Luận văn mô phỏng quá trình tạo hình ống thép nhồi

  • 30 trang
  • file .pdf
Luận văn thạc sĩ
ĐH QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
ĐOÀN MINH THUẬN
Đề tài :
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH ỐNG THÉP NHỒI
BÊ TÔNG CHO CẦU VÒM
CHUYÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH - 07 / 2011
Trang i
Luận văn thạc sĩ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---------------- ---oOo---
Tp. HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2011
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐOÀN MINH THUẬN Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 26/07/1979 Nơi sinh : Trà Vinh
Chuyên ngành : Công nghệ Chế tạo máy
Khoá : 2009
1.TÊN ĐỀ TÀI:
Mô phỏng quá trình tạo hình ống thép nhồi Bê tông cho cầu vòm.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
* Tổng quan tình hình nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm.
* Khảo sát sự thay đổi chiều dày ống, bán kính uốn và góc uốn trong quá trình gia công biến
dạng dẻo ống thép trên máy uốn 3 trục từ mô hình máy uốn nhỏ và mô hình máy uốn lớn,
trong các trường hợp ống thép chưa nhồi bê tông.
* Ảnh hưởng của bán kính uốn dẫn đến hiện tượng biến dạng mặt cắt ngang như thay đổi độ
dày ống và độ ôvan trong quá trình uốn ống.
* Ảnh hưởng của góc uốn đến hiện tượng springback và góc springback trong quá trình uốn
ống thép.
* Đề xuất qui trình gia công ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm trên máy uốn 3 trục.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14 – 02 – 2011
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01 – 07 – 2011
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN TƯỜNG LONG
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
TS. Nguyễn Tường Long PGS. TS. Phạm Ngọc Tuấn
Trang iii
Luận văn thạc sĩ
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này trình bày quá trình mô phỏng ảo bằng phương pháp phần tử hữu
hạn biến dạng lớn, thông qua chương trình ANSYS/LS-DYNA và mô phỏng thực trên
mô hình máy uốn 3 trục tại Công ty TNHH Nguyễn Trình Trà Vinh và trên mô hình
máy uốn 3 trục từ các công trình nghiên cứu của Đặng Đức Độ về cầu vòm ống thép
nhồi bê tông cho Cầu Công Lý – Tp.HCM. Quá trình tính toán và mô phỏng theo các
trường hợp ống thép chưa nhồi bê tông, tập trung vào các nội dung sau:
* Tổng quan tình hình nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm.
* Khảo sát sự thay đổi chiều dày ống, bán kính uốn và góc uốn trong quá trình
gia công biến dạng dẻo ống thép trên máy uốn 3 trục từ mô hình máy uốn nhỏ và mô
hình máy uốn lớn.
* Ảnh hưởng của bán kính uốn dẫn đến hiện tượng biến dạng mặt cắt ngang như
thay đổi độ dày ống và độ ôvan trong quá trình uốn ống.
* Ảnh hưởng của góc uốn đến hiện tượng springback và góc springback trong
quá trình uốn ống thép.
* Đề xuất qui trình gia công ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm trên máy uốn 3
trục.
Các kết quả cho thấy trong quá trình uốn ống ở mặt trên (ngoài) của ống chịu ứng suất
kéo trong khi đó ở mặt dưới chịu ứng suất nén. Nguyên nhân này dẫn đến ống bị mỏng
ở thành trên và dày lên ở thành dưới sau khi uốn. Mặt khác, cho thấy ở mặt trên và mặt
dưới của ống tại vị trí uốn có xu hướng tiến dần đến đường trung hòa để giảm độ giãn
căng do kéo dẫn đến hiện tượng ôvan.
Hơn nữa, hiện tượng springback tăng tuyến tính cùng với bán kính uốn, khi bán kính
uốn tăng làm cho biến dạng tối đa trong dầm giảm. Do đó, springback gây ra càng lớn
do hiện tượng biến cứng xảy ra nhỏ.
Cuối cùng, sự thay đổi độ dày ống từ phân tích phần tử hữu hạn và kết quả thực
nghiệm cho kết quả gần giống nhau.
Trang iv
Luận văn thạc sĩ
LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Khoa Cơ khí,
Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM đã tận tình giảng dạy và hỗ trợ em trong quá trình
học tập cũng như lúc thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Tường Long thuộc Bộ môn Cơ
Kỹ Thuật, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường ĐHBK Tp.HCM đã quan tâm, hướng
dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em hoàn thành
luận văn này.
Cũng xin chân thành cảm ơn KS. Trần Thái Dương ở phòng Tính toán Cơ học thuộc
Bộ môn Cơ Kỹ Thuật, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường ĐHBK Tp.HCM đã hỗ trợ
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp động viên, giúp
đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình học cũng như thực hiện luận
văn.
