Mô phỏng quá trình truyền sóng âm trong vật liệu bê tông để đánh giá đặc tính và khuyết tật bên trong

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG VẬT LIỆU BÊ TƠNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH VÀ KHUYẾT TẬT BÊN TRONG Mã số: B2017-ĐN02-32 Chủ nhiệm đề tài: GV THS VƯƠNG LÊ THẮNG Đà nẵng, Tháng 05/2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MÔ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG VẬT LIỆU BÊ TƠNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH VÀ KHUYẾT TẬT BÊN TRONG Mã số: B2017-ĐN02-32 Xác nhận tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài Vương Lê Thắng Đà nẵng, Tháng 05/2019 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Đơn vị công tác TT Họ tên Chữ ký lĩnh vực chuyên môn Vương Lê Thắng Khoa Xây dựng DD&CN, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lê Cung Khoa Cơ khí giao thơng, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Lê Xuân Dũng Khoa Xây dựng DD&CN, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU (TIẾNG VIỆT) THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU (TIẾNG ANH) CHƯƠNG 1: PHƯƠNG TRÌNH CHI PHỐI LAN TRUYỀN……………………………………………………9 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP PTHH GIẢI PHƯƠNG TRÌNH LAN TRUYỀN SĨNG………………………… CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG……………….…11 KẾT LUẬN CHUNG…………………………………… 19 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Mô q trình truyền sóng âm vật liệu bê tơng để đánh giá đặc tính khuyết tật bên - Mã số: B2017-ĐN02-32 - Chủ nhiệm đề tài: GV THS Vương Lê Thắng - Tổ chức chủ trì: Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 05/2017-05/2019 Mục tiêu: Xây dựng mơ hình tốn học cho q trình lan truyền sóng âm bê tơng Xây dựng chương trình mơ qua cơng cụ tốn học Matlab Mô với phần mềm ANSYS để so sánh đối chiếu kết Tính sáng tạo: Xây dựng mơ hình tốn học cho q trình lan truyền sóng âm bê tơng Xây dựng chương trình mơ qua cơng cụ tốn học Matlab Kết nghiên cứu: - Mơ hình hóa q trình lan truyền sóng âm bê tơng - Mơ lan truyền sóng siêu âm mẫu bê tơng với cốt thép, lỗ rỗng vết nứt Sản phẩm: - Sản phẩm khoa học: 01 báo nước 01 báo tạp chí nước ngồi (chỉ số Scopus) 7 - Sản phẩm đào tạo: báo cáo báo cáo thuộc đề tài nghiên cứu sinh - Sản phẩm ứng dụng: chương trình mơ lan truyền sóng siêu âm bê tơng qua cơng cụ toán học Matlab Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: không Ngày tháng năm Tổ chức chủ trì (ký, họ tên, đóng dấu) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Simulation of ultrasonic wave propagation in concrete materials to evaluate internal characteristics and defects Code number: B2017-ĐN02-32 Coordinator: Lecturer Master Vương Lê Thắng Implementing institution: University of Danang Duration: from 05/2017 to 05/2019 Objective(s): Elaboration of mathematical models for the propagation of ultrasonic wave in concrete Elaboration of a simulation program using Matlab mathematical tool Simulation with ANSYS software to verify Matlab simulation program results Creativeness and innovativeness: Elaboration of mathematical models for the propagation of ultrasonic wave in concrete Elaboration of simulation program using Matlab mathematical tool Research results: - Mathematical models of the propagation of ultrasonic wave in concrete - Simulation of ultrasonic wave propagation in concrete samples with reinforcement, inclusions and cracks Products: - Scientific products: 01 national article and 01 international journal article (Scopus index) 9 - Training products: Reports and of the thesis