Chẩn đoán vết nứt trong kết cấu hệ thanh bằng phương pháp biến đổi wavelet dạng dao động riêng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Trịnh Anh Hào CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU HỆ THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG Chuyên ngành: Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp Mã số: 62.58.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Trịnh Anh Hào CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU HỆ THANH BẰNG PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI WAVELET DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG Chuyên ngành: Xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp Mã số: 62.58.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS: TRẦN VĂN LIÊN 2. PGS. TS: NGUYỄN VIỆT KHOA HÀ NỘI - 2015 LỜI CẢM ƠN Luận án “Chẩn đoán vết nứt trong kết cấu hệ thanh bằng phương pháp biến đổi wavelet dạng dao động riêng” là kết quả nghiên cứu trong thời gian vừa qua của Tác giả dưới sự hướng dẫn của Phó giáo sư, Tiến sỹ Trần Văn Liên (Trường Đại học Xây dựng) và Phó giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Việt Khoa (Viện Cơ học). Luận án nhằm giải quyết một số vấn đề đặt ra trong lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng của kết cấu công trình. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Trường Đại học Xây dựng, Bộ môn Sức bền vật liệu, Viện Cơ học, các nhà khoa học, đặc biệt là Phó giáo sư, Tiến sỹ Trần Văn Liên và Phó giáo sư, Tiến sỹ Nguyễn Việt Khoa đã hướng dẫn nghiên cứu và tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành Luận án. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, và đây là sự hiểu biết và sự tin tưởng nhất của tôi. Các số liệu, kết quả được đưa ra trong luận án là chính xác, và chưa từng được công bố trong các tài liệu khác. Hà nội, ngày 26 tháng 3 năm 2015 Tác giả luận án Trịnh Anh Hào i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1. Các ký hiệu vii 2. Các chữ viết tắt viii DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ 1. Danh mục các bảng ix 2. Danh mục các sơ đồ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x CHƯƠNG MỞ ĐẦU A. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1 B. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 B.1. Mục đích nghiên cứu 3 B.2. Đối tượng nghiên cứu 4 B.3. Phạm vi nghiên cứu 4 B.4. Phương pháp nghiên cứu 5 B.5. Nội dung nghiên cứu 5 C. Những kết quả chính đạt được trong luận án 6 D. Cấu trúc của Luận án 7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 9 ii 1.1.1. Sự cần thiết phải giải quyết bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 9 1.1.2. Mục đích, nội dung và cơ sở của chẩn đoán kỹ thuật công trình 10 1.1.3. Sơ đồ chung giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 10 1.1.4. Quy trình giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 11 1.2. Phương pháp giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình 13 1.2.1. Phương pháp thử nghiệm 13 1.2.2. Mô hình thực trạng của kết cấu có hư hỏng 14 1.2.3. Tiêu chuẩn đánh giá chẩn đoán 18 1.2.4. Cơ sở dữ liệu cho chẩn đoán 19 1.3. Sơ đồ chẩn đoán hư hỏng kết cấu theo phương pháp chẩn đoán động 20 1.4. Các phương pháp chẩn đoán động 23 1.4.1. Phương pháp dựa trên tần số dao động 24 1.4.2. Phương pháp dựa