GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Thép có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn những vật liệu truyền thống, tự nhiên như gỗ, đá, đất Để kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dễ uốn, và sức bền kéo đứt, người ta có thể thay đổi số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép để có thêm thép carbon, silic, crom, thép hợp kim… Từ quặng, tùy nhu cầu xây dựng mà người ta nung chảy, kéo dài, cán mỏng, chia nhỏ hoặc kết nối để chế thép phẳng, thép hộp, thép chữ I đến thép ống…
Từ những ưu điểm trên, các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ứng dụng kết cấu thép đã có những phát triển vượt bật Các nhà công nghiệp, nhà thi đấu, triển lãnh, nhà chứa máy bay, … vượt nhịp lớn từ 30 đến 40 m sử dụng kết cấu thép là hợp lý nhất Trường hợp đặc biệt nhịp vượt trên 100 m như nhà thi đấu TDTT Phú Thọ (Hình 1.1) thì kết cấu thép là giải pháp duy nhất khả thi Cầu đường bộ bằng sắt cho khả năng vượt nhịp lớn và tăng tốc độ thi công (Hình 1.2)
Hình 1.1 Nhà thi đấu TDTT Phú Thọ
Hình 1.2 Nút giao quận Long Biên – Nguyễn Văn Cừ (Hà Nội) (nguồn: Internet)
Bên cạnh đó, kết cấu thép mà cụ thể là cột tháp truyền tải điện đóng vai trò không thể thiếu trong hệ thống điện quốc gia Mạng lưới điện quốc gia có chiều dài hơn 25.301 km trong đó có hơn 8000 km đường dây 500 kV, 17.255 km đường dây 220 kV với hơn 60.000 trụ tháp sắt truyền tải điện Trong xuyên suốt quá trình phát triển, ngành điện nước ta đã đạt được nhiều thành tựu to lớn: Đường dây 500 kV Bắc – Nam mạch 1 với tổng chiều dài 1487 km đã góp phần giải quyết vấn đề thiếu hụt điện năng ở miền Trung và miền Nam; Công trình cáp ngầm xuyên biển 110 kV Hà Tiên – Phú Quốc với chiều dài lớn nhất Đông Nam Á, 60 km Đặc biệt, đầu năm 2020 đã đóng điện thành công Đường dây 500 kV Sông Hậu – Đức Hòa (GĐ1) với 2 cột tháp sắt cao 175 m (Hình 1.3)
Hình 1.3 Cột tháp sắt 500kV đỡ vượt sông Hậu cao 175m
Loại liên kết được sử dụng rộng rãi trong dạng kết cấu này là liên kết bu lông (Hình 1.4) Liên kết bu lông sở hữu rất nhiều các ưu điểm như khả năng chịu tải tương đối lớn, chi phí thấp, dễ dàng lắp đặt thi công và có độ tin cậy cao Bên cạnh các ưu điểm trên, liên kết bu lông cũng tiềm ẩn nguy cơ hư hỏng có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng, thậm chí gây sụp đổ công trình Có nhiều dạng hư hỏng thường gặp trong liên kết bu lông như là tập trung ứng suất (ép mặt), đứt gãy bu lông, bị ăn mòn và bu lông bị nới lỏng (Hình 1.5) Vì vậy, việc thường xuyên theo dõi quan trắc liên kết bu lông nói chung và độ xiết chặt của bu lông nói riêng là rất cần thiết
Hình 1.4 Liên kết bu lông trong tháp truyền tải điện
Hình 1.5 Một số hình ảnh hư hỏng của liên kết bu lông (nguồn: Internet)
Hiện nay, có nhiều phương pháp để phát hiện hư hỏng của kết cấu, trong đó phương pháp trở kháng hứa hẹn sẽ theo dõi và chẩn đoán được những hư hỏng nhỏ chỉ vừa mới xuất hiện Phương pháp trở kháng sử dụng tích hợp thiết bị cảm biến PZT (Lead Zirconate Titanate) được kích thích ở một miền tần số cao để cung cấp khả năng tự theo dõi các thay đổi động học của kết cấu (Liang và cộng sự 1994) [1] Ở tần số kích thích cao như vậy, phản ứng chủ yếu là ở dạng cục bộ và hư hỏng mới hình thành như các vết nứt nhỏ hay tách lớp vật liệu đã đưa ra những thay đổi có thể có được trong các đặc trưng trở kháng Các tần số cao cũng hạn chế các diện tích cảm biến của thiết bị truyền động Điều này giúp cô lập các ảnh hưởng của hư hỏng trên đáp ứng trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ cứng và điều kiện biên ở khu vực xa hư hỏng Vì vậy, kỹ thuật này sẽ hữu ích trong việc theo dõi và chẩn đoán hư hỏng cục bộ mà tính toàn vẹn của kết cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Chẩn đoán sự xuất hiện, vị trí và mức độ của hiện tượng lỏng bu lông trong chân cột tháp truyền tải điện sử dụng đáp ứng trở kháng cơ – điện kết hợp với mạng nơ-ron nhân tạo
- Tiếp cận, tìm hiểu đáp ứng trở kháng của kết cấu và các phương pháp chẩn đoán hư hỏng sử dụng đáp ứng trở kháng
- Mô phỏng mẫu dầm thép bằng phần mềm ANSYS để so sánh đáp ứng trở kháng giữa mô phỏng và kết quả thí nghiệm thực tế Từ đó đánh giá độ tin cậy của phương pháp mô phỏng Tạo vết nứt ở giữa dầm thép đã ở mô phỏng trên, sử dụng chỉ số RMSD để chẩn đoán hư hỏng của kết cấu
- Mô phỏng chi tiết chân tháp truyền tải điện của một công trình thực tế với hư hỏng là hiện tượng lỏng từng bu lông theo các mức độ: 0%, 10%, 20%, 50% để lấy đáp ứng trở kháng Sử dụng chỉ số RMSD có xét đến độ nhạy của miền tần số để theo dõi và chẩn đoán kết cấu
- Trên cơ sở vị trí bu lông bị lỏng đã chẩn đoán, xây dựng mạng nơ-ron nhân tạo để chẩn đoán mức độ lỏng của bu lông
- Từ các nhận xét và kết luận rút ra được từ các công việc trên, một chương trình tự động khảo sát độ nhạy miền tần số được xây dựng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu được luận văn hướng đến đó là hiện tượng lỏng bu lông trong chân tháp truyền tải điện sử dụng đáp ứng trở kháng và mạng nơ-ron nhân tạo
Luận văn được giới hạn trong phạm vi sau:
- Chẩn đoán hư hỏng cho hiện tượng lỏng bu lông trong chân tháp truyền tải điện
- Sử dụng phương pháp trở kháng kết hợp chỉ số RMSD có xét đến độ nhạy của miền tần số để chẩn đoán hư hỏng
- Sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong phần mềm IBM SPSS STATISTICS để chẩn đoán mức độ lỏng của từng bu lông trong liên kết
- Xây dựng một chương trình để khảo sát độ nhạy miền tần số với hư hỏng cho từng bu lông trong liên kết.
Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu
Trong quá trình vận hành của đường dây truyền tải điện, sự giảm lỏng bu lông có thể do nhiều nguyên nhân Điều này không những tiềm ẩn nguy cơ cho kết cấu mà còn gây nguy hiểm đến tính mạng con người cũng như ảnh hưởng đến sự vận hành của mạng lưới điện
Vì vậy, sự phát triển một phương pháp theo dõi và chẩn đoán chính xác hư hỏng trong kết cấu là vấn đề rất cần thiết
Phương pháp trở kháng sử dụng các tấm cảm biến có diện tích hạn chế, khối lượng rất nhỏ nên sẽ không làm ảnh hưởng đến sự làm việc của kết cấu Phương pháp này sẽ giúp theo dõi, xác định sớm vị trí và mức độ lỏng của bu lông để đưa ra biện pháp xử lý kịp thời nhằm đảm bảo sự vận hành an toàn của kết cấu Tuy nhiên, kết quả chẩn đoán sử dụng phương pháp trở kháng có phụ thuộc vào miền tần số khảo sát Như vậy, việc xây dựng một chương trình tự động lựa chọn miền tần số có độ nhạy với hiện tượng lỏng bu lông là cần thiết nhằm giảm thời gian xử lý thủ công và nâng cao độ chính xác cho kết quả chẩn đoán.
Cấu trúc luận văn
Luận văn bao gồm 5 chương:
Giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của nghiên cứu.
TỔNG QUAN
Tình hình nghiên cứu nước ngoài
Liang và công sự (1994) [1] đã lần đầu sử dụng phương pháp đo trở kháng để tìm ra hư hỏng của kết cấu Thông qua tấm PZT được dán lên kết cấu chủ, tác giả kích một tần số cao, lớn hơn 30kHz để tìm ra những thay đổi cơ học trong trở kháng cơ học của kết cấu chủ
Sun và cộng sự (1995) [2] đã sử dụng phương pháp trở kháng để kiểm tra kết cấu dàn, bằng cách sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá tình trạng hư hỏng Ngoài ra tác giả cũng đánh giá ảnh hưởng ở các phạm vi tần số khác nhau và mức độ kích thích như thế nào khi theo dõi đáp ứng trở kháng trên một kết cấu dàn như Hình 2.1 Kết quả cho thấy ở các vị trí khác nhau, nên sử dụng các PZT khác nhau để theo dõi kết cấu, ở miền tần số càng cao phạm vi theo dõi kết cấu càng nhỏ Đồng thời, chỉ số RMSD rất hữu dụng trong việc phát hiện xảy ra hư hỏng trong kết cấu
Chaudhry và cộng sự (1995) [3] đã tìm ra vị trí và khoảng cách hư hỏng trên kết cấu trên máy bay Piper Model 601P bằng cách sử dụng phương pháp trở kháng Các cảm biến trở kháng cho thấy cực kì nhạy cảm với mức độ hư hỏng cục bộ
Wang và cộng sự (1996) [4] đã mở rộng nghiên cứu của Liang và cộng sự khi sử dụng nhiều bộ kích thích PZT được dán lên kết cấu cả hai mặt và chứng thực khả năng cảm biến của chúng, dựa vào việc theo dõi sự dẫn nạp cơ điện trên trở kháng của kết cấu Tác giả đã chứng minh được rằng thông qua việc đo trở kháng điện của PZT có thể tìm ra ứng xử của kết cấu
Esteban (1996) [5] đã mở rộng mô hình số dựa vào lý thuyết truyền sóng để xác định phạm vi cảm biến của phương pháp trở kháng Trong nghiên cứu này, tác giả đã báo cáo hàng loạt các thí nghiệm về sự thay đổi tải trọng, sự không liên tục trong mặt cắt ngang, liên kết bu lông, năng lượng xen kẽ, …Tác giả ước tính được vùng cảm biến (theo bán kính) của một PZT thay đổi từ 0,4m đối với kết cấu liên hợp và 2m đối với kết cấu thanh kim loại đơn giản Ngoài ra tác giả chỉ ra rằng, tần số càng cao thì vùng cảm biến càng nhỏ, với tần số trên 500 kHz cho thấy không có lợi, vì các khu vực cảm biến trở nên vô cùng nhỏ và các cảm biến PZT sẽ nhạy cảm với các điều kiện bất lợi do liên kết hoặc do chính bản thân PZT chứ không phải do bản thân kết cấu chủ
Wang và cộng sự (1997) [6] đã mô phỏng toán học để diễn tả sự tương thích của biến dạng giữa miếng PZT và kết cấu dầm hoặc tấm Quan hệ đặc trưng giữa điện dung tĩnh của PZT và biến dạng của kết cấu được thiết lập Kết quả là biến dạng của kết cấu được nhận thấy từ những thay đổi điện dung của PZT
Raju và cộng sự (1998) [7] đã mở rộng nghiên cứu bằng cách xét đến ảnh hưởng của tham số trở kháng như mức độ kích thích của bộ kích thích, kiểm tra chiều dài dây dẫn, sử dụng một bộ duy nhất để gắn vào nhiều bộ cảm biến, và thay đổi điều kiện biên Raju kết luận rằng sự thay đổi trong nhiều tham số không ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng trở kháng
Soh và cộng sự (2000) [8] đã sử dụng phương pháp trở kháng để theo dõi một mẫu cầu bê tông cốt thép Nghiên cứu gồm hai dầm dọc kích thước 5x0.5x1m đỡ một bản sàn dày 0.1m Kết cấu được gia cường bằng các thanh thép, đã phải chịu ba kỳ tải trọng để gây ra các vết nứt trong kết cấu Đáp ứng trở kháng của các cảm biến nằm trong vùng lân cận của hư hỏng đã cho thấy thay đổi lớn về tín hiệu, trong khi những hư hỏng ở xa ít bị ảnh hưởng
Giurgiutiu và Zagrai (2001) [9] đã khảo sát các cảm biến áp điện cho kết cấu trực tuyến Các thí nghiệm được tiến hành trên các mẫu vật đơn giản là dầm thép để hỗ trợ kiểm tra lý thuyết và trên mẫu vật lưỡi tuabin thực tế để minh họa tiềm năng của phương pháp Kết quả đáp ứng trở kháng được ghi lại thể hiện chính xác phản ứng cơ học của một cấu trúc Các cảm biến có khối lượng không đáng kể nên không có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng của cấu trúc
Tseng và Naidu (2002a) [10] đã nghiên cứu các mẫu nhôm bằng phương pháp trở kháng Kết quả thực nghiệm, phát hiện đáp ứng trở kháng trong phạm vi tần số 150 kHz Nghiên cứu đã quan sát phạm vi cảm biến tương đối lớn trên cảm biến trở kháng Với vết nứt 5mm ở vị trí cách tấm cảm biến hơn 1m thì tấm cảm biến vẫn phát hiện
Tseng và cộng sự (2002b) [11] trình bày các nghiên cứu, trong đó bề mặt cảm biến trở kháng có thể được sử dụng để giám sát hai loại hư hỏng là lỗ rỗng và vết nứt trong kết cấu bê tông Phần mềm thương mại ANSYS đã được sử dụng để mô hình một mẫu bê tông hình vuông và trở kháng cơ học của kết cấu Trở kháng điện của PZT đã thu được tại mỗi tần số