Tp.HCM, ngày 01 tháng 07 năm 2011
Học viên thực hiện
Đoàn Minh Thuận
Trang v
Luận văn thạc sĩ
MỤC LỤC
Trang bìa ...................................................................................................................... i
Nhiệm vụ luận văn......................................................................................................iii
Tóm tắt luận văn ......................................................................................................... iv
Lời cảm ơn .................................................................................................................. v
Mục lục ...................................................................................................................... vi
Danh mục hình vẽ và bảng biểu ................................................................................. vii
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN........................................................................................ 1
1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................................... 1
1.2 Những hư hỏng trong quá trình uốn ống ....................................................................... 4
1.3 Tình hình nghiên cứu trong ngoài nước ...................................................................... 10
1.4 Giới thiệu đề tài:......................................................................................................... 18
1.5 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu ................................................................... 19
1.6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 20
1.7 Kết luận ..................................................................................................................... 21
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TOÁN BIẾN DẠNG
DẺO ỐNG THÉP ...................................................................................................... 22
2.1 Giới thiệu .................................................................................................................. 22
2.2 Kết quả từ nghiên cứu trước [25] ................................................................................ 22
2.3 Tính toán các thông số cơ bản của quá trình uốn......................................................... 24
2.4 Springback ................................................................................................................. 25
2.5 Biến dạng mặt cắt ngang ........................................................................................... 28
2.6 Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................................... 31
2.7 Kết luận ..................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM MÁY UỐN ỐNG THÉP BA TRỤC TẠI
TRÀ VINH ................................................................................................................ 35
3.1 Mô hình máy uốn ở Trà Vinh ...................................................................................... 35
3.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công .......................................................... 35
3.3 Mô hình thí nghiệm .................................................................................................... 36
3.4 Mô hình mô phỏng ..................................................................................................... 39
3.5 Kết quả đo thí nghiệm ................................................................................................ 42
3.6 Kết quả mô phỏng và nhận xét ................................................................................... 44
3.7 Ứng xử Springback .................................................................................................... 52
3.8 Kiểm tra đường tên của ống sau khi uốn. .................................................................... 55
Trang vi
Luận văn thạc sĩ
3.9 Kết luận ..................................................................................................................... 55
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HÌNH ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CHO CẦU VÒM ....................................................................................................... 56
4.1 Mô hình máy uốn thực tế ............................................................................................ 56
4.2 Nguyên lý làm việc của máy uốn ống thủ công .......................................................... 57
4.3 Mô hình hóa máy uốn thủ công trong ANSYS/LS-DYNA .......................................... 57
4.4 Quá trình mô phỏng.................................................................................................... 65
4.5 Kết luận ..................................................................................................................... 76
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................... 77
5.1 Kết luận ..................................................................................................................... 77
5.2 Kiến nghị ................................................................................................................... 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 78
Trang vii
Luận văn thạc sĩ
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Hình 1. 1. Sơ đồ uốn quay.[3] ......................................................................................... 1
Hình 1. 2. Trước và sau khi uốn ép.[3] ............................................................................ 2
Hình 1.3. Sơ đồ của phương pháp uốn ấn ........................................................................ 3
Hình 1.4. Sơ đồ của phương pháp uốn trên con lăn [4] .................................................... 4
Hình 1.5. Chiều dày ống thay đổi trong quá trình uốn ..................................................... 4
