Giải pháp mô phỏng khí động đàn hồi cầu treo dây võng

Mô phỏng mất ổn định Flutter của dầm cầu treo

Từ sự kiện cây cầu Tacoma Narrows (Mỹ) sụp đổ năm 1940 khi chịu trận gió mạnh tốc độ gần 68 km/h (LIMAS, Lisandra Fraga - 2007).

Hình 1. Cầu Tacoma Narrows (Mỹ) sụp đổ do khí động đàn hồi

Các lực khí động được nhận diện là nguyên nhân gây ra sự phá hủy nghiêm trọng này. Với mức gió mạnh và hình dạng dầm cầu vô tình tạo ra sự cảm ứng chuyển động “không may mắn” của kết cấu với dòng không khí. Kết cấu của cầu Tacoma có tần số dao động tự nhiên trùng với tấn số lan tỏa xoáy (vortex shedding) của dòng khí (một dạng dao dộng của dòng chảy), làm cho kết cấu cầu dao động mãnh liệt và sụp đổ.

Video diễn biến sụp đổ của cầu Tacoma do mất ổn định Flutter

Vì thế, ngày nay, một trong những mối quan tâm chính trong những dự án cầu treo nhịp dài là tác động của gió. Các công trình cầu dài và nhẹ nên đặc biệt được để ý xem xét tác động của gió nhất là ở những tần số dao động tự nhiên thấp (f < 1,0 Hz). Khi đó kết cấu cầu rất dễ “cảm ứng” với chuyển động với dòng chảy (flow induced motion).

Trước đây, các thực nghiệm trong hầm gió là phương pháp kinh điển để xác định tác động của gió lên kết cấu. Tuy nhiên trong những năm gần đây, mô phỏng kỹ thuật (engineering simulation) ngày càng được ứng dụng rộng rãi do có nhiều ưu thế về chi phí, độ chính xác, thời gian thực hiện ...

Về bản chất hiện tượng khí động đàn hồi cầu là sự tương tác của gió với kết cấu cầu treo, hay nói rộng hơn là sự tương tác của chất lưu – kết cấu (Fluid – Structure Interaction - FSI). Đây là lĩnh vực tính toán vật lý đa trường (Multiphysics) phức tạp cần có những công cụ có phương pháp số mạnh và khả năng liên hợp bộ giải chặt chẽ mới giải quyết được. Với những am hiểu về tính toán đa trường vật lý và kinh nghiệm khai thác công cụ mô phỏng kỹ thuật hàng đầu hiện nay của mình, chúng tôi đã xây dựng giải pháp mô phỏng hiện tượng khí động đàn hồi cầu treo làm tiêu biểu cho lĩnh vực này.

Video Mô phỏng khí động đàn hồi (mất ổn định Flutter) cầu treo dây võng

Hình 2. Quan hệ vật lý và phương pháp số trong mô phỏng tương tác FSI

Với giải pháp mô phỏng tương tác chất lưu – kết cấu (FSI), các bài toán tương tác phức tạp trong nhiều lĩnh vực công nghiệp có thể mô phỏng được như:

• Xây dựng: dự báo cộng hưởng, khí động đàn hồi cầu treo nhịp dài
• Dầu & khí: dòng chảy dao động trong đường ống, va đập thủy lực
• Nhà máy điện: các thanh và dầm chịu dao động
• Hàng không: Khí động đàn hồi cánh máy bay, cánh máy nén, cánh tuabin
• Ô tô: Các van lưỡi gà (reed valve), máy lọc khí
• Y tế, Chăm sóc sức khỏe: Màng rung, bơm màng (vi cơ điện tử),
• ...

---