Đăng bởi: Vũ Hoàng Hưng | Tháng Năm 22, 2011

Sử dụng hàm phân bố ngẫu nhiên RAND(x,y) trong ANSYS để mô phỏng ăn mòn lỗ kết cấu kim loại thủy công

1. MỞ ĐẦU
Thiết bị kết cấu kim loại thủy công là một trong những thiết bị quan trọng của công trình thủy lợi thủy điện. Cửa van là thiết bị kết cấu kim loại thủy công được sử dụng trong hầu hết các loại công trình thủy lợi thủy điện, có tác dụng rất quan trọng trong việc phát huy hiệu quả và vận hành bình thường của công trình. Sự làm việc an toàn của cửa van ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn toàn bộ công trình đầu mối. An toàn của cửa van phụ thuộc rất nhiều yếu tố từ khâu thiết kế, thi công cho đến quá trình quản lý vận hành, nhưng một yếu tố rất quan trọng liên quan đến tất cả các yếu tố trên đó là ăn mòn. Hư hỏng cửa van do ăn mòn không thể diễn ra trong một vài ngày, một vài tháng có khi đến một vài năm nhưng nó âm ỉ làm cho kích thước thiết kế khác với kích thước chịu lực cấu kiện, giảm nhỏ diện tích mặt cắt cấu kiện, gia tăng ứng suất từ đó dẫn đến giảm dần khả năng chịu lực ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ sử dụng và vận hành an toàn của cửa van. Sự nguy hiểm của ăn mòn là mức độ không đồng đều ở các cấu kiện, loại hình ăn mòn nên ta không biết đích xác khả năng chịu lực thực tế của công trình nếu không có biện pháp đánh giá hữu hiệu [1].
Trong quá trình phân tích và tính toán phần tử hữu hạn kết cấu cửa van truyền thống, khi xét đến ảnh hưởng của ăn mòn cửa van, trong quá trình mô hình thường hay sử dụng độ dày trung bình sau khi bị ăn mòn để thay thế độ dày thực tế, không chú ý ảnh hưởng của ăn mòn lỗ khá sâu, khá lớn đối với phân bố nội lực cửa van [2]. Đối với nghiên cứu phương diện này hiện nay ở Việt Nam vẫn còn rất ít, chủ yếu chỉ là dựa vào độ tinh của thiết bị máy móc kiểm tra đối với xử lý số liệu lớn và mức độ giảm nhỏ của độ dày sau khi ăn mòn để nâng cao tính tin cậy của kết quả tính toán.

2. KHẢO SÁT MỨC ĐỘ ĂN MÒN CỬA VAN
Trong quá trình đo đạc khảo sát ăn mòn cửa van, đòi hỏi phải xác định hình thức ăn mòn, tiến hành lượng hoá và đánh giá đối với mức độ ăn mòn của cửa van. Tiến hành đo đạc chiều dày thực tế với cấu kiện chủ yếu cửa van, từ đó có thể đánh giá mức độ ăn mòn của mỗi cấu kiện cửa van, tính toán tốc độ ăn mòn của cấu kiện cửa van, xác định độ dày ăn mòn cấu kiện, làm số liệu cung cấp cho tính toán cấu kiện[3].


Hình 1: Hiện tượng ăn mòn lỗ phổ biến trong cửa van CTTL ở Việt Nam [1]

