Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí và cơ kỹ thuật phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ận Lu án NGUYỄN VĂN QUANG tiế n PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐỐN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH sĩ Kĩ t uậ th 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 - ận Lu án NGUYỄN VĂN QUANG tiế n PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT KẾT CẤU HỆ THANH sĩ Kĩ t uậ th 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: 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 tận tâm hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cám ơn gia đình, đồng nghiệp động viện ủng hộ thời gian thực luận án ận Lu án n tiế sĩ Kĩ t uậ th ii LỜI CAM ĐOAN Các kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi đƣợc hồn thành dƣới hƣớng dẫn Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chƣa đƣợc công bố công trình khác Tơi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan Tác giả luận án ận Lu Nguyễn Văn Quang án n tiế sĩ Kĩ t uậ th 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 Giới thiệu chung Mục tiêu nghiên cứu Lu Phƣơng pháp nghiên cứu ận Bố cục luận án án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình tiế 1.2 Các phƣơng pháp phát hƣ hỏng kết cấu dựa tham số động lực học kết cấu n sĩ Kĩ 1.3 Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hƣ hỏng kết cấu 16 t uậ th 1.4 Kết luận 30 CHƢƠNG ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT 33 2.1 Giới thiệu vết nứt quan điểm học phá hủy 33 2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D 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 kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn 45 2.4 Kết luận 48 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐỐN KỸ THUẬT 49 3.1 Phƣơng pháp phân tích wavelet 50 3.1.1 Biến đổi wavelet liên tục biến đổi ngược 50 iv 3.1.2 Phổ lượng wavelet 52 3.1.3 Các hàm wavelet 56 3.2 Phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử miền tần số 60 3.3 Kết luận 70 CHƢƠNG 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 vết nứt kết cấu dầm xảy q trình động đất phƣơng pháp phân tích phổ wavelet 72 4.1.1 Dao động dầm có vết nứt tác động động đất 72 4.1.2 Phát vết nứt xảy đột ngột phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mơ số Lu 74 ận 4.1.3 Kết luận 77 án 4.2 Bài toán phát vết nứt dầm kép mang khối lƣợng tập trung phƣơng pháp phân tiế tích wavelet 78 n 4.2.1 Kết mô số 81 sĩ 4.2.2 Ảnh hưởng khối lượng tập trung đến dao động tự hệ dầm kép nguyên vẹn Kĩ 83 th 4.2.3 Ảnh hưởng khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên hệ dầm kép chứa vết nứt t uậ 85 4.2.4 Kết luận 88 4.3 Bài toán phát vết nứt kết cấu phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử 88 4.3.1 Phát vết nứt dầm 88 4.3.2 Phát vết nứt khung 98 4.3.3 Phát vết nứt giàn cao tầng 101 4.3.4 Kết luận 104 4.4 Kết luận 105 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 108 5.1 Phát vết nứt xảy đột ngột dầm phƣơng pháp wavelet 108 5.2 Phát vết nứt giàn phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử 113 v 5.3 Kết luận 117 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 119 Kết luận luận án 119 Phạm vi áp dụng luận án công việc cần tiếp tục thực tƣơng lai 120 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 PHỤ LỤC 134 ận Lu án n tiế sĩ Kĩ t uậ th 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) mơ men qn tính hình học mặt cắt ngang (m4) L chiều dài dầm (m) Lc vị trí xuất vết nứt (m)  tần số dao động riêng dầm (rad/s) Lu I lần lƣợt ma trận khối lƣợng, độ cứng cản tổng thể ận M, K, C ,  án dầm theo công thức phần tử hữu hạn (nn) hệ số cản Rayleigh tiế mô men (Nm) P lực dọc trục (N) F lực (N) n M sĩ Kĩ độ cứng chống uốn (Nm2) IF tần số tức thời (Hz) t uậ th EI vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 2.1 Ba kiểu vết nứt 34 Hình 2.2 Mơ hình vết nứt mở 35 Hình 2.4 Mơ hình phần tử 38 Hình 2.5 Mơ hình 3D phần tử có chứa vết nứt 39 Hình 3.1 Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ chi tiết 52 Hình 3.2 Phổ lƣợng wavelet kết cấu có tần số khơng đổi trình dao động 54 Hình 3.3 Phổ lƣợng wavelet kết cấu có tần số thay đổi trình dao động 54 ận Lu Hình 3.4 Hàm Haar 56 Hình 3.5 Hàm Daubechies 57 án Hình 3.6 Hàm Symlet 58 Hình 3.7 Hàm Coiflets 58 tiế Hình 3.8 Hàm Morlet 59 n sĩ Hình 3.9 Hàm Mexican Hat 59 Kĩ Hình 3.10 Hàm Meyer 60 th Hình 4.1 Mơ hình dầm