phÁt triỂn vÀ Ứng dỤng cÁc phƢƠng phÁp phÂn...

156
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------------- NGUYỄN VĂN QUANG PHÁT TRIN VÀ NG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍN HIU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NT KT CU HTHANH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT Hà nội - 2018

Upload: others

Post on 09-Sep-2019

7 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------------------

NGUYỄN VĂN QUANG

PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT

KẾT CẤU HỆ THANH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

Hà nội - 2018

Page 2: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------------------

NGUYỄN VĂN QUANG

PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU TRONG CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT

KẾT CẤU HỆ THANH

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 9520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ VÀ CƠ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. Nguyễn Việt Khoa

Hà nội - 2018

Page 3: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

i

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn khoa học Phó Giáo sư Tiến sĩ

Nguyễn Việt Khoa, người thầy đã tận tâm hướng dẫn khoa học, giúp đỡ tôi hoàn

thành luận án này.

Tôi xin chân thành cám ơn gia đình, đồng nghiệp đã động viện ủng hộ tôi

trong thời gian thực hiện luận án.

Page 4: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi và

đƣợc hoàn thành dƣới sự hƣớng dẫn của Phó Giáo sƣ Tiến sĩ Nguyễn Việt Khoa.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.

Tác giả luận án

Nguyễn Văn Quang

Page 5: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

iii

MỤC LỤC

DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................................... ix

MỞ ĐẦU............................................................................................................................................ 1

1. Giới thiệu chung ........................................................................................................................ 1

2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................................. 2

3. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................................................... 3

4. Bố cục của luận án .................................................................................................................... 3

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN .............................................................................................................. 5

1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình .................................................................................. 5

1.2. Các phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của kết cấu dựa trên tham số động lực học của kết cấu

........................................................................................................................................................ 6

1.3. Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hiện hƣ hỏng của kết cấu ................................. 16

1.4. Kết luận ................................................................................................................................ 30

CHƢƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT ................................................ 33

2.1. Giới thiệu về vết nứt trên quan điểm cơ học phá hủy .......................................................... 33

2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D và 3D chứa vết nứt ................................................. 36

2.2.1. Dầm 2D chứa vết nứt ................................................................................................... 36

2.2.2. Dầm 3D chứa vết nứt ................................................................................................... 39

2.3. Phƣơng trình dao động của kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn ............................. 45

2.4. Kết luận ................................................................................................................................ 48

CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC VỤ CHẨN ĐOÁN

KỸ THUẬT ..................................................................................................................................... 49

3.1. Phƣơng pháp phân tích wavelet ........................................................................................... 50

3.1.1. Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược ................................................................ 50

Page 6: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

iv

3.1.2. Phổ năng lượng wavelet .............................................................................................. 52

3.1.3. Các hàm wavelet .......................................................................................................... 56

3.2. Phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử trong miền tần số ................................................... 60

3.3. Kết luận ................................................................................................................................ 70

CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG TRONG

MỘT SỐ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT ......................................................................... 72

4.1. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình động đất bằng phƣơng

pháp phân tích phổ wavelet .......................................................................................................... 72

4.1.1. Dao động của dầm có vết nứt dưới tác động của động đất ......................................... 72

4.1.2. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột bằng phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mô phỏng số

............................................................................................................................................... 74

4.1.3. Kết luận ........................................................................................................................ 77

4.2. Bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng tập trung bằng phƣơng pháp phân

tích wavelet .................................................................................................................................. 78

4.2.1. Kết quả mô phỏng số ................................................................................................... 81

4.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến dao động tự do của hệ dầm kép nguyên vẹn

............................................................................................................................................... 83

4.2.3. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên của hệ dầm kép chứa vết nứt

............................................................................................................................................... 85

4.2.4. Kết luận ........................................................................................................................ 88

4.3. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử .......... 88

4.3.1. Phát hiện vết nứt của dầm ........................................................................................... 88

4.3.2. Phát hiện vết nứt của khung ......................................................................................... 98

4.3.3. Phát hiện vết nứt của giàn cao tầng .......................................................................... 101

4.3.4. Kết luận ...................................................................................................................... 104

4.4. Kết luận .............................................................................................................................. 105

CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG ........................................................................... 108

5.1. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm bằng phƣơng pháp wavelet ............................. 108

5.2. Phát hiện vết nứt của giàn bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử ........................... 113

Page 7: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

v

5.3. Kết luận .............................................................................................................................. 117

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................................ 119

1. Kết luận của luận án .............................................................................................................. 119

2. Phạm vi áp dụng của luận án và công việc cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng lai ............... 120

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................................................. 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................................. 122

PHỤ LỤC ....................................................................................................................................... 134

Page 8: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

vi

DANH MỤC MỘT SỐ KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

E mô đun đàn hồi (N/m2).

mật độ khối (kg/m3).

hệ số Poisson.

a chiều cao vết nứt (m).

b, h tƣơng ứng chiều rộng, chiều cao hình chữ nhật (m).

I mô men quán tính hình học mặt cắt ngang (m4).

L chiều dài dầm (m).

Lc vị trí xuất hiện vết nứt (m).

tần số dao động riêng của dầm (rad/s)

M, K, C

lần lƣợt là ma trận khối lƣợng, độ cứng và cản tổng thể của

dầm theo công thức phần tử hữu hạn (nn).

, hệ số cản Rayleigh.

M mô men (Nm).

P lực dọc trục (N).

F lực (N).

EI độ cứng chống uốn (Nm2).

IF tần số tức thời (Hz).

Page 9: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1. Ba kiểu vết nứt cơ bản. ..................................................................................................... 34

Hình 2.2. Mô hình vết nứt mở. ......................................................................................................... 35

Hình 2.4. Mô hình phần tử. .............................................................................................................. 38

Hình 2.5. Mô hình 3D của phần tử có chứa vết nứt. ........................................................................ 39

Hình 3.1. Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết. ................................................................ 52

Hình 3.2. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số không đổi trong quá trình dao động. 54

Hình 3.3. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số thay đổi trong quá trình dao động. .. 54

Hình 3.4. Hàm Haar. ........................................................................................................................ 56

Hình 3.5. Hàm Daubechies. ............................................................................................................. 57

Hình 3.6. Hàm Symlet. ..................................................................................................................... 58

Hình 3.7. Hàm Coiflets. ................................................................................................................... 58

Hình 3.8. Hàm Morlet. ..................................................................................................................... 59

Hình 3.9. Hàm Mexican Hat. ........................................................................................................... 59

Hình 3.10. Hàm Meyer. ................................................................................................................... 60

Hình 4.1. Mô hình của dầm nguyên vẹn. ......................................................................................... 73

Hình 4.2. Mô hình dầm chứa vết nứt. .............................................................................................. 73

Hình 4.3. Tần số tức thời của dầm. .................................................................................................. 76

Hình 4.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. .............................................................................. 77

Hình 4.5. Phần tử dầm kép chịu tác động của khối lƣợng tập trung. ............................................... 78

Hình 4.6. Sáu dạng riêng đầu tiên. ................................................................................................... 82

Hình 4.7. Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ giữa tần số và vị trí khối lƣợng. .............................. 84

Hình 4.8. Tần số và vị trí khối lƣợng của dầm kép chứa vết nứt. .................................................... 85

Hình 4.9. Chênh lệch tần số đầu tiên df giữa hệ dầm kép chứa vết nứt và hệ dầm kép nguyên vẹn.86

Hình 4.10. Biến đổi wavelet đối với tần số tự nhiên đầu tiên. ......................................................... 87

Hình 4.11. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử bằng giải tích đối với 5 độ sâu vết nứt. ....................... 89

Hình 4.12. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, không có nhiễu. .................................... 91

Page 10: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

viii

Hình 4.13. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu của vết nứt, khi không có nhiễu. .......................... 92

Hình 4.14. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 93

Hình 4.15. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu và không có nhiễu. ................... 94

Hình 4.16. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, nhiễu 0%. .............................................. 95

Hình 4.17. Chiều cao của 2 đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khi không có nhiễu. ............................. 96

Hình 4.18. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử. ............................................................... 97

Hình 4.19. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98

Hình 4.20. Chiều cao của đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ........... 98

Hình 4.21. Mô hình khung trong mặt phẳng X-Z. ........................................................................... 99

Hình 4.22. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, nhiễu 0%. .................. 100

Hình 4.23. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, có nhiễu. .................... 100

Hình 4.24. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có nhiễu. ......... 101

Hình 4.25. Mô hình giàn cao tầng. ................................................................................................. 102

Hình 4.26. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ................... 103

Hình 4.27. Mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh dh với độ sâu vết nứt. ....................................... 104

Hình 5.1. Dầm chứa vết nứt, đặt trên bàn rung. ............................................................................. 109

Hình 5.2. Phổ Fourier của gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0%. ................................................ 110

Hình 5.3. Tần số tức thời của dầm. ................................................................................................ 112

Hình 5.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt. ............................................................................ 113

Hình 5.5. Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Viện Cơ học – VAST. ........................................ 114

Hình 5.6. Đo đáp hàm đáp ứng tần số bằng máy PULSE. ............................................................. 115

Hình 5.7. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt. ..................... 116

Hình 5.8. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt. ................................................................. 117

Page 11: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1. Tần số tự nhiên của dầm chứa hai vết nứt. ...................................................................... 74

Bảng 4.2. Tần số tự nhiên của dầm kép. .......................................................................................... 82

Bảng 4.3. Tần số tự nhiên của dầm công xôn với khối lƣợng tập trung đặt tại đỉnh đầu dầm. ........ 83

Bảng 5.1. Vết nứt với độ sâu khác nhau, tại vị trí 2cL L . ...................................................... 108

Page 12: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

1

MỞ ĐẦU

1. Giới thiệu chung

Hƣ hỏng trong kết cấu là một vấn đề nghiêm trọng thƣờng xảy ra trong các

loại kết cấu nhƣ kết cấu cơ khí, kết cấu công trình dân dụng, kết cấu hàng không v.v.

Các kết cấu này thƣờng xuyên chịu các tải trọng lặp đi lặp lại trong quá trình hoạt

động hoặc tác động của thiên nhiên, của con ngƣời. Sau một thời gian dài chịu tác

động của tải trọng lặp lại này thì các hƣ hỏng sẽ xuất hiện, đặc biệt là các vết nứt

mỏi. Các vết nứt mỏi này sẽ tiếp tục phát triển cho đến khi kết cấu vƣợt quá khả

năng chịu tải có thể gây nên sự sụp đổ của kết cấu. Vì vậy, việc phát hiện sớm các

hƣ hỏng trong kết cấu là một vấn đề hết sức quan trọng.

Hiện nay, đã có rất nhiều kỹ thuật đƣợc công bố và áp dụng trong lĩnh vực

phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Có hai phƣơng pháp giám sát kết cấu chính đó là

phƣơng pháp giám sát phá hủy và phƣơng pháp giám sát không phá hủy. Phƣơng

pháp giám sát phá hủy là các phƣơng pháp giám sát trong đó hƣ hỏng đƣợc quan sát

trực tiếp bằng mắt thƣờng, kết cấu cần phải đƣợc tháo rời thậm chí cƣa, cắt nhằm đo

đạc trực tiếp các tham số hƣ hỏng. Phƣơng pháp này đánh giá một cách chính xác,

cụ thể vị trí, hình dáng và kích thƣớc của các hƣ hỏng. Tuy nhiên, rất tốn kém do

kết cấu phải dừng hoạt động và phải đƣợc tháo rời để kiểm tra, đánh giá.

Phƣơng pháp không phá hủy là phƣơng pháp không trực tiếp, giám sát kết

cấu thông qua việc phân tích các phản ứng của kết cấu. Các phƣơng pháp giám sát

kết cấu không phá hủy có thể kể đến: phƣơng pháp dao động, phƣơng pháp tĩnh,

phƣơng pháp âm v.v. Trong các phƣơng pháp này thì phƣơng pháp dao động là

phƣơng pháp đƣợc quan tâm và ứng dụng nhiều hơn cả do các tín hiệu dao động

chứa nhiều thông tin về hƣ hỏng và thƣờng dễ dàng đo đạc, rẻ tiền.

Các phƣơng pháp phát hiện vết nứt bằng tín hiệu dao động thƣờng dựa trên

hai yếu tố chính, đó là: đặc trƣng động lực học của kết cấu và các phƣơng pháp xử

lý tín hiệu dao động. Khi có vết nứt, các đặc trƣng động lực học của kết cấu nhƣ

dạng dao động riêng, tần số riêng, độ cứng, phản ứng động v.v. sẽ bị thay đổi.

Trạng thái của vết nứt trong quá trình dao động cũng rất quan trọng trong việc phát

Page 13: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

2

hiện vết nứt. Vết nứt có thể luôn mở trong quá trình dao động đƣợc gọi là vết nứt

mở hoàn toàn. Nhƣng vết nứt cũng có thể đóng và mở liên tục trong quá trình dao

động, loại vết nứt này đƣợc gọi là vết nứt “thở” (breathing). Khi vết nứt “thở” thì

các cạnh của vết nứt sẽ đóng và mở liên tục tạo nên những méo mó trong tín hiệu

dao động tại các thời điểm đóng và mở của vết nứt. Nếu có thể phân tích đƣợc sự

thay đổi trong quá trình “thở” thì sự tồn tại của vết nứt có thể đƣợc phát hiện. Điều

này là rất hữu ích cho việc phát triển các phƣơng pháp để phát hiện vết nứt.

Trong thực tế sự thay đổi các đặc trƣng động lực học của kết cấu gây nên bởi

vết nứt thƣờng rất nhỏ và khó có thể phát hiện trực tiếp từ tín hiệu đo dao động. Để

có thể phát hiện đƣợc những thay đổi nhỏ này cần phải có các phƣơng pháp xử lý

tín hiệu hiện đại. Trong lĩnh vực xử lý tín hiệu dao động thì biến đổi Fourier đã

đƣợc biết đến nhƣ là một công cụ mạnh và đƣợc ứng dụng rộng rãi trong một thời

gian dài. Mặc dù vậy, việc biến đổi tín hiệu từ miền thời gian sang miền tần số của

phép biến đổi Fourier thì thông tin về thời gian sẽ bị mất, nên phép biến đổi này

không thể phân tích đƣợc những sự kiện chỉ xảy ra trong khoảng thời gian rất ngắn.

Để khắc phục khó khăn này, các phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian -

tần số hiện đang đƣợc phát triển và ứng dụng mạnh trong nhiều lĩnh vực. Các

phƣơng pháp này có thể kể đến nhƣ phƣơng pháp biến đổi Short - time Fourier

Transform (STFT), phƣơng pháp Wavelet Transform (WT) v.v. Các phƣơng pháp

này sẽ phân tích tín hiệu trong hai miền thời gian và tần số. Khi sử dụng các phƣơng

pháp này thì tín hiệu theo thời gian sẽ đƣợc biểu diễn trong miền tần số trong khi

những thông tin về thời gian vẫn đƣợc giữ lại. Chính vì thế các phƣơng pháp thời

gian - tần số sẽ rất hữu ích trong việc phân tích các biến đổi nhỏ hoặc méo mó trong

tín hiệu dao động gây ra bởi vết nứt.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là ứng dụng và phát triển các phƣơng pháp xử

lý tín hiệu dao động để phát hiện các hƣ hỏng, cụ thể là vết nứt trong kết cấu phục

vụ việc chẩn đoán kỹ thuật công trình.

Mục tiêu cụ thể của luận án bao gồm:

Page 14: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

3

1. Nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt đến các đặc trƣng động lực học của kết

cấu.

2. Nghiên cứu khả năng ứng dụng của phƣơng pháp xử lý tín hiệu thời gian -

tần số trong việc phát hiện vết nứt.

3. Ứng dụng và phát triển phƣơng pháp xử lý tín liệu dao động trong miền thời

gian - tần số để phát hiện vết nứt.

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

Phƣơng pháp nghiên cứu là phƣơng pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

kiểm chứng. Phƣơng pháp nghiên cứu có thể đƣợc mô tả nhƣ sau:

Trƣớc tiên, các đặc trƣng động lực học của kết cấu có vết nứt nhƣ tần số

riêng, dạng riêng đƣợc tính toán và nghiên cứu thông qua phƣơng pháp phần tử hữu

hạn. Các tín hiệu dao động của kết cấu khi có vết nứt mở hoàn toàn sẽ đƣợc khảo

sát.

Tiếp theo, phƣơng pháp xử lý tín hiệu thời gian - tần số đƣợc ứng dụng để

phân tích các tín hiệu dao động mô phỏng của kết cấu chứa vết nứt.

Phát triển một phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động để phát hiện sự thay đổi

của độ cứng phần tử, từ đó phát hiện vết nứt.

Thực hiện một số thí nghiệm nhằm kiểm chứng tính hiệu quả của các phƣơng

pháp đƣợc ứng dụng trong luận án.

4. Bố cục của luận án

Luận án gồm 5 chƣơng và phần mở đầu, phần kết luận, phần danh mục công

trình của tác giả, phần tài liệu tham khảo, phần phụ lục.

Phần mở đầu giới thiệu về vấn đề sẽ nghiên cứu trong luận án.

Chƣơng 1 trình bày tổng quan một số nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới

về các phƣơng pháp phát hiện vết nứt dựa trên đặc trƣng động lực học của kết cấu,

các phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong miền thời gian - tần số phục vụ việc phân tích

và phát hiện vết nứt.

Chƣơng 2 trình bày cơ sở lý thuyết của động lực học kết cấu có vết nứt.

Page 15: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

4

Chƣơng 3 trình bày cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp xử lý tín hiệu trong

miền thời gian - tần số và cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng

phần tử ứng dụng trong việc phát hiện vết nứt.

Chƣơng 4 trình bày các ứng dụng cụ thể của phƣơng pháp thời gian - tần số

và phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử để phát hiện vết nứt trong các kết

cấu khác nhau.

Chƣơng 5 trình bày một số thí nghiệm kiểm chứng các phƣơng pháp đã phát

triển và ứng dụng trong luận án.

Phần kết luận trình bày các công việc đã thực hiện, các kết quả đạt đƣợc của

luận án và một số vấn đề chƣa đƣợc giải quyết, cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng

lai.

Danh sách các công trình đã công bố có liên quan đến nội dung luận án đƣợc

trình bày trong phần danh mục công trình của tác giả.

Danh sách các tài liệu đƣợc trích dẫn trong luận án đƣợc trình bày trong phần

tài liệu tham khảo.

Page 16: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

5

CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN

1.1. Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình

Hiện nay, để phát hiện hƣ hỏng trong kết cấu ngƣời ta có thể sử dụng phƣơng

pháp trực tiếp hoặc phƣơng pháp gián tiếp. Phƣơng pháp trực tiếp bao gồm việc

quan sát bằng mắt thƣờng, quay phim chụp ảnh, hoặc tháo dời các chi tiết của kết

cấu để kiểm tra v.v. Phƣơng pháp gián tiếp là phƣơng pháp phân tích các tín hiệu

phản ứng của kết cấu dƣới tác động từ bên ngoài để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu.

Các phƣơng pháp gián tiếp có thể kể đến nhƣ phƣơng pháp âm học, quang học, dao

động v.v. Các phƣơng pháp trực tiếp thƣờng cho kết quả rõ ràng nhƣng phụ thuộc

vào chủ quan của ngƣời quan sát và rất tốn kém về thời gian và tiền bạc, thậm chí

không thể phát hiện đƣợc hƣ hỏng ở những nơi không thể tiếp cận đƣợc. Trong khi

đó phƣơng pháp gián tiếp thƣờng tiết kiệm đƣợc thời gian và tiền bạc. Trong các

phƣơng pháp gián tiếp thì các phƣơng pháp dao động hiện đang đƣợc nghiên cứu

phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Trong thực tế,

hƣ hỏng dạng vết nứt là dạng hƣ hỏng tiềm ẩn, rất nguy hiểm do khó quan sát và nó

sẽ phát triển từ từ cho đến khi chịu tải trọng lớn có thể gây nên sụp đổ kết cấu. Vì

vậy, các phƣơng pháp dao động để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu sẽ đƣợc ứng dụng

trong đề tài luận án. Đồng thời hƣ hỏng dạng vết nứt sẽ là đối tƣợng nghiên cứu

chính trong luận án này.

Có nhiều phƣơng pháp dao động để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu. Ví dụ:

phƣơng pháp dao động dựa trên sự thay đổi của tần số, dạng riêng, độ cong dạng

riêng, ma trận độ mềm; phƣơng pháp dựa trên hiện tƣợng vết nứt đóng - mở, mạng

nơ ron nhân tạo, thuật toán gen; phƣơng pháp phổ, phƣơng pháp thời gian tần số;

hoặc kết hợp một số phƣơng pháp trên. Các phƣơng pháp này có thể đƣợc phân

thành hai nhóm chính: phƣơng pháp dựa trên tham số động lực học kết cấu và

phƣơng pháp dựa trên việc xử lý dữ liệu dao động. Tình hình nghiên cứu về các

phƣơng pháp trên nhằm phát hiện hƣ hỏng, đặc biệt là hƣ hỏng dạng vết nứt sẽ đƣợc

trình bày và phân tích ở phần tiếp theo.

Page 17: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

6

1.2. Các phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của kết cấu dựa trên tham số động

lực học của kết cấu

Sự tồn tại của hƣ hỏng trong kết cấu thƣờng dẫn đến sự thay đổi các đặc

trƣng động lực học của kết cấu nhƣ tần số riêng và dạng riêng. Do đó, các đặc trƣng

động lực học của kết cấu có hƣ hỏng sẽ chứa các thông tin về sự tồn tại, vị trí cũng

nhƣ mức độ hƣ hỏng. Để phát hiện hƣ hỏng của kết cấu thì vấn đề cơ bản là phải

nghiên cứu các đặc trƣng động lực học của kết cấu.

Một số tác giả [1-27] đã nghiên cứu sự thay đổi của tần số riêng để phát hiện

hƣ hỏng trong kết cấu:

Chondros và đồng nghiệp [1] đã phát triển lý thuyết dao động cho dầm

Euler-Bernoulli có vết nứt trên một hoặc hai mặt của dầm. Vết nứt đƣợc mô hình

nhƣ sự suy giảm độ cứng tại vị trí vết nứt sử dụng trƣờng chuyển vị tại khu vực gần

vết nứt đƣợc trình bày trong cơ học phá hủy. Các kết quả của công bố này đã chỉ ra

rằng tần số riêng của dầm sẽ giảm khi độ sâu vết nứt tăng.

Lee và đồng nghiệp [2] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt lên tần số riêng

và dạng riêng của dầm. Ma trận độ cứng của dầm có vết nứt sẽ thu đƣợc từ ma trận

độ mềm tính từ cơ học phá hủy. Trong nghiên cứu này, bốn tần số riêng cơ bản

đƣợc tính từ phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Vị trí vết nứt đƣợc xác định xấp xỉ bằng

phƣơng pháp Armon’s Rank-ordering. Tiếp theo độ sâu vết nứt đƣợc xác định xấp

xỉ bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Cuối cùng, vị trí thực của vết nứt đƣợc xác

định bởi phƣơng trình Gudmundson sử dụng độ sâu vết nứt và tần số riêng nói trên.

Kết quả của nghiên cứu cho thấy tần số riêng thay đổi nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ

và chỉ thay đổi đánh kể khi độ sâu vết nứt lớn đến 40% độ cao của dầm.

Orhan [3] đã thiết lập mối liên hệ giữa tần số riêng và độ sâu cũng nhƣ vị trí

vết nứt của dầm. Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đã đƣợc áp

dụng để tính ma trận độ mềm của vết nứt sử dụng hệ số cƣờng độ ứng suất. Kết quả

của nghiên cứu chỉ ra rằng, tần số của dầm giảm khi có vết nứt. Khi vị trí vết nứt xa

đầu cố định của dầm thì tần số riêng tăng lên.

Zheng và đồng nghiệp [4] đã sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để phân

tích dao động tự do của dầm có hai vết nứt. Ma trận độ cứng của phần tử chứa vết

Page 18: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

7

nứt đƣợc tính từ ma trận độ mềm tổng thể thay vì độ mềm địa phƣơng. Trong

nghiên cứu này, tần số riêng thứ nhất sẽ tăng lên khi vị trí vết nứt ở vị trí xa đầu

ngàm và gần với đầu gối tựa di động. Trong khi đó tần số riêng thứ hai sẽ giảm

mạnh nhất khi vết nứt nằm ở khu vực giữa dầm.

Trong một nghiên cứu khác, Gudmundson [5] đã sử dụng phƣơng pháp nhiễu

loạn và phƣơng pháp ma trận truyền để nghiên cứu ảnh hƣởng của các vết nứt nhỏ

đến tần số riêng của kết cấu mảnh. Kết quả cũng chỉ ra rằng tần số riêng của kết cấu

giảm khi có vết nứt. Độ suy giảm của tần số riêng là nhỏ khi độ sâu vết nứt là nhỏ.

Kisa và đồng nghiệp [6] đã trình bày một phƣơng pháp để phân tích dao

động tự do của dầm có vết nứt sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phần tử hữu hạn

và phƣơng pháp tổng hợp các dạng dao động thành phần. Dầm đƣợc chia thành hai

thành phần đƣợc nối với nhau thông qua một ma trận độ mềm mà nó sinh ra bởi lực

tƣơng tác tại vị trí vết nứt nằm giữa hai thành phần này. Mối quan hệ giữa độ suy

giảm tần số riêng và độ sâu vết đã đƣợc thiết lập. Nghiên cứu này chỉ ra rằng, tần số

riêng thay đổi nhỏ khi có vết nứt và chỉ đáng kể khi độ sâu vết nứt lớn đến khoảng

40% độ cao của dầm.