Bhalla và Kiong Soh (2003) [12] đã nghiên cứu về chẩn đoán hư hỏng trên khung bê tông cốt thép (RC) bằng mô hình chịu các rung động trên bàn rung Thông qua nghiên cứu, phần thực của chỉ số thiệt hại biểu thị sự thay đổi trong giảm xóc SDOF tương đương gây ra do thiệt hại và phần ảo biểu thị cho sự thay đổi hệ số khối lượng SDOF tương đương liên quan đến điểm truyền động của tấm PZT Do đó, phần thực của trở kháng thường được sử dụng trong lĩnh vực chẩn đoán sức khỏe kết cấu
Okugawa (2004) [13] đã tìm ra được sự nới lỏng của liên kết bu lông thông qua một tấm đệm thông minh (smart washer) Phương pháp mới này dựa vào những thay đổi trong tần số cộng hưởng của vòng đệm tương quan với lực đặc trưng trong liên kết
Min và cộng sự (2010) [14] đã sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo để tìm miền tần số tối ưu, từ đó tìm ra được dạng hư hỏng của kết cấu Trong nghiên cứu này, Min và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu và kiểm chứng trên các mô hình, kết cấu thật để kiểm tra sự mất lực siết trong mô hình bu lông, vết nứt trên cây cầu và công trình bằng thép
Nguyen và Kim (2011a) [15] đã nghiên cứu tổn hao lực căng dây cáp trong hệ thống kết cấu dầm bê tông ứng suất trước Thí nghiệm được tiến hành để kiểm tra cục bộ tổn hao lực căng dây cáp tại vùng neo của cáp Tổn hao lực căng dây cáp được giả định giảm theo từng cấp độ tải trọng Để thuận tiện trong việc lấy đáp ứng trở kháng, tấm tương tác nhôm được sử dụng Dựa trên đáp ứng trở kháng, tổn hao lực căng dây cáp đã được chẩn đoán thành công
Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
Ngô (2014) [27] đã mô phỏng sự hư hỏng của kết cấu kim loại sử dụng trở kháng thông qua chương trình mô phỏng COMSOL 4.0 Mô phỏng được tiến hành trên các mẫu dầm nhôm trước và sau khi xuất hiện hư hỏng, tấm tròn bằng nhôm với sự thay đổi vị trí xảy ra hư hỏng, chi tiết liên kết bu lông Kết quả cho thấy hư hỏng trong kết cấu kim loại được chẩn đoán thành công
Ngô và Hồ (2015) [28] đã giới thiệu phương pháp chẩn đoán hư hỏng liên kết bulông trong chi tiết nối cột thép (Hình 2.2) sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ-điện Tính khả thi của kỹ thuật mô phỏng số được chứng minh bằng cách tiến hành mô phỏng một tấm tròn bằng nhôm và thu đáp ứng trở kháng, từ đó so sánh với số liệu thực nghiệm
Hình 2.1 Mô phỏng tấm tròn bằng nhôm và chi tiết liên kết bu lông trong nghiên cứu [28] Đỗ (2016) [29] đã nghiên cứu chẩn đoán tổn hao ứng suất trước của cáp trong dầm bê tông ứng suất trước căng sau sử dụng kỹ thuật trở kháng cơ điện có xét đến độ nhạy của miền tần số Sau đó, tác giả dùng mạng nơ-ron nhân tạo để chẩn đoán hư hỏng Kết quả cho thấy, phương pháp sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp với chỉ số RMSD và mạng nơ-ron nhân tạo cho phép chẩn đoán chính xác vị trí xảy ra hư hỏng
Hình 2.2 Mô hình phần tử hữu hạn đầu neo cáp dự ứng lực [29]
Nguyễn (2016) [30] đã nghiên cứu phương pháp chẩn đoán hư hỏng trong dầm bê tông ứng suất trước căng sau, sử dụng hệ thống chẩn đoán hỗn hợp dao động và trở kháng để xác định hư hỏng Dầm được mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn Kết quả cho thấy khả năng chẩn đoán chính xác hư hỏng trong dầm
Nguyễn (2017a) [31] đã nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng có xét đến nhiều miền tần số khác nhau để theo dõi và chẩn đoán mức độ giảm lỏng tại vị trí liên kết bu lông xà ngang bằng phần mềm ANSYS như Hình 2.4 và so sánh kết quả mô phỏng này với thực nghiệm Kết quả cho thấy chỉ số RMSD sẽ phát hiện và theo dõi được sự xuất hiện hư hỏng trong kết cấu cũng như xác định được vị trí giảm lỏng liên kết bu lông
Hình 2.3 Mô hình phần tử hữu hạn liên kết bu lông tại vị trí cột-xà ngang [31]
Nguyễn (2017b) [32] đã nghiên cứu chẩn đoán tổn hao trong dầm bê tông ứng suất trước sử dụng trở kháng có xét đến nhiệt độ môi trường Ở nghiên cứu này, Nguyễn đã mô phỏng lại thí nghiệm chẩn đoán tổn hao ứng suất của dầm bê tông ứng suất trước trong nghiên cứu của Huỳnh và Kim (2016) như Hình 2.5 nhưng có xét đến sự thay đổi nhiệt độ Nhưng khi đưa vào mô phỏng chuỗi nhiệt độ này được trích xuất giá trị trung bình và sử dụng giá trị này làm đại diện cho toàn dãy biến thiên nhiệt độ Trong thí nghiệm biên độ nhiệt độ dao động là [18.8 o C - 19.96 o C] và lấy giá trị trung bình là 19.38 o C Kết luận thuật toán bù nhiệt độ EFS áp dụng đối với tín hiệu mô phỏng cho kết quả tương đối chính xác
Hình 2.4 Mô hình phần tử hữu hạn vùng neo cáp dầm [32]
Huỳnh (2017) [33] đã nghiên cứu theo dõi kết cấu tổn hao lực căng trong dây cáp sử dụng các đáp ứng dao động và trở kháng như Hình 2.6 Bài toán đặt ra là tiến hành chẩn đoán hư hỏng kết cấu dây cáp và vùng neo của một dây cáp trạm Anten viễn thông BTS Cà Mau Phương pháp đáp ứng trở kháng được dùng để chẩn đoán hư hỏng là sự phá hủy cục bộ tại vùng neo của dây cáp Kết cấu được mô phỏng số và sử dụng chỉ số RMSD để theo dõi Kết quả cho thấy là việc mô phỏng sự làm việc cục bộ này cho kết quả đáng tin cậy
Hình 2.5 Mô hình phần tử hữu hạn chi tiết vùng lấy đáp ứng trở kháng [33]
Trương (2017) [34] đã chẩn đoán hư hỏng liên kết bu lông sử dụng đáp ứng trở kháng có xét ảnh hưởng của nhiệt độ Nghiên cứu đã hiệu chỉnh hệ số tương quan chéo trong phương pháp bù nhiệt độ dựa trên phương pháp bù nhiệt độ tần số có hiệu EF Kết quả cho thấy đỉnh đáp ứng trở kháng có xu hướng dịch chuyển về phía trái một khoảng tương ứng với mức nhiệt độ cố định
Nguyễn (2018) [35] đã phát triển mô hình phần tử hữu hạn để mô phỏng hiện tượng hư hỏng do tách lớp trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP Đồng thời, luận văn đã sử dụng thành công chỉ số RMSD chuẩn hóa trong phương pháp trở kháng cơ điện để định vị vị trí hư hỏng do tách lớp đơn xuất hiện trong dầm BTCT có gia cường tấm FRP
Lưu và cộng sự (2020) [36] đã phát triển một mô hình phần tử hữu hạn phục vụ việc chẩn đoán tổn hao lực ứng suất trước trong vùng neo cáp sử dụng đáp ứng trở kháng cơ – điện (Hình 2.7) Ngoài ra bài báo kiểm chứng khả năng và độ nhạy phát hiện tổn hao lực ứng suất trước trong vùng neo cáp từ các chỉ số CC, CCD, RMSD, MAPD