trên sự thay đổi dạng dao động 25 1.4.3. Phương pháp đo đạc ma trận độ mềm động lực 27 1.4.4. Phương pháp phân tích wavelet dạng dao động 28 1.4.5. Phương pháp dựa trên thuật toán di truyền (thuật toán gen) 29 1.5. Phương pháp độ cứng động lực 31 1.6. Mô hình vết nứt trong phân tích động lực kết cấu hệ thanh 33 1.7. Kết luận chương 1 37 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG HÀM DẠNG VÀ DẠNG DAO ĐỘNG CHO PHẦN TỬ THANH CÓ NHIỀU VẾT NỨT THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỘ CỨNG ĐỘNG LỰC 38 2.1. Mô tả vết nứt của thanh bằng lo xo đàn hồi 38 iii 2.1.1. Độ cứng lò xo đàn hồi của vết nứt trong phần tử dầm phẳng 38 2.1.2. Độ cứng lò xo đàn hồi của vết nứt trong thanh không gian 38 2.2. Hàm dạng của phần tử thanh có nhiều vết nứt chịu kéo, nén hay xoắn 39 2.2.1. Hàm dạng của phần tử thanh nguyên vẹn chịu kéo, nén hay xoắn 39 2.2.2. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh có nhiều vết nứt chịu kéo, nén hay xoắn 41 2.2.3. Hàm dạng của phần tử thanh có nhiều vết nứt chịu kéo, nén hay xoắn 44 2.3. Hàm dạng của phần tử thanh chịu uốn có nhiều vết nứt 45 2.3.1. Hàm dạng của phần tử thanh nguyên vẹn chịu uốn 45 2.3.2. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh chịu uốn có nhiều vết nứt trong mặt phẳng xy 47 2.3.3. Hàm dạng của phần tử thanh chịu uốn có nhiều vết nứt trong mặt phẳng xy 50 2.3.4. Hàm dạng của phần tử thanh chịu uốn có nhiều vết nứt trong mặt phẳng xz 53 2.4. Hàm dạng của phần tử thanh không gian có nhiều vết nứt 53 2.4.1. Ma trận độ cứng động lực của phần tử thanh không gian 53 2.4.2. Hàm dạng của phần tử thanh không gian có nhiều vết nứt 55 2.5. Xác định dạng dao động riêng của hệ thanh không gian có nhiều vết nứt 55 2.5.1. Ma trận độ cứng tổng thể của hệ kết cấu thanh không gian 55 2.5.2. Phương trình xác định tần số và dạng dao động riêng 56 2.5.3. Dạng dao động riêng của hệ kết cấu thanh phẳng có nhiều vết nứt 58 2.5.4. Dạng dao động riêng của hệ kết cấu thanh không gian có nhiều vết nứt 60 iv 2.6. Sơ đồ khối phương pháp xác định dạng dao động của kết cấu hệ thanh phẳng và không gian có nhiều vết nứt 63 2.7. Kết luận chương 2 65 CHƯƠNG 3 XÁC ĐỊNH VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU HỆ THANH BẰNG PHÂN TÍCH WAVELET DỪNG ĐỐI VỚI DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG 66 3.1. Chương trình phân tích sự thay đổi của dạng dao động riêng 66 3.1.1. Sơ đồ khối của chương trình 66 3.1.2. Mô tả chương trình xác định tần số và dạng dao động riêng trên MatLab 66 3.1.3. Kiểm tra độ chính xác của chương trình 68 3.2. Phân tích sự thay đổi của dạng dao động riêng 70 3.2.1. Dầm liên tục nhiều nhịp có nhiều vết nứt 70 3.2.2. Khung phẳng nhiều vết nứt 74 3.2.3. Khung không gian có nhiều vết nứt 81 3.3. Biến đổi wavelet rời rạc và wavelet dừng 86 3.3.1. Cơ sở toán học của biến đổi wavelet 86 3.3.2. Một số họ wavelet thông dụng 89 3.3.3. Nhiễu đo đạc và khử nhiễu 90 3.3.4. Bộ công cụ phân tích wavelet của MatLab 91 3.3.5. Sơ đồ khối phương pháp chẩn đoán vết nứt bằng phân tích wavelet các dạng dao động 93 3.4. Phân tích wavelet dừng đối với dạng dao động riêng của kết cấu hệ thanh 93 3.4.1. Dầm liên tục nhiều nhịp có nhiều vết nứt 93 v 3.4.2. Khung phẳng có nhiều vết nứt 96 3.5. Kết luận chương 3 102 CHƯƠNG 4 XÁC ĐỊNH VẾT NỨT TRONG KẾT