Saez và đồng nghiệp [7] đã trình bày một phƣơng pháp đơn giản hóa để đánh

giá tần số riêng của dao động uốn của dầm Euler - Bernouilli. Các tác giả ứng dụng

các phƣơng pháp đã biết bằng cách biểu diễn vết nứt trong dầm thông qua một khớp

và một lò xo đàn hồi, trong đó chuyển vị uốn của dầm có vết nứt đƣợc xây dựng

bằng cách cộng thêm một hàm đa thức vào dầm không có vết nứt.

Một số tác giả khác [8-17] đã mô hình hóa vết nứt nhƣ những lò xo xoay

không khối lƣợng mà độ cứng của nó đƣợc tính bằng cách sử dụng cơ học phá hủy

để nghiên cứu tần số riêng của dầm có vết nứt. Kết quả của các nghiên cứu này

cũng cho thấy tần số riêng sẽ giảm khi có vết nứt. Tuy nhiên sự thay đổi của tần số

riêng là nhỏ khi vết nứt có kích thƣớc nhỏ.

Yang và đồng nghiệp [18] trình bày một phƣơng pháp mới sử dụng mặt tần

số riêng (MFS) để phát hiện sự tách lớp của một tấm composite dạng lớp. Bằng

cách gắn một khối lƣợng tập trung tại các điểm khác nhau, MFS sẽ đƣợc thiết lập.

Sự tách lớp sẽ gây ra sự không liên tục của MFS do sự suy giảm độ cứng địa

Page 19: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

8

phƣơng. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng để mô phỏng các số liệu tần

số riêng. Sự sai lệch tần số riêng chỉ ra rằng có một sự suy giảm theo luật tựa hàm

mũ khi độ sâu của sự tách lớp tăng lên.

Trong quá trình dao động, vết nứt sẽ mở và đóng theo thời gian do sự thay

đổi của tải trọng bên ngoài tác dụng lên kết cấu. Đây gọi là hiện tƣợng “thở” hay

còn gọi là hiện tƣợng đóng - mở của vết nứt. Khi xảy ra hiện tƣợng này, hai cạnh

của vết nứt đóng vào và không tiếp xúc với nhau, do đó độ cứng trong vùng chứa

vết nứt có thể tăng hoặc giảm. Ngoài ra, còn có thể xuất hiện một số dạng khác nhƣ

vết nứt trƣợt, rách… Điều này sẽ làm thay đổi phản ứng động của phần tử chứa vết

nứt do đó rất hữu ích trong việc phát hiện vết nứt. Có nhiều nghiên cứu liên quan

đến sự thay đổi tần số tự nhiên đối với hiện tƣợng vết nứt đóng - mở. Trong những

nghiên cứu này, tần số tự nhiên của dầm có vết nứt đóng - mở đƣợc chứng minh là

thay đổi trong quá trình dao động.

Carlson [19] và Gudmunston [20] nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt đóng -

mở đến các đặc trƣng động lực học của dầm công xôn chứa vết nứt. Họ nhận thấy

rằng khi xuất hiện tƣợng vết nứt đóng, sẽ làm giảm tần số tự nhiên, tuy nhiên việc

giảm này là nhỏ hơn nhiều so với hiện tƣợng vết nứt mở. Trong trƣờng hợp vết nứt

đóng, các tần số gần nhƣ không đổi khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50% và tần số bắt

đầu giảm khi độ sâu vết nứt lớn hơn 50%. Rõ ràng, rất khó để phát hiện các vết nứt

có độ sâu nhỏ hơn 50% bằng cách sử dụng tần số. Hơn nữa, vị trí của vết nứt cũng

không đƣợc đề cập trong nghiên cứu này.

Kisa và đồng nghiệp [21] đã nghiên cứu ảnh hƣởng vết nứt đóng - mở đến

phản ứng động lực học của dầm công xôn bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu

hạn. Trong nghiên cứu này, vết nứt phân chia dầm thành các phần. Có ba trạng thái

đƣợc giả định xảy ra: bám, trƣợt không ma sát và tiếp xúc trƣợt ma sát. Khi vết nứt

mở hoàn toàn, độ cứng nhỏ nhất; khi hai phần tiếp xúc dần vào nhau thì độ cứng

tăng lên. Kết quả là, tần số tự nhiên tăng từ trạng thái mở đến đóng. Trong nghiên

cứu này, tần số tự nhiên thay đổi rất ít khi độ sâu vết nứt nhỏ hơn 50%. Ví dụ, khi

độ sâu vết nứt là 50%, sự thay đổi trong ba tần số đầu tiên là: 1,71%; 6,6% và 0,1%.

Page 20: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

9

Dao động dọc và dao động uốn của một dầm liên tục với vết nứt đóng - mở

đƣợc Chondros và đồng nghiệp [22, 23] nghiên cứu. Phƣơng trình chuyển động và

các điều kiện biên của dầm chứa vết nứt đƣợc coi là liên tục một chiều. Các tác giả

đã nghiên cứu sự thay đổi về tần số dao động đối với vết nứt đóng - mở do mỏi và

chỉ ra sự thay đổi này phụ thuộc vào tính chất song tuyến tính của hệ. Các tác giả

giả sử vết nứt đóng - mở chỉ có hai trạng thái: mở hoàn toàn hoặc đóng kín. Ngoài

ra, giả định rằng giai đoạn chuyển tiếp từ trạng thái mở sang trạng thái đóng xảy ra

tại thời điểm mà dầm trở lại trạng thái không biến dạng. Do tính chất song tuyến

tính của hệ nên không có tần số tự nhiên duy nhất, mà sẽ xuất hiện một tần số chính

của dao động. Các tác giả đƣa ra kết luận sự thay đổi tần số dao động gây ra bởi vết

nứt đóng - mở nhỏ hơn gây ra bởi vết nứt mở. Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 40%, sự

thay đổi tần số thấp nhất cho vết nứt mở chỉ là 1,9%, còn đối với vết nứt đóng - mở

là 0,5%. Tuy nhiên, những thay đổi nhỏ của tần số tự nhiên khi xuất hiện vết nứt

đóng - mở sẽ khó cho việc phát hiện vết nứt. Hơn nữa, trong nghiên cứu này không

đƣa ra phƣơng pháp phát hiện vị trí vết nứt.

Trong nghiên cứu của Cheng và đồng nghiệp [24] chỉ ra rằng đối với vết nứt

đóng - mở thì tần số tự nhiên giảm, nhƣng giảm ít hơn nhiều so với vết nứt mở.

Theo các tác giả, với độ sâu vết nứt 30%, sự thay đổi tần số đầu tiên của vết nứt mở

là 2%, trong khi đó vết nứt đóng - mở là 1%. Nhƣ vậy, rất khó phát hiện vết nứt mỏi

dựa vào tần số và việc phát hiện vết nứt bằng mô hình vết nứt đóng - mở sẽ không

chính xác khi vết nứt phát triển dƣới điều kiện của tải trọng mỏi. Tƣơng tự nhƣ các

nghiên cứu trên, hiện tƣợng vết nứt đóng - mở gây nên sự thay đổi nhỏ đối với tần

số, do đó sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi sử dụng tần số để phát hiện vết nứt.

Luzzato [25] sử dụng mô hình phần tử hữu hạn để nghiên cứu hiện tƣợng phi

tuyến của dầm chứa vết nứt. Tác giả dựa vào sự suy giảm độ cứng ở vị trí vết nứt

(đối với vết nứt đóng - mở và vết nứt mở hoàn toàn) để mô hình vết nứt. Ứng xử phi

tuyến của vết nứt đóng - mở đƣợc mô hình hóa bởi lò xo. Kết quả của nghiên cứu

cho thấy tần số tự nhiên của dầm chứa vết nứt mở nhỏ hơn dầm chứa vết nứt đóng -

mở. Ví dụ, khi độ sâu vết nứt là 30%, sự thay đổi ở tần số đầu tiên là khoảng 4%

đối với vết nứt mở và khoảng 2% đối với vết nứt đóng - mở. Tuy nhiên, tác giả chỉ

nêu lên mối liên hệ giữa sự thay đổi của tần số và sự xuất hiện vết nứt đóng - mở,

Page 21: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

10

mà chƣa đƣa ra đƣợc phƣơng pháp để phát hiện độ sâu vết nứt và vị trí vết nứt. Hơn

nữa, nghiên cứu này cũng chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Sundermeyer và đồng nghiệp [26] trình bày một phƣơng pháp số để phát

hiện vết nứt đóng - mở đối với dầm phi tuyến. Tác giả sử dụng lò xo song tuyến

tính để mô hình độ cứng song tuyến tính địa phƣơng tại vị trí của vết nứt khi vết nứt

mở và đóng. Trong nghiên cứu của họ, tác giả dùng hai lực tác dụng vào kết cấu với

hai tần số khác nhau, và nhận thấy rằng xuất hiện phản ứng tần số mà tần số này là

khác nhau đối với hai lực tác dụng, hiện tƣợng này là do tính chất phi tuyến của

dầm. Tuy nhiên, rất khó áp dụng kết quả này để phát hiện vết nứt vì việc xuất hiện

phản ứng phi tuyến phụ thuộc vào sự khác nhau về độ cứng ở các trạng thái mở và

đóng của vết nứt, bậc của cản, tần số và biên độ của lực tác dụng. Hơn nữa, nghiên

cứu này cũng chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Rivola và đồng nghiệp [27] đã sử dụng phân tích phổ song song của dao

động song tuyến tính giám sát vết nứt đóng - mở. Tác giả xem rằng độ cứng của

dầm giảm khi vết nứt mở và khi vết nứt đóng thì độ cứng của dầm bằng với độ cứng

của dầm nguyên vẹn. Khi dầm ở trạng thái nguyên vẹn, một kích động dạng hình

sin sẽ gây nên một phản ứng điều hòa ở tần số kích động. Ngƣợc lại, khi dầm có vết

nứt, phản ứng của dầm sẽ chứa vài tần số kích động điều hòa. Điều này đƣợc thực

hiện bằng cách sử dụng phân tích phổ song song. Mặc dù các kết quả của phƣơng

pháp này có thể phát hiện đƣợc sự tồn tại vết nứt, tuy nhiên không thể biết đƣợc độ

sâu và vị trí của vết nứt.

Nhƣ vậy, khi kết cấu xuất hiện vết nứt đóng - mở thì tần số của kết cấu sẽ có

sự thay đổi. Ngoài ra khi vết nứt đóng - mở thì cũng xuất hiện những biến dạng về

phản ứng động lực học của kết cấu so với vết nứt mở hoàn toàn tại thời điểm vết nứt

đóng và mở. Sự biến dạng méo mó này đƣợc các nhà khoa học tập trung nghiên cứu

trong những năm gần đây.

Các kết quả nghiên cứu trên cho thấy, đã có nhiều tác giả nghiên cứu ảnh

hƣởng của vết nứt lên tần số riêng. Khi xuất hiện vết nứt, tần số riêng của kết cấu sẽ

bị suy giảm. Điều này có thể đƣợc giải thích là khi có vết nứt thì độ cứng của kết

cấu bị suy yếu dẫn đến tần số riêng bị suy giảm. Tuy nhiên, tần số riêng của kết cấu

Page 22: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

11

thay đổi rất ít khi độ sâu vết nứt là nhỏ. Chính vì vậy, việc ứng dụng sự thay đổi của

tần số riêng để phát hiện sớm các vết nứt là rất khó khăn.

Một số tác giả khác [28-39] tập trung vào nghiên cứu sự thay đổi dạng riêng

của kết cấu khi có vết nứt:

Khoo và đồng nghiệp [28], trình bày phƣơng pháp phân tích dạng riêng để

giám sát kết cấu tƣờng gỗ. Trong nghiên cứu này, sự thay đổi đáng kể của tần số tự

nhiên đƣợc sử dụng để phát hiện sự tồn tại của hƣ hỏng và để xác định các mode

nhạy cảm với hƣ hỏng (không phải tất cả các mode đều bị ảnh hƣởng khi kết cấu có

hƣ hỏng). Vị trí hƣ hỏng đƣợc xác định bằng cách so sánh sự biến dạng của dạng

riêng trƣớc và sau khi kết cấu xuất hiện hƣ hỏng. Tuy nhiên, phƣơng pháp này cần

phải đo dạng riêng trong khi việc đo đạc dạng riêng một cách chính xác là rất khó

và tốn nhiều công sức. Hơn nữa, để đo dạng riêng trong phƣơng pháp này, cần máy

đo laser. Nhƣợc điểm của việc sử dụng máy đo laser là khó có thể áp dụng đƣợc cho

các bộ phận ẩn hoặc kết cấu phức tạp.

Haritos và đồng nghiệp [29] đã nghiên cứu hai phƣơng pháp giám sát kết

cấu: nhận dạng hệ thống và nhận dạng mẫu thống kê dựa trên phân tích dạng riêng.

Các tác giả đã so sánh những điểm mạnh và điểm yếu của hai phƣơng pháp trên khi

áp dụng cho kết cấu cầu dạng thanh phẳng. Từ đó đƣa ra kết luận rằng phƣơng pháp

nhận dạng hệ thống có thể xác định đƣợc vị trí và định lƣợng đƣợc mức độ hƣ hỏng.

Tuy nhiên, phƣơng pháp này đòi hỏi đo đƣợc dạng riêng một cách chính xác, yêu

cầu mà không phải lúc nào cũng có thể đáp ứng đƣợc trong thực tế. Trong khi đó,

mặc dù phƣơng pháp nhận dạng mẫu thống kê không thể xác định đƣợc vị trí và

định lƣợng đƣợc mức độ hƣ hỏng, nhƣng phƣơng pháp này có thể chỉ rõ sự tồn tại

của hƣ hỏng xuất hiện trong kết cấu từ một số phép đo đơn giản và hiệu quả. Các

tác giả gợi ý rằng nên kết hợp cả hai phƣơng pháp trên. Phƣơng pháp nhận dạng

mẫu thống kê đƣợc sử dụng để phát hiện hƣ hỏng xuất hiện trong kết cấu. Một khi

đã phát hiện kết cấu có hƣ hỏng thì phƣơng pháp nhận dạng hệ thống sẽ đƣợc áp

dụng để đánh giá và xác định chính xác vị trí hƣ hỏng.

Verboven và đồng nghiệp [30, 31, 32] trình bày phƣơng pháp tự động giám

sát kết cấu dựa trên các tham số dạng riêng. Trong nghiên cứu này, hƣ hỏng đƣợc

Page 23: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

12

xem là một khối lƣợng bổ sung. Sự thay đổi dạng riêng đối với kết cấu thanh mỏng

có hƣ hỏng, đƣợc xác định tự động bằng cách sử dụng phƣơng pháp ƣớc lƣợng cực

đại độ rộng miền tần số [33, 34]. Mặc dù vậy, phƣơng pháp này dựa trên dạng riêng

nên đòi hỏi nhiều dữ liệu đáng tin cậy.

Nguyen [35] trình bày phƣơng pháp phân tích dạng riêng của dầm chứa vết

nứt với mặt cắt ngang hình chữ nhật, sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Tác

giả nghiên cứu về dạng riêng bị ảnh hƣởng bởi dao động uốn ngang và dao động

uốn dọc do vết nứt gây ra. Do hiện tƣợng dao động kết hợp của các dạng riêng gây

ra bởi vết nứt, dạng riêng của dầm thay đổi từ đƣờng cong phẳng sang đƣờng cong

không gian. Do đó, sự tồn tại của vết nứt có thể đƣợc phát hiện dựa trên dạng riêng:

khi dạng riêng là đƣờng cong không gian thì dầm sẽ chứa vết nứt. Ngoài ra, khi có

vết nứt, thì dạng riêng sẽ bị biến dạng hoặc thay đổi đột ngột tại vị trí vết nứt. Vì

vậy, dựa vào sự thay của dạng riêng mà tác giả xác định đƣợc vị trí của vết nứt. Tác

giả cũng đƣa ra phân tích định lƣợng giữa độ sâu và vị trí của vết nứt. Những kết

quả này có thể đƣợc áp dụng để phát hiện vết nứt của dầm. Tuy nhiên đây là

phƣơng pháp dạng riêng nên cần phải đo đƣợc một lƣợng dữ liệu lớn về dao động

để có thể tính đƣợc các dạng riêng một cách chính xác.

El-Gebeily và đồng nghiệp [36] đã phát triển phƣơng pháp nhận dạng hƣ hỏng

bên trong của một ống dựa trên dạng dao động riêng. Các hƣ hỏng dạng mòn và

dạng vết nứt đƣợc mô phỏng nhƣ là sự thay đổi từ từ và đột ngột tại bề mặt bên

trong của ống. Quá trình nhận dạng hƣ hỏng chỉ yêu cầu một dạng riêng mà không

đòi hỏi việc giám sát sự thay đổi của các đặc trƣng động lực học. Ngoài ra cũng

không cần biết trƣớc số liệu ban đầu của ống không có hƣ hỏng. Tuy nhiên việc đo

đạc chính xác dạng riêng là một khó khăn của phƣơng pháp này.

Pandey và đồng nghiệp [37], Abdel [38] đã đề xuất việc áp dụng độ cong dạng

riêng trong việc phát hiện hƣ hỏng. Đối với kết cấu dạng dầm, độ cong tỉ lệ nghịch

với độ cứng địa phƣơng của kết cấu. Do đó, sự suy giảm về diện tích ở mặt cắt

ngang gây ra bởi hƣ hỏng sẽ có xu hƣớng làm tăng độ cong dạng riêng trong vùng

lân cận của hƣ hỏng này. Ở nghiên cứu này, độ cong đƣợc tính từ thành phần

chuyển vị bên của dạng riêng đo đƣợc bằng cách sử dụng biểu diễn khác biệt trung

tâm. Vị trí của hƣ hỏng đã đƣợc chỉ ra một cách chính xác bằng cách sử dụng độ

Page 24: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

13

cong dạng riêng đối với các mode từ mode 1 đến mode 5. Tuy nhiên do phƣơng

pháp này cũng dựa trên dạng riêng, nên cũng cần một lƣợng lớn dữ liệu đo chính

xác.

Qian và đồng nghiệp [39] nghiên cứu ảnh hƣởng của vết nứt đóng - mở bằng

mô hình phần tử hữu hạn. Ảnh hƣởng của vết nứt đóng - mở đƣợc tính toán bằng

cách xác định các tham số dạng riêng trong miền thời gian. Sự khác biệt giữa phản

ứng của chuyển vị đối với dầm nguyên vẹn và dầm có vết nứt đóng - mở là nhỏ hơn

so với dầm nguyên vẹn và dầm chứa vết nứt mở. Các tác giả đƣa ra mối quan hệ

giữa tham số đặc trƣng liên quan đến véc tơ riêng thứ nhất với vị trí của vết nứt.

Tuy nhiên, không nêu ra đƣợc cách xác định độ sâu của vết nứt.

Bên cạnh việc nghiên cứu tần số riêng và dạng riêng của kết cấu có hƣ hỏng,

một số tác giả [40-56] đã nghiên cứu sự thay đổi các tính chất động lực học

khác của kết cấu nhằm phát hiện hƣ hỏng:

Pandey và đồng nghiệp [40] đƣa ra một phƣơng pháp để phát hiện vết nứt

dựa trên sự khác biệt giữa ma trận độ mềm của kết cấu không hƣ hỏng và có hƣ

hỏng. Nghiên cứu cho thấy phƣơng pháp này cho kết quả rất tốt khi hƣ hỏng nằm ở

vị trí xuất hiện mô men uốn cao.

Patjawit và đồng nghiệp [41] đề xuất một phƣơng pháp sử dụng chỉ số hƣ

hỏng tổng thể (GFI) để giám sát kết cấu cầu đƣờng cao tốc. Chỉ số này là phổ của

ma trận độ mềm đƣợc kết hợp với các điểm tham chiếu đã chọn, nhạy cảm với biến

dạng của kết cấu. Khi chỉ số GFI thay đổi mạnh thì khả năng xuất hiện sự suy yếu

trong kết cấu là rất lớn. Đây chính là cảnh báo ban đầu về sự suy yếu của kết cấu, để

xác định khu vực suy yếu và mức độ suy yếu cần thiết phải có những khảo sát chi

tiết hơn. Phƣơng pháp này cần một lƣợng lớn dữ liệu chính xác, vì dựa trên dạng

riêng.

Rizzo và đồng nghiệp [42, 43] đã cải tiến phƣơng pháp sóng siêu âm để phát

hiện khuyết tật trong các sợi dây cáp. Do đặc tính nhạy và mạnh của tín hiệu sóng,

bằng cách sử dụng biến đổi wavelet để xây dựng lại chỉ số hƣ hỏng. Chỉ số hƣ hỏng

trong nghiên cứu này đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa đặc tính của phản xạ từ khuyết

tật và đặc tính tƣơng tự của tín hiệu đi trực tiếp từ máy phát tới máy thu. Đối với

Page 25: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

14

dây cáp còn nguyên vẹn, chỉ số hƣ hỏng là 1, và đối với các dây cáp có hƣ hỏng, chỉ

số hƣ hỏng nhỏ hơn 1. Mặc dù phƣơng pháp này là phƣơng pháp giám sát địa

phƣơng do đó sẽ khó cho việc áp dụng đối với toàn bộ kết cấu, tuy nhiên nghiên

cứu cũng chỉ ra rằng chỉ số hƣ hỏng là tuyến tính với độ sâu vết nứt trong thang tỷ

lệ logarit.

Reda Taha và đồng nghiệp [44] đƣa ra một phƣơng pháp nhằm cải thiện khả

năng nhận diện mẫu và phát hiện hƣ hỏng bằng cách bổ sung thêm tập mờ. Ý tƣởng

là hƣ hỏng không xảy ra theo quan hệ Boolean (đúng hay sai) mà có sự tăng dần.

Trong nghiên cứu này, phƣơng pháp cập nhật Bayesian đƣợc dùng để phân chia

mức độ hƣ hỏng thành các tập mờ phù hợp với sự không chắc chắn liên quan đến

các trạng thái hƣ hỏng không rõ ràng. Mặc dù phƣơng pháp này đã đƣợc chứng

minh là có khả năng xác định hƣ hỏng một cách chính xác bằng cách sử dụng dữ

liệu mô phỏng từ phân tích phần tử hữu hạn của một cầu bê tông chịu áp lực, tuy

nhiên phƣơng pháp này chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Li và đồng nghiệp [45] đã sử dụng phƣơng pháp kết hợp giữa phân tích dạng

dao động thực nghiệm (EMD) và phân tích wavelet để phát hiện những thay đổi

trong dữ liệu phản ứng của kết cấu. Phƣơng pháp EMD lần đầu tiên đƣợc sử dụng

để phân tích phản ứng động của kết cấu thành nhiều tín hiệu thành phần. Mỗi tín

hiệu thành phần lại đƣợc phân tích bằng biến đổi wavelet để phát hiện ra hƣ hỏng.

Kết quả này cho thấy phƣơng pháp kết hợp giữa EMD và phân tích wavelet có thể

xác định đƣợc thời điểm xảy ra hƣ hỏng của kết cấu. Tuy nhiên, phƣơng pháp này

không phát hiện mức độ và vị trí của hƣ hỏng.

Bovsunovsky và đồng nghiệp [46, 47] đã nghiên cứu, phân tích những biến

dạng phi tuyến về các đặc trƣng dao động của dầm chứa vết nứt đóng - mở. Sự thay

đổi của tần số tự nhiên, dạng riêng của dầm cũng đƣợc nghiên cứu. Tác giả sử dụng

thuật toán tính toán liên tiếp đối với biên độ dạng riêng của dầm. Khái niệm về dạng

riêng trùng nhau xảy ra vào thời điểm vết nứt đóng và mở. Dạng riêng trùng nhau

này khác với dạng riêng ban đầu. Trong nghiên cứu của tác giả, sự biến dạng của

chuyển vị, gia tốc, ứng suất của dầm chứa vết nứt đã đƣợc chứng minh và đánh giá,

so sánh độ nhạy của chúng. Các tác giả cũng nêu ra một phƣơng pháp phát hiện vết

nứt đó là áp dụng hàm phân bố đặc tính dao động của hƣ hỏng liên quan đến dạng

Page 26: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

15

riêng. Tuy nhiên, tác giả cũng chỉ ra rằng việc xác định hàm phân bố này rất phức

tạp và trong thực tế không phải lúc nào cũng thực hiện đƣợc.