Hình 2.6 Mô hình phần tử hữu hạn vùng neo cáp [36]
Ngô T.V (2020) [37] đã nghiên cứu theo dõi hiện tượng lỏng ở 1 hoặc 2 bu lông tại vị trí liên kết chân cột thép sử dụng đáp ứng trở kháng kết hợp với mạng nơ-ron nhân tạo Kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ số RMSD dùng để chẩn đoán kết cấu có độ nhạy thay đổi theo các miền tần số khác nhau Tuy nhiên, chỉ số RMSD không cung cấp chính xác về mức độ giảm lỏng của bu lông trong liên kết Sau khi đã xác định được miền tần số nhạy cảm, sử dụng kết hợp với mạng ANNs MLP có thể chẩn đoán thành công sự giảm lỏng bu lông xuất hiện trong liên kết
Hồ và cộng sự (2021) [38] đã phát triển thành công một mô hình phần tử hữu hạn để theo dõi tổn hao ứng suất trước trong vùng neo cáp sử dụng đáp ứng trở kháng Các đáp ứng trở kháng thu được từ mô phỏng ANSYS có độ tin cậy cao Bốn chỉ số đánh giá hư hỏng
CC, CCD, RMSD và MAPD được sử dụng để chẩn đoán Mỗi chỉ số có độ nhạy khác nhau phụ thuộc vào mức độ tổn hao và miền tần số khảo sát Kết quả là ba chỉ số CCD, RMSD và MAPD cho kết quả tốt hơn so với chỉ số CC Do đó, phương pháp trở kháng là khả thi, hiệu quả và có khả năng ứng dụng vào kết cấu thực Ngoài ra, mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng kết hợp với đáp ứng trở kháng đã chẩn đoán thành công mức độ hư hỏng của kết cấu.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương pháp trở kháng
Chẩn đoán sức khoẻ kết cấu (Structural Health Monitoring: SHM) được hiểu là quá trình mà qua đó phát hiện và định vị được vị trí hư hỏng của nhiều loại công trình khác nhau (dân dụng, hải quân, cơ khí, hàng không vũ trụ, …) Phương pháp chẩn đoán sức khoẻ kết cấu dựa trên trở kháng cơ-điện (Electro-Mechanical Impedance: EMI) được coi là một phương pháp hứa hẹn nhất cho các hệ thống giám sát Phương pháp này có thể xác định các hư hỏng trong kết cấu bằng cách đo đáp ứng trở kháng của cảm biến gắn trên bề mặt kết cấu cần theo dõi
Vật liệu áp điện có thể được sử dụng như cảm biến ghi nhận biến dạng của kết cấu hoặc như là thiết bị truyền động để kích thích kết cấu Vật liệu áp điện hoạt động theo nguyên lý cảm ứng qua lại giữa tác dụng cơ học và tác dụng điện trường (Hình 3.1) Khi có tác động lực (kéo hoặc nén) làm biến dạng vật thể áp điện thì bên trong vật thể đó sẽ sinh ra một điện trường – hiệu ứng thuận; khi có một điện trường tác động vào vật thể, nó sẽ biến dạng (kéo dài hoặc co ngắn) – hiệu ứng nghịch Bên cạnh đó, nhờ độ cứng cơ học cao, khối lượng thấp, có thể chế tạo nhiều hình dạng và phản ứng cảm biến nhanh, vật liệu áp điện được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực SHM
Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động của vật liệu áp điện [39]
PZT (Lead Zirconate Titanate) được cấu tạo bởi 3 yếu tố chính (chì, zorconi, titan) là một trong số các vật liệu áp điện điển hình, có công thức cấu tạo là Pb[ZrxTi1-x]O3 (0 < X
< 1) Tuỳ vào tỷ lệ Zr/Ti mà PZT sẽ có tính chất cơ – lý khác nhau Phân tử PZT có cấu trúc phân cực theo hướng dao động của các nguyên tử nhiễm điện kẽm (Zr) và Titan (Ti) bên trong bộ khung do các nguyên tử chì (Pb) và oxi (O) tạo thành (Hình 3.2) Sự chuyển động của nguyên tử nhiễm điện (cation) Zr 4+ và Ti 4+ tạo nên một điện trường dọc theo phương chuyển động, từ đó hình thành nên hiệu ứng cảm ứng điện trường trong loại vật liệu thông minh này
Hình 3.2 Cấu trúc tinh thể của PZT (a) ở trạng thái bình thường, (b) dưới tác dụng của điện trường (nguồn: Internet)
Phương dịch chuyển của các cation Zr 4+ và Ti 4+ bị ảnh hưởng bởi phương của lực tác dụng Nguyên nhân chính làm cho cation Zr 4+ và Ti 4+ dịch chuyển là do tác động của lực cơ học Ngoài ra, các yếu tố như: từ trường, nhiệt độ, … cũng có thể là tác nhân kích hoạt sự dịch chuyển của các cation này Tương tác cơ-điện (3-D) của vật liệu áp điện được mô tả bởi hệ phương trình tương thích dưới đây:
+ S ij là tensor ứng suất từ tác động cơ học
+ D j là sự chuyển dịch về điện (Coulomb/m 2 )
+ S ijkl E là ma trận biến dạng đàn hồi ứng khi không có điện trường (E=0)
+ T jkl là hằng số điện môi đo được khi không có tác động cơ học (T=0)
+ d jkl là ma trận hằng số ghép nối điện môi
+ T kl là vec-tơ ứng suất
+ E k là vec-tơ cường độ điện trường
Dạng tường minh của các đại lượng:
3.1.3 Nguyên lý làm việc của hệ thống SHM sử dụng PZT
Hoạt động của phương pháp trở kháng được ứng dụng để tìm hư hỏng trong kết cấu có thể tóm tắt như sau: đầu tiên sử dụng máy phân tích trở kháng tạo một điện áp kích thích hình sin đến tấm PZT được dán lên kết cấu chủ, kích thích điện gây ra kích thích cơ học lên tấm PZT Tấm PZT này được gắn lên kết cấu chủ nhờ một lớp keo cứng Động lực học kết cấu được kích thích dựa trên trở kháng cơ học của kết cấu và một biến dạng tương ứng được đặt trên cảm biến PZT Hệ số giữa điện áp kích thích đặt vào và dòng điện tạo ra từ tấm PZT được gọi là trở kháng điện được đo từ máy phân tích trở kháng Về cơ bản máy phân tích trở kháng đo tần số phản ứng của kết cấu trên toàn bộ sóng kích thích Khi kết cấu bị hỏng các đặc trưng của kết cấu bao gồm khối lượng, độ cứng, và hệ số cản sẽ thay đổi Bất kỳ sự thay đổi các đặc trưng nào của kết cấu sẽ dẫn đến những sự thay đổi trong trở kháng cơ học kết cấu, cũng như tần số phản ứng của kết cấu được đo bởi máy phân tích trở kháng Những thay đổi trong trở kháng đo từ trường hợp không hư hỏng và hư hỏng được dùng để đánh giá hư hỏng kết cấu
Nguyên lý tính toán phương pháp trở kháng thông qua mô hình tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ theo Liang và cộng sự (1994) [1] như sau:
Hình 3.3 Mô hình tương tác cơ điện giữa PZT và kết cấu chủ [1]
Mối quan hệ giữa trở kháng cơ và trở kháng điện được trình bày lần đầu tiên bởi Liang và cộng sự (1994) bởi phương trình sau:
+ Y ( ) : sự dẫn nạp cơ-điện, nghịch đảo của trở kháng cơ-điện (đơn vị Siemens hoặc Ohm -1 ); là hàm tổng hợp của trở kháng cơ của kết cấu chủ, Z s ( ) , và trở kháng cơ của PZT, a ( )
+ Y 11 E (1 j )Y 11 E là mô đun đàn hồi của PZT khi điện trường bằng 0
+ 33 (1 j ) 33 là hằng số điện môi của PZT
+ d 31 là hằng số áp điện của PZT tại ứng suất bằng 0
là số bước sóng, phụ thuộc vào khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của PZT
+ w p là chiều rộng tấm PZT
+ l p là chiều dài tấm PZT
+ t p là chiều dày tấm PZT
+ là hệ số mất mát giảm chấn của tấm PZT
+ là hệ số mất mát điện môi của tấm PZT
Trong công thức (3-9), vế trái là độ dẫn nạp điện dung của cảm biến PZT, vế trái là một hàm số có chứa trở kháng cơ của cảm biến PZTZ a ( ) và của kết cấu Z s ( ) Nếu kết cấu được xem như hệ một bậc tự do, được mô tả bởi một vật thể đơn giản với khối lượng m (khối lượng bản thân kết cấu) gắn cố định bằng một lò xo có độ cứng k (là lực tác động làm lò xo biến dạng một đơn vị chiều dài) cùng với hệ số cản (thể hiện sự tắt dần của dao động của hệ kết cấu) Trở kháng cơ của kết cấu được thể hiện như sau: s
Công thức (3-10) cho thấy trở kháng cơ của kết cấu phụ thuộc vào các đặc trưng động học như khối lượng, hệ số cản và độ cứng của kết cấu Từ công thức (3-9) và (3-10) cho ta thấy bất kỳ sự thay đổi nào về các đặc trưng kể trên cũng thể hiện qua sự thay đổi của đáp ứng trở kháng cơ – điện và ngược lại, sự thay đổi của đáp ứng trở kháng cũng thể hiện sự thay đổi các đặc trưng động học trong kết cấu Ban đầu, các nhà nghiên cứu theo dõi sự thay đổi của đáp ứng trở kháng cơ trong kết cấu để chẩn đoán hư hỏng Tuy nhiên, trở kháng cơ của kết cấu rất khó để đo Vì vậy, trở kháng điện của vật liệu áp điện được lựa chọn để theo dõi Trở kháng cơ – điện Z () là một hàm số phức như công thức sau:
+ V () là điện áp đầu vào cho cảm biến PZT
+ I() là cường độ dòng điện
+ Re Z( ) ,Im Z( ) lần lượt là phần thực và phần ảo của trở kháng cơ-điện
Phần thực của trở kháng đã được chứng minh nhạy với hư hỏng của kết cấu hơn so với phần ảo của trở kháng theo Bhalla và Soh [12] Vì vậy phần thực được sử dụng để theo dõi và chẩn đoán kết cấu Đáp ứng trở thường được đo ở miền tần số cao (>1kHz) nhằm đảm bảo độ nhạy để phát hiện những thay đổi nhỏ trong kết cấu.
Phương pháp đánh giá hư hỏng bằng trở kháng
Có nhiều chỉ số dùng để đánh giá hư hỏng như RMSD, CC, CCD, MAPD, … Mỗi chỉ số thể hiện một đặc trưng riêng của nó Tuỳ vào từng loại kết cấu mà mỗi chỉ số có mức độ hiệu quả khác nhau Trong phạm vi nghiên cứu này, học viên sử dụng chỉ số RMSD để chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu Sun và cộng sự [2] đã sử dụng chỉ số RMSD để định lượng sự thay đổi đáp ứng trở kháng do kết cấu bị hư hỏng, theo dõi thông qua kỹ thuật thống kê để xác định sự thay đổi Chỉ số RMSD được tính toán từ đáp ứng trở kháng đo được từ trước và sau khi xảy ra hư hỏng:
+ Z ( i ) và Z ( * i )trở kháng đo được trước và sau khi xảy ra hư hỏng tại tần số thứ i + N: số lượng dải tần số Đối với chỉ số RMSD, kết cấu được đánh giá như sau:
+ RMSD = 0 kết cấu không bị hư hỏng
+ RMSD > 0 kết cấu bị hư hỏng.
Mạng nơ-ron nhân tạo
3.3.1 Giới thiệu mạng nơ-ron
Mạng nơ-ron nhân tạo ra đời xuất phát từ ý tưởng mô phỏng hoạt động của bộ não con người
Hình 3.4 Mô hình mạng nơ-ron sinh học (nguồn: Internet)
Mạng nơ-ron nhân tạo (hay còn gọi tắt là mạng nơ-ron) là sự tái tạo bằng kỹ thuật những chức năng của hệ thần kinh con người với vô số các nơ-ron được liên kết với nhau nhằm xử lý thông tin Giống như con người, mạng nơ-ron được hình thành bởi kinh nghiệm thông qua huấn luyện, lưu những kinh nghiệm đó và sử dụng trong những tình huống phù hợp Mạng nơ-ron nhân tạo trong một vài năm trở lại đây đã được nhiều người quan tâm và đã áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như tài chính, y tế, địa chất, …
3.3.2 Mô hình của một nơ-ron nhân tạo
3.3.2.1 Mô hình của một nơ-ron nhân tạo
Mạng nơ-ron mô phỏng lại mạng nơ-ron sinh học là một cấu trúc khối gồm các đơn vị tính toán đơn giản được liên kết chặt chẽ với nhau trong đó các liên kết giữa các nơ-ron quyết định chức năng của mạng
Hình 3.5 Cấu trúc nơ-ron nhân tạo (nguồn: Internet)
Mạng nơ-ron gồm các thành phần cơ bản như sau:
+ Tập các đầu vào (Inputs): dữ liệu đầu vào của nơ-ron, tín hiệu thường được đưa vào dạng vectơ N chiều
+ Trọng số liên kết (Synaptic weights): Đây là thành phần rất quan trọng của một mạng nơ-ron, nó thể hiện mức độ quan trọng (độ mạnh) của dữ liệu đầu vào đối với quá trình xử lý thông tin Quá trình học của nơ-ron thực chất là quá trình điều chỉnh giá trị của trọng số liên kết của dữ liệu đầu vào để có được kết quả mong muốn
+ Hàm tổng (Summing function) là hàm tổng của tích số dữ liệu đầu vào với trọng số của nó theo công thức sau:
Với j là độ lệch (bias), thường được đưa vào như một thành phần của hàm truyền
+ Hàm truyền (Transfer function) là hàm giúp kiểm soát phạm vi đầu ra của mỗi nơ- ron Đầu vào là kết quả của hàm tổng và ngưỡng đã cho Thông thường, phạm vi đầu ra của mỗi nơ-ron được giới hạn trong đoạn [0,1] hoặc [-1,1] Các hàm truyền rất đa dạng, có thể là các hàm tuyến tính hoặc phi tuyến Việc lựa chọn hàm truyền phụ thuộc vào từng bài toán và kinh nghiệm của người thiết kế mạng
+ Kết quả (Output): Kết quả của một mạng nơ-ron là một giải pháp cho một vấn đề
3.3.2.2 Một số hàm truyền cơ bản
3.3.2.2.1 Hàm đồng nhất (Linear function, Identity function) f ( x ) x (3-14)
Nếu coi các đầu vào là một đơn vị thì chúng sẽ sử dụng hàm này Đôi khi một hằng số được nhân với net-input để tạo ra một hàm đồng nhất
Hình 3.6 Đồ thị hàm đồng nhất (Identity function) (nguồn: Internet)
3.3.2.2.2 Hàm bước nhị phân (Binary step function, Hard limit function)
Dạng hàm này được sử dụng trong các mạng chỉ có một lớp Trong đồ thị sau,