Hình 1.6. Ống bị nhăn trong quá trình uốn [18] ............................................................... 5
Hình 1.7. Ống bị biến dạng mặt cắt ngang. ...................................................................... 5
Hình 1.8. Ống bị springback [22] .................................................................................... 6
Hình 1.9 a. Sơ đồ máy uốn 3 trục .................................................................................... 7
Hình 1.9b. Quá trình uốn hoàn thành............................................................................... 7
Hình 1.10. Cầu Ông Lớn ............................................................................................... 10
Hình 1.11. Ống thép nguyên được gia công trên máy uốn 3 trục.................................... 16
Hình 1.12. Cầu Công Lý – Nguyễn Văn Trỗi Tp.HCM.................................................. 18
Hình 2.2. Hiện tượng Springback .................................................................................. 23
Hình 2.3. Biểu đồ biến dạng .......................................................................................... 24
Hình 2.4. Sơ đồ máy uốn 3 trục ..................................................................................... 25
Hình 2.5. Quá trình uốn quay và Springback sau khi dỡ tải ........................................... 25
Hình 2.6. Góc Springback ∆θ và góc uốn θ .................................................................. 26
Hình 2.7. Ảnh hưởng của hệ số bền vào góc Springback ............................................... 27
Hình 2.8. Ảnh hưởng của hệ số độ cứng vào góc Springback ........................................ 27
Hình 2.9. Đặc tính của mặt cắt ngang ............................................................................ 28
Hình 2.10. Phân bố ứng suất trong quá trình uốn ........................................................... 29
Hình 2.11. Mối liên hệ chiều dày ống thay đổi và góc uốn ............................................ 30
Hình 2.12. Biến dạng mặt cắt ngang .............................................................................. 30
Hình 2.13. Giải thuật Newton-Rhapson ......................................................................... 31
Hình 2.14. Vector vị trí và chuyển động của vật thể. ..................................................... 32
Hình 2.15 Phân cực của một biến dạng cắt .................................................................... 33
Hình 3.1. Máy uốn 3 trục thủ công ở Trà Vinh .............................................................. 35
Hình 3.2. Máy uốn nguội 3 trục thủ công ...................................................................... 36
Hình 3.3. Điều chỉnh khoảng cách giữa 2 con lăn dưới .................................................. 37
Hình 3.4. Gá đặt chi tiết ống trên máy ........................................................................... 37
Hình 3.5. Kiểm tra ban đầu trước khi điều chỉnh con lăn trên ........................................ 38
Hình 3.6. Điều chỉnh con lăn trên xuống ....................................................................... 38
Hình 3.7. Chi tiết ống sau khi uốn ............................................................................ 39
Hình 3.8 Mô hình hình học của máy uốn ....................................................................... 39
Hình 3.9. Mô hình vật liệu đàn dẻo ............................................................................... 40
Hình 3.10. Phần tử SHELL163 ..................................................................................... 41
Hình 3.11. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận .............................................................. 42
Hình 3.12. Ống được cố định lại để kiểm tra ................................................................. 42
Hình 3.13. Tiến hình kiểm tra đường tên tại mỗi vạch ................................................... 43
Hình 3.14. Biểu đồ kiểm tra đường tên sau khi đo đạc thực nghiệm .............................. 43
Trang viii
Luận văn thạc sĩ
Hình 3.15. Mặt cắt ngang của ống ................................................................................. 45
Hình 3.16. Mô hình FE cho R = 664 mm và t =1.9 mm ................................................. 45
Hình 3.17. Mô hình FE cho R = 664 mm và t = 1.9 mm ................................................ 45
Hình 3.18. Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất với bán kính uốn thay đổi ............... 46
Hình 3.19. Thành mỏng và thành dày khi bán kính uốn thay đổi ................................... 47
Hình 3.20. Kết quả so sánh giữa phương pháp số, FEM và thực nghiệm ....................... 48
Hình 3.21. Phân bố độ dày ống trong quá trình uốn ....................................................... 48
Hình 3.22. Độ ôvan khi bán kính uốn thay đổi .............................................................. 49
Hình 3.23. Biến dạng mặt cắt ngang .............................................................................. 50
Hình 3.24. So sánh mặt cắt ngang giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm ........ 50
Hình 3.25. Kích thước mặt cắt ngang ............................................................................ 51
Hình 3.26. Sự phân bố biến dạng của chiều dày t = 1.9 mm khi góc uốn là 450 ............. 51
Hình 3.27. Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất góc uốn thay đổi ............................. 52
Hình 3.28a. Springback khi góc uốn là 170 ................................................................... 52
Hình 3.28b. Springback khi góc uốn là 330 ................................................................... 53
Hình 3.28c. Springback khi góc uốn là 450 ................................................................... 53
Hình 3.28d. Springback khi góc uốn là 730 ................................................................... 53
