CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Giới thiệu Chẩn đoán kỹ thuật là một lĩnh vực đang được sự quan tâm của rất nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Chẩn đoán kỹ thuật có vai trò đặc biệt quan trọng cho các đối tượng kỹ thuật. Trong đó, việc phát hiện, đánh giá các khuyết tật và hư hỏng trong kết cấu đã và đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều tác giả.
Các khuyết tật này có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực và tuổi thọ của công trình. Trong nhưng năm gần đây, nhiều phương pháp xác định hư hại, khuyết tật trong kết cấu được phát triển dựa vào các thông số động lực học với các giải thuật và cơ sở dữ liệu thử nghiệm khác nhau, với những ưu nhược điểm khác nhau. Để phát triển hoặc lựa chọn SDIM (structural damage identification method) đáng tin cậy, phù hợp thì cần phải hiểu rõ mức độ ảnh hưởng khuyết tật, hư hại trên các đặc tính động lực học của kết cấu. Nhiều nhà nghiên cứu đã khảo sát hư hại bao gồm những thay đổi về tần số tự nhiên (natural frequency), dạng dao động (mode shape), và đường cong dao động (curvature mode shape) với sự thay đổi vị trí và mức độ hư hại.
Một số phương pháp xác định hư hại như: - Phương pháp tần số tự nhiên (Natural frequency-based methods) - Phương pháp dạng dao động ( Mode shape – based methods) - Phương pháp đường cong biến dạng - Phương pháp dựa vào các thông số modal Phương pháp tần số tự nhiên sử dụng sự thay đổi tần số như những tính năng cơ bản để xác định hư hại, các tần số tự nhiên được đo lường thuận lợi và ít bị ảnh hưởng của nhiễu (noise). Liang et al [26] phát triển phương pháp dựa vào ba tần số tự nhiên uốn để xác định vị trí vết nứt và đánh giá mức độ hư hại trong dầm công xôn. Phương pháp này xem vết nứt như một lò xo xoay và nhận độ cứng của nó với vị trí vết nứt cho ba tần số modes thông qua phương trình đặc trưng. Chinchalkar [27] sử dụng phần tử hữu hạn dựa vào phương pháp số tương tự như phương pháp bán phân tích 3 sử dụng kĩ thuật Frobenius để giải quyết các phương trình vi phân chủ đạo và sau đó sử dụng phương pháp số để nhận vị trí vết nứt.
Cách tiếp cận này là tương đối dễ dàng để áp dụng đối với các điều kiện biên khác nhau và chiều cao thay đổi của dầm có thể được mô hình dễ dàng. Kim và Stubbs [28] đã đề xuất một phương pháp chỉ số hư hại duy nhất (SDI – single damage indicator) để xác định vị trí và định lượng vết nứt trong dầm bằng cách sử dụng sự những thay đổi ở trong một vài tần số tự nhiên. Mô hình vị trí và kích thước vết nứt được xây dựng bởi mối liên hệ những thay đổi phân đoạn trong phương thức năng lượng đối với thay đổi trong tần số tự nhiên phụ thuộc do hư hại. So với sử dụng phương pháp tần số tự nhiên, thuận lợi của việc sử dụng dạng dao động (mode shape) và các dẫn xuất của chúng như là tính năng cơ bản cho việc phát hiện hư hại là khá rõ ràng.
Đầu tiên, dạng dao động chứa các thông tin cục bộ nhạy cảm hơn đối với hư hại cục bộ và cho phép chúng được sử dụng trực tiếp trong nhiều phát hiện hư hại. Thứ hai, dạng dao động ít bị ảnh hưởng bởi môi trường như là nhiệt độ. Hạn chế của dạng dao động đầu tiên đó là việc đo lường các dạng dao động đòi hỏi phải có các cảm biến (sensors), thứ hai là đo lường dạng dao động dễ bị nhiễu (noise) hơn tần số tự nhiên. Shi et al [29] đã mở rộng phương pháp định vị trí hư hại (MDLAC – multiple damage location assurance criterions) bằng cách sử dụng dạng dao động không đầy đủ thay vì tần số dao động (modal frequency).
Hai bước để xác định hư hại là xác định sơ bộ vị trí hư hại bằng cách sử dụng đo lường dạng dao động không đầy đủ và sau đó xác định vị trí và mức độ khuyết tật bằng cách đo tần số tự nhiên. Hu và Afzal [30] đã đề xuất một thuật toán thống kê để xác định hư hại trong kết cấu dầm bằng gỗ sử dụng sự khác biệt của các dạng dao động trước và sau hư hại. Sự khác nhau về mức độ, vị trí, số lượng hư hại được mô phỏng bằng cách loại bỏ khối lượng dầm nguyên vẹn để xác minh các thuật toán. Kết quả cho thấy các thuật toán là đáng tin cậy để xác định các hư hại cục bộ về mức độ, vị trí và số lượng.
4 Như một nỗ lực để tăng tính nhạy của dữ liệu dạng dao động đối với hư hại, đường cong mode shape (MSC – mode shape curvature) được nghiên cứu như là một tính năng đầy hứa hẹn trong việc xác định hư hại. Abdel Wahab và De Roeck [31] đã khảo sát độ chính xác của việc sử dụng một xấp xỉ vi phân trung tâm để tính toán MSC dựa vào phân tích phần tử hữu hạn. Các tác giả đã đề nghị rằng phải có một lưới mesh tốt là cần thiết để suy ra các đường cong modal chính xác cho mode bậc cao hơn. Đối với mode đầu tiên sẽ cung cấp đường cong tin cậy nhất trong áp dụng thực tế phụ thuộc vào số lượng giới hạn của các cảm biến cần thiết.
Kim et al [32] đã đề xuất một dạng đường cong dao động dựa vào phương pháp xác định hư hại cho dầm sử dụng biến đổi wavelet. Sử dụng giả định hư hại nhỏ và biến đổi Haar wavelet, một tập hợp các phương trình đại số tuyến tính được cho bởi các hư hại cơ học. Ren và De Roeck [33] đã đề xuất kĩ thuật xác định hư hại từ mô hình phần tử hữu hạn sử dụng những thay đổi tần số và dạng dao động. Phương trình phần tử hư hại được thiết lập thông qua các phương trình trị riêng đặc trưng cho ứng xử động.
Nhiều kĩ thuật được thảo luận và so sánh. Kết quả cho thấy rằng phương pháp SVD-R dựa trên phân tích giá trị đơn (SVD) là hiệu quả nhất. Phương pháp được xác minh bởi mô hình số một dầm đơn giản và dầm liên tục với số các kịch bản mô phỏng hư hại. Phương pháp này tiếp tục được kiểm chứng bằng một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của một dầm bê tông cốt thép.
Wang và Qiao [34] đã phát triển một phương pháp nhiễu loạn tổng quát liên quan đến nhiều thông số nhiễu loạn cho các vấn đề trị riêng với những thay đổi trong các tham số độ cứng. Phương pháp nhiễu loạn sau đó được sử dụng lặp đi lặp lại với một phương pháp tối ưu để xác định các thông số độ cứng của kết cấu. Các phương pháp ngược tổng quát được sử dụng hiệu quả với các nhiễu loạn bậc đầu tiên, và các phương pháp gradient và quasi-Newton được sử dụng với các nhiễu loạn bậc cao. Tổng quan về đề tài nghiên cứu 1.
Tổng quan về vật liệu composite và mô hình WSFE Vật liệu composites có nhiều thuộc tính thuận lợi, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng dân dụng, cơ khí và kỹ thuật hàng không… Kết cấu 5 composites theo phương ngang có cường độ nhỏ hơn nên rất dễ bị khuyết tật-hư hại như gãy sợi, bong liên kết sợi, hay tách lớp, trong đó tách lớp là phổ biến nhất, sự tách lớp có thể có nguồn gốc trong suốt quá trình chế tạo hay có thể do sử dụng gây ra, chẳng hạn như do tác động hay do mỏi tải. Sự tách lớp không chỉ ảnh hưởng đến cường độ và tính toàn vẹn của kết cấu mà còn làm giảm độ cứng, làm ảnh hưởng đến độ dao động và đặc tính ổn định. Vì vậy tính cấp thiết trong việc xác định vị trí yếu nhất và phát hiện các khuyết tật và hư hỏng ở giai đoạn sớm để tránh xảy ra phá hoại trong tương lai. Phân tích truyền sóng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu chẩn đoán kết cấu.
Việc sử dụng hợp lí các kỹ thuật này yêu cầu phải có kiến thức tốt về ảnh hưởng của các khuyết tật trên các đặc tính sóng. Điều này cần mô hình chính xác và tính toán hiệu quả kết cấu composite có khuyết tật. Những vấn đề này thường được giải quyết trong miền tần số sử dụng phương pháp Fourier, có thể về nguyên tắc đạt được độ chính xác cao trong phép lấy vi phân bằng số. Một phương pháp như vậy là FFT (fast Fourier transform) dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn phổ (FSFEM).
Trong FSFEM, các phương trình đạo hàm riêng PDEs (partial differential equations) được chuyển đổi đến phương trình đạo hàm thường ODEs (ordinary differential equations) sử dụng FFT theo thời gian. Các phương trình đạo hàm thường (ODEs) này sau đó thường được giải quyết chính xác, được sử dụng như hàm nội suy để xây dựng FSFE. Hạn chế chính của FSFEM là không thể xử lí ống dẫn sóng (waveguides) có kích thước ngắn, hoàn toàn làm gián đoạn các phản ứng. Wavelets hỗ trợ thu gọn có các hàm cơ sở cục bộ có thể sử dụng hiệu quả đối với ống dẩn sóng có kích thước hữu hạn.
Wavelet dựa vào phương pháp phần tử hữu hạn phổ (WSFEM) có phương pháp tiếp cận rất giống với FSFEM, ngoại trừ hàm tỉ lệ Daubechies được sử dụng để xấp xỉ theo thời gian để rút gọn phương trình đạo hàm riêng (PDEs) thành phương trình đạo hàm thường (ODEs). Phương pháp tiếp cận này loại bỏ các vấn đề liên quan trong FSFEM và do đó đòi hỏi một miền thời gian nhỏ hơn cho cùng một vấn đề. Hơn nữa, như một hệ quả, WSFEM có thể được sử dụng đối với kết cấu không cản có kích thước hữu hạn, điều 6 mà FSFEM không thực hiện tốt bằng. Kỹ thuật này (WSFEM) được dựa trên các đáp ứng, phương pháp tiếp cận các đáp ứng dữ liệu có liên quan trực tiếp đến hư hại.
Phương pháp này nhanh và ít tốn kém. Trong luận văn này, mô hình phần tử hữu hạn phổ wavelet (WSFE) của dầm composite tách lớp được xây dựng giống như biến đổi nhanh Fourier (FFT – fast Fourier transform) dựa vào phương pháp mô hình phần tử hữu hạn phổ Fourier (FSFE - Fourier based spectral finite element) được thực hiện bởi Nag et al [15] ngoại trừ sử dụng hàm tỉ lệ Daubechies xấp xỉ theo thời gian để rút gọn các phương trình đạo hàm riêng (PDEs) đến các phương trình đạo hàm thường (ODEs). Điều này giúp phân tích chính xác hơn đối với kết cấu có kích thước hữu hạn điều mà phương pháp phần tử hữu hạn phổ Fourier (FSFEM) còn hạn chế.