Hình 3.7 Đồ thị hàm bước nhị phân (Binary step function) (nguồn: Internet)
Hàm này đặc biệt thuận lợi khi sử dụng cho các mạng được huấn luyện (trained) bởi thuật toán lan truyền ngược (back-propagation), bởi vì nó dễ lấy đạo hàm, do đó có thể giảm đáng kể thời gian tính toán trong quá trình huấn luyện Hàm này được ứng dụng cho các chương trình ứng dụng mà các đầu ra mong muốn rơi vào khoảng 0 1 ,
Hình 3.8 Đồ thị hàm Sigmoid (nguồn: Internet)
3.3.2.2.4 Hàm Hyperbolic Tangent (Hyperbolic Tangent function) x x x x e e f ( x ) tanh( x ) e e
Hàm Hyperbolic tangent là một hàm số liên tục có miền xác định là (-∞, ∞) và có miền giá trị là (-1, 1)
Hình 3.9 Đồ thị hàm Hyperbolic Tangent (nguồn: Internet)
Các hàm chuyển của các đơn vị ẩn là cần thiết để biểu diễn sự phi tuyến vào trong mạng
Lý do là hợp thành của các hàm đồng nhất là một hàm đồng nhất Mặc dù vậy nhưng nó mang tính chất phi tuyến (nghĩa là, khả năng biểu diễn các hàm phi tuyến) làm cho các mạng nhiều tầng có khả năng rất tốt trong biểu diễn các ánh xạ phi tuyến Tuy nhiên, đối với luật học lan truyền ngược, hàm phải khả vi và sẽ có ích nếu như hàm được gắn trong một khoảng nào đó Do vậy, hàm sigmoid là lựa chọn thông dụng nhất Đối với các đơn vị đầu ra, các hàm chuyển cần được chọn sao cho phù hợp với sự phân phối của các giá trị đích mong muốn Chúng ta đã thấy rằng đối với các giá trị ra trong khoảng [0,1], hàm sigmoid là có ích; đối với các giá trị đích mong muốn là liên tục trong khoảng đó thì hàm này cũng vẫn có ích, nó có thể cho ta các giá trị ra hay giá trị đích được căn trong một khoảng của hàm kích hoạt đầu ra Nhưng nếu các giá trị đích không được biết trước khoảng xác định thì hàm hay được sử dụng nhất là hàm đồng nhất Nếu giá trị mong muốn là dương nhưng không biết cận trên thì nên sử dụng một hàm kích hoạt dạng mũ
3.3.2.3 Các kiểu mô hình mạng nơ-ron nhân tạo MLP
Mô hình mạng nơ-ron được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình mạng nhiều tầng truyền thẳng (MLP: Multi Layer Perceptron) Một mạng MLP tổng quát là mạng có n (n≥2) tầng (thông thường tầng đầu vào không được tính đến): trong đó gồm một tầng đầu ra (tầng thứ n) và (n-1) tầng ẩn
Hình 3.10 Cấu tạo mạng nơ-ron nhân tạo nhiều tầng (nguồn: Internet)
Một mạng truyền thẳng nhiều lớp bao gồm một lớp vào, một lớp ra và một hoặc nhiều lớp ẩn Các nơ-ron đầu vào thực chất không phải các nơ-ron theo đúng nghĩa, bởi lẽ chúng không thực hiện bất kỳ một tính toán nào trên dữ liệu vào, đơn giản nó chỉ tiếp nhận các dữ liệu vào và chuyển cho các lớp kế tiếp Các nơ-ron ở lớp ẩn và lớp ra mới thực sự thực hiện các tính toán, kết quả được định dạng bởi hàm đầu ra (hàm chuyển) Cụm từ “truyền thẳng” (feed forward) (không phải là trái nghĩa của lan truyền ngược) liên quan đến một thực tế là tất cả các nơ-ron chỉ có thể được kết nối với nhau theo một hướng: tới một hay nhiều các nơ-ron khác trong lớp kế tiếp (loại trừ các nơ-ron ở lớp ra)
Cách thức hoạt động của mạng MLP như sau:
- Mỗi liên kết gắn với một trọng số, trọng số này được thêm vào trong quá trình tín hiệu đi qua liên kết đó Các trọng số có thể dương, thể hiện trạng thái kích thích, hay âm, thể hiện trạng thái kiềm chế Mỗi nơ-ron tính toán mức kích hoạt của chúng bằng cách cộng tổng các đầu vào và đưa ra hàm chuyển Một khi đầu ra của tất cả các nơ-ron trong một lớp mạng cụ thể đã thực hiện xong tính toán thì lớp kế tiếp có thể bắt đầu thực hiện tính toán của mình bởi vì đầu ra của lớp hiện tại tạo ra đầu vào của lớp kế tiếp Khi tất cả các nơ-ron đã thực hiện tính toán thì kết quả được trả lại bởi các nơ-ron đầu ra Tuy nhiên, có thể là chưa đúng yêu cầu, khi đó một thuật toán huấn luyện cần được áp dụng để điều chỉnh các tham số của mạng
- Mạng có nhiều lớp có khả năng học tốt hơn là các mạng chỉ có một lớp, chẳng hạn như mạng hai lớp với lớp thứ nhất sử dụng hàm sigmoid và lớp thứ hai dùng hàm đồng nhất có thể áp dụng để xấp xỉ các hàm toán học khá tốt, trong khi các mạng chỉ có một lớp thì không có khả năng này
3.3.2.4 Huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo
Chức năng của một mạng nơ-ron được quyết định bởi các nhân tố như: hình dạng mạng (số lớp, số đơn vị trên mỗi tầng, và cách mà các lớp được liên kết với nhau) và các trọng số của các liên kết bên trong mạng Hình dạng của mạng thường là cố định, và các trọng số được quyết định bởi một thuật toán huấn luyện (training algorithm) Tiến trình điều chỉnh các trọng số để mạng “nhận biết” được quan hệ giữa đầu vào và đích mong muốn được gọi là học (learning) hay huấn luyện (training) Rất nhiều thuật toán học đã được phát minh để tìm ra tập trọng số tối ưu làm giải pháp cho các bài toán Các thuật toán đó có thể chia làm hai nhóm chính: học có giám sát (supervised learning) và học không có giám sát (unsupervised Learning)
* Học có giám sát (supervised learning)
Học có giám sát là thuật toán dự đoán đầu ra của một dữ liệu mới dựa trên các cặp (input, output) đã có từ trước Đối với học có giám sát các luật học được cung cấp cùng với một tập các biến đầu vào
X x x x và một tập đầu ra tương ứng Y y y 1, 2, ,y N Các cặp dữ liệu tương ứng biết trước x y 1, 1 XYđược gọi là tập dữ liệu huấn luyện Từ đó, chúng ta tìm ra mối quan hệ y f x( ) với mục tiêu là tìm hàm f tốt nhất để khi có 1 giá trị x mới nào đó chúng ta có thể dự đoán được y
Thuật toán này có thể tiếp tục chia nhỏ ra làm 2 loại chính:
+ Phân loại: Một bài toán được gọi là phân loại nếu các output được chia thành một số nhóm hữu hạn Ví dụ: dự đoán tuổi của người trong một phòng ban công ty biết giới hạn độ tuổi là lớn hơn 18 tuổi và nhỏ hơn 60 tuổi
+ Hồi quy: Nếu ouput không được chia thành các nhóm mà là một giá trị thực cụ thể
Ví dụ: một căn nhà có diện tích là X1 (m 2 ) và cách trung tâm thành phố X2 (km) sẽ có giá là bao nhiêu?