Ruotolo và đồng nghiệp [48] đã phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn phi

tuyến để mô phỏng dao động điều hòa của dầm chứa vết nứt đóng - mở. Trong quá

trình dao động, vết nứt đƣợc đóng - mở đƣợc coi là mở hoàn toàn hoặc đóng hoàn

toàn. Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hàm phản ứng tần số bậc cao để nghiên

cứu tính chất phi tuyến của vết nứt đóng. Vì ở đây có sự phụ thuộc giữa hàm phản

ứng tần số bậc cao với kích thƣớc và vị trí của vết nứt. Các tác giả đã chỉ ra sự biến

dạng của phản ứng trong miền thời gian đối với dầm công xôn dƣới tải trong điều

hài hòa. Tuy nhiên, họ chƣa thiết lập đƣợc mối quan hệ giữa các biến dạng trong

miền thời gian với các tham số hƣ hỏng. Hơn nữa, nghiên cứu này cũng không đƣợc

kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Pugno và đồng nghiệp [49] đƣa ra phƣơng pháp “cân bằng điều hòa” để

nghiên cứu phản ứng động lực học của dầm chứa một số vết nứt đóng - mở vuông

góc với trục dầm khi chịu kích động điều hòa. Hệ phƣơng trình đại số phi tuyến

đƣợc giải lặp kết hợp với tích phân số. Trong nghiên cứu này, hiện tƣợng vết nứt

đóng - mở đã gây nên biến dạng của chuyển vị ở đầu tự do của dầm. Các tác giả kết

luận rằng kết quả của phƣơng pháp này phù hợp với phƣơng pháp tích phân số. Tuy

nhiên, có một số khác biệt tại điểm uốn và đỉnh trong kết quả mà họ đƣa ra. Hơn

nữa, phƣơng pháp phát hiện vết nứt cũng chƣa đƣợc nêu ra, cần tiến hành kiểm tra

bằng thực nghiệm để có kết quả nghiên cứu chính xác.

Cacciola và đồng nghiệp [50] nghiên cứu phản ứng động của dầm hình chữ

nhật chứa vết nứt không phát triển. Trong quá trình dao động, vết nứt đƣợc xem là

mở hoặc đóng hoàn toàn. Các kết quả cho thấy có sự biến dạng về phản ứng động

lực học của dầm do hiện tƣợng vết nứt đóng - mở gây nên. Tuy nhiên, các tác giả

không đƣa ra đƣợc phƣơng pháp phát hiện độ sâu và vị trí vết nứt.

Tính chất phi tuyến tính do vết nứt đóng - mở đƣợc nghiên cứu về mặt lý

thuyết, Saavendra cùng đồng nghiệp [51] đƣa ra minh họa bằng thí nghiệm; Shinha

và đồng nghiệp [52] điều chỉnh bằng phƣơng pháp giải tích. Tác giả đã trình bày thí

nghiệm đối với dầm tự do chứa vết nứt ngang chịu kích động của tải điều hòa. Từ

Page 27: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

16

đó đƣa ra sự biến dạng của phản ứng trong miền thời gian, do vết nứt đóng - mở gây

nên. Các tác giả cũng nhận thấy rằng xuất hiện tần số điều hòa cao hơn tần số cƣỡng

bức. Tuy nhiên, các tác giả không đƣa ra đƣợc phƣơng pháp để phát hiện độ sâu và

vị trí vết nứt.

Gần đây, Nguyễn Tiến Khiêm, Trần Văn Liên và đồng nghiệp [53-55] đã

nghiên cứu sự thay đổi của tần số riêng, chuyển vị, góc xoay, mô men, lực cắt của

dầm FGM có nhiều vết nứt. Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã chỉ ra rằng khi

có vết nứt tần số riêng sẽ bị suy giảm, độ suy giảm của tần số riêng phụ thuộc vào vị

trí và số lƣợng vết nứt. Tại vị trí vết nứt, các biểu đồ chuyển vị, góc xoay, mô men,

lực cắt của dầm luôn có điểm gẫy khúc. Đây là dấu hiệu để phát hiện sự tồn tại của

vết nứt và vị trí của vết nứt trong kết cấu dầm.

Ye và đồng nghiệp [56] đề xuất một phƣơng pháp mới để xác định vị trí và

kích thƣớc vết nứt, dựa trên hệ số cƣờng độ ứng suất phù hợp với kết cấu ống và

phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Kết cấu ống đƣợc phân chia thành một loạt các ống

mỏng lồng nhau. Bằng cách sử dụng hệ số cƣờng độ ứng suất của ống mỏng, tác giả

đƣa ra phƣơng pháp tính toán mới về độ cứng tƣơng đƣơng của phần tử chứa vết

nứt để giải bài toán hệ số cƣờng độ ứng suất của kết cấu ống. Tác giả kết hợp bài

toán thuận với bài toán ngƣợc để đƣa ra phƣơng pháp xác định vết nứt dựa trên sự

thay đổi tần số, từ đó đƣa ra công nghệ kiểm tra không phá hủy bằng dao động đối

với kết cấu ống.

1.3. Phƣơng pháp phân tích wavelet nhằm phát hiện hƣ hỏng của kết cấu

Nhƣ đã phân tích ở trên, hiện có nhiều tác giả đã và đang tập trung nghiên

cứu sự thay đổi về đặc trƣng động lực học của kết cấu cho bài toán phát hiện vết nứt.

Tuy nhiên, những sự thay đổi về đặc trƣng động lực học của kết cấu gây ra do vết

nứt thƣờng nhỏ và khó phát hiện bằng mắt thƣờng và phụ thuộc nhiều vào các phép

đo chính xác. Vì vậy, việc phát triển các phƣơng xử lý tín hiệu hiện đại nhằm phát

hiện ra những sự thay đổi nhỏ này đã và đang đƣợc quan tâm đặc biệt. Cho đến

ngày nay, các phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động chủ yếu đƣợc dựa trên phép

biến đổi Fourier truyền thống. Phép biến đổi Fourier rất phổ biến và hiệu quả trong

việc phân tích các tín hiệu dừng (tín hiệu là hằng số trong các tham số thống kê theo

Page 28: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

17

thời gian). Biến đổi Fourier là kết quả của tổng, hoặc tích phân trong miền thời gian

liên tục, trên toàn bộ chiều dài của tín hiệu. Do đó, biến đổi Fourier có thể cung cấp

độ phân giải tần số rất tốt cho việc biểu diễn tín hiệu trong miền tần số. Tuy nhiên,

trong quá trình biến đổi Fourier, thông tin thời gian hoặc không gian bị mất và

không thể phân tích các sự kiện thời gian ngắn hoặc các tín hiệu không dừng [57,

58]. Để khắc phục nhƣợc điểm trên của biến đổi Fourier, phƣơng pháp phân tích

thời gian - tần số đƣợc phát triển. Phƣơng pháp này bao gồm biến đổi Fourier thời

gian ngắn (STFT), biến đổi Wigner - Ville (WVT), biến đổi Hilbert, tự hồi quy

(AR), trung bình (MA), tự hồi quy trung bình, và biến đổi Wavelet (WT) [58].

Trong các phƣơng pháp này, biến đổi wavelet là một công cụ rất hiệu quả nhằm xử

lý tín hiệu do tính linh hoạt cùng với độ chính xác của nó về độ phân giải của thời

gian và tần số.

Ovanesova và đồng nghiệp [59] sử dụng phép biến đổi wavelet để phân tích

chuyển vị tĩnh của dầm chứa vết nứt mở bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.

Chuyển vị tĩnh của dầm rất mịn, ngoại trừ ở vị trí gần vết nứt, vị trí này xuất hiện sự

thay đổi nhỏ. Sự thay đổi nhỏ này thƣờng không phát hiện đƣợc nếu phản ứng đƣợc

đo đạc bằng thực nghiệm và quan sát trực quan. Nếu sử dụng biến đổi wavelet bằng

hàm wavelet “bior6.8”, thì vị trí của vết nứt đƣợc xác định tại vị trí đỉnh (peak) của

tín hiệu biến đổi. Các tác giả cũng đã phát triển phƣơng pháp phần tử hữu hạn để áp

dụng cho kết cấu khung và đạt đƣợc một số kết quả khả quan. Tuy nhiên, phƣơng

pháp này chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm. Mặt khác, phƣơng pháp này

cũng không đề cập đến việc xác định độ sâu vết nứt.

Trong nghiên cứu khác, Wang và đồng nghiệp [60] sử dụng hàm wavelet

Haar để khảo sát kết cấu có vết nứt mở. Phản ứng động phân bố theo không gian

của kết cấu đƣợc đo đạc để xác định vị trí vết nứt bằng phép biến đổi wavelet. Tác

giả giả sử rằng hƣ hỏng này có thể gây ra thay đổi nhỏ trong phản ứng động của kết

cấu gần với vị trí vết nứt; vị trí vết nứt đƣợc xác định là vị trí của nhiễu loạn, vị trí

này đƣợc xác định từ biến đổi wavelet. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chƣa đƣợc

kiểm chứng bằng thực nghiệm và cũng chƣa tính đƣợc độ sâu vết nứt.

Lu và đồng nghiệp [61] mô hình hóa kết cấu ban đầu không bị hƣ hỏng nhƣ

một sợi dây phân bố đều. Sợi dây có gắn các khối lƣợng tập trung và các lò xo đƣợc

Page 29: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

18

coi nhƣ kết cấu có hƣ hỏng. Sử dụng phép biến đổi wavelet để phân tích dao động

trong miền không gian đối với hai mô hình trên. Mô phỏng số cho thấy, hƣ hỏng địa

phƣơng có thể gây ra những thay đổi đáng kể đối với hệ số wavelet, mặc dù nó chỉ

gây nên thay đổi rất nhỏ so với tín hiệu dao động của kết cấu không bị hƣ hỏng. Tuy

nhiên, phƣơng pháp này cũng không nêu ra đƣợc mức độ của hƣ hỏng và cũng chƣa

đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Hou và đồng nghiệp [62], Basu [63] đề xuất cách tiếp cận dựa trên wavelet

để phát hiện hƣ hỏng và giám sát kết cấu. Trong những nghiên cứu này kết cấu

đƣợc mô hình bởi các lò xo. Những lò xo sẽ đứt khi phản ứng vƣợt quá giá trị

ngƣỡng hoặc vƣợt quá số chu kỳ chuyển động. Hƣ hỏng này đƣợc xem là mất độ

cứng đột ngột. Biến đổi wavelet đối với phản ứng động của kết cấu sẽ đƣợc sử dụng

để phát hiện sự mất độ cứng đột ngột và thời điểm mà nó xảy ra. Bằng cách so sánh

hệ số wavelet của dữ liệu đầu vào và đầu ra, có thể phát hiện đƣợc hƣ hỏng xuất

hiện. Tuy nhiên, cần tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng kết quả mô phỏng số này.

Phƣơng pháp này cũng không chỉ ra mức độ và vị trí của hƣ hỏng.

Rucka và đồng nghiệp [64], Poudel và đồng nghiệp [65] trình bày phƣơng

pháp dựa trên wavelet để xác định vị trí hƣ hỏng của dầm công xôn và dầm có gối

tựa đơn giản bằng cách sử dụng chuyển vị tĩnh. Hiệu quả của wavelet đƣợc chứng

minh bằng số liệu mô phỏng và thực nghiệm. Trong các thí nghiệm của tác giả,

chuyển vị tĩnh thu đƣợc bằng cách xử lý ảnh kỹ thuật số của dầm. Phƣơng pháp này

xác định đƣợc vị trí vết nứt khá hiệu quả nhƣng không đƣa ra đƣợc mức độ hƣ hỏng.

Mặt khác, đối với các kết cấu phức tạp, khó có thể sử dụng phƣơng pháp quang học

để đo chuyển vị tĩnh của kết cấu.

Sun và đồng nghiệp [66] trình bày phƣơng pháp kết hợp giữa phƣơng pháp

phân tích wavelet và phƣơng pháp mạng nơ ron để đánh giá hƣ hỏng của kết cấu.

Các hƣ hỏng của kết cấu đƣợc coi là suy giảm độ cứng cục bộ. Phản ứng động của

kết cấu đƣợc phân tách thành các thành phần wavelet và sau đó đƣợc sử dụng làm

đầu vào cho các mô hình mạng nơ ron để đánh giá hƣ hỏng. Các kết quả số cho thấy

phƣơng pháp phân tích wavelet đánh giá đƣợc hƣ hỏng, tuy nhiên phƣơng pháp này

chƣa đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm.

Page 30: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

19

Gentile và đồng nghiệp [67] kết hợp ba công cụ toán học: phép đạo hàm,

phép nhân cuộn, phép làm trơn tạo thành phép biến đổi wavelet liên tục (CWT). Tác

giả đã xác định đƣợc vị trí của vết nứt mở trong kết cấu dầm chịu dao động uốn,

bằng cách nghiên cứu dạng riêng sử dụng phép biến đổi wavelet liên tục. Trong

nghiên cứu của họ, vị trí vết nứt đƣợc phát hiện trong các trƣờng hợp dữ liệu không

có nhiễu và có nhiễu. Đây là một phƣơng pháp dựa trên dạng riêng, do đó phƣơng

pháp này đòi hỏi một lƣợng lớn dữ liệu đo chính xác. Tuy nhiên, tác giả cũng chƣa

đƣa ra thí nghiệm để kiểm chứng và cũng không nêu đƣợc cách phát hiện độ sâu vết

nứt.

Loutridis và đồng nghiệp [68] nghiên cứu hệ dầm chứa hai vết nứt. Các tác

giả đã phân tích dạng dao động cơ bản của hệ dầm công xôn chứa hai vết nứt bằng

phép biến đổi wavelet liên tục. Vị trí của vết nứt đƣợc phát hiện bởi sự thay đổi đột

ngột trong biến đổi wavelet dạng dao động riêng của dầm. Để xác định độ sâu của

vết nứt, tác giả đƣa ra khái niệm hệ số cƣờng độ liên quan giữa kích thƣớc của vết

nứt và hệ số của phép biến đổi wavelet. Hệ số cƣờng độ đƣợc tính từ đƣờng cực đại

và số mũ Lipschitz của phép biến đổi wavelet. Hệ số cƣờng độ tuân theo một xu

hƣớng nhất định, do đó có thể sử dụng nhƣ một chỉ số để đánh giá kích thƣớc của

vết nứt. Đây là phƣơng pháp dựa trên dạng riêng nên cũng yêu cầu số lƣợng lớn các

dữ liệu đáng tin cậy.

Hong và đồng nghiệp [69] đã khảo sát tính hiệu quả của phép biến đổi

wavelet liên tục về khả năng ƣớc lƣợng số mũ Lipschitz. Khi nghiên cứu dạng riêng

uốn của dầm chứa vết nứt, tác giả đã sử dụng độ lớn của số mũ Lipschitz nhƣ một

dấu hiệu nhằm đánh giá mức độ hƣ hỏng. Trong nghiên cứu này hàm wavelet

“Mexican hat” đƣợc áp dụng để ƣớc lƣợng số mũ Lipschitz, tuy nhiên không có

thực nghiệm kiểm chứng.

Chang và đồng nghiệp [70] đƣa ra phƣơng pháp phát hiện vị trí và kích thƣớc

vết nứt đối với hệ dầm chứa vết nứt sử dụng biến đổi wavelet không gian. Mục đích

là giải phƣơng trình đặc trƣng: , , 0d e , trong đó là tần số tự nhiên, d là

vị trí vết nứt, e là độ sâu vết nứt. Vị trí của vết nứt đƣợc xác định từ dạng dao động

riêng của dầm bằng cách sử dụng biến đổi wavelet. Tiếp theo, độ sâu vết nứt đƣợc

Page 31: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

20

dự đoán từ tần số tự nhiên thông qua phƣơng trình đặc trƣng với các tham số cho

trƣớc: vị trí của vết nứt và tần số tự nhiên. Nếu số lƣợng vết nứt là n, thì cần có n

tần số tự nhiên đầu tiên để dự đoán độ sâu của vết nứt. Tuy nhiên, chƣa có thực

nghiệm để kiểm chứng cho phƣơng pháp này. Hơn nữa phƣơng pháp này dựa trên

dạng riêng nên cũng cần một lƣợng lớn dữ liệu chính xác.

Một số tác giả đã áp dụng véc tơ chỉ số hƣ hỏng dựa trên phƣơng pháp

wavelet để phát hiện vết nứt. Véc tơ chỉ số hƣ hỏng đƣợc định nghĩa nhƣ sau [71]:

11 2 2, ,..., ,kdV

(1.1)

ở đó:

1

01 , 1,2,...,2 .

kj k

j

kj

Uj

U

(1.2)

0

kjU và kjU là năng lƣợng tín hiệu đƣợc lấy ra từ bậc thứ j của phân tích

wavelet đối với kết cấu nguyên vẹn và kết cấu chứa vết nứt, k là số lớp kết cấu dạng

cây của phân tích wavelet. j

cho biết sự thay đổi năng lƣợng của kết cấu khi vết

nứt xuất hiện.

Yan và đồng nghiệp [71] khảo sát một tấm có vết nứt trên bề mặt. Trong

nghiên cứu này, tác giả sử dụng mô hình phần tử hữu hạn. Tác giả đƣa ra khái niệm

véc tơ chỉ số hƣ hỏng nhận đƣợc từ phân tích wavelet, để lấy ra thông tin hƣ hỏng

từ phản ứng động lực học của tấm. Kết quả cho thấy tần số tự nhiên rất khó áp dụng

để phát hiện sự tồn tại của vết nứt. Ngƣợc lại, việc áp dụng véc tơ chỉ số hƣ hỏng

đối với phản ứng gia tốc sẽ có độ nhạy tốt cho hƣ hỏng dạng vết nứt và có thể áp

dụng để phát hiện sự tồn tại của hƣ hỏng. Tuy nhiên, không thể sử dụng phƣơng

pháp này để phát hiện độ sâu và vị trí của vết nứt.

Law và đồng nghiệp [72], Han và đồng nghiệp [73] sử dụng chỉ số phát hiện

hƣ hỏng thu đƣợc từ biến đổi wavelet để phát hiện hƣ hỏng của dầm có gối tựa đơn

giản. Trong nghiên cứu của họ, chuyển vị tĩnh của dầm đƣợc sử dụng nhằm phát

hiện hƣ hỏng của kết cấu. So sánh kết quả giữa phƣơng pháp phần tử hữu hạn và thí

Page 32: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

21

nghiệm cho thấy véc tơ chỉ số hƣ hỏng nhạy cảm với hƣ hỏng địa phƣơng. Tuy

nhiên, việc phát hiện mức độ hƣ hỏng không đƣợc nêu ra trong phƣơng pháp này.

Một loạt bài báo [74, 75, 76, 77] trình bày các phƣơng pháp dựa trên wavelet

để phát hiện vết nứt bằng cách sử dụng các sóng uốn. Nếu sóng tới gặp vết nứt, nó

sẽ ảnh hƣởng đến sóng phản xạ và sóng truyền. So sánh biến đổi wavelet của sóng

uốn của dầm không chứa vết nứt và dầm chứa vết nứt, thì trong biến đổi wavelet

của sóng uốn của dầm chứa vết nứt sẽ xuất hiện các đỉnh (peak) mới. Những đỉnh

mới này cho biết sự tồn tại của vết nứt. Vị trí vết nứt đƣợc tính từ sự khác biệt về

thời gian xuất hiện của sóng tới và sóng phản xạ. Tuy nhiên, phƣơng pháp này

không thể phát hiện đƣợc độ sâu vết nứt.

Gần đây, Castro và đồng nghiệp [78, 79] đƣa ra phƣơng pháp dựa trên

wavelet để xác định khuyết tật trong thanh chịu dao động cƣỡng bức và tự do.

Trong nghiên cứu này, khuyết tật địa phƣơng đƣợc xem là sự suy giảm về độ cứng

và mật độ. Phản ứng dọc trục của thanh đƣợc phân tích bằng phép biến đổi wavelet.

Sự thay đổi địa phƣơng về mật độ hoặc độ cứng của thanh sẽ cho biết sự tồn tại và

vị trí của hƣ hỏng. Các tác giả cũng kết luận rằng dạng dao động càng cao thì việc

phát hiện khuyết tật sẽ càng tốt. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chƣa đƣợc kiểm

chứng bằng thực nghiệm.

Chang và đồng nghiệp [80] trình bày phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng của

một tấm hình chữ nhật dựa trên phân tích wavelet. Các tác giả mô hình hóa khu vực

bị hƣ hỏng nhƣ một phần tử có độ cứng suy giảm. Dạng riêng phân bố không gian

của tấm hình chữ nhật có hƣ hỏng đƣợc tính từ phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Áp

dụng phép biến đổi wavelet, vị trí hƣ hỏng sẽ đƣợc xác định tại vị trí đỉnh (peak)

của phân bố hệ số wavelet. Phƣơng pháp này rất nhạy cảm với kích thƣớc của hƣ

hỏng, tuy nhiên không phát hiện đƣợc mức độ của vết nứt. Các tác giả cũng chƣa

chứng minh đƣợc bằng thực nghiệm. Hơn nữa, phƣơng pháp này đòi hỏi lƣợng dữ

liệu lớn vì đây là phƣơng pháp dựa trên dạng riêng.

Douka và đồng nghiệp [81], Loutridis và đồng nghiệp [82] đƣa ra phƣơng

pháp phân tích wavelet xác định vết nứt của tấm. Dựa vào dạng riêng, chuyển vị của

tấm dọc theo một chiều vuông góc với vết nứt đƣợc tách ra. Bằng phƣơng pháp này,

Page 33: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

22

bài toán trở trở thành bài toán một chiều. Vị trí vết nứt của tấm đƣợc xác định bởi

sự thay đổi đột ngột hệ số wavelet của dạng riêng. Độ sâu của vết nứt đƣợc ƣớc

lƣợng thông qua hệ số cƣờng độ; hệ số cƣờng độ là sự liên hệ giữa độ sâu vết nứt

với hệ số của phép biến đổi wavelet. Tuy nhiên, tác giả không đƣa ra thí nghiệm để

so sánh với kết quả mà họ đã đƣa ra. Mặt khác, phƣơng pháp này cần một lƣợng dữ

liệu lớn vì đây là phƣơng pháp dựa trên dạng riêng.

Gần đây, Rucka và đồng nghiệp [83] trình bày ứng dụng của phép biến đổi

wavelet liên tục đối với dao động, dựa trên phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng đối với

tấm. Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện thí nghiệm đối với một tấm thép với

bốn điều kiện biên cố định. Dạng riêng của dầm đƣợc phân tích bằng phép biến đổi

wavelet liên tục hai chiều. Vị trí hƣ hỏng đƣợc xác định tại vị trí của đỉnh trong biến

đổi không gian của phản ứng. Tuy nhiên, tác giả không đƣa ra cách xác định mức

độ hƣ hỏng. Ngoài ra, vì phƣơng pháp này dựa vào dạng riêng, nên cũng gặp nhiều

khó khăn.

Kim và đồng nghiệp [84] đề xuất phƣơng pháp đánh giá hƣ hỏng dựa trên

dao động, phƣơng pháp này có thể phát hiện, xác định vị trí, và kích thƣớc hƣ hỏng

bằng cách sử dụng một vài dạng riêng thấp. Phƣơng pháp này đặc biệt thuận lợi đối

với kết cấu dạng dầm với tải trọng dọc trục, mật độ khối lƣợng, độ cứng nền thay

đổi. Dựa trên giả định hƣ hỏng nhỏ, mối quan hệ tuyến tính giữa độ cong của dầm

có hƣ hỏng và không có hƣ hỏng đƣợc thiết lập. Với sự trợ giúp của kỹ thuật phân

tích giá trị kỳ dị, chỉ số hƣ hỏng đƣợc xác định trong không gian wavelet.

Zhu và đồng nghiệp [85] trình bày phƣơng pháp mới để xác định vết nứt đối

với kết cấu cầu dạng dầm chịu tải trọng di động dựa trên phân tích wavelet. Phản

ứng động thu đƣợc tại một điểm đo duy nhất đƣợc phân tích bằng phép biến đổi

wavelet liên tục và vị trí của vết nứt đƣợc xác định. Vị trí của vết nứt đƣợc xác định

từ sự thay đổi đột ngột trong biến đổi wavelet khi tải trọng di động dọc theo cầu. Để

đánh giá độ sâu tƣơng đối của vết nứt, tác giả đƣa ra chỉ số hƣ hỏng liên quan giữa

kích thƣớc vết nứt với hệ số biến đổi wavelet.

Messina [86] trình bày biến đổi wavelet liên tục nhƣ một toán tử vi phân.

Toán tử vi phân này đƣợc xem là bộ lọc trong việc giảm nhiễu tần số cao không

Page 34: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

23

mong muốn. Các kết quả của nghiên cứu này cung cấp một công cụ hữu hiệu dựa

trên biến đổi wavelet để phát hiện hƣ hỏng của dầm.

Kim và đồng nghiệp [87] đƣa ra đánh giá tổng quan về các phƣơng pháp phát

hiện hƣ hỏng. Trƣớc tiên, các tác giả đã trình bày lý thuyết phân tích wavelet bao

gồm biến đổi wavelet liên tục và rời rạc, tiếp theo là ứng dụng của phƣơng pháp này

đối với SHM. Sau đó trình bày các ứng dụng cụ thể hơn: phát hiện vết nứt của dầm,

bánh răng cơ học, trục lăn.

Chang và đồng nghiệp [88] trình bày kỹ thuật phát hiện hƣ hỏng kết cấu dựa

vào phân tích wavelet không gian. Sử dụng biến đổi wavelet để phân tích dạng

riêng của dầm Timoshenko. Phân bố hệ số wavelet có thể xác định vị trí vết nứt của

dầm. Phƣơng pháp này cho thấy vị trí vết nứt có thể đƣợc phát hiện ngay cả khi vết

nứt có kích thƣớc nhỏ.