CẤU HỆ THANH BẰNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN ĐỐI VỚI PHÂN TÍCH WAVELET DỪNG CỦA CÁC DẠNG DAO ĐỘNG RIÊNG 104 4.1. Giải bài toán tối ưu theo thuật toán di truyền 104 4.1.1. Bài toán tối ưu tổng quát 104 4.1.2. Thuật toán di truyền (GA) 105 4.1.3. Bộ công cụ thuật toán di truyền trong MatLab 109 4.2. Xác định tham số của vết nứt bằng thuật toán di truyền đối với phân tích wavelet dừng của các dạng dao động riêng 111 4.2.1. Đặt bài toán xác định độ sâu vết nứt dưới dạng bài toán tối ưu GA 111 4.2.2. Sơ đồ khối chương trình xác định tham số vết nứt bằng thuật toán di truyền đối với phân tích wavelet dừng của các dạng dao động riêng 112 4.3. Xác định tham số vết nứt của dầm đơn giản 113 4.4. Xác định tham số vết nứt của dầm liên tục nhiều nhịp 115 4.4.1. Dầm có một vết nứt với vị trí thay đổi 115 4.4.2. Dầm có một vết nứt với độ sâu thay đổi 117 4.5. Xác định tham số vết nứt của khung phẳng 119 4.5.1. Khung phẳng có một vết nứt với vị trí thay đổi 119 4.5.2. Khung phẳng có một vết nứt với độ sâu thay đổi 120 4.5.3. Khung phẳng có hai vết nứt trên hai phần tử khác nhau 121 4.6. Kết luận chương 4 124 vi CHƯƠNG 5 THÍ NGHIỆM KIỂM CHỨNG 125 5.1. Mô tả thí nghiệm 125 5.1.1. Thiết bị đo 125 5.1.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm 126 5.1.3. Phần mềm ME'SCOPE 5.0 128 5.2. Phương pháp xác định dạng dao động riêng từ kết quả đo 129 5.3. Kết quả thí nghiệm và so sánh với lý thuyết 133 5.3.1. Kết quả thí nghiệm khung nguyên vẹn 133 5.3.2. Kết quả thí nghiệm khung có một vết nứt 135 5.4. Xác định vết nứt 138 5.4.1. Xác định vị trí vết nứt bằng phân tích wavelet 138 5.4.2. Xác định độ sâu bằng thuật toán di truyền 139 5.5. Kết luận chương 5 139 KẾT LUẬN CHUNG A. Những kết quả mới chủ yếu đạt được trong luận án 141 B. Kiến nghị hướng phát triển tiếp theo của luận án 142 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 [...]... tích wavelet cho các dạng dao động riêng của kết cấu theo phương pháp độ cứng động lực Để làm được được điều này, tác giả bắt đầu từ việc nghiên cứu phát triển bài toán dao động tự do của kết cấu hệ thanh có nhiều vết nứt theo phương pháp độ cứng động lực nhằm xem xét sự thay đổi các dao động riêng của kết cấu khi xuất hiện vết nứt (bài toán thuận phân tích dao động riêng của kết cấu hệ thanh có vết nứt) ... xoắn có nhiều vết nứt theo phương 8 pháp độ cứng động lực kết hợp với phương pháp ma trận chuyển trong đó mô tả vết nứt bằng các lò xo đàn hồi Biểu thức hàm dạng được sử dụng làm cơ sở để xác định dạng dao động riêng và chuyển vị cưỡng bức của kết cấu hệ thanh không gian có nhiều vết nứt Chương 3 Xác định vết nứt trong kết cấu hệ thanh bằng phân tích wavelet dừng đối với dạng dao động riêng Chương này... đồ dạng dao động riêng của khung có vết nứttại vị trí 136 điểm số 4, chiều sâu mỗi phía là 1.5mm (30%h) a) Dạng dao động riêng thứ nhất; b) Dạng dao động riêng thứ hai Hình 5.10: Biểu đồ dạng dao động riêng của khung có vết nứt đã được nội 138 suy (a) Dạng dao động riêng thứ nhất; (b) Dạng dao động riêng thứ 2 Hình 5.11: Phân tích SWT db4 cho dạng dao động riêng của phần tử 1 138 (a) Hệ số SWT của dạng. .. kết quả phân tích sự thay đổi các dao động riêng và kết quả phân tích wavelet cho các kết cấu thanh không gian có nhiều vết nứt theo chương trình được lập trên