research topic - Applied products: a program to simulate the propagation of ultrasonic wave in concrete using Matlab mathematical tools Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: no 10 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG TRÌNH CHI PHỐI SĨNG ÂM TRONG MÔI TRƯỜNG ĐÀN HỒI Tại thời điểm t xét, xét thể tích V giới hạn mặt S mơi trường chuyển động Trong tồn thể tích, trường vận tốc v , chịu tác dụng lực khối K , biên S phần tử chịu tác dụng vec tơ ứng suất Tn Phương trình chuyển động phần tử môi trường viết sau: Ti v  K   xi t (1 1) Với Ti ba thành phần vec tơ ứng suất Tn ba tiết diện trực giao phần tử xét Chiếu phương trình (1.1) lên ba trục tọa độ, ta có:  ij xi  K j   v j t (1 2) Các phương trình (1.1) (1.2) phương trình lan truyền sóng âm, chi phối sóng mơi trường đàn hồi đẳng hướng CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN GIẢI BÀI TỐN LAN TRUYỀN SĨNG 11 Phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp rời rạc hóa hệ liên tục có vơ hạn bậc tự thành hệ hữu hạn bậc tự Phương pháp bao gồm nội dung sau đây: - Chia vật thể liên tục thành số hữu hạn phần tử có kích thước nhỏ (phần tử hữu hạn), phần tử hữu hạn liên kết với nút - Chuyển vị nút gồm chuyển vị tịnh tiến chuyển vị quay gọi bậc tự nút Tập hợp bậc tự nút tạo thành vec tơ chuyển vị nút, ký hiệu  Q  Q1 , Q2, , QN  T Trạng thái ứng suất, biến dạng, chuyển vị điểm phần tử hữu hạn biểu diễn qua vec tơ chuyển vị nút hàm dạng - Từ nguyên lý học, ta thiết lập phương trình phương pháp phần tử hữu hạn toán động lực học: (t )  CQ (t )  KQ (t )  F (t ) MQ (2 1) Trong đó: M, C, K, F ma trận khối lượng, ma trận giảm chấn, ma trận độ cứng vec tơ tải trọng - Áp dụng điều kiện biên động học giải phương trình (2.1) chuyển vị nút U xác định trạng thái ứng suất, biến dạng, chuyển vị điểm vật thể liên tục 12 - Trên sở giải phương trình cân động lực học hay phương trình chuyển động (3.15), xác định chuyển vị điểm khác vật thể theo thời gian, áp đặt điều kiện kích thích ban đầu (thể nguồn phát sóng âm) từ mơ lan truyền sóng âm vật thể đàn hồi CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG SỐ VÍ DỤ KHẢO SÁT Các mẫu khảo sát thể hình Ðiểm phát sóng Ðiểm phát sóng x Ðiểm Ðiểm Ðiểm Lỗ trống 15cm 3c m Ðiểm Ðiểm Ðiểm Ðiểm 15cm y Ðiểm phát sóng x Ðiểm 3c m (b) Mẫu Ðiểm phát sóng Ðiểm Vết nứt mở 15cm 15cm 2mm 10cm Ðiểm Ðiểm Ðiểm Ðiểm (c) Mẫu x Ðiểm 15cm y 15cm 15cm y (a) Mẫu Ðiểm Cốt thép x Ðiểm 15cm y (d) Mẫu Hình Hình dạng mẫu 13 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG TỪ CHƯƠNG TRÌNH MATLAB Hình ảnh lan truyền sóng siêu âm mẫu Hình ảnh hai chiều lan truyền sóng siêu âm mẫu khảo sát hình thời gian mơ phỏng, thể hình Hình Lan truyền sóng siêu âm mẫu Phân tích chuyển vị điểm nhận sóng Đối với khối bê tông (mẫu 1), khảo sát giá trị chuyển vị điểm 1, điểm điểm 3, kết thể hình Kết cho thấy sóng đến điểm trước, sau đến điểm điểm Điều hoàn toàn phù hợp, điểm gần nguồn phát sóng điểm 14 Hình Giá trị chuyển vị điểm 1, mẫu Hình Giá trị chuyển vị điểm mẫu khảo sát Kết thể qua hình cho thấy sau: - Ở mẫu 1(bê tơng) mẫu (bê tơng có thép giữa) sóng siêu âm đến điểm khảo sát điểm trước có giá trị lớn so với mẫu (lỗ trống) mẫu (vết nứt) - Trường hợp mẫu (vết nứt) sóng siêu âm đến điểm khảo sát điểm chậm giá trị chuyển vị nhỏ 15 Các kết khảo sát hoàn tồn phù hợp lỗ trống (mẫu 2) vết nứt (mẫu 4) ngăn cản đáng kể lan truyền sóng siêu âm đến điểm nhận sóng Đây kết quan trọng, giúp nhận diện khuyết tật (lỗ trống) vết nứt bên mẫu kỹ thuật siêu âm Đánh giá đặc tính lan truyền sóng ngang sóng dọc Sóng siêu âm có nhiều dạng [11, 12] như: sóng ngang, sóng dọc, sóng bề mặt,…Sóng bề mặt thường dùng để đánh giá khuyết tật gần bề mặt mẫu khảo sát [42] Đặc điểm sóng ngang lan truyền chậm sóng dọc lượng sóng ngang lại lớn sóng dọc Do vậy, xác định khuyết tật bên mẫu thường sử dụng sóng ngang để khảo sát mà khơng dùng sóng dọc [43] Để kiểm tra tính chất này, báo cáo tiến hành khảo sát giá trị chuyển vị điểm điểm thuộc trường hợp mẫu hình 8a Do kích thích chuyển vị theo phương y điểm nhận sóng, chuyển vị điểm sóng dọc (phương dịch chuyển trùng phương lan truyền sóng), điểm sóng ngang (vì phương dịch chuyển vng góc với phương lan truyền sóng) Kết khảo sát thể qua hình 8b 16 Hình a) Vị trí điểm phát nhận sóng, b) Giá trị chuyển vị điểm điểm hình 8a Kết điểm 1, biên độ lớn ứng với bước thời gian k=110, điểm ứng với k=140 Điều chứng tỏ sóng dọc lan truyền với nhanh sóng ngang Hơn nữa, biên độ giá trị chuyển vị sóng ngang lớn gấp khoảng hai lần so với sóng dọc Điều khẳng định lượng sóng ngang lớn khoảng hai lần so với sóng dọc Đây đặc tính quan trọng, sóng siêu âm lan truyền vật kiểm bị suy giảm lượng, muốn xác định khuyết tật nằm sâu bên cần thiết sử dụng sóng ngang để xác định Ngồi việc sử dụng sóng ngang để xác định khuyết tật, đặc điểm quan trọng cần thiết phải sử dụng sóng siêu âm có tần số cao [5, 44] Các sóng có tần số lớn mang lượng lớn, từ xác định khuyết tật nằm vật kiểm Vì vậy, nội dung 17 báo cáo đánh giá ảnh hưởng tần số phát sóng đến giá trị chuyển vị điểm nhận sóng Ảnh hưởng tần số đến suy giảm biên độ sóng Đề tài tiến hành khảo sát ảnh hưởng tần số phát sóng đến suy giảm biên độ sóng điểm nhận sóng với hai giá trị tần số f=50,000Hz f=100,000Hz Giá trị chuyển vị điểm thể hình Hình Giá trị chuyển vị điểm ứng với hai trường hợp f=50kHz f=100kHz Kết hình cho thấy biên độ chuyển vị sóng lan truyền khối bê tơng có lỗ trống hình tròn (mẫu 18 2) có vết nứt (mẫu 3) giảm đáng kể so với giá trị biên độ mẫu khơng có khuyết tật Mức độ suy giảm biên độ ứng với mẫu so với mẫu 1: 30% (f=50kHz) 40% (f=100kHz), ứng với mẫu so với mẫu 1: 15% (f=50kHz) 20% (f=100kHz) Đối với trường hợp, tần số phát sóng cao suy giảm biên độ sóng Điều giải thích cho việc cần thiết phải sử dụng sóng siêu âm có tần số cao cho cơng tác kiểm tra khuyết tật Để kiểm tra tính đắn chương trình mơ Matlab, báo cáo thực việc mô thêm phần mềm ANSYS KẾT LUẬN Trên sở mơ hình tốn học mơ q trình lan truyền sóng siêu âm, bước giải thuật tốn giải phương trình chi phối lan truyền sóng siêu âm mơi trường đàn hồi, đồng nhất/không đồng đẳng hướng, xây dựng thành cơng chương trình mơ sử dụng cơng cụ tốn học Matlab, đồng thời tiến hành mơ số cho trường hợp khác mẫu thử: khối bê tơng, khối bê tơng có cốt thép, có lỗ trống có vết nứt mở, hai phương pháp PTHH SPHH Bên cạnh đó, để kiểm chứng kết phần mềm Matlab 19 xây dựng, tiến hành mô số cho mẫu tương ứng phần mềm ANSYS Các kết việc mơ số sau: - Cho hình ảnh lan truyền sóng siêu âm mẫu bê tông theo không gian thời gian - Kết giá trị chuyển vị điểm thu nhận sóng thuộc bốn mẫu khác Các giá trị phù hợp với đặc tính lan truyền sóng siêu âm - Kết giá trị chuyển vị điểm khảo sát với trường hợp mẫu thử khác (khơng có khuyết tật có khuyết tật) khác Từ kết giúp ta đánh giá đặc tính khuyết tật bên mẫu - Tiến hành khảo sát đặc tính lan truyền sóng ngang sóng dọc Từ khẳng định rằng, sóng ngang lan truyền chậm sóng dọc, nhiên lượng sóng ngang lớn sóng dọc Điều giải thích cho việc sóng ngang thường sử dụng để xác định khuyết tật bên bê tông - Kết khảo sát suy giảm biên độ sóng với hai tần số 50khz 100khz Từ kết cho thấy với sóng siêu âm có tần số cao (f=100khz) mức độ suy giảm so với sóng có tần số thấp (f=50khz) Điều lý giải cho 20 việc sử dụng sóng siêu âm tần số cao cho công tác kiểm tra nhận dạng khuyết tật bên bê tông - Tiến hành kiểm tra đối chiếu kết chương trình Matlab xây dựng với kết mô tương ứng phần mềm ANSYS Kết mô số hai chương trình tương đồng Điều kiểm chứng cho tính đắn chương trình xây dựng qua cơng cụ hỗ trợ tốn học Matlab KẾT LUẬN CHUNG Các nội dung nghiên cứu Đề tài kết sau đây: - Trên sở phương trình chuyển động phần tử môi trường đàn hồi, báo cáo xây dựng phương trình lan truyền sóng âm mơi trường đàn hồi, đồng đẳng hướng - Đề tài phân tích chất phương pháp, ưu nhược điểm phương pháp, phạm vi áp dụng chúng, từ chọn phương pháp phù hợp cho việc mơ lan truyền sóng âm môi trường đàn hồi, cụ thể kết cấu bê tông - Xây dựng phương pháp, thuật giải lưu đồ thuật toán giải tốn lan truyền sóng mơi trường đàn hồi, tuyến tính, đồng khơng đồng nhất, đẳng hướng 21 - Xây dựng chương trình Matlab nhằm mơ lan truyền sóng âm mơi trường đàn hồi, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn phương pháp phần tử hữu hạn - Tiến hành mô số phần mềm Matlab xây được tiến hành kiểm chứng kết mô số với kết sử dụng phần mềm ANSYS - Từ kết mô số, giúp ta đánh giá đặc tính khuyết tật bên mẫu Các kết việc mơ số sau: o Cho hình ảnh lan truyền sóng siêu âm mẫu bê tông theo không gian thời gian o Kết giá trị chuyển vị điểm thu nhận sóng thuộc bốn mẫu khác Các giá trị phù hợp với đặc tính lan truyền sóng âm o Kết chuyển vị điểm với nhiều trường hợp khảo sát (khơng có khuyết tật bên trong) khác Từ kết giúp ta đánh giá đặc tính khuyết tật bên o Khảo sát đặc tính lan truyền sóng ngang sóng dọc Từ khẳng định rằng, sóng ngang lan truyền chậm sóng dọc, lượng sóng ngang lớn Điều giải thích cho việc sóng ngang 22 thường sử dụng để xác định khuyết tật bên bê tông o Kết khảo sát suy giảm biên độ sóng với hai tần số 50khz 100khz cho thấy với sóng siêu âm có tần số cao (f=100khz) mức độ suy giảm so với sóng có tần số thấp (f=50khz) Từ cần thiết sử dụng sóng siêu âm tần số cao cho công tác kiểm tra nhận dạng khuyết tật bên bê tông o Tiến hành kiểm tra đối chiếu kết chương trình Matlab xây dựng với kết mô tương ứng phần mềm ANSYS Kết mô số hai chương trình tương đồng Hướng nghiên cứu đề tài (Dự kiến) - Tiến hành mô cho tốn lan truyền sóng, với giả thiết vật liệu bê tông gồm hai vật liệu cốt liệu vữa xi măng để mô (khác với Đề tài coi bê tông vật liệu đồng nhất) Để thực việc này, đề tài sử dụng gieo ngẫu nhiên theo phương pháp Monte Carlo sử dụng xử lý ảnh để nhận dạng mặt cắt ngang mẫu bê tông - Trên sở tín hiệu (chuyển vị) nhận điểm nhận sóng, xây dựng phương pháp ứng dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu, nhằm để nhận dạng khuyết tật (vết nứt dọc, ngang, nghiêng, lỗ rỗng) hay cốt thép… bên bê tông 23 - Tiến hành thí nghiệm mẫu tương tự mơ mơ hình, nhằm đối chiếu, so sánh với kết mô số  ... BÁO CÁO TĨM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG MƠ PHỎNG Q TRÌNH TRUYỀN SĨNG ÂM TRONG VẬT LIỆU BÊ TƠNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH VÀ KHUYẾT TẬT BÊN TRONG Mã số: B2017-ĐN02-32 Xác nhận... khuyết tật có khuyết tật) khác Từ kết giúp ta đánh giá đặc tính khuyết tật bên mẫu - Tiến hành khảo sát đặc tính lan truyền sóng ngang sóng dọc Từ khẳng định rằng, sóng ngang lan truyền chậm sóng. .. lan truyền sóng siêu âm đến điểm nhận sóng Đây kết quan trọng, giúp nhận diện khuyết tật (lỗ trống) vết nứt bên mẫu kỹ thuật siêu âm Đánh giá đặc tính lan truyền sóng ngang sóng dọc Sóng siêu âm