Haase và đồng nghiệp [89] phân tích phản ứng động trong quá trình dao

động chuyển tiếp của kết cấu, sử dụng phép biến đổi wavelet liên tục. Đây là công

cụ hiệu quả để phát hiện sự thay đổi trong kết cấu của vật liệu. Thông tin quan trọng

xuất hiện tại các đỉnh của phép biến đổi wavelet. Từ các đỉnh này, tham số động lực

học đƣợc lấy ra và tín hiệu có thể xây dựng lại đƣợc. Dựa vào các đƣờng cực đại,

khuyết tật đƣợc khoanh vùng. Hiệu quả của phƣơng pháp đã đƣợc chứng minh bằng

việc phân tích phản ứng động đối với các dầm khác nhau dƣới tác động của lực

xung.

Quek và đồng nghiệp [90] đã phân tích độ nhạy của phƣơng pháp wavelet

trong việc phát hiện vết nứt của kết cấu dầm. Tác giả đã khảo sát ảnh hƣởng của các

tính chất khác nhau đối với vết nứt, điều kiện biên và việc sử dụng hàm wavelet.

Các tính chất vết nứt bao gồm: chiều dài, chiều rộng, hƣớng của vết nứt. Kết quả

cho thấy biến đổi wavelet là công cụ hữu ích để phát hiện các vết nứt trong kết cấu

dầm. Kích thƣớc của vết nứt theo chiều dọc có thể phát hiện đƣợc từ phân tích

wavelet. Phƣơng pháp này rất nhạy cảm với độ cong của dầm.

Lia và đồng nghiệp [91] kết hợp phƣơng pháp phân tích dạng thực nghiệm

(EMD) và phân tích wavelet để phát hiện những thay đổi trong dao động của kết

cấu. Trƣớc tiên, phƣơng pháp EMD sẽ phân tích tín hiệu dao động của kết cấu thành

Page 35: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

24

nhiều tín hiệu thành phần và biến đổi thành các tín hiệu giải tích thông qua phép

biến đổi Hilbert. Sau đó, mỗi tín hiệu thành phần đƣợc phân tích wavelet để phát

hiện chính xác vị trí và mức độ của hƣ hỏng.

Zhong và đồng nghiệp [92] đƣa ra phƣơng pháp tiếp cận mới cho việc phát

hiện vết nứt trong kết cấu dạng dầm dựa trên việc tìm kiếm sự khác biệt giữa hai tập

hệ số chi tiết của biến đổi wavelet (biến đổi wavelet phân tích một tín hiệu thành hai

tập hệ số là chi tiết và xấp xỉ). Các tập hệ số chi tiết này nhận đƣợc từ phép biến đổi

wavelet dừng (SWT) đối với hai nửa dạng riêng của kết cấu. Sự khác biệt về hệ số

của hai chuỗi tín hiệu mới sẽ chứa thông tin về vết nứt, do đó rất hữu ích cho việc

phát hiện hƣ hỏng. Các dạng riêng của dầm đƣợc tính bằng phƣơng pháp phần tử

hữu hạn. Kết quả cho thấy phƣơng pháp đề xuất có khả năng phát hiện vết nứt đối

với kết cấu dạng dầm và không yêu cầu thông tin về dữ liệu ban đầu của kết cấu

nguyên vẹn.

Tian và đồng nghiệp [93] đƣa ra phƣơng pháp phát hiện vết nứt đối với dầm

bằng phân tích wavelet của sóng uốn trong dao động chuyển tiếp. Tại bất kỳ điểm

nào của dầm, thời gian đến của sóng với vận tốc nhóm khác nhau có thể đƣợc xác

định bằng phƣơng pháp wavelet. Từ tín hiệu của sóng uốn tần số trung tâm dao

động chuyển tiếp thu đƣợc từ biến đổi wavelet, tác giả có thể xác định chính xác sự

tồn tại và vị trí vết nứt trong dầm.

Grabowska và đồng nghiệp [94] trình bày phƣơng pháp dựa trên wavelet để

phát hiện hƣ hỏng bằng cách sử dụng phép đo sóng Lamb lan truyền. Phƣơng pháp

phần tử phổ dựa trên FFT đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này.

Messina [95] đã trình bày một phƣơng pháp tinh chỉnh dựa trên biến đổi

wavelet liên tục để xác định hƣ hỏng trong kết cấu chịu dao động uốn. Ƣu điểm

chính của thuật toán này là không phụ thuộc vào bất cứ sự thay đổi nào của bản thân

các hàm wavelet; phƣơng pháp này không cần phải thiết kế một hàm wavelet bao;

không cần phải áp dụng những điều chỉnh lớn nào về mặt lý thuyết đối với các hàm

wavelet cũng nhƣ đối với các tín hiệu và cuối cùng là thuật toán này có thể áp dụng

đƣợc đối với các điều kiện biên khác nhau trong các trạng thái vật lý khác nhau.

Page 36: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

25

Lam và đồng nghiệp [96] báo cáo về việc phát triển lý thuyết và kiểm chứng

bằng mô phỏng số đối với phƣơng pháp phát hiện vết nứt dựa trên biến đổi wavelet.

Đầu tiên tác giả sẽ xác định số lƣợng vết nứt bằng phƣơng pháp wavelet rồi sau đó

là xác định vị trí, độ sâu của vết nứt bằng hàm mật độ xác suất có cập nhật. Phƣơng

pháp mà tác giả đề xuất có khả năng phát hiện đƣợc các vết nứt khi việc đo đạc gặp

khó khăn. Kết quả cho thấy phƣơng pháp này có thể xác định chính xác số lƣợng

vết nứt ngay cả khi độ sâu vết nứt là nhỏ.

Zhong và đồng nghiệp [97] đề xuất cách tiếp cận mới để phát hiện vết nứt

nhỏ trong kết cấu dạng dầm, với tỉ số vết nứt 5cHr

H . Cách tiếp cận dựa trên sự

chênh lệch của phép biến đổi wavelet liên tục (CWT) giữa hai tập dữ liệu dạng

riêng tƣơng ứng với nửa bên trái và nửa bên phải của dạng riêng dầm đơn giản chứa

vết nứt. Các kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cho thấy phƣơng pháp đề xuất có

khả năng phát hiện vết nứt đối với kết cấu dạng dầm vì nó không cần biết trƣớc

dạng riêng của dầm nguyên vẹn. Tác giả cũng đƣa ra chỉ số vết nứt tốt hơn so với

kết quả của phép biến đổi wavelet liên tục đối với dữ liệu dạng riêng ban đầu.

Fan và đồng nghiệp [98] trình bày thuật toán phát hiện hƣ hỏng dựa trên biến

đổi wavelet liên tục hai chiều (2-D) sử dụng hàm wavelet “Dergauss2d” đối với các

kết cấu dạng tấm. Thuật toán này là một phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng dựa trên

đáp ứng mà chỉ cần biết các dạng riêng của tấm có hƣ hỏng. Để minh họa khả năng

phát hiện hƣ hỏng, thì thuật toán đƣợc áp dụng đối với dạng riêng của một tấm công

xôn với các hƣ hỏng khác nhau. Tác giả cũng trình bày khả năng áp dụng thuật toán

trong việc xác định hƣ hỏng của kết cấu dạng tấm hoặc vỏ.

Katunin [99] trình bày việc xây dựng các hàm wavelet B-spline hai chiều bậc

tổng quát cho việc xác định hƣ hỏng trong các tấm composite. Việc đánh giá các

dạng dao động riêng cùng với các hình dạng hƣ hỏng khác nhau đƣợc phân tích

bằng cách sử dụng hàm wavelet B-spline hai chiều bậc sáu. Hiệu quả của việc xác

định hƣ hỏng dựa trên sự đánh giá các điểm bất thƣờng theo các hệ số wavelet chi

tiết ngang, dọc và chéo của biến đổi wavelet hai chiều. Các kết quả thu đƣợc dựa

trên số liệu số đã đƣợc kiểm chứng bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy

Page 37: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

26

khả năng ứng dụng hàm wavelet B-spline là rất tốt trong việc theo dõi, chẩn đoán và

giám sát kết cấu.

Gokdag và đồng nghiệp [100] đã trình bày một phƣơng pháp mới nhằm phát

hiện vết nứt dựa trên biến đổi wavelet. Phƣơng pháp này dựa trên giả thiết dạng

riêng của dầm có hƣ hỏng đƣợc tạo bởi dạng riêng không có hƣ hỏng và các thành

phần khác nhƣ ảnh hƣởng của phép đo và sự thay đổi địa phƣơng gây ra bởi hƣ

hỏng. Kết quả cho thấy các thành phần xấp xỉ trong biến đổi wavelet là tự tƣơng

quan tốt đối với dạng riêng có hƣ hỏng đƣợc tính từ mức phân tích wavelet mà ở đó

năng lƣợng của thành phần xấp xỉ đột ngột suy giảm. Phƣơng pháp này đã chỉ ra

rằng thành phần xấp xỉ thu đƣợc từ các dạng riêng này có thể đƣợc sử dụng một

cách thuận tiện nhƣ là số liệu ban đầu cho việc phát hiện hƣ hỏng.

Tao và đồng nghiệp [101] nghiên cứu về dao động tự do và cƣỡng bức của

dầm composite sợi kim loại chứa vết nứt có gắn bộ giảm chấn chịu tải trọng di động

và các vết nứt đƣợc phát hiện bằng cách sử dụng biến đổi wavelet liên tục. Tác giả

đã nghiên cứu ảnh hƣởng của độ sâu, vị trí vết nứt, góc của lớp sợi, hệ số độ cứng

của bộ giảm chấn và vận tốc của tải trọng di động đến dao động tự do và cƣỡng bức

của dầm công xôn. Kết quả mô phỏng số cho thấy các ảnh hƣởng trên đóng vai trò

quan trọng đối với dao động tự do và đáp ứng động lực học của dầm.

Joglekar và đồng nghiệp [102] đã trình bày phƣơng pháp lý thuyết và mô

phỏng số dựa trên phần tử hữu hạn wavelet (WSFE) để nghiên cứu tƣơng tác phi

tuyến của sóng đàn hồi và một vết nứt dạng đóng mở của dầm mảnh. Kết quả của

phƣơng pháp cho thấy phù hợp với phƣơng pháp phần tử hữu hạn Fourier và

phƣơng pháp phần tử hữu hạn một chiều đã công bố trƣớc đó. Sự tồn tại của các

thành phần điều hòa bậc cao trong miền tần số chính là hiệu ứng song tuyến tính

gây ra bởi vết nứt.

Solís và đồng nghiệp [103] đã đề nghị một phƣơng pháp mới để phát hiện hƣ

hỏng của dầm. Từ những thay đổi của dạng riêng, tác giả sử dụng phân tích wavelet

để xác định vị trí hƣ hỏng. Phƣơng pháp đề xuất yêu cầu phải biết dạng riêng của

trạng thái không hƣ hỏng cũng nhƣ dạng riêng của trạng thái hƣ hỏng. Sau đó áp

dụng phép biến đổi wavelet liên tục đối với sự chênh lệch của véc tơ dạng riêng, để

Page 38: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

27

thu đƣợc thông tin về những thay đổi của chúng. Phƣơng pháp này đã đƣợc kiểm

chứng bằng thực nghiệm đối với dầm thép chứa nhiều vết nứt có kích thƣớc và vị trí

khác nhau. Kết quả cho thấy phƣơng pháp đề xuất nhạy cảm với những hƣ hỏng

nhỏ. Nghiên cứu này cũng đánh giá đƣợc mức độ của hƣ hỏng và số lƣợng các cảm

biến cần thiết để thu đƣợc kết quả tốt.

Wu và đồng nghiệp [104] đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho

việc phát hiện vết nứt trong kết cấu dạng dầm sử dụng biến đổi wavelet của chuyển

vị tĩnh. Vết nứt sẽ gây ra một sự biến dạng nhỏ không nhìn thấy trong chuyển vị

tĩnh của dầm tại vị trí vết nứt. Biến dạng nhỏ này đƣợc khuếch đại lên nhờ biến đổi

wavelet. Vết nứt với các độ sâu khác nhau đƣợc phát hiện trong nghiên cứu này.

Biến đổi wavelet trong miền không gian cho thấy hiệu quả của việc phát hiện khu

vực chứa vết nứt với độ sâu nhỏ đến khoảng 26%.

Su và đồng nghiệp [105] trình bày phƣơng pháp xác định hƣ hỏng sử dụng

biến đổi wavelet Cauchy liên tục (CCWT) và mô hình số liệu trong miền thời gian

của biến trạng thái để xác định các tham số dạng riêng kết cấu. Phƣơng pháp đánh

giá hƣ hỏng sử dụng véc tơ vị trí hƣ hỏng (DLV) đƣợc tác giả đề xuất để xác định vị

trí hƣ hỏng trong kết cấu thông qua chỉ số chuyển vị tƣơng đối có trọng số. Chỉ số

này đƣợc tính bằng cách sử dụng véc tơ DLV xác định từ sự thay đổi của ma trận

độ mềm trƣớc và sau khi kết cấu xuất hiện hƣ hỏng. Các phân tích số cho thấy

phƣơng pháp đề xuất có thể giám sát biến đổi của độ cứng. Tác giả cũng đƣợc

chứng minh đƣợc phƣơng pháp này tốt hơn phƣơng pháp dựa vào dạng riêng trong

việc phát hiện sự thay đổi độ cứng của mỗi tầng kết cấu.

He và đồng nghiệp [106] đề xuất cách tiếp cận mới để phát hiện hƣ hỏng.

Thiết lập phƣơng trình động lực học của kết cấu dầm bằng phƣơng pháp phần tử

hữu hạn wavelet (WFEM), bằng cách sử dụng hàm multiwavelet Hermite thế hệ hai

làm hàm dạng. Phƣơng pháp này có thể xác định đƣợc phần tử hƣ hỏng thông qua

quá trình cập nhật mô hình cùng hàm mục tiêu là hàm của tần số và dạng riêng đo

đƣợc. Các kết quả của nghiên cứu chứng minh rằng phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng

dựa trên WFEM có thể xác định đƣợc vị trí, mức độ của hƣ hỏng. So với phƣơng

pháp truyền thống, phƣơng pháp đề xuất sử dụng ít số bậc tự do hơn và ít tham số

Page 39: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

28

cập nhật đối với mô hình kết cấu hơn, đồng thời sử dụng ít cảm biến hơn trong thí

nghiệm, do đó sẽ cải thiện đáng kể hiệu quả trong bài toán nhận dạng hƣ hỏng.

Yan và đồng nghiệp [107] phát triển phƣơng pháp dựa trên wavelet, không

những xác định đƣợc vị trí của nhiều hƣ hỏng mà còn đƣa ra thông tin về thời điểm

xuất hiện hƣ hỏng. Tác giả định nghĩa lực wavelet dƣ (RWF) bằng cách biến đổi

wavelet đối với dao động tự do của kết cấu có hƣ hỏng. Vị trí hƣ hỏng và thời điểm

xảy ra hƣ hỏng đƣợc xác định một cách dễ dàng bởi các đỉnh trong RWF. Phƣơng

pháp đề xuất đƣợc chứng minh bằng mô phỏng số đối với kết cấu khung thép.

Hester và đồng nghiệp [108] trình bày thuật toán dựa trên đồ thị của hệ số

wavelet theo thời gian để phát hiện hƣ hỏng (điểm bất thƣờng trong đồ thị) xuất

hiện, hƣ hỏng này rất nhạy cảm với nhiễu. Nghiên cứu này giải quyết vấn đề bằng

cách: (a) sử dụng tín hiệu gia tốc, thay vì tín hiệu độ lệch, (b) sử dụng mô hình

tƣơng tác phần tử hữu hạn xe-cầu, (c) phát triển cách tiếp cận mới, sử dụng hàm

năng lƣợng wavelet.

Alamdari và đồng nghiệp [109] đề xuất phƣơng pháp phát hiện vết nứt bằng

cách sử dụng hàm đáp ứng tần số (FRFs) của kết cấu chứa vết nứt. Tác giả chuẩn

hóa tín hiệu, rồi xây dựng đồ thị hai chiều của tín hiệu. Sau đó phân tích đồ thị này

bằng phép biến đổi wavelet rời rạc (DWT) và thu đƣợc tập các hệ số wavelet ngang,

dọc và chéo. Ở đây tập các hệ số ngang rất nhạy cảm với nhiễu loạn xuất hiện trong

tín hiệu do hƣ hỏng gây nên. Do đó tập các hệ số ngang này đƣợc sử dụng để phát

hiện hƣ hỏng địa phƣơng.

Nguyen và đồng nghiệp [110] đƣa ra phƣơng pháp phát hiện nhiều vết nứt

trong kết cấu dạng dầm chịu tải trọng di động. Mô hình vết nứt đƣợc thiết lập theo

cơ học phá hủy, đáp ứng động lực học của hệ đƣợc đo trực tiếp từ tải trọng di động.

Khi tải trọng di động dọc theo kết cấu, sẽ gây nên biến dạng méo mó trong đáp ứng

động lực học của kết cấu tại vị trí xuất hiện vết nứt. Nói chung biến dạng này khó

có thể phát hiện đƣợc bằng trực quan. Tuy nhiên, khi sử dụng phép biến đổi wavelet

thì các biến dạng nhỏ này đƣợc phát hiện. Đỉnh xuất hiện trong phép biến đổi

wavelet chỉ ra sự tồn tại của vết nứt trong kết cấu, và vị trí của vết nứt chính là vị trí

của các đỉnh trong phép biến đổi này.

Page 40: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

29

Nguyen [111] so sánh việc phát hiện vết nứt mở và vết nứt thở đối với hệ xe-

cầu chịu tải trọng di động. Tác giả đã sử dụng phổ wavelet để phát hiện vết nứt thở.

Vết nứt mở và vết nứt thở có thể đƣợc phân biệt bằng cách giám sát tần số tức thời

IF của hệ. Trong khi tần số tức thời IF không thay đổi trong quá trình dao động đối

với trƣờng hợp vết nứt mở, thì nó sẽ thay đổi đối với trƣờng hợp vết nứt thở. Đỉnh

(peak) xuất hiện trong phép biến đổi wavelet của đáp ứng đƣợc sử dụng để xác định

vị trí vết nứt. Đối với vết nứt thở thì đỉnh này lớn hơn so với trƣờng hợp vết nứt mở.

Điều đó cho thấy phƣơng pháp wavelet phát hiện vết nứt thở dễ dàng hơn vết nứt

mở.

Katunin cùng đồng nghiệp [112] đề xuất phƣơng pháp phát hiện hƣ hỏng và

vị trí hƣ hỏng trong tấm composite bằng biến đổi wavelet rời rạc rời rạc đối với

chuyển vị của dạng riêng. Trong nghiên cứu này, tác giả đƣa ra một số thuật toán tối

ƣu để tìm kiếm các giá trị tham số tốt nhất của biến đổi wavelet. Phƣơng pháp đƣợc

kiểm nghiệm trên dữ liệu thu đƣợc từ các thí nghiệm mô phỏng số đối với mô hình

có một và nhiều hƣ hỏng. Nghiên cứu của tác giả cũng đƣợc kiểm chứng qua thực

nghiệm, bằng cách sử dụng các phép đo không phá hủy đối với chuyển vị của dạng

riêng. Tác giả cũng nêu lên những ƣu điểm, nhƣợc điểm và hạn chế của phƣơng

pháp này.

Dziedziech và đồng nghiệp [113] đã đề xuất một ứng dụng của hàm đáp ứng

tần số dựa trên wavelet của tín hiệu vào ra để phát hiện vết nứt. Vấn đề quan trọng

nhất là phải trích ra đƣợc đồ thị tần số theo thời gian. Các phƣơng pháp truyền

thống để lấy đƣợc tham số tần số này sẽ cho kết quả là một đƣờng trơn. Tuy nhiên,

để thu đƣợc những thay đổi đột ngột thì phƣơng pháp này không đƣợc sử dụng.

Phƣơng pháp trình bày trong nghiên cứu này đƣợc áp dụng trong mô phỏng và thực

nghiệm đối với kết cấu nhiều tầng. Kết quả cho thấy phƣơng pháp đề xuất trong

nghiên cứu này có thể thu đƣợc các tính chất động lực học thay đổi theo thời gian

một cách chính xác.

Nguyen [114] trình bày ảnh hƣởng của khối lƣợng tập trung và vết nứt đến

tần số riêng của hệ dầm kép chứa vết nứt, bằng cách sử dụng phân tích wavelet. Hệ

dầm kép gồm hai dầm khác nhau đƣợc liên kết bởi một môi trƣờng đàn hồi. Mối

quan hệ giữa tần số tự nhiên và vị trí của khối lƣợng tập trung đƣợc thiết lập và

Page 41: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

30

đƣợc gọi là “vị trí khối lƣợng - tần số” (FML). Các mô phỏng số cho thấy khi có vết

nứt, tần số của hệ dầm kép thay đổi bất thƣờng khi khối lƣợng tập trung trùng với vị

trí vết nứt. Sự thay đổi bất thƣờng này đƣợc khuếch đại bằng biến đổi wavelet và

điều này rất hữu ích cho việc phát hiện vết nứt: vị trí vết nứt chính là vị trí của đỉnh

xuất hiện trong phép biến đổi wavelet của hàm “vị trí khối lƣợng - tần số”.

Janeliukstis và đồng nghiệp [115] trình bày thuật toán nhận dạng hƣ hỏng đối

với kết cấu dầm có nhiều hƣ hỏng dựa trên biến đổi wavelet của dạng dao động

riêng. Các hệ số wavelet chuẩn hóa đƣợc coi nhƣ là chỉ số hƣ hỏng phân bố dọc

theo dầm. Đỉnh lớn nhất của biến đổi wavelet sẽ là vị trí của hƣ hỏng. Kết quả chỉ ra

rằng thuật toán này có khả năng phát hiện ra vị trí của hƣ hỏng.

1.4. Kết luận

Chƣơng này đã trình bày, phân tích các phƣơng pháp dựa trên đặc trƣng

động lực học của kết cấu và phƣơng pháp xử lý tín hiệu wavelet trong việc phát

hiện vết nứt của kết cấu. Các phân tích trong phần tổng quan cho thấy khi có vết nứt

thì tần số riêng và dạng dao động riêng của kết cấu sẽ bị thay đổi và sử dụng sự thay

đổi này ta có thể phát hiện đƣợc vị trí cũng nhƣ kích thƣớc của vết nứt. Tuy nhiên,

đối với các vết nứt nhỏ thì sự thay đổi này thƣờng rất bé, khó quan sát bằng trực

quan hoặc bằng các phƣơng pháp xử lý thông thƣờng. Sự thay đổi của tần số riêng

và dạng riêng thƣờng chỉ rõ ràng khi độ sâu vết nứt lên đến 40%. Ngoài ra các

phƣơng pháp sử dụng dạng dao động riêng trong phát hiện vết nứt cũng gặp phải

các hạn chế nhƣ yêu cầu lƣợng lớn các số liệu đo chính xác. Ảnh hƣởng của vết nứt

lên dạng riêng là ít, cục bộ khi độ sâu vết nứt nhỏ và bị ảnh hƣởng mạnh bởi nhiễu

đo đạc.

Vì vậy, cần phải có phƣơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại để phát hiện những

sự thay đổi nhỏ trong các đặc trƣng động lực học của kết cấu gây ra bởi vết nứt

nhằm phát hiện sớm các hƣ hỏng. Đồng thời cần đề xuất phƣơng pháp mới nhằm

khắc phục những hạn chế về việc ứng dụng dạng riêng trong các phƣơng pháp phát

hiện vết nứt. Trong khi đó, phƣơng pháp phân tích wavelet - một phƣơng pháp xử lý

tín hiệu hiện đại có khả năng phân tích trong miền thời gian - tần số là một giải

pháp hữu dụng và đang đƣợc ứng dụng mạnh cho việc phát hiện hƣ hỏng của kết

Page 42: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

31

cấu. Do đó, phƣơng pháp phân tích wavelet là phù hợp cho mục đích phát hiện vết

nứt trong kết cấu.

Qua các nghiên cứu tổng quan này, tác giả luận án nhận thấy một số vấn đề

còn tồn tại trong các phƣơng pháp dao động nhằm phát hiện vết nứt nhƣ sau:

Chƣa có tác giả nào ứng dụng phƣơng pháp wavelet cho việc phát hiện vết

nứt xảy ra đột ngột và thời điểm xuất hiện vết nứt. Phƣơng pháp phân tích

wavelet để phát hiện vết nứt đã đƣợc nghiên cứu nhiều. Tuy nhiên, nếu sử

dụng phƣơng pháp phân tích wavelet thông thƣờng thì chỉ xác định đƣợc vị

trí xuất hiện vết nứt mà không thể xác định đƣợc thời điểm xuất hiện vết nứt.

Trong khi ƣu điểm của phƣơng pháp phân tích phổ wavelet vừa xác định

đƣợc thời điểm xuất hiện vết nứt lẫn vị trí xuất hiện vết nứt.

Chƣa có tác giả nào sử dụng phƣơng pháp wavelet để phát hiện vết nứt dựa

trên ảnh hƣởng đồng thời của vết nứt và khối lƣợng tập trung đến tần số

riêng của kết cấu. Phƣơng pháp phân tích wavelet để phát hiện vết nứt mà

không dựa trên ảnh hƣởng của khối lƣợng tập trung thì tính hiệu quả không

cao bằng việc sử dụng khối lƣợng tập trung để phát hiện vết nứt. Lý do là,

khi có vết nứt thì các đặc trƣng động lực học của kết cấu sẽ thay đổi, tuy

nhiên nếu đƣa thêm khối lƣợng tập trung vào kết cấu, thì các thay đổi về đặc

trƣng động lực học của kết cấu sẽ đƣợc khuếch đại rõ hơn.