Hình 3.29. Góc springback thay đổi theo bán kính uốn.................................................. 54
Hình 3.30 So sánh kiểm tra đường tên giữa kết quả đo thủ công và kết quả mô phỏng .. 55
Hình 4.1. Máy uốn 3 trục thủ công [25]......................................................................... 56
Hình 4.2. Mô hình ống .................................................................................................. 57
Hình 4.3. Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 8mm .................... 59
Hình 4.4. Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 10mm .................. 59
Hình 4.5. Biểu đồ mẫu thí nghiệm kéo vật liệu thép có chiều dày t = 12mm .................. 60
Hình 4.6. Đồ thị S – e cho thấy ứng suất và độ biến dạng kỹ thuật ............................... 61
Hình 4.7. Đồ thị σ – ε cho thấy ứng suất và độ biến dạng thật ...................................... 62
Hình 4.8. Mô hình vật liệu đàn dẻo ............................................................................... 64
Hình 4.9. Phần tử SHELL163 ....................................................................................... 64
Hình 4.10. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận .............................................................. 65
Hình 4.11. Giai đoạn 1 con lăn số 2 di chuyển xuống h = 100mm ................................. 66
Hình 4.12. Giai đoạn 4 con lăn số 2 di chuyển xuống h = 290mm ................................. 66
Hình 4.13 Độ dày ống thay đổi theo đường kính ống..................................................... 68
Hình 4.14 Độ ôvan thay đổi theo đường kính ống ......................................................... 68
Hình 4.15 Giá trị biến dạng tương đương lớn nhất thay đổi theo đường kính ống .......... 69
Hình 4.16 Góc springback thay đổi theo đường kính ống .............................................. 69
Hình 4.17 Phân bố biến dạng tương đương ở cuối giai đoạn 1(h = 100mm)................... 70
Hình 4.18. Phân bố biến dạng tương đương ở cuối giai đoạn 4(h = 290mm).................. 70
Hình 4.19. Thành mỏng và thành dày khi bán kính uốn thay đổi ................................... 71
Hình 4.20. Phân bố biến dạng khi bán kính uốn thay đổi ............................................... 71
Hình 4.21. Phân bố độ dày ống trong quá trình uốn ...................................................... 72
Hình 4.22 Độ ôvan khi bán kính uốn thay đổi ............................................................... 73
Hình 4.23a. Góc springback khi bán kính uốn R = 76050mm ........................................ 74
Hình 4.23b. Góc springback khi bán kính uốn R = 47115mm........................................ 74
Trang ix
Luận văn thạc sĩ
Hình 4.23c. Góc springback khi bán kính uốn R = 40950mm ........................................ 74
Hình 4.23d. Góc springback khi bán kính uốn R = 34590mm........................................ 75
Hình 4.24. Góc springback thay đổi theo bán kính uốn.................................................. 75
Hình 4.25. Sự thay đổi bán kính uốn theo h ................................................................... 76
Bảng 2.1. Số liệu vật liệu .............................................................................................. 22
Bảng 2.2. Cấp lực uốn ống ............................................................................................ 23
Bảng 3.1. Kích thước hình học ...................................................................................... 36
Bảng 3.2. Thông số vật liệu của ống.............................................................................. 40
Bảng 3.3. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận ................................................................ 41
Bảng 3.4. Kết quả kiểm tra đường tên ........................................................................... 43
Bảng 4.1 Kích thước hình học ....................................................................................... 57
Bảng 4.2. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................... 60
Bảng 4.3 Thông số vật liệu của ống............................................................................... 63
Bảng 4.4. Mô hình tiếp xúc giữa các bộ phận ................................................................ 65
Bảng 4.5. So sánh các hiện tượng cho các đường kính ống khác nhau. .......................... 67
Bảng 5.1 So sánh các hiện tượng cho các đường kính ống khác nhau. .......................... 78
Trang x
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung
Nhằm nâng cao cơ tính của vật liệu ống, người ta dùng nhiều phương pháp uốn
khác nhau với mục đích chủ yếu là giảm tối thiểu khối lượng vật liệu nhưng vẫn đảm
bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật và đạt độ bền cao [1]. Các nghiên cứu về kết cấu ống
mỏng qua quá trình uốn. Quá trình này được thực hiện trên máy uốn vạn năng, máy
uốn bán tự động... Có nhiều loại thiết bị uốn nhưng chúng có đặc điểm chung là kết
cấu khuôn uốn giống nhau. [2] Trong quá trình uốn ống được thực hiện theo bốn
phương pháp: Uốn ép, uốn quay, uốn ấn và uốn trên máy uốn 3 trục.
1.1.1 Uốn quay
Hình 1. 1. Sơ đồ uốn quay.[3]
Trang 1
Luận văn thạc sĩ
Uốn quay là phương pháp uốn thông dụng nhất và được sử dụng phổ biến trong
ngành công nghiệp do chi phí dụng cụ thấp. Các bộ phận chính của dụng cụ uốn quay
gồm có: Puly uốn 1, Thanh trượt uốn 2, Thanh trượt dọc 3, ống kim loại 4, Thanh đỡ
dọc 5.(Hình 1.1)
Khi gia công, puly 1 quay theo chiều kim đồng hồ, kéo ống quay theo nhờ thanh
trượt uốn 2 lắp cố định trên puly. Thanh trượt dọc 3 luôn tỳ vào nữa ngoài của ống gia
công. Ống 4 sẽ biến dạng theo bán kính quay của puly 1. Tuy nhiên, quá trình biến
dạng ống sẽ bị thay đổi đường kính bên trong, dẫn đến hiện tượng bị móp ở mặt trên
hay nhăn ở mặt dưới. Vì thế, để khắc phục hiện tượng này người ta đặt lõi uốn bên
trong ống để vuốt lại đường kính trong của ống, đồng thời sửa vết nhăn tại vị trí uốn
cong.