Kiểm tra tình trạng ăn mòn là dựa vào phân bố ăn mòn, diện tích ăn mòn và vị trí ăn mòn của mỗi cấu kiện kết cấu kim loại thủy công để tiến hành miêu tả đánh giá mức độ ăn mòn của mỗi cấu kiện, mức độ ăn mòn thông thường được chia thành 5 cấp [4]:
(1) Ăn mòn nhẹ: tầng bảo vệ cơ bản tốt, cục bộ tại một vài vị trí có lượng nhỏ lốm đốm gỉ hoặc không quá hiển thị rõ ràng, bề mặt cấu kiện không có hiện tượng ma sát hoặc chỉ có một lượng nhỏ phân tán ăn mòn lỗ nông.
(2) Ăn mòn thông thường: tầng bảo vệ bong tróc cục bộ, lốm đốm ăn mòn, ăn mòn lỗ có hiển thị rõ ràng, nhưng độ sâu ăn mòn lỗ khá nông hoặc dù có ăn mòn lỗ khá sâu (độ sâu lỗ trong khoảng từ 1.0~2.0mm) nhưng rất ít và phân tán, mức độ suy yếu của cấu kiện chưa hiển thị rõ ràng.
(3) Ăn mòn khá nặng: bong tróc lớp phủ lớn hoặc lớp phủ và kim loại tách biệt và có lớp gỉ ở giữa, ăn mòn lỗ tập trung thành vùng hoặc ma sát bề mặt khá nặng mà phạm vi tương đối lớn, cục bộ có điểm ăn mòn lỗ khá sâu (độ sâu lỗ trong khoảng từ 2.0~3.0mm), suy yếu cấu kiện đã có mức độ nhất định.
(4) Ăn mòn nghiêm trọng: Ăn mòn lỗ khá sâu mà tập trung thành vùng, cục bộ có ăn mòn lỗ sâu (độ sâu lỗ trên 3.0mm), cấu kiện đã suy yếu nghiêm trọng.
(5) Ăn mòn rất nghiêm trọng: tập trung ăn mòn lỗ sâu, suy giảm diện tích tiết diện trên ¼, cục bộ cấu kiện đã bị phá hoại, xuất hiện lỗ thủng.

3. XỬ LÝ MÔ PHỎNG ĂN MÒN ĐỐI VỚI BỀ MẶT CỬA VAN
Trong quá trình phân tích và tính toán phần tử hữu hạn kết cấu cửa van (sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ANSYS, SAP2000…), quá trình mô phỏng truyền thống là: kích thước cấu kiện được lấy dựa vào bản vẽ thiết kế đồng thời kết hợp với kích thước thực đo, độ dày cấu kiện chọn dùng là độ dày sau khi ăn mòn thực đo ở hiện trường [2] .
Khi ăn mòn lỗ khá nông, lốm đốm gỉ, gỉ bong tróc với diện tích lớn bề mặt, ăn mòn do ma sát có thể chọn giá trị độ dày bình quân (độ dày sau khi ăn mòn) để tiến hành mô phỏng. Việc lấy độ dày cấu kiện sau khi ăn mòn dưới tình trạng loại này có tính khoa học nhất định. Nhưng đối với ăn mòn lỗ khá sâu, khá lớn, sẽ ảnh hưởng rất lớn đối với giá trị và phân bố ứng suất trong cửa van, do đó không nên chỉ tiến hành thay thế giá trị bình quân đơn giản, nên sử dụng phương pháp mô phỏng gần giống phân bố thực tế. Song do nguyên nhân hạn chế phần mềm phần tử hữu hạn và phức tạp của quá trình xử lý… mà hiện nay sử dụng phương pháp này vẫn còn rất ít.
Sau khi tiến hành nghiên cứu sơ bộ vấn đề phân bố thực tế của ăn mòn lỗ khá lớn, khá sâu đã đề cập ở trên, thông qua quan sát phát hiện: đại bộ phận hình dáng của ăn mòn lỗ tương tự với hình nón cụt ngược. Cho nên có thể thiết tưởng trong quá trình mô phỏng phần tử hữu hạn lấy hình nón cụt tương tự để thay thế lỗ ăn mòn thực tế, kết quả tính toán này tiếp cận tính chân thực hơn đối với phương pháp truyền thống thay thế độ dày sau khi ăn mòn [4].
Vì vậy, đối với mô phỏng ăn mòn trong tính toán phần tử hữu hạn có thể phân thành hai bước để thực hiện:
(a) Đối với những phạm vi phát sinh ăn mòn lỗ khá nông, lốm đốm gỉ, ăn mòn ma sát và gỉ bong tróc bề mặt sử dụng độ dày sau khi ăn mòn mô phỏng độ dày thực;
(b) Đối với ăn mòn lỗ khá sâu, khá lớn sử dụng hình nón cụt với hình dạng tương tự nó để tiến hành thay thế mô phỏng.
Muốn xử lý tốt vấn đề mô phỏng phân bố ăn mòn lỗ này, đòi hỏi trong quá trình kiểm tra đo đạc hiện trường cần thu thập đầy đủ số liệu để thống kê cấp độ lớn nhỏ của lỗ ăn mòn và quy luật phân bố… Sau khi xử lý số liệu, căn cứ kết quả phân tích số liệu thống kê để xác định kích thước của hình nón cụt (bán kính đường tròn phía trên và dưới, độ sâu…) và loại quy luật phân bố, nhằm mô phỏng chuẩn xác hơn thực tế ăn mòn lỗ trên mô hình phần tử hữu hạn.
 Trong công tác đo đạc kiểm tra phát hiện, ăn mòn lỗ khá sâu, khá lớn phạm vi phân bố thông thường tập trung ở một nơi nào đó (không theo quy luật phân bố) hoặc quy luật phân bố thưa thớt trong phạm vi giới hạn khá lớn (phù hợp quy luật phân bố ngẫu nhiên). Vì vậy, quá trình mô hình phần tử hữu hạn bằng ANSYS có thể lợi dụng hàm số nội bộ trong phần mềm GDIS(x,y), RAND(x,y)… để phát sinh số Gauss, số ngẫu nhiên…để mô phỏng quy luật phân bố ăn mòn lỗ [5] [6]. Phương pháp phát sinh lỗ ăn mòn trên mô hình đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức về ANSYS nhất định, dựa vào phương thức APDL để thực hiện, thiết lập theo phương thức thông thường là không thực hiện được.
Căn cứ kết quả số liệu thống kê, lấy kích thước cấu kiện biểu thị độ dày sau khi ăn mòn để hoàn thành xây dựng mô hình giai đoạn đầu. Sau khi hoàn thành xây dựng mô hình chỉnh thể, căn cứ kích thước và phân bố lỗ ăn mòn trên kết cấu phát sinh hình nón cụt trên mô hình theo quy luật phân bố ngẫu nhiên (hoặc quy luật phân bố nào khác).
Thực hiện phân bố ăn mòn lỗ dựa vào tư tưởng này có thể đạt được hợp lý, điều này có thể tiếp cận hơn mô hình kết cấu chân thực.