nguyên vẹn 73 t uậ Hình 4.2 Mơ hình dầm chứa vết nứt 73 Hình 4.3 Tần số tức thời dầm 76 Hình 4.4 Mối liên hệ df độ sâu vết nứt 77 Hình 4.5 Phần tử dầm kép chịu tác động khối lƣợng tập trung 78 Hình 4.6 Sáu dạng riêng 82 Hình 4.7 Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ tần số vị trí khối lƣợng 84 Hình 4.8 Tần số vị trí khối lƣợng dầm kép chứa vết nứt 85 Hình 4.9 Chênh lệch tần số df hệ dầm kép chứa vết nứt hệ dầm kép nguyên vẹn.86 Hình 4.10 Biến đổi wavelet tần số tự nhiên 87 Hình 4.11 Phân bố số độ cứng phần tử giải tích độ sâu vết nứt 89 Hình 4.12 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử, khơng có nhiễu 91 viii Hình 4.13 Chiều cao đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khơng có nhiễu 92 Hình 4.14 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử 93 Hình 4.15 Chiều cao đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu khơng có nhiễu 94 Hình 4.16 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử, nhiễu 0% 95 Hình 4.17 Chiều cao đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khơng có nhiễu 96 Hình 4.18 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử 97 Hình 4.19 Chiều cao đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, có nhiễu khơng có nhiễu 98 Hình 4.20 Chiều cao đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, có nhiễu khơng có nhiễu 98 Hình 4.21 Mơ hình khung mặt phẳng X-Z 99 Lu Hình 4.22 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử cột bên trái, nhiễu 0% 100 ận Hình 4.23 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử cột bên trái, có nhiễu 100 Hình 4.24 Chiều cao đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, có nhiễu khơng có nhiễu 101 án Hình 4.25 Mơ hình giàn cao tầng 102 tiế Hình 4.26 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt 103 n Hình 4.27 Mối quan hệ chiều cao đỉnh dh với độ sâu vết nứt 104 sĩ Kĩ Hình 5.1 Dầm chứa vết nứt, đặt bàn rung 109 th Hình 5.2 Phổ Fourier gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0% 110 t uậ Hình 5.3 Tần số tức thời dầm 112 Hình 5.4 Mối liên hệ df độ sâu vết nứt 113 Hình 5.5 Thí nghiệm phịng thí nghiệm Viện Cơ học – VAST 114 Hình 5.6 Đo đáp hàm đáp ứng tần số máy PULSE 115 Hình 5.7 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt 116 Hình 5.8 Chiều cao đỉnh dh so với độ sâu vết nứt 117 131 [98] Wei Fan, Pizhong Qiao A 2-D continuous wavelet transform of mode shape data for damage detection of plate structures International Journal of Solids and Structures 46 (2009) 4379–4395 [99] Andrzej Katunin Damage identification in composite plates using twodimensional B-spline wavelets Mechanical Systems and Signal Processing 25 (2011) 3153–3167 [100] Hakan Gokdag, Osman Kopmaz A new damage detection approach for beam-type structures based on the combination of continuous and discrete wavelet transforms Journal of Sound and Vibration 324 (2009) 1158–1180 [101] Chang Tao, Yiming Fu, Ting Dai, Dynamic analysis for cracked fiber-metal Lu laminated beams carrying moving loads and its application for wavelet based crack ận detection Composite Structures 159 (2017) 463–470 [102] D.M Joglekar, M Mitra Analysis of flexural wave propagation through án beams with a breathing crack using wavelet spectral finite element method Journal tiế of Sound and Vibration 324 (2009) 1158–1180 n [103] Mario Solís, Mario Algaba, Pedro Galvín Continuous wavelet analysis of sĩ mode shapes differences for damage detection Mechanical Systems and Signal Kĩ Processing 40 (2013) 645–666 th [104] N Wu, Q Wang Experimental studies on damage detection of beam (2011) 253–261 t uậ structures with wavelet transform International Journal of Engineering Science 49 [105] Wei C Su, Tuyen Q Le, Chiung S Huang, Pei Y Lin Locating damaged storeys in a structure based on its identified modal parameters in Cauchy wavelet domain [106] Wen-Yu He, Songye Zhu Progressive damage detection based on multi-scale wavelet finite element model: numerical study Computers and Structures 125 (2013) 177–186 [107] Guirong Yan, Zhongdong Duan, Jinping Ou, Alessandro De Stefano Structural damage detection using residual forces based on wavelet transform Mechanical Systems and Signal Processing 24 (2010) 224–239 132 [108] D Hester, A Gonza´lez, A wavelet-based damage detection algorithm based on bridge acceleration response to a vehicle Mechanical Systems and Signal Processing 28 (2012) 145–166 [109] M Makki