rayleigh có thể thu được bằng cách điều chỉnh tỉ số giảm chấn của hai mẫu giảm chấn đầu tiên bất kỳ và ở đây được đặt bằng 3%. Lực cản lại độ dịch chuyển của sàn tại O có thể tính toán như sau: T T Fspe(t) =α Mspeα 0 + α Mspeα (19) 6. Hệ thống điều khiển của bàn rung
8. 8 Hình 5:Sơ đồ mô phỏng của hệ thống bàn rung III.Nội dung nghiên cứu : 1. Các thông số nghiên cứu: KPF KVF KAF KJF KP KDP ω DP KM KI 0.0 0.35 0.45 0.0004 1.5 -0.15 0.5 1.0 0.0 Bảng 1: Các thông số của bộ điều khiển ba biến TVC f0[Hz] bw[Hz] depth[Hz] 10 5 0.8 Bảng 2: Các thông số của bộ lọc
9. 9 Hệ số tỉ lệ (a1) (a2) (b1) (b2) (c1) (c2) (d1) (d2) (e1) (e2) của bộ điều khiển kp 0.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 kDP 0 0 -0.2 -0.4 0 0 0 0 0 0 kVF 0 0 0 0 0.2 0.6 0 0 0 0 kAF 0 0 0 0 0 0 0.2 0.6 0 0 kJF 0 0 0 0 0 0 0 0 0.2 0.6 Bảng 3 : Thông số của bộ TVC tiến hành khảo sát sự thay đổi THÔNG SỐ GIÁ TRỊ BỘ ĐIỀU KHIỂN Hệ số khuếch đại khoảng cách truyền tới 0.0 V/V kPF Hệ số khuếch đại vận tốc truyền tới kVF 0.382 V/V Hệ số khuếch đại gia tốc truyền tới kAF 0.45 V/V Hệ số khuếch đại độ rung truyền tới kJF 0.00469 V/V Hệ số khuếch đại lực tác động kP 1.5 V/V Hệ số khuếch đại vận tốc hồi tiếp kV 0.0 V/V Hệ số khuếch đại gia tốc hồi tiếp kA 0.0 V/V Hệ số khuếch đại tần số lực tác động kDB -0.145 V/V Tần số lực tác động ωDP 0.5V/V Hệ số khuếch đại chung kM 1.0 V/V
10. 10 Tần số trung tâm của xung f0 10 Hz Chiều rộng của xung bW 5Hz Chiều sâu của xung depth -0.9 V/V VAN SERVO 20.828 mm Chiều rộng của lỗ van 1 w1 13.97mm Chiều rộng của lỗ van 2 w2 25.40 mm Chiều rộng của lỗ van 3 w3 17.02mm Chiều rộng của lỗ van 4 w4 19.05 mm Khoảng cách lớn nhất của spool tầng 4 105.8 lit/ph Lưu lượng dòng chảy qua lỗ 1 Qw1 141lit/phut Lưu lượng dòng chảy qua lỗ 2 Qw2 309.7 lit/ph Lưu lượng dòng chảy qua lỗ 3 Qw3 66 lit/ph Lưu lượng dòng chảy qua lỗ 4 Qw4 10 V Điện áp phụ lớn nhất Vmax BỘ TRUYỀN ĐỘNG Khoảng dịch chuyển lớn nhất của piston 0.127 m 0.3739x 10-3 m3 Thể tích bên trong của buồng 1 0.2667x 10-3 m3 Thể tích bên trong của buồng 2 3.1x10-3 m2 Tiết diện cắt của piston 1 A1 2.1x10-3 m2 Tiết diện cắt của piston 1 A2
11. 11 HỆ THỐNG CUNG CẤP THỦY LỰC Áp suất cung cấp định mức PS 21.0 MPa 0.35 MPa Áp suất hồi về PR 8.405x10-3m3/s Lưu lượng ảnh hưởng trên mỗi bộ truyền động Qpumb 0.7571 m3 Thể tích bình chứa giả định đông và tây Vbottle 19.8MPa Áp suất trước khi đưa vào buồng chứa Ppre 1.8 Hệ số đoạn nhiệt của chất khí γ 0.82 GPa Hệ số ảnh hưởng của modun đàn hồi βe HỆ THỐNG CƠ KHÍ Khối lượng mặt phẳng Me 4000kg 1.266MN/m Độ cứng theo phương ngang Ke 44.6 kN(s/m)0.5 Hệ số giảm chấn Ce 0.39% Hệ số ma sát Coulomb μe 0.5 Hệ số triệt tiêu lực α 2085 kN Lực của hai khung đỡ và 12.7 mm Chiều cao cột dầu của ụ đỡ đứng Lvb 2x0.519 m2 Diện tích của các ụ đỡ 2xAvb 67.02 GPa Hệ số lò xo của ụ đỡ đứng Kvb BÀN PHẲNG hG:Chiều cao của trọng tâm G so với tâm O 0.56 m 0.0 m ex:Sai số giữa trọng tâm G và tâm O 1.5m a:khoảng cách từ O đến vị trí gắn đầu piston
12. 12 1.2m av:Khoảng cách từ O đến vị trí đặt ụ đỡ 1.3m ah:Khoảng cách từ O đến vị trí đặt thanh giằng 0.115m ca:Chiều cao từ O đến điểm đặt đầu piston 0.23m cv:Chiều cao từ O đến vị trí ụ đỡ 0.455m ch:Chiều cao từ O đến vị trí đặt thanh giằng 1m la:Chiều dài của bộ truyền Bảng 4: Bảng các thông số khi tiến hành mô phỏng 2. Kết quả: Hình 6:(a1),(a2) ảnh hưởng của kp, Hình 7:(c1),(c2) ảnh hưởng bởi kVF trong (b1),(b2) ảnh hưởng của kDP mạch kín Hình 8 (d1),(d2) ảnh bởi kDF Hình 9 (e1),(e2) ảnh hưởng bởi kJF
13. 13 Hình 10: Gia tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz Hình 11: Vận tốc của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz Hình 12: Vị trí của bàn rung khi kiểm tra tín hiệu điều hòa 0.25g và tần số 4.1Hz Hình 13 :Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5]