1.1.2 Uốn ép
Phương pháp uốn ép cũng gần giống như phương pháp uốn quay. Các phần chính
của uốn ép gồm có: puly uốn, thanh trượt uốn và thanh trượt dọc.
Puly uốn
Thanh đỡ dọc
Thanh trượt uốn
Hình 1. 2. Trước và sau khi uốn ép.[3]
Sự khác nhau giữa uốn quay và uốn ép là trong phương pháp uốn quay thì puly
uốn và thanh trượt dọc quay, trong khi đó phương pháp uốn ép thì puly uốn được giữ
Trang 2
Luận văn thạc sĩ
cố định còn thanh trượt uốn quay xung quanh puly uốn. Khi gia công puly uốn đứng
yên, thanh trượt dọc giữ chặt chi tiết ống tiếp xúc với puly uốn và thanh trượt uốn di
chuyển vòng theo puly uốn.(Hình 1.2)
1.1.3 Uốn ấn
Các phần chính của uốn ấn gồm: 2 thanh trượt uốn và khuôn uốn có thể di
chuyển theo phương thẳng đứng nhờ hệ thống thủy lực. Khi gia công, chi tiết ống
được giữ chặt trên hai thanh trượt uốn đặt cố định, khi khuôn uốn di chuyển xuống ống
bị biến dạng theo bán kính của khuôn uốn. Quá trình biến dạng kéo xảy ra ở mặt trên
của ống lớn hơn ở mặt dưới. Tuy nhiên, quá trình uốn ống bằng các phương pháp khác
thì biến dạng ở mặt trên của ống là biến dạng kéo và ở mặt dưới là chịu nén. Trong ba
phương pháp uốn quay, uốn ép và uốn ấn thì bán kính uốn, góc uốn phụ thuộc vào
khuôn uốn.
Hình 1.3. Sơ đồ của phương pháp uốn ấn
1.1.4 Uốn trên 3 con lăn
Phương pháp uốn này gồm có 3 con lăn với kích thước như nhau được sắp xếp
theo dạng hình tháp (Hình 1.4). Hai con lăn dưới được giữ cố định trên bàn máy và có
thể điều chỉnh theo phương ngang, con lăn trên (giữa) có thể quay nhờ động cơ 3 pha
và di chuyển theo phương thẳng đứng nhờ hệ thống thủy lực. Khi gia công, ống kim
loại được đặt trên 2 con lăn dưới và con lăn trên chuyển động xuống ép ống nhờ vào
một hệ thống thủy lực.
Trang 3
Luận văn thạc sĩ
Con lăn
Ống
Hình 1.4. Sơ đồ của phương pháp uốn trên con lăn [4]
1.2 Những hư hỏng trong quá trình uốn ống
Trong quá trình uốn, chi tiết ống chịu sự biến dạng lớn trên bề mặt ống và dẫn đến
một vài hiện tượng hư hỏng như chiều dày ống thay đổi sau khi uốn, ống bị nhăn tại vị
trí uốn, biến dạng mặt cắt ngang và hiện tượng Springback.
1.2.1 Chiều dày ống biến đổi
Trong quá trình uốn mômen uốn gây ra lực dọc ở mặt dưới và mặt trên, các mặt
này chịu ứng suất kéo, ứng suất nén dẫn đến chiều dày ống bị mỏng ở mặt trên (ngoài)
và dày lên ở mặt dưới (trong) (Hình 1.5).
Hình 1.5. Chiều dày ống thay đổi trong quá trình uốn
Trang 4
Luận văn thạc sĩ
1.2.2 Ống bị nhăn
Khi uốn những ống có chiều dày thành ống mỏng ứng suất nén sinh ra ở mặt
trong (dưới) ống. Nếu ứng suất này lớn dẫn đến việc phân bố không ổn định ở mặt
dưới ống hoặc nhăn ống. Những vết nhăn dạng sóng xuất hiện trên bề mặt ống ở vị trí
uốn (Hình 1.6) làm ảnh hưởng đến việc lắp ráp với các chi tiết khác. Hơn nữa, những
vết nhăn này làm mất đi tính thẩm mỹ của chi tiết ống uốn.
