Phát Triển Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng Để Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Tấm

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN ÁN

ABSTRACT

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1. Lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán kết cấu

1.2. Phương pháp phát hiện hư hỏng dựa vào đặc trưng dao động

1.3. Phương pháp năng lượng biến dạng

1.4. Thuật toán di truyền

1.5. Kết cấu tấm và một số dạng hư hỏng thường gặp

1.6. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

1.6.1. Mục tiêu nghiên cứu

1.6.2. Nội dung nghiên cứu

1.6.3. Phương pháp nghiên cứu

1.6.4. Phạm vi nghiên cứu

1.6.5. Tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn

1.6.6. Những đóng góp mới của luận án

1.6.7. Cấu trúc của luận án

2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1. Tình hình nghiên cứu tổng quan về VBDI

2.2. Các cấp độ điều khiển sức khỏe kết cấu

2.3. Phương pháp dựa vào mô hình và không dựa vào mô hình

2.4. Các kỹ thuật khoanh vùng hư hỏng dựa vào đặc trưng dao động

2.4.1. Phương pháp dựa vào thay đổi tần số

2.4.2. Phương pháp dựa vào thay đổi dạng dao động

2.4.3. Phương pháp dựa vào độ cong dạng dao động

2.4.4. Phương pháp dựa vào năng lượng biến dạng

2.5. Các kỹ thuật định lượng hư hỏng

2.5.1. Các phương pháp cập nhật mô hình phần tử hữu hạn

2.5.2. Các thuật toán tối ưu

2.5.3. Các phương pháp học máy (machine learning)

2.5.4. Các phương pháp kết hợp

2.6. Các giới hạn và khoảng trống của các nghiên cứu hiện tại

3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Phân tích dao động tự do tấm sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

3.2. Phân tích dao động

3.3. Tiêu chuẩn so sánh các dạng dao động (Modal Assurance Criterion: MAC)

3.3.1. Công thức xác định MAC

3.3.2. Ứng dụng của chỉ tiêu MAC trong lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng

3.4. Phương pháp năng lượng biến dạng

3.4.1. Phương pháp năng lượng biến dạng tổng thể (global MSE)

3.4.2. Ngưỡng hư hỏng (damage threshold)

3.4.3. Phương pháp năng lượng biến dạng cục bộ (local MSE)

3.4.4. Phương pháp sai phân trung tâm

3.4.5. Phương pháp xấp xỉ năng lượng biến dạng dựa vào phần tử Q4

3.4.6. Phương pháp xấp xỉ năng lượng biến dạng dựa vào phần tử Q9

3.5. Chỉ số đánh giá kết quả chẩn đoán phần tử hư hỏng

3.5.1. Chỉ số đánh giá kết quả chẩn đoán vùng hư hỏng (chỉ số A)

3.5.2. Chỉ số đánh giá kết quả chẩn đoán vùng không hư hỏng (chỉ số B)

3.5.3. Chỉ số đánh giá kết quả chẩn đoán tổng thể (chỉ số C)

3.5.4. Chỉ số đánh giá mức độ chẩn đoán sai vùng hư hỏng (chỉ số D)

3.6. Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm: GA)

3.6.1. Khái niệm và các quá trình của thuật toán di truyền

3.6.2. Định nghĩa về hư hỏng

3.6.3. Thông số thuật toán di truyền

3.7. Thuật toán di truyền lặp (iterative genetic algorithm)

3.8. Đề xuất phương pháp

4. CHƯƠNG 4: CÁC BÀI TOÁN PHÂN TÍCH

4.1. Bài toán 1: Chẩn đoán vị trí hư hỏng trên tấm nhôm

4.1.1. Thông số bài toán

4.1.2. Các kịch bản hư hỏng

4.1.3. Kết quả phân tích dao động

4.1.4. Kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng

4.1.5. Chẩn đoán vị trí hư hỏng sử dụng thuật toán tổng thể và cục bộ sử dụng phần tử Q9

4.2. Bài toán 2: Chẩn đoán vị trí và mức độ hư hỏng trên tấm bê tông

4.2.1. Thông số bài toán kiểm chứng

4.2.2. Các kịch bản hư hỏng phân tích

4.2.3. Kết quả phân tích dao động

4.2.4. Kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng

4.2.5. Kết quả chẩn đoán mức độ hư hỏng bằng GA thông thường

4.2.6. Kết quả chẩn đoán mức độ hư hỏng sử dụng thuật toán di truyền lặp

5. CHƯƠNG 5: CHẨN ĐOÁN HƯ HỎNG CHO SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG

5.1. Phân tích tĩnh học tấm sàn bê tông cốt thép bốn cạnh tựa đơn

5.1.1. Mô hình kết cấu bê tông cốt thép bằng ANSYS

5.1.2. Thông tin đầu vào

5.1.3. Kết quả tính tải gây nứt, tải phá hoại

5.2. Phân tích dao động tấm BTCT bốn cạnh tựa đơn

5.2.1. Dạng dao động và tần số tự nhiên

5.2.2. Kiểm chứng kết quả

5.3. Chẩn đoán vị trí xuất hiện vết nứt trong tấm tại một số cấp tải

5.3.1. Cấp tải gây nứt, q1 = qcrack = 3.134

6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Về Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng Kết Cấu Tấm

Kết cấu tấm đóng vai trò then chốt trong nhiều công trình kỹ thuật. Trong quá trình vận hành, các kết cấu tấm này thường xuyên chịu tác động từ môi trường và tải trọng, dẫn đến sự xuất hiện của các hư hỏng kết cấu. Việc chẩn đoán hư hỏng sớm là vô cùng quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của công trình. Phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) nổi lên như một giải pháp hiệu quả, cho phép đánh giá tình trạng kết cấu dựa trên sự thay đổi năng lượng khi kết cấu bị biến dạng. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc phát hiện các hư hỏng kết cấu tiềm ẩn mà các phương pháp truyền thống khó có thể nhận biết. Luận án này tập trung vào việc phát triển và cải tiến phương pháp năng lượng biến dạng để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm.

1.1. Giới thiệu về kết cấu tấm và tầm quan trọng của chẩn đoán

Kết cấu tấm là thành phần không thể thiếu trong xây dựng dân dụng và công nghiệp. Việc giám sát kết cấu thường xuyên giúp phát hiện sớm các khuyết tật và hư hỏng, đảm bảo an toàn và vận hành bình thường. Phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) kết hợp với thuật toán di truyền có khả năng xác định sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng trong kết cấu tấm.

1.2. Ưu điểm của phương pháp năng lượng biến dạng trong chẩn đoán

Phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) có ưu điểm vượt trội trong việc phát hiện các hư hỏng tiềm ẩn, đặc biệt là khi kết hợp với các kỹ thuật phân tích hiện đại như phân tích phần tử hữu hạn (FEM). Phương pháp này cho phép đánh giá toàn diện tình trạng kết cấu, từ đó đưa ra các quyết định bảo trì và sửa chữa kịp thời. Việc sử dụng phân tích năng lượng giúp xác định các vùng chịu ứng suất cao, nơi có nguy cơ hư hỏng lớn nhất.

II. Thách Thức Trong Chẩn Đoán Hư Hỏng Kết Cấu Tấm Hiện Nay

Mặc dù phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) đã chứng minh được hiệu quả, nhưng vẫn còn tồn tại một số thách thức cần vượt qua. Các yếu tố như điều kiện biên phức tạp, sự hiện diện của nhiều hư hỏng, và kích thước hư hỏng nhỏ có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả chẩn đoán. Ngoài ra, việc thu thập và xử lý dữ liệu đầu vào cũng đòi hỏi kỹ thuật cao và tốn nhiều thời gian. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các phương pháp chẩn đoán hư hỏng tiên tiến hơn là vô cùng cần thiết để đáp ứng nhu cầu thực tế.

2.1. Hạn chế của phương pháp năng lượng biến dạng truyền thống

Hiệu quả xác định hư hỏng của phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) còn hạn chế, đặc biệt trong các trường hợp đa hư hỏng, mức độ hư hỏng nhỏ, các hư hỏng nằm ở biên. Do đó, cần có những cải tiến để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của phương pháp.

2.2. Ảnh hưởng của điều kiện biên và nhiễu đến kết quả chẩn đoán

Các yếu tố như điều kiện biên không xác định, nhiễu từ môi trường xung quanh, và sai số trong quá trình đo đạc có thể gây ảnh hưởng đáng kể đến kết quả chẩn đoán. Cần có các biện pháp để giảm thiểu tác động của các yếu tố này, ví dụ như sử dụng các thuật toán lọc nhiễu và các phương pháp mô hình hóa kết cấu chính xác.

2.3. Yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy trong chẩn đoán

Trong các ứng dụng thực tế, độ chính xác và độ tin cậy của kết quả chẩn đoán là yếu tố then chốt. Việc phát hiện hư hỏng sớm và chính xác giúp ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng, giảm thiểu chi phí bảo trì và kéo dài tuổi thọ của kết cấu. Do đó, cần có các tiêu chuẩn và quy trình kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng của quá trình chẩn đoán.

III. Phát Triển Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng Cải Tiến Cho Tấm

Luận án này tập trung vào việc phát triển và cải tiến phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) để giải quyết các thách thức nêu trên. Các cải tiến bao gồm việc sử dụng các phần tử phần tử hữu hạn bậc cao, áp dụng các thuật toán tối ưu hóa, và kết hợp với các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến. Mục tiêu là tạo ra một phương pháp chẩn đoán hư hỏng mạnh mẽ, có khả năng phát hiện và định lượng hư hỏng một cách chính xác và tin cậy, ngay cả trong các điều kiện phức tạp.

3.1. Sử dụng phần tử đẳng tham số chín nút Q9 để xấp xỉ năng lượng

Việc sử dụng phần tử đẳng tham số chín nút (Q9) giúp nâng cao độ chính xác của việc xấp xỉ năng lượng biến dạng phần tử và loại bỏ ảnh hưởng của điều kiện biên. Phương pháp này có thể áp dụng cho tấm với điều kiện biên bất kỳ.

3.2. Chẩn đoán hư hỏng cục bộ sử dụng dữ liệu dao động vùng hư hỏng

Phát triển phương pháp chẩn đoán hư hỏng chỉ sử dụng dữ liệu dao động trên vùng hư hỏng cục bộ để giảm bớt dữ liệu đầu vào nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả chẩn đoán.

3.3. Quy trình chẩn đoán hai bước để xác định vị trí và mức độ

Phát triển quy trình chẩn đoán hư hỏng hai bước để chẩn đoán cả vị trí và mức độ hư hỏng. Cải tiến quy trình chẩn đoán mức độ hư hỏng ở bước thứ hai bằng cách sử dụng thuật toán di truyền lặp.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Phương Pháp Năng Lượng Biến Dạng Cải Tiến

Để chứng minh tính hiệu quả của phương pháp chẩn đoán hư hỏng được đề xuất, luận án đã thực hiện một loạt các thí nghiệm và mô phỏng số trên các kết cấu tấm khác nhau. Kết quả cho thấy phương pháp này có khả năng phát hiện và định lượng hư hỏng một cách chính xác, ngay cả trong các trường hợp phức tạp. Đặc biệt, phương pháp này đã được áp dụng thành công trong việc chẩn đoán hư hỏng cho sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng, mở ra tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

4.1. Kiểm chứng trên mô hình tấm nhôm và tấm bê tông

Các cải tiến được kiểm chứng trên các mô hình mô phỏng số tấm nhôm và tấm bê tông với các kịch bản đa hư hỏng, hư hỏng nhỏ và hư hỏng nằm ở gần biên. Kết quả cho thấy rằng phương pháp tính năng lượng biến dạng dựa vào phần tử chín nút cho kết quả chẩn đoán vị trí hư hỏng tốt hơn so với phương pháp dựa vào phần tử bốn nút.

4.2. Chẩn đoán hư hỏng cho sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng

Quy trình chẩn đoán vị trí hư hỏng được kiểm chứng với tấm sàn bê tông cốt thép làm việc sau giai đoạn đàn hồi. Kết quả cho thấy quy trình đề xuất xác định chính xác vị trí xuất hiện các vết nứt trong sàn ở các cấp tải ngay sau khi vết nứt bắt đầu xuất hiện.

4.3. Đánh giá độ tin cậy và độ nhạy của phương pháp

Việc đánh giá độ tin cậy và độ nhạy của phương pháp chẩn đoán là vô cùng quan trọng để đảm bảo tính ứng dụng thực tế. Các thí nghiệm và mô phỏng số đã được thực hiện để đánh giá khả năng của phương pháp trong việc phát hiện các hư hỏng nhỏ và phân biệt giữa các loại hư hỏng khác nhau.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Phương Pháp Chẩn Đoán

Luận án đã thành công trong việc phát triển và cải tiến phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) để chẩn đoán hư hỏng kết cấu tấm. Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong thực tế, giúp nâng cao hiệu quả giám sát kết cấu và đảm bảo an toàn cho các công trình kỹ thuật. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển phương pháp này để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của ngành xây dựng.

5.1. Tóm tắt các đóng góp mới của luận án

Các kết quả của luận án giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán sự xuất hiện, vị trí và mức độ hư hỏng trong kết cấu tấm và là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về việc triển khai hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu tấm trong các ứng dụng thực tiễn.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện phương pháp

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển phương pháp chẩn đoán để giải quyết các vấn đề còn tồn tại, ví dụ như xử lý nhiễu, giảm thiểu sai số, và tăng cường khả năng chẩn đoán trong các điều kiện phức tạp. Ngoài ra, cần nghiên cứu các phương pháp kết hợp phương pháp năng lượng biến dạng (năng lượng biến dạng) với các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) khác để tạo ra một hệ thống giám sát kết cấu toàn diện.

5.3. Tiềm năng ứng dụng trong giám sát kết cấu công trình

Phương pháp chẩn đoán hư hỏng được đề xuất có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong việc giám sát kết cấu các công trình xây dựng, cầu đường, và các công trình kỹ thuật khác. Việc phát hiện hư hỏng sớm và chính xác giúp ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng, giảm thiểu chi phí bảo trì, và kéo dài tuổi thọ kết cấu.