I. Giới thiệu và đặt vấn đề
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc chẩn đoán hư hỏng trong kết cấu tấm FGM bằng cách sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tiến hóa DE. Vật liệu FGM (Functionally Graded Material) là một loại vật liệu composite tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ bền cao và khả năng chịu nhiệt tốt. Tuy nhiên, việc phát hiện hư hỏng trong các kết cấu này là một thách thức lớn do tính chất phức tạp của vật liệu. Phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tiến hóa DE được đề xuất như một giải pháp hiệu quả để xác định vị trí và mức độ hư hỏng trong các tấm FGM.
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để giải quyết vấn đề chẩn đoán hư hỏng trong các kết cấu composite. Các phương pháp phổ biến bao gồm phương pháp dựa trên sự thay đổi tần số, phương pháp dựa trên độ cong dạng dao động riêng, và phương pháp dựa trên năng lượng biến dạng. Trong đó, phương pháp năng lượng biến dạng đã chứng minh được hiệu quả cao trong việc xác định vị trí hư hỏng. Tuy nhiên, việc kết hợp với các giải thuật tiến hóa như DE để đánh giá mức độ hư hỏng vẫn còn là một lĩnh vực cần được nghiên cứu sâu hơn.
1.2. Ý nghĩa khoa học và tính cấp thiết của đề tài
Việc chẩn đoán hư hỏng trong các kết cấu tấm FGM có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ của các công trình. Phương pháp năng lượng biến dạng kết hợp với giải thuật tiến hóa DE không chỉ giúp xác định vị trí hư hỏng mà còn đánh giá được mức độ hư hỏng, từ đó đưa ra các biện pháp bảo trì và sửa chữa kịp thời. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp như hàng không, dầu khí, và năng lượng hạt nhân.
II. Cơ sở lý thuyết
Luận văn thạc sĩ này dựa trên nền tảng lý thuyết về phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tiến hóa DE. Phương pháp năng lượng biến dạng sử dụng chỉ số MSEBI (Modal Strain Energy Based Index) để xác định vị trí các phần tử có khả năng hư hỏng. Sau đó, giải thuật tiến hóa DE được áp dụng để tối ưu hóa và xác định mức độ hư hỏng của các phần tử này. Quá trình này được thực hiện thông qua việc cực tiểu hóa sự khác biệt giữa các dạng dao động riêng của kết cấu hư hỏng và kết cấu khỏe mạnh.
2.1. Phương pháp phân tử hữu hạn trong phân tích dao động tấm FGM
Phương pháp phân tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để phân tích dao động của các tấm FGM. Phần tử tứ giác 9 nút Q9 được áp dụng để mô phỏng kết cấu tấm. Phương pháp này cho phép xác định chính xác các đặc trưng động lực học của tấm FGM, bao gồm tần số dao động và dạng dao động riêng. Các thông số này là cơ sở quan trọng để thực hiện chẩn đoán hư hỏng.
2.2. Giải thuật tiến hóa DE
Giải thuật tiến hóa DE (Differential Evolution) là một thuật toán tối ưu hóa dựa trên quá trình đột biến, lai ghép và chọn lọc. Trong luận văn thạc sĩ này, DE được sử dụng để tối ưu hóa hàm mục tiêu, cực tiểu hóa sự khác biệt giữa các dạng dao động riêng của kết cấu hư hỏng và kết cấu khỏe mạnh. Quá trình này giúp xác định chính xác mức độ hư hỏng của các phần tử được định vị từ giai đoạn đầu.
III. Phương pháp và kết quả
Luận văn thạc sĩ này đề xuất một phương pháp hai giai đoạn để chẩn đoán hư hỏng trong các kết cấu tấm FGM. Giai đoạn đầu tiên sử dụng chỉ số MSEBI để xác định vị trí các phần tử có khả năng hư hỏng. Giai đoạn thứ hai áp dụng giải thuật tiến hóa DE để đánh giá mức độ hư hỏng của các phần tử này. Ba ví dụ số được thực hiện để đánh giá tính hiệu quả của phương pháp đề xuất. Các kết quả cho thấy phương pháp này có thể xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng trong các tấm FGM, ngay cả trong điều kiện có nhiễu.
3.1. Ví dụ 1 Tấm FGM Al ZrO2 hình vuông
Trong ví dụ đầu tiên, tấm FGM Al/ZrO2 hình vuông được sử dụng để kiểm tra hiệu quả của phương pháp đề xuất. Các kết quả cho thấy chỉ số MSEBI và MSECR đều có khả năng xác định chính xác vị trí hư hỏng. Giải thuật tiến hóa DE sau đó được áp dụng để đánh giá mức độ hư hỏng, cho kết quả chính xác và hội tụ nhanh.
3.2. Ví dụ 2 Tấm FGM Al Al2O3 hình vuông
Ví dụ thứ hai sử dụng tấm FGM Al/Al2O3 hình vuông để đánh giá phương pháp đề xuất trong điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy phương pháp này vẫn duy trì được độ chính xác cao trong việc xác định vị trí và mức độ hư hỏng, ngay cả khi có nhiễu trong dữ liệu đo đạc.
IV. Kết luận và hướng phát triển
Luận văn thạc sĩ này đã đề xuất một phương pháp hai giai đoạn hiệu quả để chẩn đoán hư hỏng trong các kết cấu tấm FGM. Phương pháp này kết hợp phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tiến hóa DE, cho phép xác định chính xác vị trí và mức độ hư hỏng. Các kết quả số cho thấy phương pháp đề xuất có độ tin cậy cao và có thể áp dụng trong thực tế. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải tiến các chỉ số chẩn đoán và tối ưu hóa thuật toán để tăng tốc độ hội tụ và giảm chi phí tính toán.
4.1. Hướng phát triển của đề tài
Trong tương lai, nghiên cứu có thể tập trung vào việc cải tiến các chỉ số chẩn đoán như MSEBI và MSECR để tăng độ chính xác. Ngoài ra, việc tích hợp các giải thuật tiến hóa khác như PSO (Particle Swarm Optimization) hoặc GA (Genetic Algorithm) cũng có thể được xem xét để cải thiện hiệu suất tính toán.
4.2. Ứng dụng thực tế
Phương pháp đề xuất trong luận văn thạc sĩ này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như hàng không, dầu khí, và năng lượng hạt nhân. Việc áp dụng phương pháp này có thể giúp tăng cường độ an toàn và kéo dài tuổi thọ của các kết cấu quan trọng.
