Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)

Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)Phát triển và ứng dụng các phương pháp phân tích tín hiệu trong chẩn đoán vết nứt kết cấu hệ thanh ( Luận án tiến sĩ)

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 ĐỐN 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: 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 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 cơng trình khác Tơi xin chịu trách nhiệm lời cam đoan 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 Giới thiệu chung Mục tiêu nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Bố cục luận án CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Bài toán chẩn đoán kỹ thuật cơng trình 1.2 Các phƣơng pháp phát hƣ hỏng kết cấu dựa tham số động lực học kết cấu 1.3 Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hƣ hỏng kết cấu 16 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 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 74 4.1.3 Kết luận 77 4.2 Bài toán phát vết nứt dầm kép mang khối lƣợng tập trung phƣơng pháp phân tích wavelet 78 4.2.1 Kết mô số 81 4.2.2 Ảnh hưởng khối lượng tập trung đến dao động tự hệ dầm kép nguyên vẹn 83 4.2.3 Ảnh hưởng khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên hệ dầm kép chứa vết nứt 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 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 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) M, K, C lần lƣợt ma trận khối lƣợng, độ cứng cản tổng thể 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 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 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 Mơ hình dầm nguyên vẹn 73 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 Hình 4.22 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử cột bên trái, nhiễu 0% 100 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 Hình 4.25 Mơ hình giàn cao tầng 102 Hình 4.26 Xây dựng lại phân bố số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt 103 Hình 4.27 Mối quan hệ chiều cao đỉnh dh với độ sâu vết nứt 104 Hình 5.1 Dầm chứa vết nứt, đặt bàn rung 109 Hình 5.2 Phổ Fourier gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0% 110 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 phòng 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 ... ứng dụng để phân tích tín hiệu dao động mô kết cấu chứa vết nứt Phát triển phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động để phát thay đổi độ cứng phần tử, từ phát vết nứt Thực số thí nghiệm nhằm kiểm chứng... chứa vết nứt 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. .. sử dụng phƣơng pháp kết hợp phân tích dạng dao động thực nghiệm (EMD) phân tích wavelet để phát thay đổi liệu phản ứng kết cấu Phƣơng pháp EMD lần đƣợc sử dụng để phân tích phản ứng động kết cấu