14. 14 Hình 14: Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5] Hình 15 :Vị trí khi kiểm tra tín hiệu là xung White Noise thời gian 0.01s và Noise power [0.5] Hình 16 : Gia tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro Hình 17: Vận tốc khi kiểm tra tín hiệu Elcentro Hình 18 : Vị trí khi kiểm tra tín hiệu Elcentro
15. 15 Nhận xét: - Hình 6 chỉ ra ảnh hưởng của phản hồi lực kDP (b1),(b2) .Khi giá trị kKP tăng thì độ khuếch đại của hệ thống tại lân cận của tần số cột áp giảm , sự tăng lên của kDP dựa trên sự di chuyển cực tương ứng tần số cột áp của hàm truyền mạch kín nằm ở hướng bên trái của mặt phẳng s, vì vậy hệ số tắt dần của mạch kín tăng lên. -Hình 7 chỉ ra ảnh hưởng của kVF trên hàm truyền của hệ thống.Từ hình vẽ ta thấy kVF độ khuếch đại của hệ thống tăng lên từ tần số tự nhiên của hệ thống kết nối của máy đến sự tăng lên của tần số cột dầu. - Hình 8 chỉ ra ảnh hưởng của kAF trên hàm truyền của hệ thống.Độ lớn của độ khuếch đại đáp ứng trên đồ thị độ khuếch đại của các thành phần tăng lên trên dãy tần số cao( tần số cột áp và trở tới), điều này xãy ra là do độ khuếch đại kAF tỉ lệ với đạo hàm bậc 2 2 của tín hiệu yêu cầu (s u(s)), kAF ảnh hưởng nhiều đến tương tác giữa bộ điều khiển và mẫu thử tại kết hợp giữa tần số riêng của mẫu và mặt phẳng bàn rung. -Hình 9 chỉ ra ảnh hưởng kJF trên hàm truyền của hệ thống, rõ ràng nhận thấy kJF không thay đổi hệ số khuếch đại của hệ thống ở dãy tần số thấp.Mặt khác hệ số khuếch đại của hệ thống nhạy ở hệ số khuếch đại hồi tiếp ở dãy tần số trung và cao.Đồng thời độ khuếch đại của hệ thống cũng nhạy phổ cao và thấp vì kJF tỉ lệ với đạo hàm cấp 3 của tín hiệu yêu cầu(s3u(s)). -Từ hình 10-18 mô phỏng vị trí, vận tốc và gia tốc tại các tần số bất kỳ trong khoảng khảo sát, với các tín hiệu khác nhau ta thấy lúc đầu tín hiệu chưa ổn định nhưng sau giây tứ 0.6 thì bắt đầu ổn định. III.Kết luận: Bài báo đã đưa ra phương pháp tính toán các thông số tính toán, phân tích mô hình tổng quát, xây dựng được mô hình và tiến hành mô phỏng bằng matlab. Từ những kết quả thực hiện được thì có thể xây dựng được mô hình bàn rung thực sự để nghiên cứu được kết quả thực sự và so sánh với cơ sở tính toán lý thuyết.
16. 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. INOVA hydraulic Inc(2004)INOVA Servohydraulics Testing systems,Germany 2. Clark , A.,Dynamic Characteristics of Large Multiple Degree of freedom Shaking Table.Proc.10th World Conf.on Earthquake Engineering,Madrid,Spain 2823- 2828,1992 3. Conte,JP.,I.E ,Restrepo,J,Seible (2004)' UCSD-NEES large high performance outdoor shake table ,17th engineering mechanics conference,Newark,USA,2004 4. ANCO Engineers Inc.,(1990),Shaking Tables Product Catalogue,Colorado,USA 5. S.K Prasad,ITowhota(2004),Shaking Table Tests in Earthquake Geotechnical Engineering,Current Science,Vol.87(10),Nov.2004 6. Zhao J.,Shield C.,French C.,Posbergh T.,(2004) Effect of Servovalve/Actuator Dynamics on Displacement Control Testing,Conf.on Earthquake Eng.,August 2004,Vancouver Canada,1-5 7. Jamaluddin K,(2004) Shaking tables hydraulic systems,UTM Studai,Penerbit UTM Skudai,Jorhor. 8. Majumdar S.R(2003) ,Oil Hydraulics System,2nd Edition,New York ,McGraw-Hill 9. Sullivan J,A(1998),Fluid Power and Application,4th Edition ,Ohio USA 10. McCloy D.,Martin H.R (1980),Control of Fluid Power,Analysic 11. Thoen,B.K.,469 D Seimic Digital Control Software.MTS Coporation,2004 12. Stoten,D.,Magonette,G.,Severn,R.T.,and Bairrao,R., Developments in the Automatic Control of Experimental Facilities .Report No. 9 Ẻuropean Consortiumn of Earthquake Shaking Tables,Lisbone,2001 13.
17. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.