Chƣa có phƣơng pháp phát hiện vết nứt nào sử dụng ma trận độ cứng mà

đƣợc tính trực tiếp tín hiệu dao động thay vì tính toán từ các dạng riêng nhƣ

truyền thống. Thông thƣờng, ma trận độ cứng đƣợc tính toán từ dạng riêng

dao động nên sẽ phức tạp hơn, mặt khác dạng riêng lại đƣợc tính thông qua

tín hiệu đo dao động, do đó cần có một lƣợng lớn dữ liệu đo dao động chính

xác.

Từ những lý do trên, mục đích của luận án là đề xuất phƣơng pháp phát hiện

vết nứt nhằm khắc phục một số tồn tại này. Đó là:

1. Ứng dụng phƣơng pháp sử dụng phân tích wavelet nhằm phát hiện vết nứt

xảy ra đột ngột và xác định thời điểm xuất hiện của vết nứt. Trong đó,

phƣơng pháp phổ wavelet sẽ đƣợc áp dụng do ƣu điểm của phƣơng pháp này

Page 43: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

32

có thể xác định đƣợc sự tồn tại của vết nứt đồng thời xác định đƣợc cả thời

điểm xảy ra vết nứt.

2. Ứng dụng phƣơng pháp sử dụng phân tích wavelet để nghiên cứu sự thay đổi

đối với tần số riêng của kết cấu khi có một khối lƣợng tập trung, nhằm phát

hiện ra vết nứt trong kết cấu.

3. Đề xuất một phƣơng pháp mới để phát hiện vết nứt, trong đó việc tính toán

ma trận độ cứng sẽ sử dụng trực tiếp số liệu đo dao động nhằm giảm thiểu

sai số khi tính toán ma trận độ cứng từ dạng riêng nhƣ thông lệ.

Phạm vi nghiên cứu của luận án

Kết cấu có chứa vết nứt trong thực tế là rất phức tạp: vết nứt có thể vuông

góc với bề mặt của phần tử nhƣng cũng có thể là vết nứt xiên, tạo với bề mặt một

góc bất kỳ nào đó; vết nứt có thể có độ sâu là hằng số theo toàn bộ chiều dài của vết

nứt nhƣng độ sâu của vết nứt cũng có thể thay đổi theo chiều dài vết nứt; vết nứt có

thể có hình dạng thẳng nhƣng cũng có thể có dạng cong; vết nứt có thể có độ rộng

lớn hoặc nhỏ tùy theo trạng thái chịu tải của phần tử v.v. Ngoài ra, vật liệu cũng rất

đa dạng trong các kết cấu thực. Mỗi loại vật liệu lại có các vết nứt với các đặc tính

khác nhau.

Tuy nhiên, để nghiên cứu toàn bộ các loại vết nứt và các loại vật liệu khác

nhau là một vấn đề rất khó khăn và phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức của nhiều nhà

nghiên cứu. Vì vậy, trong khuôn khổ của luận án này chỉ xét vết nứt mở hoàn toàn

với hình dạng đơn giản nhất, đó là: vết nứt có hình dạng đƣờng thẳng vuông góc với

chiều dài phần tử; hƣớng của độ sâu vết nứt vuông góc với bề mặt phần tử; độ sâu

vết nứt không thay đổi dọc theo chiều dài vết nứt, độ rộng vết nứt nhỏ và coi nhƣ

đƣợc bỏ qua.

Để thực hiện các công việc này, việc đầu tiên là phải tính toán và phân tích

các đặc trƣng động lực học của kết cấu có hƣ hỏng. Cơ sở lý thuyết của những vấn

đề này sẽ đƣợc trình bày ở chƣơng tiếp theo.

Page 44: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

33

CHƢƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU DẦM CÓ VẾT NỨT

Để phân tích các đặc trƣng động lực học của kết cấu có hƣ hỏng, luận án sẽ

sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn do phƣơng pháp này có thể phân tích đƣợc

kết cấu phức tạp mà phƣơng pháp giải tích khó có thể thực hiện đƣợc. Vì vậy trong

chƣơng này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về phƣơng pháp phần tử hữu hạn nhằm giải

bài toán động lực học kết cấu có vết nứt.

Chƣơng này bao gồm hai phần chính: phần thứ nhất trình bày khái quát về

các mô hình vết nứt hiện đang đƣợc sử dụng để tính toán kết cấu có vết nứt. Đặc

biệt, mô hình vết nứt của dầm hai chiều (2D) và dầm ba chiều (3D) đƣợc trình bày

chi tiết do hai mô hình này đƣợc ứng dụng trong luận án. Phần thứ hai trình bày về

phƣơng trình dao động của kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn nhằm phân

tích các đặc trƣng động lực học của kết cấu có vết nứt phục vụ bài toán chẩn đoán

kỹ thuật.

2.1. Giới thiệu về vết nứt trên quan điểm cơ học phá hủy

Vết nứt xuất hiện trong phần tử kết cấu do nhiều nguyên nhân. Chúng có thể

là các vết nứt mỏi xảy ra dƣới các điều kiện chịu tải trọng lặp đi lặp lại kết quả là

cƣờng độ mỏi bị vƣợt quá giới hạn. Các vết nứt có thể xuất hiện do hƣ hỏng cơ học,

nhƣ trong cánh tuabin của động cơ phản lực, vết nứt đƣợc sinh ra bởi các hạt cát và

sỏi nhỏ dính trên bề mặt. Một số vết nứt khác xuất hiện bên trong vật liệu ngay

trong quá trình chế tạo. Trong thực tế, vết nứt hoặc khuyết tật cục bộ ảnh hƣởng đến

đáp ứng động lực học của kết cấu dẫn đến một chuỗi những đe dọa nguy hiểm tới

hiệu suất hợp lý của máy và khả năng chịu lực của kết cấu. Do đó, việc mô phỏng

vết nứt và tính toán kết cấu có vết nứt là chủ đề nóng đƣợc quan tâm của nhiều nhà

nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

Trạng thái ứng suất biến dạng tại vết nứt thƣờng tập trung ở đầu vết nứt và

đƣợc mô tả bằng hệ số tập trung ứng suất. Theo lý thuyết cơ học phá hủy, một vết

nứt hở có thể có ba dạng chính nhƣ trong (hình 2.1) đƣợc gọi là các kiểu (mode) vết

nứt (kiểu vết nứt mở - Mode I, kiểu vết nứt trƣợt - Mode II và kiểu vết nứt rách -

Mode III).

Page 45: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

34

Hình 2.1. Ba kiểu vết nứt cơ bản.

Đối với các kiểu vết nứt cơ bản, ngƣời ta có thể tính đƣợc các hệ số tập trung

ứng suất tại các đầu vết nứt tƣơng ứng, kí hiệu , ,I II IIIK K K , dựa trên số liệu thực

nghiệm. Do đó, có thể nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng tại vết nứt. Trên cơ

sở này hầu hết vết nứt đƣợc mô tả nhƣ sự suy giảm độ cứng và đƣợc tính thông qua

các hệ số này. Tùy theo mô hình vết nứt nhƣ chịu kéo nén thì sự thay đổi độ cứng lò

xo kéo nén đƣợc tính thông qua IK , còn dầm chịu uốn không xét ảnh hƣởng của

trƣợt thì sự thay đổi độ cứng tính qua IK và IIK ,… Một số mô hình vết nứt đã

đƣợc nghiên cứu và sử dụng nhiều trong phân tích tính toán kết cấu.

Vết nứt mở hoàn toàn: là vết nứt đƣợc giả thiết là luôn luôn mở trong

quá trình dao động. Hai kiểu vết nứt, vết nứt mở hai cạnh (hai bên) (hình 2.2b) xảy

ra trong trƣờng hợp tải chu kỳ, vết nứt mở một cạnh (một bên) (hình 2.2a) xảy ra do

tải dao động (fluctuating loadings) (hình 2.2). Tuy nhiên, trong tính toán sử dụng

vết nứt mở một bên ngƣời ta thƣờng phải dựa trên một số giả thiết nhƣ sau:

- Vết nứt mở hoàn toàn trên bề rộng của dầm.

- Vết nứt có độ sâu không đổi dọc theo độ rộng của dầm.

- Vết nứt không làm thay đổi khối lƣợng của dầm.

- Vết nứt chỉ bị nứt một phía.

- Giới hạn độ sâu 0.6a h thì áp dụng đƣợc tính toán chính xác.

- Vết nứt nằm ngang trên bên mặt không đổi theo chiều rộng của dầm.

Page 46: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

35

a) b)

c) d)

Hình 2.2. Mô hình vết nứt mở.

a) Vết nứt một bên, b) Vết nứt hai bên, c) Dạng chữ V, d) Vết nứt cƣa.

Vết nứt thở (breathing): là một vết nứt mở và đóng liên tục trong quá

trình dao động. Vết nứt sẽ đóng trong một phần của chu kỳ khi các ứng suất là nén

và nó sẽ ứng xử nhƣ tựa lò xo (billinear spring). Tùy theo trạng thái tải trọng tác

dụng lên kết cấu mà vết nứt có thể là mở hoàn toàn, đóng hoàn toàn hoặc vừa đóng

vừa mở trong quá trình dao động. Ví dụ, trong bài toán cầu dạng dầm chịu tác dụng

của tải trọng xe di động, chuyển vị của dầm thƣờng hƣớng xuống. Nếu biên độ dao

động nhỏ hơn độ cong của dầm thì vết nứt phía dƣới của dầm đƣợc coi là mở hoàn

toàn và vết nứt phía trên dầm đƣợc coi là đóng hoàn toàn. Nếu biên độ dao động của

dầm lớn hơn độ cong của dầm thì các vết nứt nói trên sẽ đóng và mở theo thời gian.

Dựa trên các giả thiết trên và phƣơng pháp tính toán kết cấu có vết nứt

(phƣơng pháp ma trận truyền, phƣơng pháp ma trận độ cứng động, phƣơng pháp

phần tử hữu hạn,...) mà sử dụng mô hình vết nứt 2D cho phù hợp cụ thể là đối với

vết nứt mở hoàn toàn ngƣời ta thƣờng hay sử dụng một số mô hình vết nứt nhƣ: một

lò xo hay một phần tử có chứa một vết nứt và sự thay đổi độ cứng chống uốn EI .

Đối với vết nứt thở, mô hình hay đƣợc sử dụng là mô hình phần tử hữu hạn. Nhƣ

vậy có ba mô hình chính đang đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc thƣờng hay

b

h

b

h

Page 47: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

36

sử dụng nhƣ sau: mô hình lò xo, mô hình thay đổi độ cứng chống uốn EI , mô hình

phần tử hữu hạn.

Các phƣơng pháp giải tích có thể giải đƣợc bài toán động lực học đối với kết

cấu đơn giản, tuy nhiên đối với kết cấu phức tạp sẽ gặp nhiều khó khăn. Đặc biệt là

kết cấu có vết nứt. Trong khi đó, phƣơng pháp phần tử hữu hạn có thể giải các bài

toán động lực học của kết cấu phức tạp. Vì vậy, luận án này sẽ sử dụng phƣơng

pháp phần tử hữu hạn để phân tích động lực học của kết cấu có vết nứt. Các kết cấu

trong luận án này là kết cấu dầm và kết cấu khung không gian. Phần tử dầm 2D và

3D đƣợc sử dụng trong các bài toán kết cấu. Sau đây, tác giả sẽ trình bày mô hình

phần tử hữu hạn cho phần tử dầm 2D, 3D có chứa vết nứt.

2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho dầm 2D và 3D chứa vết nứt

2.2.1. Dầm 2D chứa vết nứt

Bỏ qua biến dạng trƣợt, năng lƣợng biến dạng của một phần tử không nứt có

thể thiết lập nhƣ sau [39]:

2 3

2(0) 2 2

0

1 1,

2 2 3

lP l

W M Pz dz M l MPlEI EI

(2.1)

l là chiều dài của phần tử ; P, M là các nội lực uốn và cắt tại nút của phần tử.

Năng lƣợng biến dạng thêm vào do vết nứt là:

(1)

0

.

a

sW b J da (2.2)

Mật độ năng lƣợng biến dạng sJ trong trƣờng hợp tổng quát có dạng:

2 2 26 6 6

I II III

1 1 1

1.s i i i

i i i

J K K KE

(2.3)

Trƣờng hợp bài toán phẳng năng lƣợng biến dạng thêm vào nhƣ sau:

22 2

(1) IIII II

0

1,

a KK KW b da

E E

(2.4)

Page 48: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

37

trong đó E E đối với trƣờng hợp ứng suất phẳng, 21

EE

đối với trƣờng

hợp biến dạng phẳng, a là độ sâu vết nứt, E là mô đun đàn hồi, là hệ số Poisson,

và I II III, ,K K K lần lƣợt là các hệ số tập trung ứng suất cho các kiểu vết nứt.

Bỏ qua tác dụng của lực dọc trục, phƣơng trình trên trở thành:

2 2

(1) I I II

0

,

a

M P PK K KW b da

E

(2.5)

trong đó:

I I III I II2 2

6 ( ) 3 ( ) ( ), , ,M P P

M aF s Pl aF s P aF sK K K

bh bh bh

4

I

0.923 0.199 1 sin2 2

( ) tan ,2

cos2

s

sF s

ss

2 3

2

II

1.122 0.561 0.085 0.18( ) 3 2 ,

1

s s sF s s s

s

với a

sh

là tỷ lệ giữa độ sâu vết nứt a và độ dày h của dầm.

Hệ số độ mềm cho một phần tử không có vết nứt là:

2 (0)(0)

1 2, , ; , 1,2,ij

i j

Wc P P P M i j

P P

(2.6)

và hệ số độ mềm thêm vào là:

2 (1)(1)

1 2, , ; , 1,2.ij

i j

Wc P P P M i j

P P

(2.7)

Hệ số độ mềm tổng cộng là:

(0) (1).ij ij ijc c c (2.8)

Từ điều kiện cân bằng (hình 2.4):

Page 49: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

38

1 1 1 1 1 1 10, , 0, ,i i i i i i i i iP P P P M M P l M M

hay:

1 1 1 1 ,TT T

i i i i i iP M P M P M (2.9)

trong đó:

1 1 0

.0 1 0 1

T

Tl

(2.10)

Hình 2.4. Mô hình phần tử.

Bằng cách sử dụng nguyên lý công ảo, ma trận độ cứng của phần tử bị nứt có

thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

1K T c T

T

c . (2.11)

Trƣờng hợp phần tử không nứt ma trận độ mềm (0)

c đƣợc xác định là:

3 2

(0)

2

3 2.

2

c

l l

EI EI

l l

EI EI

(2.12)

Trƣờng hợp phần tử bị nứt, ma trận độ mềm (1)

c đƣợc xác định là:

2

1(1) 2 1

1 1

2,2

2

c

nl RmR nlR

nlR nR

(2.13)

với 2 2

1 I 2 II4 2

0 0

36 36, , , .

a a

n m R aF da R aF daE bh E bh

y

x

Pi+1

Mi+1

Pi

Mi

l

Page 50: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

39

2.2.2. Dầm 3D chứa vết nứt

Xét một dầm đồng nhất với mặt cắt ngang hình chữ nhật có một vết nứt tại vị

trí cL kể từ đầu bên trái của dầm. Để thu đƣợc ma trận độ cứng của phần tử có vết

nứt trƣớc tiên ta sẽ đi tìm ma trận độ mềm của phần tử có chứa vết nứt, sau đó xác

định ma trận nghịch đảo của ma trận độ mềm này [116].

Hình 2.5. Mô hình 3D của phần tử có chứa vết nứt.

Phần tử dầm này chịu lực cắt 2 3 8 9, , ,P P P P ; mô men uốn 5 6 11 12, , ,P P P P ; lực

dọc trục 1 7,P P và mô men xoắn 4 10,P P . Sử dụng nguyên lý Castingliano, ma trận độ

mềm tổng thể là tổng của hệ số độ mềm của phần tử nguyên vẹn và hệ số độ mềm

thêm vào do vết nứt:

( ) (1) ,o

ij ij ijc c c (2.14)

ở đó:

2 (0)(0) ; , 1..6,ij

i j

Wc i j

P P

(2.15)

là hệ số độ mềm của phần tử nguyên vẹn, và hệ số độ mềm thêm vào do vết

nứt có dạng:

2 (1)(1) ; , 1..6.ij

i j

Wc i j

P P

(2.16)

x

z

y

P7

P2

P1

P3

P8

P9

P12

P11

P10

Vết nứt

P5

P4

P6

Page 51: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

40

Trong đó (0)W là năng lƣợng biến dạng của phần tử không chứa vết nứt,

(1)W

là năng lƣợng biến dạng của phần tử chứa vết nứt.

Xét ảnh hƣởng của các lực dọc trục, lực cắt, mô men xoắn và mô men uốn tại

mặt cắt của vết nứt, năng lƣợng biến dạng của phần tử có thể đƣợc viết nhƣ sau:

2 2 22 2 2

(0) 3 2 6 3 51 2 4

0

( ) ( )1.

2

l

z y

P P x P P x PP P PW dx

AE GA GA EI EI GJ

(2.17)

Ở đó 1P là lực dọc trục, 2P và 3P là lực cắt, 2 6P x P và 3 5P x P là mô men

uốn, 4P là mô men xoắn tác dụng lên mặt cắt của kết cấu; G là mô đun trƣợt, E là

mô đun đàn hồi của vật liệu; ,y zI I là các mô men quán tính chống uốn của mặt cắt

quanh trục y và z một cách tƣơng ứng; J là mô men cực của mặt cắt tại vết nứt; là

hệ số trƣợt. Phƣơng trình (2.17) viết lại nhƣ sau:

2 2 2 2 3 2 22 2 2 3 2(0) 3 6 2 6 3 5 3 51 2 2 4

0

1.

2 3 3z z z y y y

P l P l P Pl P l P l P PlP l P l P l P lW

AE GA GA EI EI EI EI EI EI GI

(2.18)

Năng lƣợng biến dạng thêm gây ra vết nứt của một dầm có mặt cắt hình chữ

nhật với độ dày h, chiều rộng b có thể biểu diễn nhƣ sau [116]:

2 2 26 6 6

(1)

I II III

1 1 1

1,i i i

A

W K K K dAE

(2.19)

ở đó 2

, 11

EE

và I II III, ,i i iK K K là các hệ số cƣờng độ ứng suất

cho các dạng mở, trƣợt và rách của vết nứt một cách tƣơng ứng, 1..6i .

Hệ số cƣờng độ ứng suất có thể tính từ tài liệu [117] nhƣ sau:

51I1 1 1 1 I5 5 1 5 3

12( ) , , ( ) , ,

P zPK F K F

bh b h

6 2I6 6 2 6 I2 I3 I4 II2 2 II 22

6( ) , , 0 , ( ) , ,

P PK F K K K K F

bh bh

Page 52: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

41

4II4 4 II 4 II1 II3 II5 II6( ) , , 0,

PK F K K K K

bh

3III3 3 III 3 III4 4 III( ) , , ( ) ,

PK F K F

bh

III1 III2 III5 III6 0.K K K K (2.20)

Trong đó h

, và:

3

1

0.752 2.02 0.37 1 sin2 2

tan ,2

cos2

a a

a h a h hF

ah a h

h

4

2

0.923 0.199 1 sin2 2

tan ,2

cos2

a

a h a hF

ah a h

h

2 3

II

1.122 0.561 0.085 0.18

,

1

a a a

a h h hF

h a

h

III

2tan .

2

a h aF

h a h

(2.21)

Từ phƣơng trình (2.15) và (2.18) ma trận độ mềm của phần tử nguyên vẹn

đƣợc viết nhƣ dƣới đây:

Page 53: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

42

3 2

3 2

0

0

2

2

0 0 0 0 0

0 0 0 03 2

0 0 0 03 2

.

0 0 0 0 0

0 0 0 02

0 0 0 02

C

z z

y y

y y

z z

l

AE

l l l

GA EI EI

l l l

GA EI EI

l

GI

l l

EI EI

l l

EI EI

(2.22)

Từ phƣơng trình (2.16), (2.20), (2.21) các hệ số độ mềm do vết nứt đƣợc xác

định nhƣ sau:

2 2

(1) 2 (1) (1) 2

11 1 15 51 12 4

0 2 0 2

2 24( ) , ,

b ba a

b b

c F d dz c c F d zdzE b E b

2

(1) (1)

16 61 1 22

0 2

12,

ba

b

c c F F d dzE b h

7 6 522 2(1) 2

22 II2

0 2

2 2( ) 0.004 0.01 0.026

ba

b

a a ac F d dz

E b E b h h h

4 3 2

0.044 0.227 0.288 0.682 0.682ln 1 ,a a a a a

h h h h h

7 6 52

(1) (1) 2

24 42 II2

0 2

2 2( ) 0.004 0.01 0.026

ba

b

a a ac c F d dz

E b E b h h h

4 3 2

0.044 0.227 0.288 0.682 0.682ln 1 ,a a a a a

h h h h h

22 2(1) 2 2

33 III2

0 2

2 4( ) ln cos ,

2

ba

b

ac F d dz

E b E b h

2

(1) (1) 2 2

34 43 III2

0 2

2 4( ) ln cos ,

2

ba

b

ac c F d dz

E b E b h

Page 54: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

43

2

(1) 2 2

44 II III2

0 2

2,

ba

b

c F F d dzE b

2 2

(1) 2 2 (1) 2

55 1 66 26 2 2

0 2 0 2

288 72( ) , ( ) ,

b ba a

b b

c F d z dz c F d dzE b E b h

2

(1) (1)

56 65 1 24

0 2

144.

ba

b

c c F F d zdzE b h

(2.23)

Ở đó là hệ số trƣợt, ;a

ah h

. Vì vậy, ma trận độ mềm thêm vào do

vết nứt gây ra có thể biểu diễn nhƣ sau:

(1) (1) (1)

11 15 16

(1) (1)

22 24

(1) (1)

33 341

(1) (1) (1)

42 43 44

(1) (1) (1)

51 55 56

(1) (1) (1)

61 65 66

0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0.

0 0 0

0 0 0

0 0 0

c c c

c c

c c

c c c

c c c

c c c

C (2.24)

Từ điều kiện cân bằng, nội lực tại nút bên trái của phần tử chứa vết nứt có thể

đƣợc biểu diễn dƣới dạng nội lực tại nút bên phải:

1 7 4 10

2 8 5 11 9

3 9 6 12 8

,

, .

,

P P P P

P P P P P l

P P P P Pl

(2.25)

Viết lại phƣơng trình (2.25) dƣới dạng ma trận, sử dụng ma trận chuyển vị ta

có:

1 2 12 7 8 12... ... ,TTT

P P P P P P (2.26)

hay:

,P=T PT

R (2.27)

ở đó PR là véc tơ lực tại nút bên phải:

Page 55: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

44

1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0.

0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1

T

l

l

(2.28)

Quan hệ giữa chuyển vị giữa hai nút đƣợc biểu diễn dƣới dạng:

1 7 1 4 10 4

2 8 2 6 5 11 5

3 9 3 5 6 12 6

,

, .

,

r r

r r

r r

u u u u u u

u u u u l u u u

u u u u l u u u

(2.29)

Phƣơng trình (2.29) viết lại nhƣ sau:

1

2

3

12

1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0,

0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0

0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1

ur

u

ul

ul

u

(2.30)

hay:

.u =Tur (2.31)

Lực tại đầu nút phải, đƣợc tính từ phƣơng trình sau:

1 .P C uR r

(2.32)

Mặt khác:

.P K uc (2.33)

Từ phƣơng trình (2.27) - (2.33) ta có:

1 1 .P T P T C u T C TuT T T

R r

(2.34)

Thay phƣơng trình (2.34) vào phƣơng trình (2.33) ta có:

1 .T C Tu K uT

c

(2.35)

Page 56: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

45

Do đó, ma trận độ cứng của phần tử chứa vết nứt có dạng:

1 .K T C TT

c

(2.36)

2.3. Phƣơng trình dao động của kết cấu theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn

Đối với các kết cấu phức tạp thì phƣơng pháp phần tử hữu hạn là phƣơng

pháp phù hợp và phổ biến nhất hiện nay để giải quyết bài toán động lực học kết cấu.

Vì vậy, trong luận án này phƣơng pháp phần tử hữu hạn đƣợc áp dụng để tính toán

các đặc trƣng động lực học của kết cấu có vết nứt và không có vết nứt nhằm phục

vụ bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình. Các ma trận độ cứng phần tử có vết nứt

đƣợc trình bày trong mục 2.2 của chƣơng này sẽ đƣợc sử dụng.

Phƣơng trình dao động tổng quát của một kết cấu theo phƣơng pháp phần tử

hữu hạn có dạng sau [118]:

( ) ,My( ) Cy( ) Ky( ) N f( )Tt t t f t t (2.37)

ở đó

e

T

e e

L

f dx f N và f T fT

e

e

.

M, C, K là ma trận khối lƣợng, cản và độ cứng; f là lực kích động; NT

là ma

trận chuyển vị của hàm dạng tại vị trí x của lực tƣơng tác; y là chuyển vị nút của

dầm. Chuyển vị của dầm tại vị trí bất kỳ x thu đƣợc từ hàm dạng N và chuyển vị nút

y [119]:

.Nyu (2.38)

Hàm dạng của phần tử có dạng sau:

1 2 3 4 ,N N N N N (2.39)

ở đó:

2 3 2

1 2

2 3 2

3 4

1 3 2 , 1 ,

3 2 , ,

x x xN N x

l l l

x x x xN N x

l l l l

(2.40)

với l là chiều dài của phần tử.