* Học không có giám sát (unsupervised learning)
Phương pháp chuẩn đoán kết hợp phương pháp trở kháng cơ - điện và mạng nơ-ron nhân tạo
Phương pháp đáp ứng trở kháng kết hợp với chỉ số đánh giá hư hỏng có thể giúp chúng ta nhận biết được hư hỏng và xác định chính xác vị trí xảy ra hư hỏng Tuy nhiên, phương pháp trên không thể chẩn đoán được mức độ hư hỏng là bao nhiêu Từ vấn đề đó, việc ứng dụng thêm mạng nơ-ron nhân tạo có thể mang lại hiệu quả chẩn đoán tốt hơn
Phương pháp chẩn đoán kết hợp phương pháp trở kháng cơ – điện và mạng nơ-ron nhân tạo được học viên tiến hành theo các bước sau:
+ Bước 1: Mô phỏng kết cấu bằng phần mềm ANSYS và theo dõi đáp ứng trở kháng trong miền tần số 10 kHz – 100 kHz với bước chia là 1kHz
+ Bước 2: Sử dụng chỉ số đánh giá hư hỏng RMSD xác định vị trí hư hỏng của kết cấu đồng thời khảo sát để chọn miền tần số có độ rộng nhỏ hơn nhạy với hư hỏng
+ Bước 3: Theo dõi đáp ứng trở kháng của kết cấu trên miền tần số nhạy đã chọn với bước chia mịn hơn ứng với các trường hợp hư hỏng cần khảo sát
+ Bước 4: Xây dựng mạng ANNs MLP với dữ liệu huấn luyện là đáp ứng trở kháng ứng với từng trường hợp hư hỏng đã thu được ở bước 3 Chẩn đoán mức độ hư hỏng từ tập đáp ứng trở kháng bất kỳ
Hình 3.12 Sơ đồ phương pháp chuẩn đoán kết hợp phương pháp trở kháng cơ - điện và mạng nơ-ron nhân tạo
CÁC BÀI TOÁN KHẢO SÁT
Bài toán 1: Dầm thép
Việc mô phỏng kết cấu và thu thập dữ liệu trở kháng bằng phần mềm ANSYS ADPL là một quy trình phức tạp Do đó, học viên chọn một bài toán dầm thép đơn giản với điều kiện biên tự do để mô phỏng, so sánh kết quả đáp ứng trở kháng giữa mô phỏng và thực tế thí nghiệm Mục đích là để học cách mô phỏng lấy đáp ứng trở kháng và kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp mô phỏng, làm tiền đề để tiến hành thực hiện cho chi tiết kết cấu phức tạp hơn
Trong nghiên cứu của Giurgiutiu và Zagrai (2001) [9], bốn mẫu dầm thép đơn giản (hẹp – mỏng, hẹp – dày, rộng – mỏng, rộng – dày) (Hình 4.1) có điều kiện biên tự do được dùng để khảo sát Tấm PZT với các đặc trưng vật liệu trình bày ở Bảng 4.1 có kích thước 7×7×0.22 mm, gắn cách mép bên trái dầm một khoảng x = 40 mm, sử dụng hiệu điện thế kích thích
V0 = 3 V Học viên chọn một loại dầm thép có thông số như Bảng 4.2 để mô phỏng bằng phần mềm ANSYS, kết quả đáp ứng trở kháng thu được dùng để so sánh với với kết quả thực nghiệm đã công bố để kiểm chứng độ chính xác của mô phỏng
Hình 4.1 Mẫu thí nghiệm dầm thép
Hình 4.2 Máy phân tích trở kháng Bảng 4.1 Đặc trưng vật liệu của PZT Đặc trưng Kí hiệu Giá trị
Hệ số ứng suất cáp điện e 31 -8.70279
Bảng 4.2 Đặc trưng kích thước và vật liệu của mẫu dầm thép khảo sát
Hệ số cản η Dài l Dày h Rộng b (N/m 2 ) (kg/m 3 )
Học viên sử dụng phần mềm ANSYS 17.2 mô phỏng dầm thép không bị hư hỏng có kích thước l = 100 mm, b = 8 mm; h = 2.6 mm trong miền tần số từ 1 kHz – 30 kHz
Hình 4.3 Mô hình dầm thép bằng phần mềm ANSYS
Hình 4.4 Biểu đồ đáp ứng trở kháng của dầm trong miền tần số từ 1 kHz – 30 kHz
Hình 4.5 Biểu đồ so sánh kết quả đỉnh trở kháng giữa mô phỏng và thực nghiệm
Sau khi chạy phân tích, kết quả đáp ứng trở kháng của dầm thu được từ phần mềm được trình bày tại Hình 4.4, số lượng các đỉnh trở kháng của mô phỏng so với thực tế là giống nhau (7 đỉnh) và tốt hơn so với kết quả giải tích (6 đỉnh) Các đỉnh thu được từ mô phỏng có xu hướng lệch sang trái so với các đỉnh thực nghiệm Giá trị các đỉnh trở kháng của mô phỏng có lệch so với thực tế, tuy nhiên sai số khá nhỏ Hình 4.5 (lớn nhất là 3.5%) Sai số này có thể chấp nhận được trong phân tích phần tử hữu hạn
- Sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm là khá nhỏ và có thể chấp nhận được
- Phần mềm ANSYS có độ tin cậy cao trong việc mô phỏng để theo dõi đáp ứng trở kháng Đây là tiền đề để có thể tiến hành mô phỏng giải quyết cho chi tiết kết cấu phức tạp hơn
4.1.2 Dầm thép nứt tại giữa dầm
Sử dụng lại mô hình dầm thép ở Bài toán 1 Tạo vết nứt rộng 1mm, dài 4mm tại giữa dầm (Hình 4.6) Phân tích đáp ứng trở kháng và sử dụng chỉ số RMSD để đánh giá hư hỏng dầm
Hình 4.6 Mô hình dầm thép có vết nứt bằng phần mềm ANSYS
Hình 4.7 Kết quả phân tích trở kháng của dầm có vết nứt ở miền tần số từ 1-30kHz
=1.246 > 0 => Kết cấu bị hư hỏng
+ Khi có sự thay đổi trong kết cấu (xuất hiện vết nứt), đáp ứng trở kháng bị thay đổi
+ Các đỉnh trở kháng có xu hướng đạt giá trị lớn hơn so với tín hiệu ban đầu Lúc này chỉ số RMSD =1.246 > 0 Vậy việc sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS kết hợp chỉ số RMSD có thể theo dõi và chẩn đoán hư hỏng của kết cấu bằng phương pháp trở kháng
Dầm thépDầm thép có nứt
Bài toán 2: Chi tiết liên kết bu lông chân cột tháp thép truyền tải điện
Từ cơ sở của bài toán 1 đã thực hiện và kiểm chứng độ tin cậy của mô phỏng Bài toán phức tạp hơn được tiến hành dựa trên số liệu thiết kế của một công trình thực tế - Chi tiết chân cột tháp truyền tải điện Đây là nội dung khảo sát chính được thực hiện trong luận văn Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng chi tiết chân cột tháp truyền tải điện có gắn PZT lên các vòng đệm của công trình thực tế với hư hỏng là từng bu lông bị lỏng theo các mức độ: 10%, 20%, và 50% để lấy đáp ứng trở kháng Sau đó sử dụng chỉ số RMSD kết hợp với mạng nơ-ron để xác định vị trí và mức độ bu lông bị lỏng từ đáp ứng trở kháng