MatLab® Chương 4 Xác định độ sâu vết nứt trong kết cấu hệ thanh dùng thuật toán di truyền đối với phân tích wavelet dừng của dạng dao động riêng Trình bày phương pháp giải bài toán ngược xác định độ sâu vết nứt bằng thuật toán di truyền từ kết. .. có vết nứt, các hàm dạng này trùng với các hàm dạng của thanh nguyên vẹn đã được tác giả khác công bố 2 Xây dựng được một chương trình phân tích sự thay đổi các dạng dao động riêng của kết cấu hệ thanh không gian có nhiều vết nứt khi các tham số về số lượng, vị trí và độ sâu vết nứt thay đổi Những kết quả phân tích này là mới và tin cậy 3 Đã xây dựng được phương pháp xác định vết nứt trong các kết cấu. .. đặc trưng động lực trong chẩn đoán hư hỏng, nghiên cứu ứng dụng wavelet, cũng như thuật toán di truyền để giái các giải bài toán ngược, từ đó hình thành nên phương pháp xác định tham số vết nứt trong kết cấu Chương 2 Xây dựng hàm dạng và dạng dao động của phần tử thanh có nhiều vết nứt theo phương pháp độ cứng động lực Chương này trình bày cách xây dựng hàm dạng và dạng dao động của phần tử thanh phẳng,... pháp chẩn đoán kỹ thuật công trình nói chung hay bài toán xác định tham số vết nứt trong kết cấu nói riêng Đánh giá những ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp đã được áp dụng, từ đó chọn hướng nghiên cứu Trọng tâm là chẩn đoán các vết nứt trong các kết cấu hệ thanh như dầm liên tục hoặc khung dựa trên các dạng dao động riêng Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp độ cứng động lực, phương pháp ma... của kết cấu hệ thanh phẳng và không gian có nhiều vết nứt dựa vào giải bài toán tối ưu từ các kết quả phân tích wavelet dạng dao động riêng của kết cấu Nghiên cứu và ứng dụng đo đạc khung có vết nứt dựa trên hàm phản ứng tần số để xác định dạng dao động của mô hình thí nghiệm C Những kết quả chính đạt được trong luận án 1 Xây dựng được biểu thức hàm dạng dao động của phần tử thanh thẳng có nhiều vết nứt. .. các mô hình vết nứt trong phân tích dao động Từ đó, xây dựng biểu thức hàm dạng và dạng dao động riêng theo phương pháp độ cứng động lực cho kết cấu hệ thanh không gian có nhiều vết nứt Tìm hiểu và ứng dụng phần mềm Matlab®, các bộ công cụ biến đổi wavelet, bộ công cụ thuật toán di truyền Từ đó ứng dụng vào việc xây dựng thuật toán và chương trình tính toán, phân tích các dạng dao động riêng 6 Thực... dầm liên tục, hệ thanh phẳng, hệ thanh không gian dựa trên các số liệu đo đạc về dạng dao động riêng Phương pháp này gồm hai bước chính: a) Bước 1: Xác định vị trí và số lượng vết nứt được xác định bằng biến đổi wavelet dừng đối với các dạng dao động riêng b) Bước 2: Xác định độ sâu các vết nứt trên cơ sở giải bài toán ngược bằng thuật toán di truyền với hàm mục tiêu là sai số giữa hệ số wavelet chi . 2.5.2. Phương trình xác định tần số và dạng dao động riêng 56 2.5.3. Dạng dao động riêng của hệ kết cấu thanh phẳng có nhiều vết nứt 58 2.5.4. Dạng dao động riêng của hệ kết cấu thanh không. 2015 LỜI CẢM ƠN Luận án Chẩn đoán vết nứt trong kết cấu hệ thanh bằng phương pháp biến đổi wavelet dạng dao động riêng là kết quả nghiên cứu trong thời gian vừa qua của Tác giả. giá chẩn đoán 18 1.2.4. Cơ sở dữ liệu cho chẩn đoán 19 1.3. Sơ đồ chẩn đoán hư hỏng kết cấu theo phương pháp chẩn đoán động 20 1.4. Các phương pháp chẩn đoán động 23 1.4.1. Phương pháp