Page 57: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

46

Đối với bài toán 2 chiều thì ma trận độ cứng và ma trận khối lƣợng của phần

tử không chứa vết nứt sẽ có dạng:

2 2

3

2 2

12 6 12 6

6 4 6 2,

12 6 12 6

6 2 6 4

K e

l l

l l l lEI

l ll

l l l l

(2.41)

2 2

2 2

156 22 54 13

22 4 13 3,

54 13 156 22420

13 3 22 4

Me

l l

l l l lml

l l

l l l l

(2.42)

ở đó I là mô men quán tính chống uốn; E là mô đun đàn hồi; m, l là khối

lƣợng và độ dài của phần tử.

Trong khi đó, ma trận độ cứng và ma trận khối lƣợng của phần tử 3D không

chứa vết nứt sẽ có dạng:

Page 58: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

47

3 2 3 2

3 2 3 2

2

2

3 2

3 2

0 0 0 0 0 0 0 0 0 02 2

3 3 3 30 0 0 0 0 0 0

2 2 2 2

3 3 3 30 0 0 0 0 0

2 2 2 2

0 0 0 0 0 0 02 2

2 30 0 0 0 0

2

2 30 0 0 0

2

0 0 0 0 02

3 30 0 0

2 2

3 30 0

2 2

k

z z z z

y y y y

y y y

z z z

e

z z

y y

AE AE

EI EI EI EI

EI EI EI EI

GJ GJ

EI EI EI

EI EI EI

AE

EI EI

EI EIsym

G

,

0 02

20

2

y

z

J

EI

EI

(2.43)

2 2

2 2

2 2

2

2

2

70 0 0 0 0 0 35 0 0 0 0 0

78 0 0 0 22 0 27 0 0 0 13

78 0 22 0 0 0 27 0 13 0

70 0 0 0 0 0 35 0 0

8 0 0 0 13 0 6 0

8 0 13 0 0 0 6,

70 0 0 0 0 0105

78 0 0 0 22

78 0 22 0

70 0 0

8 0

8

m

x x

e

x

r r

m

sym r

(2.44)

Page 59: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

48

ở đó 2

l , x

x

Ir

a ; , ,x y zI I I là các mô men quán tính của mặt cắt của dầm

tƣơng ứng với các trục , ,X Y Z ; m, l là khối lƣợng và độ dài của phần tử.

Khi có vết nứt, thì ma trận độ cứng tổng thể K của kết cấu sẽ đƣợc ghép từ

ma trận độ cứng K e của phần tử nguyên vẹn và ma trận độ cứng K c của phần tử

chứa vết nứt. Trong khí đó, vết nứt đƣợc coi nhƣ không ảnh hƣởng đến khối lƣợng

của kết cấu nên ma trận khối lƣợng M tổng thể đƣợc ghép nối từ các ma trận khối

lƣợng phần tử Me . Trong các nghiên cứu ở luận án này, cản Rayleigh dƣới dạng:

C M K sẽ đƣợc áp dụng. Ở đây và đƣợc tính theo [119]:

1 2 1 2 2 1 2 2 1 1

2 2 2 2

2 1 2 1

2 2; .

(2.45)

Thay ma trận tổng thể K vào phƣơng trình (2.37) và giải phƣơng trình này

bằng phƣơng pháp Newmark sẽ thu đƣợc phản ứng động lực học của kết cấu chứa

vết nứt.

2.4. Kết luận

Chƣơng này đã trình bày các mô hình vết nứt trong đó có mô hình vết nứt

trong phần tử dầm hai chiều và mô hình vết nứt trong phần tử dầm ba chiều. Các

mô hình vết nứt này sẽ đƣợc ứng dụng trong các bài toán dầm hai chiều và khung

không gian có vết nứt của luận án. Chƣơng này cũng đƣa ra các phƣơng trình cơ

bản sử dụng trong phƣơng pháp phần tử hữu hạn hiện đang đƣợc các nhà nghiên

cứu áp dụng trong phân tích động lực học của kết cấu có vết nứt. Đây chính là cơ sở

để tính toán đƣợc các đặc trƣng động lực học của kết cấu trong các phần tiếp theo

của luận án.

Sau khi tính toán đƣợc các đặc trƣng động lực học của kết cấu có hƣ hỏng thì

cần ứng dụng phƣơng pháp xử lý tín hiệu nhằm phát hiện vết nứt trong kết cấu. Các

phƣơng pháp xử lý tín hiệu dựa trên đặc trƣng động lực học của kết cấu chứa vết

nứt sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng tiếp theo.

Page 60: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

49

CHƢƠNG 3. CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO ĐỘNG PHỤC

VỤ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT

Ở chƣơng 2 đã trình bày các mô hình vết nứt đối với phần tử dầm và cơ sở lý

thuyết về phƣơng pháp phần tử hữu hạn phục vụ phân tích động lực học của kết cấu

có vết nứt.

Tuy nhiên, vết nứt thƣờng gây nên những ảnh hƣởng rất nhỏ đến các đặc

trƣng động lực học của kết cấu do đó việc phân tích và xử lý tín hiệu để có thể phát

hiện ra những ảnh hƣởng nhỏ này là rất khó khăn. Vì vậy, cần phải có những

phƣơng pháp xử lý tín hiệu hiện đại, hiệu quả để có thể phân tích những ảnh hƣởng

nhỏ do vết nứt gây ra. Trong các phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động hiện nay thì

phƣơng pháp phân tích wavelet, một phƣơng pháp thời gian - tần số đang đƣợc phát

triển và ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực khác nhau do tính ƣu việt của nó

so với các phƣơng pháp phân tích Fourier truyền thống. Đó là, trong khi phƣơng

pháp biến đổi Fourier chỉ có thể phân tích đƣợc tín hiệu trong miền tần số thì

phƣơng pháp wavelet có thể phân tích đƣợc tín hiệu trong miền tần số nhƣng những

thông tin của tín hiệu trong miền thời gian vẫn đƣợc giữ lại. Ngoài ra, việc phát

triển phƣơng pháp phân tích số liệu mới cũng là yêu cầu của luận án nhằm khắc

phục một số nhƣợc điểm mà các phƣơng pháp khác chƣa giải quyết đƣợc.

Chƣơng này bao gồm hai phần chính: phần thứ nhất trình bày về phƣơng

pháp phân tích wavelet, khả năng phát hiện những bất thƣờng của phƣơng pháp này

trong miền tần số, khả năng phát hiện thời điểm xảy ra bất thƣờng nhằm phát hiện

vết nứt, cũng nhƣ thời điểm xuất hiện vết nứt trong kết cấu. Phần thứ hai trình bày

phƣơng pháp phân tích số liệu mới đƣợc phát triển trong luận án này. Phƣơng pháp

này đƣợc gọi là phƣơng pháp “phân bố chỉ số độ cứng phần tử” đƣợc phát triển để

tính toán ma trận độ cứng của kết cấu trực tiếp từ số liệu đo dao động mà không

tính thông qua dạng riêng nhƣ các phƣơng pháp hiện nay, nhằm khắc phục sai số do

đo đạc dạng riêng gây ra.

Page 61: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

50

3.1. Phƣơng pháp phân tích wavelet

3.1.1. Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược

a. Biến đổi wavelet liên tục và biến đổi ngược

Các biến đổi wavelet liên tục (CWT) đƣợc định nghĩa nhƣ sau [76, 85, 120]:

*1( , ) ( ) ,

t bWf a b f t dt

aa

(3.1)

trong đó a là một số thực đƣợc gọi là hệ số co giãn, b là một số thực đƣợc gọi

là vị trí, ( , )Wf a b là hệ số wavelet với độ co giãn a và vị trí b, ( )f t là tín hiệu đầu

vào, t b

a

là hàm wavelet, * t b

a

là liên hợp phức của t b

a

.

Để đơn giản biểu thức của phép biến đổi wavelet, đặt: *

,

1( )a b

t bt

aa

, phép

biến đổi wavelet (3.1) có thể đƣợc viết lại nhƣ sau:

,( , ) ( ) .a bWf a b f t dt

(3.2)

Một wavelet phải có những tính chất sau:

Có năng lƣợng hữu hạn:

2

.E t dt

(3.3)

Nếu ̂ là biến đổi Fourier của t , nghĩa là:

ˆ .i tt e dt

(3.4)

Khi đó các điều kiện sau đây phải đƣợc thoả mãn:

2

0

ˆ.gC d

(3.5)

Điều đó có nghĩa là wavelet không có thành phần tần số bằng không: ˆ (0) 0,

Page 62: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

51

( ) 0 khi 0.j tt e dt

(3.6)

Hay nói cách khác các wavelet phải có giá trị trung bình bằng không, nghĩa là:

( ) 0.t dt

(3.7)

Một điều kiện khác cho các wavelet phức là biến đổi Fourier phải là thực và

bằng không đối với các tần số âm.

Biến đổi ngƣợc của wavelet liên tục:

1

, 2( ) ( , ) ,a b

daf t C Wf a b db

a

(3.8)

trong đó:

2ˆ ( )

2 .C d

(3.9)

b. Biến đổi wavelet rời rạc (DWT) và biến đổi ngược

Có thể hoàn toàn khôi phục lại tín hiệu ban đầu bằng cách sử dụng tổng vô

hạn của các hệ số wavelet rời rạc thay vì tích phân liên tục nhƣ đòi hỏi của CWT.

Điều này dẫn đến phép biến đổi wavelet nhanh (tƣơng tự nhƣ biến đổi Fourier

nhanh) nhằm tăng tốc độ của phép biến đổi wavelet rời rạc và biến đổi ngƣợc của

nó. Biến đổi wavelet liên tục, theo công thức (3.2).

Nếu sử dụng tất cả các giá trị của a, b để xây dựng hệ số wavelet sẽ lãng phí

thời gian, do đó ngƣời ta thƣờng sử dụng các số nguyên 2 , 2j ja b k , các DWT

trở thành:

*2, ,2 ( ) 2 ( ) ( ) ,

j

j

j k j kWf f t t k dt f t t dt

(3.10)

trong đó: *2, ( ) 2 2 .

j

j

j k t t k

Biến đổi ngƣợc của DWT sẽ đƣợc biểu diễn nhƣ sau [121]:

Page 63: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

52

, ,( ) ( ) .j k j k

j k

f t Wf t

(3.11)

c. Xấp xỉ và chi tiết của biến đổi wavelet rời rạc

Sử dụng biến đổi wavelet rời rạc có thể phân tích một tín hiệu thành hai

thành phần: xấp xỉ và chi tiết. Một tín hiệu đƣợc coi là một tổng của hai tín hiệu,

một với tần số thấp (xấp xỉ), một với tần số cao (chi tiết). Xấp xỉ giữ nguyên dạng

chính của tín hiệu, trong khi các chi tiết mô tả các tín hiệu khác thêm vào tín hiệu

chính nhƣ: thay đổi nhỏ, nhiễu, tín hiệu không dừng…

Quá trình phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết có thể đƣợc lặp lại bằng

cách coi xấp xỉ ở mức trƣớc là tín hiệu và tiếp tục phân tích thành xấp xỉ và chi tiết

ở mức cao hơn. Do đó một tín hiệu gốc có thể đƣợc phân tích thành nhiều thành

phần với độ phân giải thấp dần. Cách thức phân tích tín hiệu nhƣ thế đƣợc gọi là

cây phân tích nhƣ mô tả ở hình dƣới đây. Ở hình 3.1, S là tín hiệu gốc, đƣợc phân

tích thành xấp xỉ cA1 ở mức 1 và chi tiết cD1 ở mức 1. Tiếp theo, cA1 lại đƣợc phân

tích thành xấp xỉ cA2 ở mức 2 và chi tiết cD2 ở mức 2 v.v.

Hình 3.1. Cây phân tích tín hiệu thành xấp xỉ và chi tiết.

3.1.2. Phổ năng lượng wavelet

Phổ năng lƣợng wavelet đƣợc định nghĩa là bình phƣơng của hệ số wavelet

đƣợc viết dƣới dạng sau:

2

*1( , ) ( ) .

t bS a b f t dt

a a

(3.12)

Page 64: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

53

Phổ wavelet trung bình có thể xác định bằng cách tính tích phân trên miền

thời gian, có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau đối với một tín hiệu trong khoảng thời gian

hữu hạn:

0

2 1( , ) ( , ) .

T

wt

g

S a b S a b dbC T

(3.13)

Năng lƣợng tích lũy trong miền tần số, ký hiệu bởi ( )E f đƣợc xác định bởi

toán tử tích phân tại mỗi tần số của phổ wavelet trung bình thông qua biểu thức sau:

1

0 .if

WT

f

fE f S df

f (3.14)

Tƣơng tự, phổ wavelet trung bình trong miền thời gian có thể đƣợc định

nghĩa nhƣ sau:

1

0 , .nf

WT

f

fS b S b df

f

(3.15)

Năng lƣợng tích lũy theo miền thời gian, ký hiệu là ( )E t đƣợc xác định nhƣ

sau:

1

( ) .

jb

j WT

b

E b S t db (3.16)

Tốc độ thay đổi của độ đo năng lƣợng tích lũy này theo thời gian hoặc tần số

đƣợc ký hiệu bởi ( )dE t

dt hay

( )dE f

df, cực đại của các tốc độ thay đổi này sẽ tạo nên

các “lƣỡi dao” trong mặt phẳng thời gian - hệ số co giãn.

Page 65: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

54

Hình 3.2. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số không đổi trong quá

trình dao động.

Hình 3.2 ở trên minh họa một phổ wavelet của một kết cấu có tần số không

đổi trong quá trình dao động. Ở hình này ta thấy năng lƣợng của dao động tập trung

tại tần số xung quanh 1.6 Hz trong suốt quá trình dao động.

Hình 3.3. Phổ năng lƣợng wavelet của một kết cấu có tần số thay đổi trong quá trình

dao động.

Trong khi đó hình 3.3 minh họa phổ wavelet của một kết cấu có tần số thay

đổi theo thời gian. Trên hình vẽ này ta thấy trong khoảng thời gian từ 0 đến khoảng

7s tần số mang năng lƣợng lớn của dao động tập trung xung quanh giá trị 1.6 Hz,

sau đó tần số này giảm xuống các giá trị thấp hơn trong khoảng thời gian từ 7s đến

10s. Tần số này cuối cùng sẽ có những sự thay đổi nhỏ trong khoảng thời gian từ

10s đến 17.6s.

Khi kết cấu cầu có vết nứt xảy ra đột ngột trong quá trình động đất thì độ

cứng của cầu sẽ bị suy giảm đột ngột. Sự thay đổi tần số trƣớc và sau khi xuất hiện

vết nứt đột ngột thƣờng rất khó có thể phát hiện đƣợc khi phân tích tín hiệu phản

ứng động của kết cấu trong miền thời gian cũng nhƣ trong miền tần số.

Page 66: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

55

Hơn nữa, việc phát hiện thời điểm xuất hiện vết nứt cũng rất quan trọng và

cũng không thể phát hiện đƣợc dựa trên các phƣơng pháp phân tích số liệu thông

thƣờng.

Tuy nhiên, biến đổi wavelet biến đổi tín hiệu sang miền tần số trong khi

thông tin về thời gian vẫn giữ đƣợc lại, phổ wavelet có thể đƣợc sử dụng để phát

hiện sự thay đổi đột ngột của tần số cả về thời điểm xảy ra lẫn mức độ thay đổi của

nó ngay trong quá trình xảy ra động đất. Bình phƣơng của mô đun hệ số wavelet

hay phổ năng lƣợng wavelet có thể diễn giải nhƣ là phân bố mật độ năng lƣợng trên

mặt phẳng ,a b thời gian - hệ số co giãn.

Năng lƣợng của một tín hiệu đƣợc tập trung trên mặt phẳng thời gian - hệ số

co giãn xung quanh “lƣỡi dao” trong phổ wavelet. Do hệ số co giãn tƣơng ứng với

tần số nên “lƣỡi dao” trong phổ wavelet tƣơng ứng với tần số phụ thuộc thời gian

của tín hiệu dao động hay còn gọi là tần số tức thời (IF). Do đó, tần số tức thời của

tín hiệu có thể đƣợc quan sát bằng cách quan sát sự thay đổi của “lƣỡi dao” trong

phổ wavelet.

Để thuận tiện trong việc diễn giải tần số tức thời theo quan niệm thông

thƣờng, mặt phẳng thời gian - hệ số co giãn sẽ đƣợc biến đổi sang mặt phẳng thời

gian - tần số thông qua tựa tần số nhƣ sau:

.ca

FF

a

(3.17)

Ở đây a là hệ số co giãn, là chu kỳ lấy mẫu, cF là tần số trung tâm của

hàm wavelet tính bằng Hz, aF là tựa tần số tƣơng ứng với hệ số co giãn a, tính bằng

Hz.

Nhƣ vậy, để quan sát sự biến đổi của tần số tức thời của cầu trong quá trình

động đất, phổ năng lƣợng wavelet ,S a b , mà nó chính là độ đo sự thay đổi tại mỗi

thời điểm tại mỗi hệ số co gian sẽ đƣợc sử dụng luận án này. Sử dụng phổ wavelet

để theo dõi sự thay đổi của tần số tức thời (IF) thì sự thay đổi đột ngột của tần số

khi có vết nứt đột ngột sinh ra do tác động của động đất sẽ đƣợc phát hiện.

Page 67: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

56

Sơ đồ thuật toán để trích ra đƣợc tần số tức thời IF đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

3.1.3. Các hàm wavelet

Các loại tín hiệu khác nhau có thể đƣợc phân tích hiệu quả bởi các hàm

wavelet khác nhau. Nhiều hàm wavelet đã đƣợc xây dựng sẵn, trong số những hàm

này, một số hàm wavelet đã đƣợc chứng minh là có thể áp dụng trong thực tế. Phần

này sẽ giới thiệu ngắn gọn về một số hàm wavelet.

a. Hàm Haar

Hàm này không liên tục, tƣơng tự nhƣ hàm bƣớc nhảy. Hàm Haar đƣợc định

nghĩa nhƣ sau [122]:

1 khi 0 0.5

1 khi 0.5 1 .

0 khi ,0 1,

x x

x x

x x

(3.18)

Hình 3.4. Hàm Haar.

Đọc số liệu

dao động

Biến đổi wavelet

số liệu dao động Tính phổ

wavelet Quan sát tần

số tức thời IF

IF

thay đổi Không có hƣ hỏng

Có hƣ hỏng

Sai

Đúng

Page 68: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

57

b. Hàm Daubechies

Các hàm wavelet này không có biểu thức dạng hiện, ngoại trừ hàm wavelet

Haar là trƣờng hợp đơn giản nhất của hàm wavelet Daubechies [123]. Hàm

Daubechies là các hàm không đối xứng. Các hàm này rất tốt khi biểu diễn ứng xử

đa thức trong tín hiệu. Hình 3.5 trình bày 9 hàm wavelet Daubechies.

Hình 3.5. Hàm Daubechies.

c. Hàm Symlets

Họ hàm wavelet này gần nhƣ là hàm wavelet đối xứng đƣợc đƣa ra bởi

Daubechies [123]. Hình 3.6 mô tả sáu hàm wavelet Symlet.

Page 69: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

58

Hình 3.6. Hàm Symlet.

d. Hàm Coiflets

Các hàm wavelet Coiflets đƣợc sửa đổi từ hàm wavelet Daubechies [123].

Hình 3.7 mô tả bốn hàm wavelet Coiflets.

Hình 3.7. Hàm Coiflets.

Page 70: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

59

e. Hàm Morlet

Hàm Morlet có biểu diễn dạng hiện nhƣ sau [123]:

21

2( ) cos(5 ).x

x Ce x

(3.19)

Hình 3.8 biểu diễn đồ thị của hàm wavelet từ phƣơng trình (3.19).

Hình 3.8. Hàm Morlet.

f. Hàm Mexican Hat

Hàm wavelet Mexican Hat là hàm tỷ lệ với hàm nhận đƣợc từ đạo hàm bậc

hai của hàm phân bố xác suất Gauss. Công thức của hàm Mexican Hat có dạng sau

[123]:

21

24 22

1 .3

x

x x e

(3.20)

Hình 3.9. Hàm Mexican Hat.

Page 71: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

60

g. Hàm Meyer

Hàm wavelet Meyer đƣợc định nghĩa trong miền tần số nhƣ sau [123]:

1

2

122

2

3 2 4ˆ 2 sin 1 khi

2 2 3 3

3 4 8ˆ 2 cos 1 khi .

2 2 3 3

2 8ˆ 0 khi ,

3 3

j

j

e

e

(3.21)

Hình 3.10. Hàm Meyer.

Dựa vào hình dạng của các hàm wavelet này, ta có thể lựa chọn hàm wavelet

phù hợp với dạng của tín hiệu. Nếu tín hiệu có hình dạng phức tạp, hoặc một số chi

tiết trong tín hiệu bị ẩn đi, khi đó nên thử tất cả các hàm wavelet từ đó chọn ra hàm

wavelet cho kết quả tốt nhất.

3.2. Phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử trong miền tần số

Ta xét ma trận độ cứng của phần tử thứ i để làm rõ khái niệm “phân bố chỉ số

độ cứng phần tử”:

11 12 13 14

21 22 23 24

31 32 33 34

41 42 43 44

.K

i i i i

i i i i

i

e i i i i

i i i i

k k k k

k k k k

k k k k

k k k k

(3.22)

Ma trận độ cứng tổng thể có dạng:

Page 72: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

61

1 1 1 1

11 12 13 14

1 1 1 1

21 22 23 24

1 1 1 2 1 2 2 2

31 32 33 11 34 12 13 14

1 1 1 2 1 2 2 2

41 42 43 21 44 22 23 24

2 2 2 3 2 3 3 3

31 32 33 11 34 12 13 14

2 2 2 3 2 3

41 42 43 21 44 22 23

0 0

0 0

( ) ( ) 0 0

( ) ( ) 0 0

0 0 ( ) ( ) 0 0

0 0 ( ) ( )

K

k k k k

k k k k

k k k k k k k k

k k k k k k k k

k k k k k k k k

k k k k k k k

3 3

24

3 3 3 4 3 4 4 4

31 32 33 11 34 12 13 14

3 3 3 4 3 4 4 4

41 42 43 21 44 22 23 24

1 1 1 1

31 32 33 11 34 12 13 14

1 1 1 1

41 42 43 21 44 22 23 24

0 0

0 0 ( ) ( ) 0 0

0 0 ( ) ( ) 0 0

0 0 ( ) ( ) 0

0 0 ( ) ( ) 0

0 0

i i i i i i i i

i i i i i i i i

k

k k k k k k k k

k k k k k k k k

k k k k k k k k

k k k k k k k k

1 1

31 32 33 11 34 12

1 1

41 42 43 21 44 22

.

( ) ( )

0 0 ( ) ( )

i i i i i i

i i i i i i

k k k k k k

k k k k k k

(3.23)

Phƣơng trình (3.23) ta thấy ma trận con i

eK có dạng:

1 1

33 11 34 12 13 14

1 1

43 21 44 22 23 24

1 1

31 32 33 11 34 12

1 1

41 42 43 21 44 22

( ) ( )

( ) ( ).

( ) ( )

( ) ( )

K

i i i i i i

i i i i i i

i

e i i i i i i

i i i i i i

k k k k k k

k k k k k k

k k k k k k

k k k k k k

(3.24)

Ma trận độ cứng tổng thể đƣợc thiết lập từ ma trận độ cứng của phần tử thứ i

với một số thành phần bổ sung của ma trận độ cứng của phần tử thứ ( 1)i và ( 1)i .

Từ đó, ma trận con K i

e đƣợc sử dụng để mô tả độ cứng của phần tử thứ i đối

với bài toán phát hiện vết nứt. Thật vậy, từ phƣơng trình (3.24) ta thấy khi phần tử

thứ i xuất hiện vết nứt, chỉ có ba ma trận 1K

i

e

, K i

e , 1K

i

e

bị thay đổi.

Do đó, ma trận K i

e phản ánh tính chất về độ cứng địa phƣơng. Nhƣ vậy, sự

thay đổi về dạng của ma trận con K i

e có thể đƣợc dùng nhƣ một chỉ số của hƣ hỏng

tại phần tử thứ i.

Page 73: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

62

Từ ma trận độ cứng tổng thể, để phát hiện thay đổi về dạng của ma trận con

Ki

e ta định nghĩa phân bố chỉ số độ cứng phần tử nhƣ sau:

1 2

1, ,..., , 1.. ,

maxQ

ii

i Q

(3.25)

ở đó 2maxK K K

i i T i

i e j e ej

là chỉ số độ cứng phần tử thứ i; Q là

số phần tử hữu hạn. Khi vết nứt xuất hiện tại phần tử thứ i, phân bố chỉ số độ cứng

phần tử sẽ thay đổi ở phần tử thứ i.

Nếu ma trận độ cứng tổng thể có thể xây dựng lại từ số liệu đo đạc, thì dựa

vào phân bố chỉ số độ cứng phần tử (3.25) có thể phát hiện đƣợc vết nứt trên kết cấu.