Alamdari, J Li, B Samali, Damage identification using 2-D discrete wavelet transform on extended operational mode shapes Archives of civil and mechanical engineering 15 (2015) 698–710 [110] Khoa Viet Nguyen, Hai Thanh Tran, Multi-cracks detection of a beam-like structure based on the on-vehicle vibration signal and wavelet analysis Journal of Sound and Vibration 329 (2010) 4455–4465 [111] Khoa Viet Nguyen Comparison studies of open and breathing crack Lu detections of a beam-like bridge subjected to a moving vehicle Engineering ận Structures 51 (2013) 306–314 [112] Andrzej Katunin, Piotr Przystałka Damage assessment in composite plates án using fractional wavelet transform of modal shapes with optimized selection of n 85 tiế spatial wavelets Engineering Applications of Artificial Intelligence 30 (2014) 73– sĩ [113] K Dziedziech, W.J Staszewski, B Basu, T Uhl Wavelet-based detection of Kĩ abrupt changes in natural frequencies of time-variant systems Mechanical Systems th and Signal Processing 64-65 (2015) 347–359 t uậ [114] Khoa Viet Nguyen Crack detection of a double-beam carrying a concentrated mass Mechanics Research Communications 75 (2016) 20–28 [115] Rims Janeliukstis, Sandris Rucevskis, Miroslav Wesolowski, and Andris Chate Multiple damage identification in beam structure based on wavelet transform Procedia Engineering 172 ( 2017 ) 426 – 432 [116] Scanlan, R.H., 2000 Motion related body-force functions in two-dimensional low-speed flow J Fluids Struct 14, 49-63 [117] Scanlan, R.H., 2001 Reexamination of sectional aerodynamic force functions for bridges J Wind Eng Ind Aerodyn 89 (14-15), 1257-1266 [118] G R Liu and S S Quek The finite element method: A practical course Linacre House, Jordan Hill, Oxford, (2003) 133 [119] Lin YH, Trethewey MW Finite element analysis of elastic beams subjected to moving dynamic loads Journal of Sound and Vibration 136(2) (1989): 323–342 [120] Mallat S., A Wavelet Tour of Data Processing Second Edition, London: Academic Press, 1999 [121] J Kawecki, J.A Zuranski Cross-wind vibrations of steel chimneys - A new case history Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (2007) 1166–1175 [122] Addition P S., The Illustrated Wavelet Transform Handbook Institute of Physics Publishing Bristol and Philadelphia, 2002 [123] Daubechies I., Ten lectures on wavelets CBMS-NSF Conference series, 61 Lu Philadelphia, PA: SISAM, 1992 ận [124] Hansen P.C., Regularization tools version 4.0 for Matlab 7.3 SIAM Numerical Algorithms, 46, 189-194, 2007 án [125] Hansen P.C., The truncated SVD as a method for regularization, BIT 27 tiế (1987) 534–553 n [126] A K Chopra, Dynamics of Strucutres Theory and applications to sĩ earthquake engineering Prentice -Hall Inc Simson & Schuster Company 1995 Kĩ [127] Z Oniszczuk Free transverse vibrations of elastically connected simply t uậ (2000), pp 387–403 th supported doublebeam complex system Journal of Sound and Vibration, 232, (2), [128] Q Mao Free vibration analysis of elastically connected multiple-beams by using the Adomian modified decomposition method Journal of Sound and Vibration, 331, (11), (2012),pp 2532–2542 [129] J R Banerjee Free vibration of beams carrying spring-mass systems - A dynamic stiffness approach Computers & Structures, 104, (2012), pp 21–26 [130] Nguyen Viet Khoa Monitoring a sudden crack of beam-like bridge during earthquake excitation Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol 35, No (2013), 189 – 202 134 PHỤ LỤC ận Lu %Input -b=[ ex(2)-ex(1); ey(2)-ey(1); ez(2)-ez(1) ]; L=sqrt(b'*b); n1=b/L; lc=sqrt(eo*eo'); n3=eo/lc; Xy=ec(1); Xz=ec(2); % if nargin==6; eq=[0 0 0]; end qx=eq(1); qy=eq(2); qz=eq(3); qw=eq(4); %Stiffness of cracked element A=ep(1);EG=ep(2);G=ep(3);Iz=ep(4); Iy=ep(5);J=ep(6); a=E*A/L ; b=12*E*Iz/L^3 ; c=6*E*Iz/L^2; d=12*E*Iy/L^3 ; e=36*E*Iy/L^2 ; f=G*J/L; g=2*E*Iy/L ; h=2*E*Iz/L ; %-Compliance matrix of intact beam c11=L/A/E;c22=Xz*L/G/A+L^2/3/E/Iz;c26=L^2/2/E/Iz; c33=Xy*L^2/G/A+L^3/3/E/Iy;c35=-L^2/2/E/Iy;c44=L/G/J;c55=L/E/Iy; c53=c35;c66=L/E/Iz;c62=c26; Cin=[c11 0 0 ; c22 0 c26 ; 0 c33 c35 ; 0 c44 0 ; 0 c53 c55 ; c62 0 c66]; %-Compliance matrix of cracked beam -intstep=100;s=0; x=0;m=1+nu;ds=aa/h/intstep;E_=E/(1-nu^2); if aa>0 & aa=0) %& (sumdy>max/5) % points should be extrema, big enough for k=1:distance if abs(cd(i))max/5) % points should be extrema, big enough for k=1:distance if abs(cd(i))