Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------- NGUYỄN VĂN QUANG PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------- NGUYỄN VĂN QUANG PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Việt Khoa Hà nội - 2018 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viện ủng hộ tôi trong thời gian thực hiện luận án. ii LỜI CAM ĐOAN Các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình. Tác giả luận án Nguyễn Văn Quang iii MỤC LỤC DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. vi DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... ix MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1 1. Giới thiệu chung........................................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................................. 2 3. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................................... 3 4. Bố cục của luận án .................................................................................................................... 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 5 1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.................................................................................. 5 1.2. Các phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của kết cấu dựa trên tham số động lực học của kết cấu ........................................................................................................................................................ 6 1.3. Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hiện hƣ hỏng của kết cấu................................. 16 1.4. Kết luận ................................................................................................................................ 30 CHƢƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT ................................................ 33 2.1. Giới thiệu về vết nứt trên quan điểm cơ học phá hủy .......................................................... 33 2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D và 3D chứa vết nứt ................................................. 36 2.2.1. Dầm 2D chứa vết nứt ................................................................................................... 36 2.2.2. Dầm 3D chứa vết nứt ................................................................................................... 39 2.3. Phƣơng trình dao động của kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............................. 45 2.4. Kết luận ................................................................................................................................ 48 CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ..................................................................................................................................... 49 3.1. Phƣơng pháp phân tích wavelet ........................................................................................... 50 3.1.1. Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược ................................................................ 50 iv 3.1.2. Phổ năng lượng wavelet .............................................................................................. 52 3.1.3. Các hàm wavelet .......................................................................................................... 56 3.2. Phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử trong miền tần số ................................................... 60 3.3. Kết luận ................................................................................................................................ 70 CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT......................................................................... 72 4.1. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình động đất bằng phƣơng pháp phân tích phổ wavelet .......................................................................................................... 72 4.1.1. Dao động của dầm có vết nứt dưới tác động của động đất ......................................... 72 4.1.2. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột bằng phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mô phỏng số ............................................................................................................................................... 74 4.1.3. Kết luận ........................................................................................................................ 77 4.2. Bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng tập trung bằng phƣơng pháp phân tích wavelet .................................................................................................................................. 78 4.2.1. Kết quả mô phỏng số ................................................................................................... 81 4.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến dao động tự do của hệ dầm kép nguyên vẹn ............................................................................................................................................... 83 4.2.3. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên của hệ dầm kép chứa vết nứt ............................................................................................................................................... 85 4.2.4. Kết luận ........................................................................................................................ 88 4.3. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử .......... 88 4.3.1. Phát hiện vết nứt của dầm ........................................................................................... 88 4.3.2. Phát hiện vết nứt của khung......................................................................................... 98 4.3.3. Phát hiện vết nứt của giàn cao tầng .......................................................................... 101 4.3.4. Kết luận ...................................................................................................................... 104 4.4. Kết luận .............................................................................................................................. 105 CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ........................................................................... 108 5.1. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm bằng phƣơng pháp wavelet ............................. 108 5.2. Phát hiện vết nứt của giàn bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử........................... 113 v 5.3. Kết luận .............................................................................................................................. 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 119 1. Kết luận của luận án .............................................................................................................. 