Cột tháp truyền tải điện thuộc công trình “Trạm biến áp 220 kV Phan Rí” [40] cấp điện áp 220 kV được xây dựng ở xã Hòa Minh, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận nằm trong vùng gió IIA, dạng địa hình B Cột cao 64.5 m tính từ mặt trên của cổ móng đến đỉnh được thiết kế để đỡ dây PHLOX 116 và OPGW 120 tại cao độ đỉnh cột cùng với 12 dây 3×ACSR/MZ 400/51 tại 12 pha dây dẫn Hình 4.8 thể hiện tổng thể hình thức cột thực tế
Hình 4.8 Hình ảnh tổng thể trụ tháp truyền tải điện [40]
Kết cấu chính là một tháp thép được cấu tạo từ các thanh thép góc sử dụng thép SS400 và SS540 (theo tiêu chuẩn JIS) Hình 4.9 thể hiện sơ bộ hình thức cột và tiết diện các thanh chính Cột tháp được liên kết với móng thông qua bản đế và 4 bu lông neo M72 tại mỗi chân Bu lông neo đặt trong cổ móng và được siết chặt theo quy định hiện hành để cố định bản đế (Hình 4.10)
Hình 4.9 Hình thức cột và sơ bộ tiết diện các thanh chính
Hình 4.10 Hình ảnh chân cột thép truyền tải điện [40]
Với cấu tạo đó, lực xiết trong thân bu lông ảnh hưởng rất lớn đến tính toàn vẹn của kết cấu, việc phát triển một mô hình để theo dõi và chẩn đoán hư hỏng là rất cần thiết Lực siết được theo dõi thông qua lực căng trong thân bu lông Chi tiết cấu tạo của liên kết bu lông được thể hiện trong Hình 4.11
Hình 4.11 Bản vẽ chi chân cột tháp truyền tải điện [40]
4.2.1 Thông số liên kết bu lông
Theo các quy định của tập đoàn điện lực Việt Nam, bu lông neo sử dụng thép SS400 (theo tiêu chuẩn JIS), lực căng trong thân bu lông neo được kiểm soát theo theo phương pháp clê lực với các trị số được quy định trong quy phạm ngành thể hiện tại Bảng 4.3:
Bảng 4.3 Bảng trị số lực xiết bu lông neo
Bu lông Moment xoắn (Nm)
Bu lông sử dụng trong liên kết là M72, ta tính được lực căng trong thân bu lông trường hợp không bị lỏng là:
+ P: lực căng trong thân bu lông (kN)
+ d: đường kính bu lông (mm)
+ K: hệ số xác định bằng thí nghiệm, K=0.2
Lực căng trong thân bu lông trong các trường hợp hư hỏng học viên khảo sát được thể hiện trong Bảng 4.4 dưới đây
Bảng 4.4 Lực căng trước danh nghĩa trong thân bu lông trong trường hợp bình thường và hư hỏng
Lực căng trong thân bu lông (kN)
50 229.5 Đặc trưng vật liệu của thép, PZT và bê tông sử dụng trong mô hình được thể hiện lần lượt như sau:
Bảng 4.5 Đặc trưng của vật liệu thép
Thông số Ký hiệu Giá trị
Bảng 4.6 Đặc trưng của vật liệu bê tông
Thông số Ký hiệu Giá trị
Bảng 4.7 Đặc trưng của vật liệu PZT
Tham số Kí hiệu Giá trị
Hệ số ứng suất áp điện (C/m 2 ) e 31 -8.70279 e 33 17.56576 e 15 14.411
Bài toán được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS Kích thước chi tiết liên kết bu lông bao gồm bảng đế dày 60 mm liên kết với mặt móng bằng 4 bu lông neo M72 và các sườn gia cường Các tấm PZT 5A kích thước 15×15×0.3mm và tấm đệm dày 20 mm kích thước 150×150 có khoét lỗ d = 76 mm tại tâm đệm Sử dụng hiệu điện thế Vo = 4 V để kích thích các PZT
4.2.2 Trình tự tiến hành bài toán
Các bước mô phỏng chân cột thép truyền tải điện được trình bày lần lượt theo trình tự dưới đây:
Bước 1: Tạo mô hình khảo sát bằng phần mềm ANSYS Hình 4.12 Các thông số vật liệu dùng để mô phỏng các chi tiết được trình bày ở các bảng Bảng 4.5, Bảng 4.6, Bảng 4.7 Tấm PZT được dán trên bề mặt của tấm đệm
Hình 4.12 Mô hình khảo sát
Bước 2: Tiến hành chia lưới phần tử để khảo sát Đối với tấm PZT, học viên sử dụng lưới với kích thước 1 mm để tăng sự chính xác của kết quả; đối với các chi tiết khác, sử dụng lưới với kích thước là 20 mm Riêng đối với phần bê tông móng, học viên sử dụng lưới với kích thước là 160 mm để giảm khối lượng phần tử và giảm thời gian tính toán (Hình 4.13)
Hình 4.13 Chia lưới phần tử chân cột thép và tấm PZT
Bước 3: Khai báo điều kiện biên bằng cách gán liên kết khớp tại chân phần bê tông móng (Hình 4.14) Lực xiết trong thân bu lông được kiểm soát bằng lực nén tác dụng phân bố đều lên bề mặt tấm đệm
Hình 4.14 Mô hình đã được gắn điều kiện biên
Bước 4: Tiến hành kích thích hiệu điện thế vào tấm PZT tại vị trí bu lông cần khảo sát và thu đáp ứng trở kháng
4.2.3 Kết quả bài toán khảo sát
Tiến hành khảo sát mô hình đối với từng bu lông 1, 2, 3, 4 cho các trường hợp: bình thường, lỏng 10%, lỏng 20%, lỏng 50% Thu thập số liệu, vẽ đồ thị riêng cho từng bu lông và nhận xét
* Kết quả đáp ứng trở kháng đối với bu lông 1
Hình 4.15 Đáp ứng trở kháng của bu lông 1 trong miền tần số 10 – 100 kHz
Hình 4.15 là đồ thị biểu diễn đáp ứng trở kháng tại 4 trường hợp khảo sát của bu lông 1 trong miền tần số 10 - 100 kHz Từ đồ thị trên, học viên có một số nhận xét sau:
- Các đỉnh trở kháng xuất hiện khá nhiều ở miền tần số khảo sát, tuy nhiên chúng tập trung chủ yếu ở 3 miền tần số: 10-35 kHz, 45-60 kHz, 80-90 kHz Đỉnh trở kháng lớn nhất ở miền tần số: 10-35 kHz
- Khi bu lông 1 bị lỏng càng nhiều thì giá trị các đỉnh trở kháng càng lớn và có xu hướng dịch qua phải Ở miền tần số 45-60 kHz và 80-90 kHz, đáp trở kháng nhạy hơn so với các miền còn lại do khi bu lông 1 bị lỏng thì có sự thay đổi lớn hơn
* Kết quả đáp ứng trở kháng đối với bu lông 2
Hình 4.16 Đáp ứng trở kháng của bu lông 2 trong miền tần số 10 – 100 kHz
Hình 4.16 là đồ thị biểu diễn đáp ứng trở kháng tại 4 trường hợp khảo sát của bu lông 2 trong miền tần số 10-100kHz Từ đồ thị trên, học viên có một số nhận xét sau:
- Các đỉnh trở kháng xuất hiện khá nhiều ở miền tần số khảo sát, tuy nhiên chúng tập trung chủ yếu ở 3 miền tần số: 15-30 kHz, 45-60 kHz, 80-90 kHz Đỉnh trở kháng xuất hiện lớn nhất ở miền tần số: 15-30 kHz