Hình 1.6. Ống bị nhăn trong quá trình uốn [18]
1.2.3 Biến dạng mặt cắt ngang
Như đã phân tích ở trên, ứng suất kéo sinh ra ở mặt ngoài của ống trong khi đó
ứng suất nén sinh ra ở mặt trong của ống, làm cho mặt trong và mặt ngoài của ống có
xu hướng di chuyển đến đường trung hòa. Khi đó mặt ngoài của ống tiến đến mặt
phẳng trung hòa để giảm lực căng do kéo dẫn đến mặt cắt ngang của ống không tròn
trở thành hình ôvan (Hình 1.7).
Hình 1.7. Ống bị biến dạng mặt cắt ngang.
Trang 5
Luận văn thạc sĩ
1.2.4 Hiện tượng Springback
Sau khi quá trình gia công uốn ống hoàn thành và dỡ tải ra thì Springback xảy ra
do tính chất đàn hồi của vật liệu. Đây được gọi là hiện tượng Springback hoặc sự hồi
phục đàn hồi của ống. Trong quá trình uốn ứng suất nội sinh ra trong ống và khi ngừng
tải thì ứng suất này không triệt tiêu nhau làm cho mặt trên của ống chịu ứng suất kéo
dư và mặt dưới chịu ứng suất nén dư dẫn đến tăng bán kính cong và giảm góc uốn của
chi tiết uốn. Hơn nữa, làm cho kích thước hình học của chi tiết không chính xác theo
thiết kế gây khó khăn khi lắp ráp với các chi tiết khác.
Hình 1.8. Ống bị springback [22]
Như vậy, những trường hợp hư hỏng trên đã được nghiên cứu nhiều cho những
ống có đường kính nhỏ và chiều dày thành ống mỏng bằng phương pháp uốn quay,
uốn ép và uốn ấn. Tuy nhiên, những nghiên cứu về hiện tượng hư hỏng cho ống có
đường kính lớn bằng phương pháp uốn trên con lăn còn hạn chế.
Hơn nữa qua bốn phương pháp trên, thì phương pháp uốn quay và uốn ép nguyên
lý làm việc gần giống nhau như có thể uốn được loại ống có chiều dày thành mỏng và
bán kính uốn nhỏ. Còn phương pháp uốn ấn có thể uốn ống đạt được bán kính uốn lớn
nhưng chiều dài cung thì lại ngắn. Như vậy, trong ba phương pháp này có một vài hạn
chế như: ống uốn có bán kính uốn thay đổi thì cần phải thay đổi khuôn uốn; Bán kính
uốn và góc uốn nhỏ; chi tiết ống có đường kính nhỏ. Do đó phương pháp uốn trên 3
con lăn được chọn làm mô hình nghiên cứu trong đề tài này. Vì có những đặc điểm nổi
bậc như sau:
Trang 6
Luận văn thạc sĩ
(1) Trong phương pháp uốn lăn có thể uốn các ống thép những có đường kính khác
nhau.
(2) Bán kính uốn lớn.
(3) Có thể điều chỉnh được bán kính uốn.
Quá trình uốn ống bằng phương pháp uốn trên 3 con lăn được minh họa trong hình
1.9.
Hình 1.9 a. Sơ đồ máy uốn 3 trục
Hình 1.9b. Quá trình uốn hoàn thành
Nhằm thỏa mãn yêu cầu về vật liệu có độ bền cao, các kết cấu uốn ống kim loại
thì rất phù hợp để mở rộng khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực xây dựng, nhà
xưởng, giải trí và các ngành công nghiệp khác. Giữa các quá trình uốn khác nhau thì
phương pháp uốn ống trên máy uốn 3 trục thường được sử dụng nhất trong các lĩnh
vực trên như đã trình bày trong (Hình 1.9). Tuy nhiên, quá trình uốn là quá trình vật lý
phi tuyến xảy ra với biến dạng lớn. Các hiện tượng hư hỏng chính như nhăn, móp, biến
dạng chiều dày thành ống, biến dạng mặt cắt ngang mặt cắt và springback… Hiện tại
Trang 7
Luận văn thạc sĩ
do nhu cầu ứng dụng thực tế đối với các ống uốn có đường kính lớn và bán kính uốn
lớn. Hai yếu tố này không đồng bộ thì các hiện tượng hư hỏng trên dễ xuất hiện. Dung
sai khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau làm cho việc chọn các xấp xỉ các thông số
quá trình. Tránh các hư hỏng và thực hiện dự đoán trong quá trình uốn ống, cái cấp
thiết là hiểu rõ các tác dụng của ứng xử uốn trong quá trình uốn ống trên máy uốn 3
trục với D/t lớn và R lớn. [4] Trong đó D là đường kính ngoài của ống kim loại; t là
chiều dày của ống; R là bán kính uốn.
