Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN SILO DÙNG APDL VÀ VISUAL BASIC
Nguyễn Tường Long, Trần Thái Dương, Cao Nhân Tiến, Nguyễn Công Đạt, Nguyễn Thái Hiền
Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG-HCM
(Bài nhận ngày 28 tháng 06năm 2010,, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 01 tháng 11 năm 2010)
TÓM TẮT: Nhằm giúp quy trình thiết kế các silo chứa lúa, gạo hiệu quả hơn, bài báo này xây
dựng một chương trình tính toán, kiểm tra bền, hướng ñến việc tối ưu cho các bản thiết kế silo. Chương
trình này kết hợp khả năng tính toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn của ANSYS thông qua
ngôn ngữ APDL và khả năng thiết kế giao diện của VISUAL BASIC. Các tác giả ñã ñề xuất một quy
trình tính toán cho các silo dạng tròn và dạng vuông của Công Ty Cổ Phần Cơ Khí Chế Tạo Máy Long
An (LAMICO) và hiện thực hóa bằng phần mềm tính toán silo CCMSilo.
Từ khóa: Silo, ANSYS, APDL, Visual Basic, phương pháp phần tử hữu hạn.
1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, Việt Nam nằm trong nhóm 3
nước xuất khẩu gạo lớn nhất thế giới. Theo các
báo cáo, sản lượng gạo của Việt Nam khoảng
39 triệu tấn/ năm, và hàng năm xuất khẩu 3 – 5
triệu tấn gạo.
Tuy nhiên, hệ thống kho lưu trữ chỉ ñáp
ứng ñược 2 triệu tấn. Chính phủ ñang có kế
hoạch tăng gấp ñôi khả năng dự trữ ñể ñảm bảo
an ninh lương thực và tăng giá trị xuất khẩu
nay. Các nghiên cứu từ Trung tâm nghiên cứu
công nghệ và thiết bị công nghiệp trường ñại
học Bách khoa TP.HCM cho thấy quá trình bảo
quản nông sản ñòi hỏi phải xử lý ñược những
nhược ñiểm về thời tiết và khí hậu của Việt
Nam [2].
Trong một luận văn thạc sĩ thuộc chương
trình EMMC, Nguyễn Hữu Liêm ñã trình bày
các nghiên cứu về sử dụng tấm gợn sóng ñể
chế tạo silo. Tuy nhiên luận văn này chỉ dừng
lại ở việc tính toán các trường hợp chịu tải của
[1].
Một trong những vấn ñề khó khăn của việc
lưu trữ là ñảm bảo chất lượng của lúa, gạo
trong thời gian dài. Các nhà khoa học Việt
Nam ñã nghiên cứu, chế tạo trong nước mẫu
Silo mới có khả năng khắc phục những nhược
ñiểm của nhiều phương pháp bảo quản hiện
Trang 28
tấm gợn sóng [3].
Các nghiên cứu trên ñều chưa ñáp ứng
ñược nhu cầu sản xuất hàng loạt các silo, ñặc
biệt là các silo ñược sản xuất theo kiểu lắp
ghép- cho phép lựa chọn ña dạng về sức chứa
cũng như kết cấu.
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
2. THIẾT KẾ SILO THEO EUROCODE 1
1: Mặt phẳng tương ñương
3: Vị trí chuyển tiếp giữa vách thân và ñáy
t: Bề dày vách.
hh: Chiều cao ñáy.
hc: Chiều cao thân.
hb: Chiều cao tổng.
dc: Đường kính ñường tròn nội tiếp tiết diện
ngang của silo.
β: Góc nghiêng của ñáy.
φr: Góc ma sát nghỉ của vật liệu.
Các kí hiệu khác có thể ñược tra cứu trong [6]
Hình 1. Các ñặc trưng hình học tiêu biểu của silo
2.1. Những tải trọng trên các vách ñứng
của Silo
Các giá trị áp lực nằm ngang phf và lực
z0 =
1 A
Kµ U
(5)
n = − (1 + tan φr )(1 − ho / zo )
(6)
ma sát pwf lên vách tại ñộ cao bất kỳ ñược xác
h0 : Giá trị của z tại mức cao nhất mà vật
ñịnh như sau:
phf = pho Υ R
(1)
pwf = µ pho Υ R
(2)
γ: Trọng lượng riêng của lúa, gạo.
Trong ñó:
pho = γΚzo = γ
liệu tiếp xúc với vách (xem Hình 1).
µ: Hệ số ma sát trên vách ñứng.
K: Hệ số áp lực ngang.
1 A
µU
z − h
o
YR = 1 −
zo − ho
+ 1
(3)
z
: Độ sâu dưới mạt phẳng tương ñương
của vật liệu.
n
A: Diện tích tiết diện.
(4)
U: Nội chu vi của tiết diện.
φr: Góc ma sát nghỉ của vật liệu.
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
Trang 29
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
z
p hf
p vft
hc
p wf
p hf
zt
1 Mặt phẳng tương ñương
2 Áp lực ngang
dc
Hình 2. Lực tác ñộng lên vách silo
pn 2 = pvft Cb sin 2 β
Giá trị áp lực ñứng pvf tại ñộ cao bất kỳ
ñược xác ñịnh như sau:
pvf = γ zV
pn 3 = 3,0
(7)
(11)
A γK
cos 2 β
U µh
(12)
β: Góc nghiêng phần phễu của silo.
n +1
z + zo − 2ho )
(
1
z −h −
zV = ho −
n
( n + 1) 0 o
( zo − ho )
x: Độ dài giữa 0 và lh (xem Hình 3).
pvft : Giá trị của áp lực ñứng pvf tại vị trí
(8)
2.2. Những tải trọng trên phễu và ñáy
Silo
chuyển tiếp, tính theo (7) với z=zt (xem Hình
2).
Khi ñộ dốc của vách phễu nằm ngang một
o
góc lớn hơn 20 (như Hình 3.) thì áp lực pháp
lên vách nghiêng phễu
pn tại bất kỳ mức ñộ sẽ
dưới).
Cb: Hệ số khuyếch ñại lực tại ñáy.
lh: Chiều dài phần phễu.
ñược tính toán như sau:
pn = pn 3 + pn 2 + ( pn1 − pn 2 )
µ h: Hệ số ma sát trên ñáy (giá trị cận
x
lh
(9)
Giá trị lực ma sát lên vách
pt = pn µh
pt tính bởi:
(13)
Trong ñó:
pn1 = pvft ( Cb sin 2 β + cos 2 β )
Trang 30
(10)
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
pnf
z
lh
x
pvft
phft
pt
zt
pn1
β
hh
β
p nf
p tf
pnf
pn3
pn2
Hình 3. Các lực tác dụng lên phần phễu
3. NGÔN NGỮ APDL (ANSYS Parametric
quát, sau ñó tiến hành hàng loạt phân tích với
Design Language)
các giá trị thông số cho sẵn ñể chọn ra thiết kế
APDL là ngôn ngữ lập trình của ANSYS,
dựa trên nền FORTRAN. Mặc dù ADPL không
tốt nhất.
4. KẾT HỢP APDL VÀ VISUAL BASIC
bao quát và mạnh mẽ bằng FORTRAN nhưng
Công việc kiểm tra thiết kế trên ANSYS
nó giúp chúng ta sử dụng ANSYS linh hoạt
ñòi hỏi những hiểu biết chuyên sâu về cách sử
hơn rất nhiều.
dụng phần mềm. Điều này ñôi lúc gây ra những
APDL giúp người sử dụng mở rộng khả
trở ngại không nhỏ. Thậm chí ñối với những
năng của ANSYS mà không cần ñến các hiểu
người thường xuyên sử dụng ANSYS thì việc
biết phức tạp về cấu trúc dữ liệu của bản thân
lặp ñi lặp lại thường xuyên các phân tích với rất
ANSYS. Về bản chất, APDL là ngôn ngữ
nhiều số liệu cũng là công việc ñơn ñiệu và có
thông dịch, do ñó, hạn chế lớn nhất của nó là
thể gây ra những sai lầm.
tốc ñộ thực thi, ñiều này có thể kéo dài thời
gian chạy chương trình hơn bình thường.