119 2. Phạm vi áp dụng của luận án và công việc cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng lai ............... 120 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................................................. 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................. 122 PHỤ LỤC....................................................................................................................................... 134 vi DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT E mô đun đàn hồi (N/m2).  mật độ khối (kg/m3).  hệ số Poisson. a chiều cao vết nứt (m). b, h tƣơng ứng chiều rộng, chiều cao hình chữ nhật (m). I mô men quán tính hình học mặt cắt ngang (m4). L chiều dài dầm (m). Lc vị trí xuất hiện vết nứt (m).  tần số dao động riêng của dầm (rad/s) M, K, C lần lƣợt là ma trận khối lƣợng, độ cứng và cản tổng thể của dầm theo công thức phần tử hữu hạn (nn). ,  hệ số cản Rayleigh. M mô men (Nm). P lực dọc trục (N). F lực (N). EI độ cứng chống uốn (Nm2). IF tần số tức thời (Hz). vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1. Ba kiểu vết nứt cơ bản...................................................................................................... 34 Hình 2.2. Mô hình vết nứt mở. ......................................................................................................... 35 Hình 2.4. Mô hình phần tử. .............................................................................................................. 38 Hình 2.5. Mô hình 3D của phần tử có chứa vết nứt. ........................................................................ 39 Hình 3.1. Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết. ................................................................ 52 Hình 3.2. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số không đổi trong quá trình dao động. 54 Hình 3.3. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số thay đổi trong quá trình dao động. .. 54 Hình 3.4. Hàm Haar. ........................................................................................................................ 56 Hình 3.5. Hàm Daubechies. ............................................................................................................. 57 Hình 3.6. Hàm Symlet...................................................................................................................... 58 Hình 3.7. Hàm Coiflets. ................................................................................................................... 58 Hình 3.8. Hàm Morlet. ..................................................................................................................... 59 Hình 3.9. Hàm Mexican Hat. ........................................................................................................... 59 Hình 3.10. Hàm Meyer. ................................................................................................................... 60 Hình 4.1. Mô hình của dầm nguyên vẹn. ......................................................................................... 73 Hình 4.2. Mô hình dầm chứa vết nứt. .............................................................................................. 73 Hình 4.3. Tần số tức thời của dầm. .................................................................................................. 76 Hình 4.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. .............................................................................. 77 Hình 4.5. Phần tử dầm kép chịu tác động của khối lƣợng tập trung. ............................................... 78 Hình 4.6. Sáu dạng riêng đầu tiên. ................................................................................................... 82 Hình 4.7. Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ giữa tần số và vị trí khối lƣợng. .............................. 84 Hình 4.8. Tần số và vị trí khối lƣợng của dầm kép chứa vết nứt. .................................................... 85 Hình 4.9. Chênh lệch tần số đầu tiên df giữa hệ dầm kép chứa vết nứt và hệ dầm kép nguyên vẹn.86 Hình 4.10. Biến đổi wavelet đối với tần số tự nhiên đầu tiên. ......................................................... 87 Hình 4.11. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử bằng giải tích đối với 5 độ sâu vết nứt. ....................... 89 Hình 4.12. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, không có nhiễu. .................................... 91 viii Hình 4.13. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu của vết nứt, khi không có nhiễu........................... 92 Hình 4.14. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 93 Hình 4.15. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu và không có nhiễu. ................... 94 Hình 4.16. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, nhiễu 0%............................................... 95 Hình 4.17. Chiều cao của 2 đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khi không có nhiễu. ............................. 96 Hình 4.18. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 97 Hình 4.19. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98 Hình 4.20. Chiều cao của đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98 Hình 4.21. Mô hình khung trong mặt phẳng X-Z. ........................................................................... 99 Hình 4.22. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, nhiễu 0%. .................. 100 Hình 4.23. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, có nhiễu. .................... 100 Hình 4.24. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ......... 101 Hình 4.25. Mô hình giàn cao tầng. ................................................................................................. 102 Hình 4.26. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ................... 103 Hình 4.27. Mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh dh với độ sâu vết nứt. ....................................... 104 Hình 5.1. Dầm chứa vết nứt, đặt trên bàn rung. ............................................................................. 109 Hình 5.2. Phổ Fourier của gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0%. ................................................ 110 Hình 5.3. Tần số tức thời của dầm. ................................................................................................ 112 Hình 5.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. ............................................................................ 113 Hình 5.5. Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Viện Cơ học – VAST. ........................................ 114 Hình 5.6. Đo đáp hàm đáp ứng tần số bằng máy PULSE. ............................................................. 115 Hình 5.7. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ..................... 116 Hình 5.8. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt. ................................................................. 117