Từ phƣơng trình dao động của kết cấu:

( ) ( ) ( ) ( ).Ky f My Cyt t t t (3.26)

Biến đổi Fourier hai vế phƣơng trình (3.26) thu đƣợc:

( ) ( ) ( ) ( ).2KY F MY CYi (3.27)

Nếu biết các ma trận ( ), ( )F Y , M, C, thì ma trận K có thể đƣợc xây dựng

lại theo công thức (3.27). Tuy nhiên, dữ liệu phải đo đạc đồng thời là rất nhiều. Để

khắc phục điều này, thì phƣơng pháp hàm đáp ứng tần số (FRFs) đƣợc sử dụng.

Thật vậy, giả sử chỉ có lực ngoài với biên độ không đổi tác dụng lên bậc tự

do thứ k cố định và tín hiệu chuyển vị đƣợc đo liên tục tại mỗi bậc tự do, hàm đáp

ứng tần số tƣơng ứng với bậc tự do thứ i có dạng:

,i

i

k

YH

F

(3.28)

ở đó ( )iY là thành phần thứ i của véc tơ Y; ( )k

F là thành phần thứ k của

véc tơ ( )F , từ phƣơng trình(3.28) ta có:

.i i kY H F (3.29)

Do đó, véc tơ Y có dạng:

Page 74: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

63

,Y Hk kF (3.30)

ở đó 1 2, , ,HT

k nH H H là véc tơ của hàm đáp ứng tần số , thu đƣợc

từ lực ngoài tác động lên bậc tự do thứ k cố định với các tín hiệu đáp ứng đo đƣợc

tại mọi bậc tự do. Hàm đáp ứng tần số có thể đƣợc đo bằng thiết bị rung động một

đầu vào – một đầu ra.

Thay phƣơng trình (3.30) vào phƣơng trình (3.27), thu đƣợc:

( ) ( ) ( ) ( ) .2KH F MH CHk k kF F i F (3.31)

Chia hai vế (3.31) cho ( )kF thu đƣợc:

( )( ) ( ) ( ).2F

KH MH CHk

iF

(3.32)

Vì chỉ có thành phần thứ k của lực ngoài khác không, thành phần đầu tiên ở

vế phải phƣơng trình (3.32) là véc tơ hằng số với thành phần thứ k bằng một, và các

thành phần khác bằng không. Ký hiệu véc tơ hằng số này là L, phƣơng trình (3.32)

có dạng:

( ) ( ) ( ).2KH L MH CHi (3.33)

Trong thực tế phép quay rất khó đo đạc. Tuy nhiên, do phép quay là đạo hàm

của phép tịnh tiến:

( )

( ) ,tr

y ty t

x

(3.34)

ở đó r và t ký hiệu phép quay và phép tịnh tiến, trong phân tích phần tử hữu

hạn thì phép quay tại nút đƣợc xấp xỉ bằng phép tịnh tiến tại hai nút kề nhau nhƣ

sau:

, 1 ,

,

( ) ( )( ) ,

t i t i

r i

y t y ty t

x

(3.35)

ở đó , ( )r iy t là góc quay tại nút thứ i; , ( )t iy t và , 1( )t iy t là tịnh tiến của các nút

thứ i và (i+1). Biến đổi Fourier hai vế của phƣơng trình (3.35) thu đƣợc:

Page 75: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

64

, 1 ,

,

( ) ( )( ) .

t i t i

r i

Y YY

x

(3.36)

Thay phƣơng trình (3.29) vào phƣơng trình (3.36), thu đƣợc:

, 1 ,

,

( ) ( )( ) ,

t i t i

r i k k

H HH F F

x

(3.37)

hay:

, 1 ,

,

( ) ( )( ) .

t i t i

r i

H HH

x

(3.38)

Do đó, chỉ cần đo đạc hàm đáp ứng tần số tƣơng ứng với phép tịnh tiến, hàm

đáp ứng tần số tƣơng ứng với phép quay đƣợc tính từ phƣơng trình (3.38) từ đó thu

đƣợc toàn bộ véc tơ H. Véc tơ H không phụ thuộc vào lực và chuyển vị, mà chỉ phụ

thuộc vào tính chất của dầm.

Nếu biết các ma trận H, M, C, thì ma trận K sẽ đƣợc tính từ phƣơng trình

(3.33) khi chia hai vế của phƣơng trình này cho ma trận H. Giả sử các vết nứt

không làm ảnh hƣởng đến ma trận khối lƣợng, khi đó ma trận phần tử hữu hạn M

của dầm nguyên vẹn đƣợc xem là dữ liệu chính xác. Tuy nhiên, thực tế ma trận C

không thể đo đạc đƣợc, ma trận này đƣợc tính xấp xỉ từ ma trận M và K của dầm

nguyên vẹn theo phƣơng trình (2.45).

Do đó, khi xuất hiện vết nứt và vị trí vết nứt chƣa biết, thì ma trận K tính từ

phƣơng trình (3.33) sẽ không chính xác. Để khắc phục điều này, các thành phần của

ma trận độ cứng từ mỗi hàng đƣợc tính riêng biệt từ phƣơng trình (3.33). Thành

phần trên mỗi hàng của ma trận độ cứng tƣơng ứng với phần tử nguyên vẹn đƣợc

tính chính xác, vì các thành phần này đƣợc tính từ các thành phần của ma trận M, C

thu đƣợc từ dầm nguyên vẹn. Chỉ có duy nhất thành phần của ma trận độ cứng trên

các hàng tƣơng ứng với phần tử chứa vết nứt sẽ không đƣợc tính chính xác. Điều

này sẽ dẫn đến sự thay đổi của phân bố chỉ số độ cứng phần tử. Các thành phần của

ma trận độ cứng trên mỗi hàng đƣợc tính từng bƣớc từ phƣơng trình (3.33) nhƣ sau.

Trƣớc tiên, phân tích các thành phần trên hàng đầu tiên của ma trận K. Từ

phƣơng trình (3.23), nhận thấy bốn thành phần đầu tiên nằm trên hàng là khác

Page 76: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

65

không, do đó bốn phƣơng trình độc lập này phải đƣợc tính toán. Sử dụng các đáp

ứng động lực học tại bốn tần số 1 2 3 4, , , , thay vào phƣơng trình (3.33) thu

đƣợc:

2 2

11 1 1 12 2 1 13 3 1 14 4 1 1 1 1 11 1 1 1 12 2 1

2 2

1 13 3 1 1 14 4 1 1 11 1 1 1 12 2 1 1 13 3 1 1 14 4 1

11 1 2 12 2 2 13 3 2 14 4 2 1 2 2

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

k H k H k H k H L m H m H

m H m H i c H i c H i c H i c H

k H k H k H k H L

2 2

11 1 2 2 12 2 2

2 2

2 13 3 2 2 14 4 2 2 11 1 2 2 12 2 2 2 13 3 2 2 14 4 2

2 2

11 1 3 12 2 3 13 3 3 14 4 3 1 3 3 11 1 3 3 12 2 3

2 2

3 13 3 3 3 14 4 3

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) (

m H m H

m H m H i c H i c H i c H i c H

k H k H k H k H L m H m H

m H m H

3 11 1 3 3 12 2 3 3 13 3 3 3 14 4 3

2 2

11 1 4 12 2 4 13 3 4 14 4 4 1 4 4 11 1 4 4 12 2 4

2 2

4 13 3 4 4 14 4 4 4 11 1 4 4 12 2 4 4 13 3 4 4 14 4

) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

i c H i c H i c H i c H

k H k H k H k H L m H m H

m H m H i c H i c H i c H i c H

4( ),

(3.39)

ở đó , , , ( ), ( )ij ij ij i j i jk m c L H là các thành phần của ma trận K, M, C, L, H.

Ký hiệu:

1 1 2 1 3 1 4 1

1 2 2 2 3 2 4 2

1

1 3 2 3 3 3 4 3

1 4 2 4 3 4 4 4

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ),

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

A

H H H H

H H H H

H H H H

H H H H

(3.40)

11 12 13 14ˆ ,

1K

Tk k k k (3.41)

4 42

1 1 1 1 1 1 1 1

1 1

4 42

1 2 2 1 2 2 1 2

1 1

1 4 42

1 3 3 1 3 3 1 3

1 1

4 42

1 4 4 1 4 4 1 4

1 1

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

,

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

B

j j j j

j j

j j j j

j j

j j j j

j j

j j j j

j j

L m H i c H

L m H i c H

L m H i c H

L m H i c H

(3.42)

phƣơng trình (3.39) có dạng:

1 1 1ˆ ,A K B (3.43)

hay:

Page 77: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

66

1

1 1 1ˆ ,K A B

(3.44)

Bốn thành phần trên hàng đầu tiên của ma trận K thu đƣợc bằng cách thay

phần thực của 1A và 1B vào phƣơng trình (3.44):

1

1 1 1ˆ .K A Breal real

(3.45)

Tiếp theo, thành phần trên hàng thứ hai của ma trận K đƣợc tính tƣơng tự

nhƣ hàng đầu tiên.

Tuy nhiên, trên các hàng tiếp theo có sáu thành phần, do đó phƣơng trình

tổng quát để xác định thành phần của hàng thứ i có dạng:

1ˆ ,K A Bi i ireal real (3.46)

ở đó:

1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1

2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2

3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3

4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4

5 1 5

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) (

A

n n n n n n

n n n n n n

n n n n n n

i

n n n n n n

n n

H H H H H H

H H H H H H

H H H H H H

H H H H H H

H H

2 5 3 5 4 5 5 5

6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6

,

) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

n n n n

n n n n n n

H H H H

H H H H H H

(3.47)

, , 1 , 2 , 3 , 4 , 5ˆ ,K

T

i i n i n i n i n i n i nk k k k k k (3.48)

Page 78: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

67

6 62

1 1 1 1 1

6 62

2 2 2 2 2

6 62

3 3 3 3 3

6 62

4 4 4 4 4

2

5 5

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( )

B

n n

i ij j ij j

j n j n

k n

i ij j ij j

j n j n

k n

i ij j ij j

j n j n

i k n

i ij j ij j

j n j n

i ij

I t m H i c H

I t m H i c H

I t m H i c H

I t m H i c H

I t m

6 6

5 5 5

6 62

6 6 6 6 6

,

( ) ( )

( ) ( ) ( )

k n

j ij j

j n j n

k n

i ij j ij j

j n j n

H i c H

I t m H i c H

(3.49)

n là chỉ số cột của thành phần khác không đầu tiên trên hàng thứ i.

Trên hai hàng cuối của ma trận K, chỉ có bốn thành phần khác không. Do đó,

các thành phần này đƣợc tính toán tƣơng tự nhƣ đối với hai hàng đầu tiên.

Chú ý, số lƣợng các thành phần khác không của ma trận K trên hai hàng đầu

tiên và hai hàng cuối cùng phụ thuộc vào điều kiện biên của dầm. Do đó, số phƣơng

trình để xác định các thành phần của ma trận K trên hai hàng đầu và hai hàng cuối

sẽ phụ thuộc vào điều kiện biên.

Bằng phƣơng pháp này, các thành phần trên hàng tƣơng ứng với phần tử

nguyên vẹn sẽ đƣợc xây dựng chính xác, vì các thành phần của ma trận C đƣợc tính

từ dầm còn nguyên vẹn. Khi các thành phần độ cứng trên các hàng tƣơng ứng với

phần tử chứa vết nứt đƣợc xây dựng lại thì thành phần giống nhau của ma trận C

không tƣơng ứng với phần tử chứa vết nứt, dẫn đến sự sai khác giữa các thành phần

đƣợc xây dựng lại của ma trận độ cứng của phần tử chứa vết nứt.

Do đó, sẽ xuất hiện sự thay đổi trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử. Tuy

nhiên, nếu phần tử thứ i chứa vết nứt, sự thay đổi thêm này chỉ ảnh hƣởng đến ba

ma trận con 1K

i

e

, K i

e , 1K

i

e

, trong đó ma trận con K i

e bị ảnh hƣởng nhiều nhất.

Nhƣ vậy, nhận định rằng có sự thay đổi lớn trong sự phân bố chỉ số độ cứng

phần tử tại phần tử chứa vết nứt.

Page 79: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

68

a. Phương pháp hiệu chỉnh Tikhonov

Khi các tín hiệu đo đƣợc bị nhiễu, ma trận A và B trong phƣơng trình (3.45)

và (3.46) sẽ chứa các sai số, do đó sẽ đƣa đến những phƣơng trình của bài toán đặt

không chỉnh. Bài toán này rất nhạy cảm khi thay đổi dữ liệu đo đạc, kể cả khi xuất

hiện sai số nhỏ cũng có thể làm sai lệch hẳn kết quả tính toán. Do đó, phƣơng pháp

hiệu chỉnh Tikhonov [124] đƣợc sử dụng để giải quyết bài toán này.

Chú ý rằng, nhiễu trong phƣơng trình (3.45) và (3.46) chủ yếu có từ hàm đáp

ứng tần số H. Do đó, vấn đề quan trọng là phải lọc đƣợc nhiễu của ma trận H trƣớc

khi áp dụng phƣơng pháp hiệu chỉnh Tikhonov. Tính toán ma trận H tại mỗi tần số,

véc tơ H trở thành ma trận để mỗi hàng tƣơng ứng với một hàm đáp ứng tần số tại

một bậc tự do. Phƣơng pháp phân tích giá trị kỳ dị rút gọn (TSVD) đƣợc áp dụng

làm giảm nhiễu trong ma trận H. Các ma trận U, S, V đƣợc phân tích từ ma trận H:

.H USVT (3.50)

Điều quan trọng của phƣơng pháp SVD (phân tích giá trị kỳ dị) là ở chính

các giá trị kỳ dị. Đối với bài toán đặt không chỉnh rời rạc, các giá trị kỳ dị của ma

trận H dần tới không. Giá trị kỳ dị lớn nhất tƣơng ứng với thành phần trơn của ma

trận H, trong khi giá trị kỳ dị nhỏ hơn tƣơng ứng với nhiễu của ma trận H. Do đó,

để lọc ra nhiễu thì các giá trị kỳ dị dƣơng nhỏ đƣợc đặt bằng không [125]:

khi

,0 khi

i

i

i

i

(3.51)

ở đó i là giá trị kỳ dị của ma trận S. đƣợc chọn sao cho 1 . Ma

trận H đƣợc xây dựng lại từ phƣơng trình (3.50).

Sau khi lọc nhiễu từ ma trận H, các thành phần quay của ma trận H đƣợc tính

từ phƣơng trình (3.38) và áp dụng phƣơng pháp hiệu chỉnh Tikhonov giải phƣơng

trình (3.45), (3.46). Phƣơng pháp hiệu chỉnh Tikhonov giải bài toán sau:

22

min ,Ax B L xnx

(3.52)

Page 80: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

69

ở đó ,m nL m n

gọi là ma trận hiệu chỉnh; m và n là số chiều của ma

trận A; trong phƣơng trình (3.45) và (3.46) thì m n ; 0 là tham số hiệu chỉnh.

Phƣơng pháp Tikhonov đặt L I , ở đó I là ma trận đơn vị. Do đó dẫn đến bài

toán cực tiểu sau:

2 22min .Ax B xnx

(3.53)

0 nhằm đảm bảo ma trận 2A A I

T là khả nghịch. Nghiệm giải tích

của phƣơng trình (3.53) có dạng:

1

2 .x A A I A BT T

(3.54)

Khi phân tích giá trị riêng kỳ dị (SVD) của ma trận A , A USVT , véc tơ

nghiệm x có dạng:

1

2 .x V S S I S U BT T T

(3.55)

Trƣớc tiên xác định e của sai số trong ma trận B từ giá trị mô phỏng

x và giá trị đo đạc x , từ đó xác định theo công thức:

,A Bx (3.56)

ở đó 1 là hằng số đƣợc xác định không phụ thuộc vào . Khi 1 tức

là tìm đƣợc tham số chính xác, trƣờng hợp này không bao giờ xảy ra trong thực

tế vì nhiễu đo đạc là ngẫu nhiên. Khi 1 dẫn đến việc xác định không chính xác

tham số . Do đó tham số đƣợc tính theo công thức sau:

22

2 2 2

2 21

1 .n

j

j

j j

b

(3.57)

b. Thuật toán phát hiện vị trí vết nứt bằng phương pháp phân bố ma trận độ

cứng phần tử

Bƣớc 1: Tính ma trận tổng thể M, K, C của dầm nguyên vẹn bằng phƣơng

pháp phần tử hữu hạn.

Page 81: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

70

Bƣớc 2: Giải phƣơng trình dao động (2.37) khi lực kích động tác động dọc

theo dầm để thu đƣợc các thành phần của hàm đáp ứng tần số tƣơng ứng với

phép tịnh tiến của dầm.

Bƣớc 3: Lọc bỏ nhiễu từ thành phần của hàm đáp ứng tần số đo đạc tƣơng

ứng với phép tịnh tiến, sử dụng phƣơng trình (3.50), (3.51).

Bƣớc 4: Tính toán các thành phần của hàm đáp ứng tần số tƣơng ứng với

phép quay từ hàm đáp ứng tần số đo đạc (3.38).

Bƣớc 5: Xây dựng ma trận H từ các thành phần quay và tịnh tiến của hàm

đáp ứng tần số từ bƣớc 2, bƣớc 3 và bƣớc 4.

Bƣớc 6: Sử dụng phƣơng pháp hiệu chỉnh Tikhonov để giải phƣơng trình

(3.45), (3.46), (3.55), ma trận độ cứng tổng thể K đƣợc xây dựng lại.

Bƣớc 7: Xây dựng phân bố chỉ số độ cứng phần tử, sử dụng phƣơng trình

(3.24), (3.25).

Bƣớc 8: Kiểm tra các đỉnh quan trọng trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử,

nhằm phát hiện vị trí và độ sâu vết nứt.

3.3. Kết luận

Chƣơng này đã trình bày cơ sở lý thuyết của phép biến đổi wavelet. Phép

biến đổi này sẽ biến đổi tín hiệu sang miền tần số trong khi thông tin về thời gian

vẫn đƣợc giữ lại.

Bình phƣơng của mô đun hệ số wavelet hay phổ năng lƣợng wavelet có thể

diễn giải nhƣ là phân bố mật độ năng lƣợng trên mặt phẳng thời gian - hệ số co giãn.

Năng lƣợng của một tín hiệu đƣợc tập trung trên mặt phẳng thời gian - hệ số

xung quanh “lƣỡi dao” trong phổ wavelet. “Lƣỡi dao” trong phổ wavelet tƣơng ứng

với tần số phụ thuộc thời gian của tín hiệu dao động hay còn gọi là tần số tức thời.

Do đó, khi “lƣỡi dao” trong phổ wavelet thay đổi thì ta có thể dự đoán có sự

thay đổi về tần số hay có sự xuất hiện của vết nứt trong kết cấu. Thời điểm “lƣỡi

dao” thay đổi chính là thời điểm xuất hiện của vết nứt.

Đồng thời, chƣơng này đã trình bày cơ sở lý thuyết cho một phƣơng pháp

mới nhằm phát hiện vết nứt dựa trên phân bố chỉ số ma trận độ cứng phần tử. Trong

Page 82: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

71

phƣơng pháp này, ma trận độ cứng của kết cấu đƣợc tính trực tiếp từ số liệu dao

động của kết cấu nhằm giảm thiểu sai số khi tính ma trận độ cứng thông qua các

dạng dao động riêng vì việc đo đạc các dạng dao động riêng là rất phức tạp.

Hơn nữa, chỉ có thể đo đƣợc một vài dạng dao động riêng cơ bản trong thực

tế. Ngoài ra, để xử lý nhiễu đo đạc, trong chƣơng này đã trình bày một phƣơng pháp

lọc nhiễu Hasen và xử lý bài toán không chỉnh bằng phƣơng pháp Tikhonov.

Nhƣ vậy, chƣơng này đã trình bày cơ sở của phƣơng pháp xử lý tín hiệu sẽ

đƣợc ứng dụng trong luận án nhằm phát hiện vết nứt trong kết cấu.

Chƣơng tiếp theo sẽ trình bày ba bài toán phát hiện vết nứt trong đó hai bài

toán phát hiện vết nứt dựa trên phƣơng pháp wavelet và một bài toán phát hiện vết

nứt dựa trên phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử.

Page 83: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

72

CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ TÍN HIỆU DAO

ĐỘNG TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT

Sau khi đã trình bày cơ sở lý thuyết về phân tích động lực học kết cấu có vết

nứt và các phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động hiện đại ở chƣơng 2 và chƣơng 3;

chƣơng 4 sẽ ứng dụng phƣơng pháp này để giải quyết ba bài toán chẩn đoán kỹ

thuật.

Bài toán thứ nhất: phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình

động đất bằng phƣơng pháp phân tích phổ wavelet. Trong bài toán này, vết nứt và

thời điểm xảy ra vết nứt đƣợc phát hiện từ phân tích phổ wavelet.

Bài toán thứ hai: phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng tập trung

bằng phƣơng pháp phân tích wavelet. Trong bài toán này, sự ảnh hƣởng đồng thời

của khối lƣợng tập trung và vết nứt gây nên sự thay đổi bất thƣờng của tần số khi

khối lƣợng tập trung đặt tại vị trí vết nứt và đây sẽ là dấu hiệu để phát hiện vết nứt

cũng nhƣ vị trí của nó.

Bài toán thứ ba: phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp phân bố chỉ

số độ cứng phần tử. Trong bài toán này, phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần

tử đƣợc phát triển dựa trực tiếp vào tín hiệu đo dao động nhằm khắc phục sai số khi

sử dụng dạng riêng đo, từ đó tính toán ma trận độ cứng của kết cấu. Sự xuất hiện vết

nứt cũng nhƣ vị trí vết nứt đƣợc phát hiện bởi sự thay đổi đột ngột của chỉ số độ

cứng phần tử có vết nứt.

4.1. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu dầm xảy ra trong quá trình động

đất bằng phƣơng pháp phân tích phổ wavelet

4.1.1. Dao động của dầm có vết nứt dưới tác động của động đất

Ta xét một dầm Euler–Bernoulli, chịu kích động tại mặt đất, giả sử kích động

này là hàm điều hòa dg(hình 4.1). Bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, ta chia dầm

thành Q phần tử. Sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn, khi đó phƣơng trình

chuyển động của dầm có dạng [126]:

.Md Cd Kd MIdr r r g (4.1)

Page 84: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

73

M, C, K là khối lƣợng của dầm, ma trận cản, và ma trận độ cứng; I là véc tơ

đơn vị; dr là véc tơ dầm biểu diễn chuyển vị tƣơng đối của nút đối với mặt đất.

Trong thực tế, gia tốc tuyệt đối hay chuyển vị tuyệt đối của kết cấu có thể đo

đạc bằng thực nghiệm. Véc tơ chuyển vị tuyệt đối của dầm là d, quan hệ giữa

chuyển vị tƣơng đối và chuyển vị tuyệt đối đƣợc biểu diễn nhƣ sau:

.d d Ir gd (4.2)

Do đó, từ phƣơng trình (4.1), (4.2) ta thu đƣợc phƣơng trình chuyển động

của dầm:

) 0,M(d I C(d I ) K(d I )r g g gd d d (4.3)

hay:

.Md Cd Kd CI KIg gd d (4.4)

Hình 4.1. Mô hình của dầm nguyên vẹn.

Hình 4.2. Mô hình dầm chứa vết nứt.

Khi có vết nứt thì các ma trận M, C, và K tổng thể của kết cấu có vết nứt sẽ

đƣợc ứng dụng nhƣ đã trình bày trong mục 2.2 của chƣơng 2. Thay các ma trận

tổng thể này vào phƣơng trình (4.4) và giải bằng phƣơng pháp Newmark sẽ thu

đƣợc đáp ứng động lực học của dầm.

Page 85: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

74

4.1.2. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột bằng phân tích phổ wavelet từ tín hiệu mô

phỏng số

Để kiểm tra tính đúng đắn của chƣơng trình, tác giả so sánh kết quả tính toán

tần số riêng của dầm công xôn chứa vết nứt trong luận án với kết quả đã đƣợc công

bố trong tài liệu [9], tài liệu này sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho dầm

Bernoulli nên đƣợc sử dụng để kiểm chứng kết quả của luận án vì luận án cũng sử

dụng lý thuyết dầm Bernoulli. Các tham số của dầm nhƣ sau: mật độ khối lƣợng

7860 kg/m3, mô đun đàn hồi E = 2.1x10

11 N/m

2, chiều dài kết cấu L = 0.5m, chiều

rộng b = 0.02m, chiều cao h = 0.02m. Dầm chứa hai vết nứt có độ sâu 10% độ cao

của dầm tại vị trí 0.2L và 0.6L.

Bảng 4.1. Tần số tự nhiên của dầm chứa hai vết nứt.

Tần số tự nhiên (rad/s) Theo tài liệu [9] Theo tính toán Sai số (%)

1 417.6436 417.9211 0.066

2 2619.704 2621.111 0.054

3 7337.863 7336.003 0.025

4 14370.04 14378.68 0.060

Bảng 4.1 cho thấy kết quả chƣơng trình xây dựng trong luận án và kết quả đã

đƣợc công bố là tƣơng đồng, sai số lớn nhất 0.066%. Nhƣ vậy, chƣơng trình máy

tính là đáng tin cậy để tính toán các tham số động lực học của dầm chứa vết nứt

trong luận án này.