Việc kết hợp ANSYS và VISUAL BASIC
cho phép tạo ra một phần mềm trực quan
Điểm ñặc sắc nhất của APDL là giúp ta
chuyên giải quyết cho một loạt bài toán thuộc
tính toán theo các thông số. Chúng ta có thể
cùng nhóm, chẳng hạn việc tính toán- thiết kế-
chạy nhiều lần, với các thông số có giá trị khác
kiểm tra bền- tối ưu kết cấu cho silo
nhau mà không cần phải mô hình lại từ ñầu.
Điều này ñặc biệt có ý nghĩa trong việc thiết
kế, khi mà các kích thước hình học và dữ liệu
liên quan liên tục thay ñổi. Bằng cách dùng
APDL, ta có thể xây dựng một mô hình tổng
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
4.1. Tóm tắt giao tiếp giữa người sử
dụng- VB và ANSYS
- Người dùng nhập dữ liệu thông qua GUI.
- VB tạo các cơ sở dữ liệu chuẩn bị cho
ANSYS và gọi ANSYS thực thi (Bacth mode).
Trang 31
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
- ANSYS ñọc các cơ sở dữ liệu, thực thi
các module ñược thiết kế trước.
- Sau khi chạy các phân tích, ANSYS xuất
Kích thước Silos
các kết quả ra các file ảnh *.bmp hoặc các báo
Hình học
cáo dưới dạng *.txt.
Tiết diện thép hình
Vách gợn sóng..v.v..
- VB ñọc các kết quả và hiển thị trên GUI
theo yêu cầu của người dùng.
- Nếu kết quả ñược chấp nhận, quy trình
Vật liệu
kết thúc. Ngược lại, người dùng sẽ thay ñổi các
thông số thiết kế và quy trình ñược lặp lại.
Các hằng số từ EC-I
4.2. Các loại dữ liệu sử dụng trong quá
Khác
trình thiết kế Silo
Quy trình thiết kế Silo ñược ghi rõ trong
tiêu chuẩn Eurocode 1. Việc thiết kế ñòi hỏi rất
nhiều dữ liệu, có thể phân ra 3 nhóm chính:
- Hình học.
Các hằng số trong
APDL (chia lưới pt…)
Hình 5. Các loại dữ liệu
4.3. Tổ chức và trao ñổi dữ liệu giữa VB
và ANSYS
- Vật liệu: Thép, Nông sản…
Dữ liệu ñược VB ghi ra các file text *.txt
- Khác
theo một ñịnh dạng nhất ñịnh. Sau ñó ANSYS
sẽ ñọc các file này vào một mảng và gán các
Designer
(Data)
giá trị từ mảng này cho các biến thông số.
Các ñịnh dạng xác ñịnh chiều rộng trường
trong từng bản ghi cho mỗi số. Các ñịnh dạng
này nhằm ñảm bảo cho ANSYS có thể ñọc vào
USER
Input
(*.Txt)
ñúng dữ liệu. Bất kỳ ñịnh dạng FORTRAN tiêu
chuẩn nào cho số thực (như (4F6.0), (E10.3,
GUI
2X, D8.2), vv) hoặc ñịnh dạng chữ (A) ñều có
VB6.0
APDL
thể ñược sử dụng.
Resulf
(*.bmp)
Hình 4. Giao tiếp giữa người dùng- VB- ANSYS
Trang 32
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
SECDATA
SECTYPE
Hình 6. Trao ñổi dữ liệu giữa VB và ANSYS
4.4. Tóm tắt quá trình tính toán
Đọc dữ liệu từ file *.txt
Dựng mô hình hình học
Chia lưới phần tử
Đặt tải
Tải trọng bản thân
Tải trọng nông sản
Kết quả 1
Kết quả 2
Kết quả tổng hợp
Xuất kết quả
Hình 7. Tóm tắt quá trình tính toán
Dữ liệu ñầu vào:
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
Trang 33
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Hình 8. Bản vẽ và kích thước silo
1: Vành trên – Thép U
2: Khung thân – Thép U
3: Vành ñai (dưới) – Thép U
4: Chân – Thép H
5: Giằng chân – Thép U
6: Gân phễu – Thép la
7: Phễu – Thép tấm
8: Vách thân – Thép tấm
Hình 9. Phân bố thép cho silo
Bảng 1. Các trường hợp tính toán (thay ñổi thép)
Trang 34
Chiều dày (mm)
Trường hợp 1
Trường hợp 2
Trường hợp 3
Vách 1
1
1
1
Vách 2
1.5
1.2
1.2
Vách 3
1.5
1.2
1.2
Vách 4
2
1.5
1.5
Đáy 1
3
2.5
2.5
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Đáy 2
5
3.5
3.5
Thép U
14
14
10
Thép H
14
14
10
Số hiệu mặt cắt thép hình
Tính toán các trường hợp tải trọng cho kết cấu.
- Áp lực lên vách thân là lớn nhất.
- Lực kéo (ma sát) trên vách thân là lớn nhất.
- Lực theo phương ñứng lên phễu là lớn nhất.
- Áp lực lên phễu là lớn nhất.
Các kết quả sau khi tính toán:
Bảng 2. Kết quả tính các TH thay ñổi thép hình
Chuyển vị Max
Ứng suất Max
Thỏa bền?
(mm)
(von Mises, Mpa)
([σ]=230Mpa)
Trường hợp 0(*)
10.7
34.7
Có
Trường hợp 1
11.71
177.63
Có
Trường hợp 2
11.71
182.63
Có
Trường hợp 3
12.7
182.61
Có
(*) Chỉ chịu tải trọng bản thân, số liệu giống Trường hợp 1.
Hình 10. Biểu ñồ so sánh kết quả tính (TH thay ñổi thép)
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
Trang 35
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
Hình 11. Biểu ñồ so sánh kết quả cho các trường hợp tải trọng
4.5. Sự thực thi của chương trình
dạng H,U,I,O,thép hộp, thép la), cách bố trí các
Chương trình CCMSilo sẽ gọi ANSYS
loại thép, vật liệu chứa , tải trọng…
dưới chế ñộ Batch:
CCMSilo giúp chúng ta có thể nhanh
chóng kiểm tra xem silo có ñủ bền hay không
và có những thay ñổi cần thiết ñể có một kết
cấu hợp lí nhất.
ñể thực thi file CCMS.mac.
File CCMS.mac bao gồm nhiều ñoạn code
APDL (có thể trích xuất thành các macro
chuyên biệt) hoàn toàn tự ñộng thực hiện quy
trình tính toán ñã giới thiệu ở trên.
Các macro ñược viết hướng tới sự linh
hoạt cao nhằm ñạt ñược mục tiêu hỗ trợ người
5. GIỚI THIỆU CHƯƠNG TRÌNH CCMS
5.1. Giao diện chương trình
Thông qua giao diện của chương trình,
người dùng có thể:
- Lựa chọn kiểu silo (dạng chữ nhật,
vuông hay dạng tròn).
- Thay ñổi sức chứa của silo.
dùng thay ñổi thiết kế về KẾT CẤU ngay trên
CCMSilo (version sau).
- Thông số vật liệu của thép và vật liệu
chứa (lúa, gạo, …).
Hiện tại CCMSilo cho phép người dùng
thay ñổi các loại thép hình (mac thép; hình
- Bố trí thép cho kết cấu.
- Thay ñổi các mặt cắt thép hình.
Trang 36
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
Hình 12. Màn hình chào
Hình 13. Giao diện chính
Hình 14. Lựa chọn kiểu Silo
Hình 15. Lựa chọn mặt cắt
5.2. Một số kết quả
Hình 16. Chuyển vị tổng
Hình 17. Chuyển vị khung ñế Silo
Hình 18. Ứng suất von Mises khung ñế Silo
Hình 19. File .txt thể hiện kết quả tính toán
6. KẾT LUẬN
năng kết hợp này mở ra một hướng ñi mới cho
việc áp dụng các nghiên cứu trên ANSYS vào
Bài báo trình bày những ñiểm cơ bản nhất
trong việc kết hợp ANSYS và VISUAL BASIC
ñể tạo ra một chương trình thiết kế- tính toán
thực tế sản xuất.
CCMSilo ñược viết trên nền tảng APDLmột công cụ phục vụ cho module tính toán tối
mạnh mẽ và thân thiện với người dùng. Khả
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
Trang 37
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010
ưu mạnh mẽ của ANSYS, do ñó, chương trình
Phòng Tính toán cơ học thuộc Bộ môn Cơ kỹ
có thể ñược mở rộng thêm khả năng giải quyết
thuật, ĐH Bách Khoa Tp HCM.
bài toán tối ưu.
Theo yêu cầu từ Công Ty Cổ Phần Cơ Khí
Lời cảm ơn:
Chế Tạo Máy Long An (LAMICO), Phòng
Các tác giả cảm ơn Công Ty Cổ Phần Cơ
Tính toán cơ học ñã xây dựng một quy trình
Khí Chế Tạo Máy Long An (LAMICO) ñã
tính toán silo bằng phương pháp phần tử hữu
cung cấp số liệu của các silo 150 tấn.
hạn (dùng chương trình ANSYS). Để thuận
Công Ty Cổ Phần Cơ Khí Chế Tạo Máy
tiện cho người sử dụng, một phần mềm tính
Long An (LAMICO), một trong những ñơn vị
toán silo (CCMS) với giao diện trực quan, thân
cung cấp các silo cho vùng lúa ñồng bằng sông
thiện ñã ñược phát triển trên nền APDL
Cửu Long, ñã ñặt hàng việc tính toán, kiểm tra
(ANSYS Parametric Design Language) và
bền, tối ưu các silo dạng tròn và vuông cho
VISUAL BASIC.
A SILO COMPUTING PROGRAM BASED ON APDL AND VISUAL BASIC
Nguyen Tuong Long, Tran Thai Duong, Cao Nhan Tien, Nguyen Cong Dat, Nguyen Thai Hien
University of Technology, VNU-HCM
ABSTRACT: To help process design silo containing wheat, rice more effectively meet the urgent
demand of the system stockpiles, this paper built a program calculations, tests strength, aims to optimize
the design of silo. This program combines powerful computing capabilities of ANSYS in finite element
method and the ability to design intuitive interface of Visual Basic. The authors proposed a process for
calculating the silo as round and square form of the Long An Machinery Industry Joint - Stock
Company (LAMICO) and realize the software calculates silo CCMSilo.
Keywords: Silo, ANSYS, APDL, Visual Basic, finite element method.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[2]. Bùi Song Cầu, Nghiên cứu thiết kế, chế
tạo hệ thống Silô bảo quản các hạt nông
[1]. Dữ liệu thị trường nông sản AGRODATA,
Trung tâm Thông tin Phát triển Nông
nghiệp Nông thôn, Viện Chính sách và
Chiến lược Phát triển Nông nghiệp Nông
thôn.
sản xuất khẩu qui mô 200- 300 tấn, Hội
thảo "Nghiên cứu công nghệ và Silô bảo
quản các nông sản xuất khẩu", HCMUT
(2003).
[3]. Nguyễn Hữu Liêm, Luận văn Thạc sĩ, ĐH
Bách Khoa Tp HCM (2005).
Trang 38
Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010
[4]. GS. TS. Nguyễn Văn Phái, GVC. TS.
Trương Tích Thiện, Ths. Nguyễn Tường
[6]. Eurocode 1- Actions on structures- Part 4:
Silo and tanks.
Long, Ths. Nguyễn Định Giang, Giải bài
[7]. ANSYS user’s manual.
toán cơ kỹ thuật bằng chương trình
[8]. Các bản vẽ silo của LAMICO.
ANSYS, Nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật, Thành Phố Hồ Chí Minh (2003).
[5]. Nguyễn Lương Dũng, Giáo trình Phương
Pháp Phần Tử Hữu Hạn Trong Cơ Học,
Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh (1993).
Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM
Trang 39
- Xem thêm -