Hình 2: Mô phỏng hình nón cụt thay thế lỗ ăn mòn

Lấy ví dụ thực tế cửa van thép cống phân lũ Đập Đáy – Hà Tây khảo sát ăn mòn tháng 02/2008[3]. Qua quá trình khảo sát ăn mòn kim loại cửa van nhận thấy các cấu kiện như bản mặt thượng và hạ lưu, dầm chịu uốn, dàn đỡ 1, dàn đỡ 2, khung ngang, bản mắt.. nói chung đều bị ăn mòn đều, riêng chỉ có bộ phận bản bụng của thanh dầm ngang ghép bởi hai thép C của dàn chống xoắn bị ăn mòn lỗ (xem hình 3), mức độ ăn mòn lỗ tương đối lớn, đường kính lỗ ăn mòn từ 10~20mm, chiều sâu ăn mòn trung bình khoảng 2mm. 

Hình 3: Đo đạc ăn mòn thanh ngang dàn chống xoắn cửa van Đập Đáy

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 tổng số lượng lỗ mỗi mặt bên là 50 lỗ, đường kính lỗ ăn mòn từ 10~20mm, độ sâu lỗ 2mm. Sử dụng hàm số nội bộ trong phần mềm ANSYS RAND(x,y) thông qua phương thức APDL phân bố ngẫu nhiên lỗ ăn mòn trên mô hình giai đoạn đầu (trong phương thức GUI của ANSYS không có khả năng thực hiện điều này).
Phương thức APDL:
!Phân bố ngẫu nhiên vị trí 50 lỗ ăn mòn
*DO,i,1,50
  K,i,RAND(0,3.0),RAND(0,0.2),0  !Tạo ngẫu nhiên vị trí điểm đặc trưng
*ENDDO
!Tạo hình nón cụt tại vị trí điểm đặc trưng (các hình nón cụt như nhau)
*DO,i,1,50
  KWPLAN,1,i
  CONE,0.01, 0.005,0.002   !R1=10mm; R2=5mm; h=2mm
*ENDDO

!Cũng có thể tạo ngẫu nhiên kích thước hình nón cụt trong phạm vi định trước.

Hình 4: Phân bố ngẫu nhiên lỗ ăn mòn trên mô hình dầm

4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đỗ Văn Hứa và nnk, “ Điều tra khảo sát sự ăn mòn kim loại cửa van trong công trình thủy lợi”, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ, Bộ NN và PTNT – 2005.
[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.


Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s

Danh mục

%d bloggers like this: