Chương 1 trình bày tổng quan về các phương pháp phát hiện hư hỏng kết cấu và tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng dạng vết nứt và khối lượng tập trung lên đặc trưng động lực học như tần số riêng, dạng riêng, hàm phổ phản ứng và hàm độ cong phổ phản ứng của kết cấu đồng nhất và kết cấu không đồng nhất nhằm phát hiện hư hỏng kết cấu. Chương 2 trình bày quá trình xây dựng công thức chính xác của hàm phổ phản ứng, hàm độ cong phổ phản ứng của dầm nguyên vẹn và dầm có vết nứt, và các tham số liên quan. Các kết quả mô phỏng số sử dụng các biểu thức đã phát triển đã xác định được ảnh hưởng của vết nứt lên hàm phổ phản ứng và hàm độ cong của nó, các kết quả này có thể ứng dụng để phát hiện vết nứt. Các kết quả mô phỏng số sử dụng phương pháp PTHH cũng được trình bày nhằm kiểm tra chéo tính đúng đắn của các 5 biểu thức đã xây dựng.
Chương 3 trình bày việc xây dựng công thức chính xác cho hàm phổ phản ứng của dầm đồng nhất đẳng hướng và dầm có cơ tính biến đổi dọc theo trục (dầm AFG) mang khối lượng tập trung. Các so sánh với các nghiên cứu trước đây được trình bày nhằm đánh giá độ tin cậy của chương trình tính. Các kết quả mô phỏng số của chương trình trính được trình bày đã xác định được ảnh hưởng của khối lượng tập trung và ảnh hưởng của mật độ khối lượng dọc theo trục của dầm AFG lên hàm phổ phản ứng. Chương 4 trình bày các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Cơ học Công trình, Viện Cơ học nhằm kiểm chứng tính đúng đắn của các công thức đã xây dựng và khả năng ứng dụng của các phương pháp phát hiện hư hỏng đã đề xuất.
Các kết quả thực nghiệm đã minh chứng các phương pháp đề xuất trong luận án là đúng đắn và có khả năng thực hiện trong thực tiễn. Phần Kết luận trình bày các kết quả đã đạt được của luận án và một số kiến nghị cho các nghiên cứu trong tương lai. Phần phụ lục gồm: • Phụ lục A trình bày công thức chính xác của hàm phổ phản ứng đối với các điều kiện biên cụ thể. • Phụ lục B trình bày công thức chính xác hàm phổ phản ứng và hàm độ cong phổ phản ứng của dầm có vết nứt với các điều kiện biên cụ thể.
• Phụ lục C trình bày kết quả mô phỏng số đối với dầm hai đầu ngàm nguyên vẹn và có chứa vết nứt sử dụng công thức chính xác. • Phụ lục D trình bày số liệu đo hàm phổ phản ứng và kết quả tính hàm độ cong phổ phản ứng của dầm hai đầu gối tựa có vết nứt. • Phụ lục E trình bày số liệu đo ma trận hàm phổ phản ứng của dầm hai đầu ngàm mang khối lượng tập trung. Những đóng góp mới của luận án Theo tác giả, những đóng góp mới của luận án có thể tóm tắt như sau: • Đã xây dựng công thức chính xác của hàm phổ phản ứng của dầm có vết nứt 6 nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến phản ứng động của dầm.
• Đã xây dựng được công thức chính xác cho hàm độ cong phổ phản ứng của dầm và ứng dụng của nó trong phát hiện vết nứt của dầm. • Đã xây dựng công thức chính xác cho hàm phổ phản ứng đối với dầm không đồng nhất AFG mang khối lượng tập trung. TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về các phương pháp phát hiện hư hỏng kết cấu và tình hình nghiên cứu về ảnh hưởng của hư hỏng dạng vết nứt và khối lượng tập trung lên đặc trưng động lực học như tần số riêng, dạng riêng, hàm phổ phản ứng và hàm độ cong phổ phản ứng của kết cấu đồng nhất và kết cấu không đồng nhất nhằm phát hiện hư hỏng kết cấu. Trên cơ sở đó, tác giả luận án chỉ ra các vấn đề chưa được giải quyết.
Từ đó đưa ra định hướng nghiên cứu chi tiết cho luận án. Sơ lược về các phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật có rất nhiều phương pháp khác nhau được ứng dụng để phát hiện hư hỏng của kết cấu. Theo thống kê của Hiệp hội Kiểm tra không phá hủy Hoa Kỳ - ASNT (American Society for Nondestructive Testing) có 14 phương pháp kiểm tra khác nhau [1]. Trong đó có các phương pháp sau được tin cậy và thường được sử dụng và ngày càng phổ biến như phương pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (Liquid Penetrant Testing- PT), phương pháp kiểm tra bột từ (Magnetic Particle Testing- MT), phương pháp kiểm tra dòng xoáy (Eddy Current Testing- ET), phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng film (Radiographic Testing- RT), phương pháp kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing- UT), phương pháp kiểm tra bằng mắt (Visual Testing - VT), phương pháp phân tích dao động (Vibration Analysis-VA).
Mỗi phương pháp đều có những yêu cầu đặc thù và phù hợp với từng loại kết cấu, vật thể khác nhau. Ví dụ như phương pháp thẩm thấu chất lỏng thường ứng dụng để kiểm tra mối hàn kim loại và chỉ kiểm tra được đối với các vết nứt ở bề mặt; phương pháp kiểm tra bột từ đòi hỏi kết cấu cần kiểm tra phải có khả năng dẫn từ hay phương pháp dòng xoay chỉ thực hiện được với kết cấu dẫn điện,… Không những thế các phương pháp này còn đòi hỏi người thực hiện kiểm tra phải tiếp cận với vị trí hư hỏng. Đối với những vị trí mất an toàn hoặc khó tiếp cận thì không thể sử dụng được. Trong các phương pháp kể trên thì phương pháp phân tích dao động đã và đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới do đo đạc đơn giản và chi phí rẻ 8 hơn so với các phương pháp khác.
Các phương pháp dao động có thể đưa ra đánh giá với hầu hết các loại vật thể khác nhau, các hư hỏng cũng đa dạng hơn. Chúng không chỉ phát hiện các vết nứt ở bề mặt hay ở các vật thể nhiễm từ, dẫn điện mà còn có thể phát hiện được các hư hỏng nằm bên trong kết cấu phức tạp dựa vào sự thay đổi của một số đặc trưng động lực học của kết cấu đối với hư hỏng. Hà bám ở chân giàn khoan ngoài khơi (Nguồn Internet) Hư hỏng của kết cấu được hiểu là các yếu tố, nguyên nhân làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu so với thiết kế, làm cho kết cấu không hoạt động trơn tru thậm chí không thể hoạt động được, bị phá hủy một phần hoặc toàn bộ kết cấu. Hư hỏng có nhiều dạng khác nhau như: vết nứt, tăng - giảm khối lượng, móp méo, xoắn vặn v.
Các dạng hư hỏng khác nhau gây ra các ảnh hưởng khác nhau lên kết cấu. Có các dạng hư hỏng có thể phát hiện rất rõ ràng và có khả năng phá hủy kết cấu một cách tức thì. Ví dụ, các hư hỏng dạng xoắn vặn, móp méo có thể làm cho kết cấu bị nghiêng, gẫy làm mất khả năng làm việc hoặc sụp đổ hoàn toàn. Trong khi đó một số 9 hư hỏng lại không phát hiện được một cách dễ dàng mà âm thầm phát triển theo thời gian gây ra những nguy hiểm tiềm ẩn.
Ví dụ như hư hỏng dạng vết nứt thường phát triển từ phá hủy mỏi. Các vết nứt do mỏi sẽ bắt đầu với kích thước nhỏ và trong quá trình làm việc, kết cấu chịu tải trọng lặp lại sẽ khiến cho vết nứt phát triển theo thời gian. Đến khi vết nứt phát triển đến một ngưỡng nào đó sẽ dẫn đến sự sụp đổ hoàn toàn của kết cấu. Các hư hỏng dạng tăng - giảm khối lượng như hà bám ở vị trí mép nước đối với các giàn khoan ngoài khơi sẽ làm tăng khối lượng, tăng diện tích chắn sóng từ đó làm giảm tuổi thọ của giàn khoan (Hình 1.
Đồng thời, hà bám có thể gây nên sự ăn mòn hóa học đối với các cột kim loại, làm suy giảm độ cứng cục bộ của cột dẫn đến làm suy giảm khả năng chịu lực của giàn khoan, và theo thời gian sẽ gây nên những hư hỏng lớn đối với kết cấu giàn khoan. Như vậy, các hư hỏng khó phát hiện nhưng lại âm thầm phát triển theo thời gian như vết nứt hay sự tăng giảm khối lượng tập trung là những hư hỏng có nguy cơ gây nên những nguy hiểm tiềm ẩn, cần thiết phải được phát hiện kịp thời nhằm tránh những sự cố gây thiệt hại cho người và của. Khi có hư hỏng, các đặc trưng động lực học của kết cấu như tần số riêng, dạng riêng, hàm phản ứng phổ v. sẽ bị thay đổi.
Việc phát hiện sự thay đổi các đặc trưng động lực học gây ra do ảnh hưởng của hư hỏng sẽ là cơ sở để phát hiện hư hỏng trong kết cấu. Dưới đây luận án sẽ phân tích tình hình nghiên cứu về các ảnh hưởng của hư hỏng dạng vết nứt và dạng khối lượng tập trung lên các đặc trưng động lực học của kết cấu để làm cơ sở cho các phương pháp phát hiện hư hỏng của kết cấu. Ảnh hưởng của vết nứt lên đặc trưng động lực học của kết cấu Như đã trình bày ở trên, tần số riêng là một trong những đặc trưng động lực học chứa thông tin về vết nứt. Đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng tần số riêng để phát hiện vết nứt như các nghiên cứu trong [2-29]: Cawley và Adams đã đưa ra phương pháp kiểm tra kết cấu không phá hủy bằng cách sử dụng các phép đo tần số riêng trong nghiên cứu [2].
Ở trong nghiên cứu này, các tác giả chỉ thực hiện các phép đo tại một điểm duy nhất của kết cấu để phát hiện, định vị và định lượng vết nứt. Ngoài ra, các tác giả còn tiến hành các thử nghiệm trên một tấm nhôm và một tấm nhựa được gia cố bằng sợi carbon có vết nứt để so 10 sánh kết quả mô phỏng và thực tế. Chondros và Dimarogonas [3] đã nghiên cứu sự thay đổi tần số riêng của dầm gây ra bởi một vết nứt. Trong nghiên cứu này, các tác giả mô hình vết nứt như là sự suy giảm độ cứng tại vị trí vết nứt sử dụng trường chuyển vị tại khu vực gần vết nứt trong cơ học phá hủy.
Dựa vào lý thuyết dao động cho dầm Euler-Bernoulli có vết nứt trên một hoặc hai mặt của dầm, nghiên cứu đã chỉ ra rằng tần số riêng của dầm sẽ giảm khi độ sâu vết nứt tăng.