Có nhiều ảnh hưởng đã được nghiên cứu và báo cáo trong kỹ thuật uốn ống thuần
túy như vấn đề biến dạng mặt cắt ngang, biến đổi chiều dày ống, hiện tượng
Springback. Brazier [5] đã nghiên cứu sự biến dạng của ống trong quá trình uốn đàn
hồi sử dụng lý thuyết năng lượng cực tiểu, sự biến dạng mặt cắt ngang trong quá trình
uốn ống của Brazier còn gọi là hiệu ứng Brazier. Corona [6] đưa ra công thức dự đoán
biến dạng mặt cắt ngang của ống có thành mỏng trong đoạn uốn và tìm ra áp lực cao
hơn để giảm springback của ống trong quá trình uốn nhưng gây ra biến dạng mặt cắt
ngang lớn. Clausen et al. [7] nghiên cứu trên đoạn uốn và tìm biến dạng cục bộ trên
mặt cắt ngang được điều chỉnh bởi hình dáng và lực kéo. Các thông số chính dẫn đến
springback là hệ số biến cứng và lực kéo. Sử dụng lý thuyết biến dạng dẻo, Tang [8]
thiết lập được vài công thức về uốn ống bao gồm phân bố ứng suất/biến dạng, thay đổi
chiều dày ống, độ biến dạng mặt cắt ngang và mômen uốn. Wang and Agarwal [9] dự
đoán phá hủy mặt cắt ngang và thay đổi chiều dày của ống trong quá trình uốn với lực
dọc trục và áp lực bên trong. Pan and Stelson [10] sử dụng nguyên lý năng lượng để
giải quyết biến dạng của mặt cắt ngang và chiều dày thay đổi của uốn dẻo ống. Qua
nghiên cứu mục tiêu chính trong uốn thuần túy và biến dạng, đoạn uốn bằng phương
pháp giải tích và thực nghiệm, nội dung nghiên cứu sẽ cung cấp cơ bản sự khảo sát
phù hợp của uốn ống mỏng điều khiển số. Trong thực tế, để thấu đáo quá trình, nhất là
với D/t lớn và Rd/D nhỏ, phương pháp thử và sai là chính để sử dụng thực hiện quá
trình thiết kế và lắp đặt công cụ, nhiều sai sót rất khó đạt hiệu quả [11]. Với điều kiện
lực uốn thay đổi khả năng ứng xử của ống trong quá trình uốn ấn khác với những ống
uốn trong quá trình uốn quay. [12] Dyau and Kyriakides đã nghiên cứu khả năng ứng
xử của đoạn ống mỏng khi đạt đến trạng thái dẻo, trong quá trình uốn biến dạng của
Trang 8
Luận văn thạc sĩ
ống phụ thuộc vào lực kéo dọc, tính chất vật liệu và hình dạng của ống. Miller et al.
[13] đã đưa ra nhiều thực nghiệm trong quá trình uốn ống có biên dạng hình chữ nhật
và những mô hình phân tích để dự đoán sự biến dạng, độ giãn dài và springback phụ
thuộc vào puly uốn, thanh trượt uốn và thanh trượt dọc. Thực nghiệm cho thấy ống
không bị nhăn khi giá trị ứng suất thấp hơn ứng suất chảy dẻo. Zhu and Stelson [14] đã
khảo sát biến dạng mặt cắt ngang của ống có biên dạng hình chữ nhật trong quá trình
uốn ấn.
Hiện nay trên thế giới kết cấu ống thép nhồi bê tông được áp dụng rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực như xây dựng dân dụng, nhà xưởng, cầu... Kết cấu này là loại kết cấu
liên hợp bao gồm ống thép bên ngoài và lõi bê tông bên trong cùng làm việc chung với
nhau. Chúng có nhiều ưu điểm hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường như
khả năng chóng cháy, nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm tăng
độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng móp, méo (biến dạng) của vỏ
ống thép khi bị va đập... và đặc biệt là khả năng chịu nén tốt. Vì thế, kết cấu ống thép
nhồi bê tông đã được khai thác và nghiên cứu rộng trên thế giới cho lĩnh vực xây dựng
cầu. Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho một số công trình xây dựng sử dụng
các kết cấu ống thép nhồi bê tông:
• Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và
biển Azov của Liên xô.
• Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này cũng được áp dụng khá
nhiều. Chẳng hạn như tòa nhà Chuo-ku ở thành phố Kobe – Nhật được hoàn
thành vào 1994 với tổng không gian sàn 20,642 m2 gồm 2 tầng ngầm, 12 tầng
trên.
• Trong lĩnh vực giao thông như Cầu Ông lớn (Hình 1.10) là cầu vòm ống thép
nhồi bê tông và hình dáng kiến trúc đẹp được xây dựng trong thời gian gần đây.
Cầu Ông Lớn được xây dựng vào cuối năm 2003 nằm ở trên đường Nguyễn
Văn Linh thuộc khu đô thị Nam Sài Gòn - Tp.HCM đã đưa vào sử dụng 3 cầu
chạy dưới khẩu độ 99m với 3 làn xe.
Trang 9
Luận văn thạc sĩ
Hình 1.10. Cầu Ông Lớn
1.3 Tình hình nghiên cứu trong ngoài nước
1.3.1 Ngoài nước:
1.3.1.1 Mô phỏng quá trình uốn ấn bằng phương pháp phần tử hữu hạn. [15]
Mô hình thiết bị uốn gồm có 3 con lăn 1, 2 và 3 được sắp xếp theo hình tam giác.
Trong đó, con lăn 2 và 3 được giữ cố định trên bàn máy trong quá trình uốn; Hai con
lăn này có thể điều chỉnh được theo phương ngang. Khi con lăn 1 di chuyển xuống bề
mặt của ống tiếp xúc với bề mặt của 2 con lăn dưới, góc uốn phụ thuộc vào khoảng
cách giữa con lăn 2 và 3. Nội dung nghiên cứu đưa ra, trong quá trình uốn với trường
hợp góc uốn thay đổi, không có áp suất và có áp suất bên trong uốn đã được khảo sát
qua hàng loạt mô hình 3D-FE trong môi trường ABAQUS. Kết quả mô phỏng trên 3
góc uốn 250, 900, 1100 cho thấy rằng: Chiều dày ống thay đổi có ảnh hưởng lớn đến
góc uốn, kể cả trường hợp có áp suất và không có áp suất bên trong ống. Ngoài ra, nếu
góc uốn nhỏ (2θ = 250) thì chiều dày ống thay đổi lớn hơn so với góc uốn lớn (2θ =
900 hoặc 2θ = 1100). Có áp suất bên trong chiều dày ống thay đổi ít hơn so với không
có áp suất bên trong ống.
Trang 10
Luận văn thạc sĩ
1.3.1.2 Biến dạng springback trong quá trình uốn ống.[16]
Springback xảy ra trong quá trình uốn ống đã được nghiên cứu rộng qua thực
nghiệm và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM). Một phương trình xấp xỉ
cho góc springback sau khi dỡ tải đã được thiết lập. Nhưng các tính chất cơ học của
vật liệu (ở dạng hình ống) là hoàn toàn khác nhau mà đã được kiểm chứng qua các
mẫu thử kéo (khi các vật liệu có dạng thanh). Đây là một trong những lý do chính dẫn
đến sự khác biệt trong kết quả của nghiên cứu thực nghiệm, tính toán FEM và phân
tích springback. Do đó, vấn đề cốt lõi là nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu ở
dạng hình ống của nó. Những kết quả thực nghiệm và mô phỏng FEM đã chứng minh
rằng góc springback bị ảnh hưởng đáng kể bởi tính chất cơ học của vật liệu. Góc này
giảm tùy thuộc vào môđun dẻo, nhưng lại tỷ lệ nghịch với hệ số độ cứng và môđun
đàn hồi. Góc springback cũng bị ảnh hưởng bởi các điều kiện của biến dạng ống: nó
tăng tùy theo bán kính uốn tương đối và tỷ lệ với chiều dày ống tương đối. Hơn nữa,
góc springback tăng phi tuyến so với góc uốn.
Những nghiên cứu về các cơ chế biến dạng của ống đã được xem xét từ nhiều khía
cạnh khác nhau, các trường hợp xảy ra những khuyết tật và các yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình uốn ống [1-7]. Do đó, quá trình tạo hình kim loại là một trong những lĩnh
vực quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hiện nay. Vật liệu ống đã trở thành tâm
điểm quan trọng cho nhiều nghiên cứu và phát triển công nghệ này. Một chi tiết ống
tròn có mặt cắt ngang đối xứng nhưng sau khi uốn thì mặt cắt không còn đối xứng nữa,
cho nên cơ chế biến dạng của quá trình uốn ống là cực kỳ phức tạp do các mối ghép
của các yếu tố ảnh hưởng rất lớn, thay đổi thời gian và nhiều kết quả phi tuyến. Những
thực nghiệm và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEM) đã được khảo sát trong
quá trình uốn ống. Dựa trên các kết quả này có thể phân tích hiện tượng springback và
mối liên hệ của nó với tính chất cơ học của vật liệu.
Trang 11