Tiếp theo, sử dụng chƣơng trình đã xây dựng để mô phỏng số cho một kết

cấu cầu dạng dầm chịu kích động của một trận động đất. Kích động này đƣợc giả sử

là một quá trình điều hòa. Để phù hợp với mô hình kết cấu cầu dạng dầm sẽ đƣợc

chế tạo làm thí nghiệm kiểm chứng, các tham số của cầu dạng dầm đƣợc chọn nhƣ

sau: mật độ khối lƣợng 7855 kg/m3, mô đun đàn hồi E = 2.1x10

11 N/m

2, chiều dài

kết cấu L = 1.2m, chiều rộng b = 0.06m, chiều cao h = 0.01m. Tỷ số cản modal đối

với tất cả các mode: 0.01.

Giả sử trong nửa khoảng thời gian đầu kích động, kết cấu hoàn toàn nguyên

vẹn, trong nửa thời gian sau vết nứt xuất hiện tại vị trí 2c

L L . Khoảng thời gian

kích động T = 16s. Hàm kích động tại mặt đất có phƣơng trình 0.05sin 35F t .

Page 86: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

75

Bằng tính toán tác giả nhận thấy dầm chủ yếu dao động với tần số tự nhiên đầu tiên

17.8 Hz.

Trong thực tế, tín hiệu gia tốc dễ dàng đo đạc đƣợc, nên tác giả sử dụng tín

hiệu này nhằm mục đích phát hiện vết nứt. Hệ số wavelet thƣờng đƣợc sử dụng để

phát hiện sự thay đổi nhỏ, mang tính chất địa phƣơng của tín hiệu.

Tuy nhiên, tín hiệu gia tốc của cầu dƣới tác động của động đất cũng có thể có

những thay đổi địa phƣơng mà có thể lớn hơn nhiều so với sự thay đổi do vết nứt

gây ra. Trong khi đó sự thay đổi của tần số riêng của cầu đƣợc trình bày trong

nghiên cứu này chỉ phụ thuộc vào sự xuất hiện của vết nứt mà không phụ thuộc vào

kích động của ngoại lực.

Do đó trong mô phỏng này sử dụng phép biến đổi wavelet liên tục và phổ

năng lƣợng wavelet, từ đó tần số tức thời IF đƣợc lấy ra từ phần chính của phổ năng

lƣợng wavelet để theo dõi thời điểm xuất hiện vết nứt. Sau khi thử một số hàm

wavelet khác nhau, thì ta thấy hàm wavelet “Symlet” là thích hợp nhất cho việc xử

lý tín hiệu.

Đầu tiên, tín hiệu gia tốc theo phƣơng thẳng đứng đƣợc sử dụng để tính phổ

wavelet, sau đó tần số tức thời IF sẽ đƣợc trích xuất ra từ những đƣờng sắc cạnh

chính trong phổ wavelet này. Thực hiện mô phỏng số cho năm trƣờng hợp của vết

nứt với độ sâu từ 0% đến 50% (chiều rộng của dầm).

Khi độ sâu vết nứt bằng 0% thì tần số IF bằng 17.8 Hz, tƣơng ứng với tần số

thứ nhất của dầm nguyên vẹn, trong suốt quá trình kích động.

Tại thời điểm 2t T có một vết nứt nhỏ 10% (chiều rộng dầm) xuất hiện.

Khi đó ta thấy tần số tức thời IF của dầm giảm dần trong nửa khoảng thời gian kích

động sau, tại thời điểm chính xác 2t T (hình 4.3). Điều này có thể đƣợc giải

thích rằng trong nửa đầu của thời gian kích động thì dầm không bị nứt, và dao động

ở tần số chính 17.8 Hz, trong nửa khoảng thời gian thứ hai, dầm bị nứt dẫn đến việc

giảm tần số chính.

Khi tăng độ sâu vết nứt, trong nửa thời gian đầu của kích động, tần số tức

thời IF vẫn nằm trong dải tần số trung tâm khoảng 17.8 Hz, tƣơng ứng với trƣờng

Page 87: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

76

hợp dầm nguyên vẹn. Trong nửa thời gian tiếp theo tần số tức thời giảm dần. Nhƣ

vậy, thời điểm xuất hiện vết nứt đột ngột chính là thời điểm mà tại đó tần số IF bắt

đầu suy giảm. Mức độ thay đổi tần số tức thời IF mô tả độ sâu của vết nứt.

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.3. Tần số tức thời của dầm.

a) Độ sâu vết nứt 10%; b) Độ sâu vết nứt 20%; c) Độ sâu vết nứt 30%;

d) Độ sâu vết nứt 40%; e) Độ sâu vết nứt 50%.

Page 88: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

77

Để ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt, ta gọi df là sự chênh lệch của tần số thức thời

IF trong nửa thời gian kích động ban đầu và nửa thời gian sau.

Nhƣ vậy, df sẽ tăng khi độ sâu vết nứt tăng. Sự chênh lệch df đƣợc xem là hệ

số hƣ hỏng liên quan giữa độ sâu vết nứt và sự thay đổi tần số tức thời IF. Xây dựng

đồ thị liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt (hình 4.4), từ đồ thị này ta có thể thấy df và

độ sâu vết nứt liên hệ với nhau bởi hàm bậc hai. Do đó, sử dụng đồ thị này có thể

ƣớc lƣợng đƣợc độ sâu vết nứt khi biết đƣợc sự chênh lệch df.

Hình 4.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt.

4.1.3. Kết luận

Bài toàn này đã đƣa ra phƣơng pháp phổ năng lƣợng wavelet, từ đó trích ra

tần số tức thời IF nhằm giám sát sự xuất hiện của vết nứt trong quá trình kết cấu

chịu kích động từ bên ngoài.

Sự tồn tại của vết nứt đƣợc khẳng định bởi sự suy giảm tần số tức thời IF

trong quá trình kết cấu chịu kích động. Thời điểm xuất hiện vết nứt chính là thời

điểm mà tần số tức thời IF bắt đầu suy giảm.

Khi độ sâu vết nứt tăng, thì sự thay đổi tần số tức thời df cũng tăng. Do đó,

độ sâu của vết nứt có thể đƣợc ƣớc lƣợng bằng cách sử dụng mối quan hệ giữa sự

thay đổi tần số tức thời df và độ sâu vết nứt. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là

không cần bất kỳ thông tin nào về kết cấu khi còn nguyên vẹn do sự thay đổi của

tần số tức thời có thể phát hiện trực tiếp từ tín hiệu đo dao động.

y = 0.8643x2 - 0.2036x + 0.0452

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

df

Crack depth

Page 89: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

78

Phƣơng pháp này có thể giám sát độ sâu vết nứt nhỏ tới 10% chiều rộng dầm,

trong khi các phƣơng pháp tần số thông thƣờng khác chỉ có thể phát hiện các vết

nứt với độ sâu lớn hơn 40% chiều rộng dầm. Tuy nhiên phƣơng pháp này không xác

định đƣợc vị trí của vết nứt.

4.2. Bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng tập trung bằng

phƣơng pháp phân tích wavelet

Mô hình phần tử hữu hạn của hệ dầm kép bao gồm hai dầm Euler-Bernoulli

khác nhau, với mặt cắt hình chữ nhật, đƣợc liên kết bởi môi trƣờng đàn hồi Winkler

có mô đun độ cứng mk trên một đơn vị chiều dài (hình 4.5). Chiều dài của hệ dầm

là L. Dầm chính và dầm phụ đều đƣợc chia thành Q phần tử, độ dài mỗi phần tử là l.

Dầm chính chịu tải trọng là một khối lƣợng tập trung m đặt tại vị trí mx .

Sử dụng nguyên lý Hamilton [124], ta có phƣơng trình chuyển động của

phần tử hệ dầm kép.

Hình 4.5. Phần tử dầm kép chịu tác động của khối lƣợng tập trung.

Sử dụng hệ tọa độ địa phƣơng với gốc hệ tọa độ đặt tại vị trí chính giữa của

phần tử, phần tử đƣợc xác định từ 2l đến 2l . Năng lƣợng động học của phần tử

dầm kép mang khối lƣợng tập trung đƣợc viết dƣới dạng.

/2 /2

1 1 1 2 2 2

/2 /2

1 1( ) ,

2 2d N N d d N N d

l l

T T T T

e m e e e

l l

T m x x dx dx

(4.5)

ở đó 1 2, là mật độ vật liệu của phần tử dầm chính và phụ trên một đơn vị

chiều dài; là hàm Dirac; 1ed , 2ed là véc tơ vận tốc của phần tử dầm chính và dầm

phụ; N là hàm dạng.

Ký hiệu:

E1, I1, 1

xm

L

x E2, I2, 2

m

km

Page 90: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

79

2 2 2

*

1 1 2 2

2 2 2

( ) ; ; .m = N N N N m N N m N N

l l l

T T T T

m e e

l l l

m x x dx m dx dx

(4.6)

Thay phƣơng trình (4.6) vào phƣơng trình (4.5) ta có:

*

1 1 1 1 1 2 2 2

1 1 1,

2 2 2d m d d m d d m d

T T T

e e e e e e e eT (4.7)

ở đó 1 2,m me e là ma trận khối lƣợng phần tử của dầm chính và dầm phụ; *m

là ma trận bổ sung của khối lƣợng tập trung. Ta có:

* *

1 1 .m m +me e (4.8)

Thay phƣơng trình (4.8) vào (4.7), thu đƣợc:

*

1 1 1 2 2 2

1 1.

2 2d m d d m d

T T

e e e e e eT (4.9)

Năng lƣợng thế của hệ thu đƣợc từ phƣơng trình:

*

1 1 1 2 2 2 1 2 1 2

1 1 1,

2 2 2d k d d k d d d k d d

T T T T

e e e e e e e e m e e (4.10)

ở đó 1 2,k ke e là ma trận độ cứng phần tử của dầm chính và dầm phụ; 1ed ,

2ed là véc tơ chuyển vị của phần tử dầm chính và dầm phụ:

2

*

2

.k N N

l

T

m m

l

k x dx

(4.11)

Phƣơng trình Lagrange có dạng: ,L T hay:

*

1 1 1 1 1 2 2 2 1 1 1 2 2 2

*

1 2 1 2

1 1 1 1 1

2 2 2 2 2

1.

2

d m d d m d d m d d k d d k d

d d k d d

T T T T T

e e e e e e e e e e e e e e

T T

e e m e e

L

(4.12)

Áp dụng nguyên lý Hamilton ta có:

2

1

0,

t

t

Ldt (4.13)

Page 91: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

80

với điều kiện đầu 1 20, 0d de e tại thời điểm 1 2,t t t t phƣơng trình

dao động tự do của phần tử dầm có dạng:

* *

1 1 1 1 1 2

*

2 2 2 2 1 2

,

.

m d k d k d d 0

m d k d k d d 0

e e e e m e e

e e e e m e e

(4.14)

Trong đó 1 2,d de e

là véc tơ gia tốc của phần tử dầm chính và dầm phụ; 0 là

véc tơ cột gồm bốn phần tử nhận giá trị 0.

Nhƣ vậy, phƣơng trình dao động tự do của hệ dầm kép trong hệ tọa độ tổng

thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng sau:

* *

1 1 1 1 1 2

*

2 2 2 2 1 2

,

.

M D K D K D D O

M D K D K D D O

m

m

(4.15)

Trong đó *

1M , 2M , 1K , 2K là ma trận khối lƣợng và ma trận độ cứng của

dầm chính và dầm phụ; *K m là ma trận độ cứng tổng thể của môi trƣờng đàn hồi; 1D ,

2D là véc tơ cột biểu diễn chuyển vị nút của dầm chính và dầm phụ; O là véc tơ cột

có các thành phần nhận giá trị 0, đƣợc ghép nối từ véc tơ cột 0. Phƣơng trình (4.15)

đƣợc viết lại dƣới dạng:

,MD KD O (4.16)

ở đó:

* **

11

* *

22

1 1

2 2

, ,

, , .

K K KMM= K=

K K KM

D ODD= D= O=

D OD

m m

m m

(4.17)

Trong bài toán này, ma trận độ cứng của phần tử chứa vết nứt đƣợc sử dụng

từ mục 2.2 của chƣơng 2.

Ma trận độ cứng của dầm chứa vết nứt đƣợc ghép nối từ ma trận độ cứng của

phần tử chứa vết nứt và phần tử nguyên vẹn.

Page 92: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

81

Vết nứt xuất hiện trên dầm chính, nên ma trận độ cứng 1K của dầm chứa vết

nứt đƣợc ghép nối từ ma trận độ cứng của phần tử chứa vết nứt từ mục 2.2 của

chƣơng 2, và ma trận độ cứng của phần tử nguyên vẹn từ mục 2.3 của chƣơng 2.

Ma trận độ cứng tổng thể 1 2,K K đƣợc ghép nối từ phƣơng trình (4.17) để

biểu diễn ma trận độ cứng tổng thể K của hệ dầm kép chứa vết nứt. Thay ma trận K

vào phƣơng trình (4.16) và giải bài toán giá trị riêng ta sẽ thu đƣợc tần số, dạng

riêng của hệ dầm kép chứa vết nứt, chịu tải trọng của khối lƣợng tập trung.

4.2.1. Kết quả mô phỏng số

Tƣơng tự nhƣ phần trên, trƣớc hết tác giả kiểm tra tính đúng đắn của chƣơng

trình máy tính đƣợc xây dựng trong luận án này, để tính toán các đặc trƣng động lực

học của dầm có khối lƣợng tập trung.

Xét hệ dầm kép với các tham số nhƣ sau [127], [128]: E2I2 = 4x106 Nm

2, E1I1

= 2xE2I2, 2A2 = 100 kg/m, 1A1 = 2x2A2, km = 1x105 N/m

2, L = 10m.

Bảng 4.2 đƣa ra sáu tần số tự nhiên thấp nhất của hệ dầm kép không có khối

lƣợng tập trung, bằng ba phƣơng pháp khác nhau. Hình 4.6 mô tả sáu dạng riêng

đầu tiên của hệ dầm kép, bằng tính toán mô phỏng.

Từ bảng 4.2, hình 4.6 ta nhận thấy, sáu tần số riêng và dạng riêng đầu tiên

thu đƣợc từ tính toán, phù hợp với kết quả trong tài liệu [127], [128]. Đặc biệt, tần

số tự nhiên theo tính toán, trùng với tài liệu [128]. Tài liệu [127] sử dụng phƣơng

pháp giải tích Bernoulli cổ điển, tài liệu [128] sử dụng phƣơng pháp giải tích

Adomian (AMDM - Adomian Modified Decomposition Method).

Vì không có mô hình tƣơng tự của dầm kép chịu tải trọng của khối lƣợng tập

trung nhƣ trình bày trong nghiên cứu này, để kiểm tra tính đúng đắn của phƣơng

pháp, thì hệ dầm kép đƣợc giảm xuống thành dầm đơn, bằng cách loại bỏ các biến

của dầm phụ và môi trƣờng đàn hồi từ phƣơng trình (4.5) - (4.17). Kết quả mô

phỏng thu đƣợc sẽ so sánh với tài liệu [129]. Tài liệu [129] sử dụng phƣơng pháp

ma trận độ cứng động.

Page 93: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

82

Bảng 4.3 đƣa ra năm tần số tự nhiên của hệ dầm kép công xôn chịu tải trọng

của khối lƣợng tập trung tại vị trí đầu dầm bằng hai phƣơng pháp. Bảng này cho

thấy, kết quả tính toán và kết quả trong tài liệu [129] là tƣơng đồng.

Bảng 4.2. Tần số tự nhiên của dầm kép.

Tần số tự nhiên (rad/s) Theo tài liệu [127] Theo tài liệu [128] Theo tính toán

1 19.7 19.7392 19.7392

2 43.5 43.4699 43.4699

3 79.0 78.9568 78.9568

4 87.9 87.9442 87.9442

5 177.7 177.6529 177.6529

6 181.8 181.8256 181.8256

a) Mode 1 b) Mode 2

a) Mode 3 b) Mode 4

a) Mode 5 b) Mode 6

Hình 4.6. Sáu dạng riêng đầu tiên.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-5

-4

-3

-2

-1

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Nor

mal

ized

am

plitu

de

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

Page 94: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

83

Bảng 4.3. Tần số tự nhiên của dầm công xôn với khối lƣợng tập trung đặt tại đỉnh

đầu dầm.

Tỷ số khối

lƣợng m

AL

Tần số tự nhiên

không thứ nguyên 4

i i

AL

EI

Theo tài liệu [129] Theo tính toán

0

1 3.5159 3.5160

2 22.0350 22.0345

3 61.6960 61.6971

4 122.9000 120.9013

5 199.8600 199.8568

0.5

1 2.0163 2.0288

2 16.9010 17.0916

3 51.7010 52.3210

4 106.0500 107.3564

5 180.1300 182.3473

4.2.2. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến dao động tự do của hệ dầm kép

nguyên vẹn

Trong phần này sẽ thiết lập mối liên hệ và sự ảnh hƣởng giữa vị trí của khối

lƣợng tập trung và tần số tự nhiên của hệ dầm kép. Tham số đầu vào tính toán của

hệ dầm kép nhƣ trong mục 4.2.1.

Các mô phỏng trong luận án này cho thấy rằng khối lƣợng tập trung chỉ ảnh

hƣởng đến tần số tự nhiên, trong khi ảnh hƣởng của nó đối với đối với dạng riêng là

nhỏ và không thể quan sát đƣợc bằng trực quan.

Tuy nhiên, mối liên hệ giữa tần số tự nhiên và vị trí của khối lƣợng tập trung

lại liên quan đến dạng riêng. Do đó, để thiết lập mối quan hệ giữa ảnh hƣởng của

khối lƣợng tập trung đến tần số tự nhiên cũng nhƣ dạng riêng, thì dạng riêng tƣơng

ứng hệ dầm kép không có khối lƣợng tập trung đƣợc trình bày cùng với mối liên hệ

giữa tần số tự nhiên và khối lƣợng tập trung nhƣ trong hình 4.7.

Các đồ thị a1, b1, a2, b2 trong hình 4.7 cho thấy hai tần số tự nhiên đầu tiên

giảm dần khi khối lƣợng tập trung đƣợc di chuyển từ hai đầu đến chính giữa dầm,

Page 95: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

84

trong khi đó biên độ của hai dạng riêng đầu tiên tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại

vị trí giữa dầm.

a1) Dạng riêng thứ nhất b1) Tần số thứ nhất và vị trí khối lƣợng

a2) Dạng riêng thứ hai b2) Tần số thứ hai và vị trí khối lƣợng

a3) Dạng riêng thứ ba b3) Tần số thứ ba và vị trí khối lƣợng

Hình 4.7. Ba dạng riêng đầu tiên, mối liên hệ giữa tần số và vị trí khối lƣợng.

Hình 4.7a3, 4.7b3 cho thấy tần số thứ ba giảm dần khi khối lƣợng tập trung

di chuyển từ hai đầu đến các vị trí khoảng 2.2m và 7.8m của dầm, trong khi đó biên

độ của dạng riêng thứ ba cũng tăng dần và đạt giá trị lớn nhất tại hai vị trí tƣơng

ứng. Tần số tự nhiên thứ ba tăng khi khối lƣợng tập trung di chuyển từ hai vị trí này

đến vị trí chính giữa của dầm, trong khi đó biên độ của dạng riêng thứ ba giảm dần

đến 0 tại vị trí chính giữa của dầm, đây chính là nút của dạng riêng dao động.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-5

-4

-3

-2

-1

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 118.5

19

19.5

20

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 141

42

43

44

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-4

-2

0

Norm

aliz

ed a

mplit

ude

x/L

0 0.2 0.4 0.6 0.8 175

76

77

78

79

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

Page 96: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

85

Từ kết quả này ta thấy khi khối lƣợng tập trung đặt tại vị trí biên độ lớn nhất

của dạng riêng thì tần số sẽ đạt giá trị nhỏ nhất. Ngƣợc lại, khi khối lƣợng tập trung

đặt tại nút của dạng riêng dao động, thì tần số sẽ đạt giá trị lớn nhất.

4.2.3. Ảnh hưởng của khối lượng tập trung đến tần số tự nhiên của hệ dầm kép

chứa vết nứt

Từ kết quả ở phần trên ta thấy tần số tự nhiên của hệ dầm kép thay đổi theo

vị trí của khối lƣợng tập trung. Hơn nữa, khi xuất hiện vết nứt, thì tần số tự nhiên

của dầm cũng thay đổi và sự thay đổi này lại phụ thuộc vào vị trí của vết nứt.

Do đó, ta hy vọng rằng khi khối lƣợng tập trung và vết nứt nằm gần nhau, thì

có thể xuất hiện những thay đổi bất thƣờng trong tần số tự nhiên.

Tuy nhiên, các kết quả mô phỏng số cho thấy rằng sự thay đổi bất thƣờng

trong tần số tự nhiên do vết nứt và khối lƣợng tập trung gây nên là nhỏ và khó quan

sát đƣợc bằng trực quan.

a) Tần số thứ nhất và vị trí khối lƣợng b) Tần số thứ hai và vị trí khối lƣợng

c) Tần số thứ ba và vị trí khối lƣợng

Hình 4.8. Tần số và vị trí khối lƣợng của dầm kép chứa vết nứt.

Độ sâu vết nứt 40%.

Hình 4.8 biểu diễn mối liên hệ giữa vị trí của khối lƣợng tập trung và ba tần

số tự nhiên đầu tiên của hệ dầm kép, chứa hai vết nứt nằm trên dầm chính, với độ

0 0.2 0.4 0.6 0.8 118

18.5

19

19.5

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 141

42

43

44

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 172

74

76

78

Fre

quency (

Hz)

Mass position (x/L)

Page 97: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

86

sâu 40% nằm tại vị trí 3m và 6.5m. Rõ ràng, không thể quan sát đƣợc những thay

đổi bất thƣờng đồ thị này.

Để phát hiện sự thay đổi bất thƣờng trong đồ thị trên, ta gọi df là độ chênh

lệch giữa tần số đầu tiên của hệ dầm kép chứa vết nứt và không chứa vết nứt. Hình

4.9 biểu diễn df ứng với các độ sâu vết nứt khác nhau.

a) Độ sâu vết nứt 5% b) Độ sâu vết nứt 10%

c) Độ sâu vết nứt 20% d) Độ sâu vết nứt 30%

e) Độ sâu vết nứt 40%

Hình 4.9. Chênh lệch tần số đầu tiên df giữa hệ dầm kép chứa vết nứt và hệ dầm kép

nguyên vẹn.

Từ đồ thị này, ta nhận thấy xuất hiện hai thay đổi sắc nét khi vết nứt có độ

sâu từ 5% đến 40%. Kết quả này có thể áp dụng để phát hiện vết nứt, vị trí của vết

nứt là vị trí xuất hiện sự thay đổi bất thƣờng trong đồ thị biểu diễn df .

0 0.2 0.4 0.6 0.8 19

9.2

9.4

9.6

x 10-3

df

(Hz)

Mass position (x/L)

0 0.5 10.034

0.035

0.036

df

(Hz)

Mass position (x/L)

0 0.5 10.13

0.135

0.14

df

(Hz)

Mass position (x/L)

0 0.5 1

0.295

0.3

0.305

0.31

0.315

df

(Hz)

Mass position (x/L)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.56

0.57

0.58

df

(Hz)

Mass position (x/L)

Page 98: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

87

Tuy nhiên, nói chung thông tin về hệ dầm kép nguyên vẹn là khó xác định

đƣợc trong thực tế. Do đó, để phát hiện thay đổi bất thƣờng trong tần số do khối

lƣợng tập trung và vết nứt gây nên, tác giả sẽ sử dụng phép biến đổi wavelet nhằm

phân tích một số thành phần bị ẩn và thành phần chứa những thay đổi bất thƣờng

trong tín hiệu. Tác giả dùng phép biến đổi wavelet cho tần số tự nhiên đầu tiên của

hệ dầm kép chứa hai vết nứt tại vị trí bất kỳ trên dầm chính. Trong mô phỏng này,

giả sử hai vết nứt có cùng độ sâu, nằm tại vị trí 0.3m và 0.65m; độ sâu vết nứt tăng

dần từ 0% đến 40%.

a) Độ sâu vết nứt 0% b) Độ sâu vết nứt 5%

c) Độ sâu vết nứt 10% d) Độ sâu vết nứt 20%

e) Độ sâu vết nứt 30% f) Độ sâu vết nứt 40%

Hình 4.10. Biến đổi wavelet đối với tần số tự nhiên đầu tiên.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

-0.5

0

0.5

1x 10

-5

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

-0.5

0

0.5

1x 10

-5

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-2

0

2

x 10-5

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-1

-0.5

0

0.5

1x 10

-4

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-2

-1

0

1

2x 10

-4

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-2

0

2

x 10-4

x/L

Wavele

t coeff

icie

nt

Page 99: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

88

Hình 4.10 biểu diễn phép biến đổi wavelet của tần số tự nhiên đầu tiên ứng

với các độ sâu vết nứt khác nhau. Khi dầm không có vết nứt thì đồ thị ở hình 4.10a

không thấy xuất hiện đỉnh nào đáng chú ý. Tuy nhiên, khi dầm có hai vết nứt với độ

sâu 5%, thì trong phép biến đổi wavelet (hình 4.10b) xuất hiện hai đỉnh đáng chú ý

ở các vị trí 3m và 6.5m, đây chính là vị trí của các vết nứt xuất hiện.

Khi độ sâu vết nứt tăng từ 10% đến 40%, giá trị của các đỉnh này cũng tăng

lên đáng kể nhƣ trong hình 4.10c - 4.10f. Nhƣ vậy khi dầm chứa vết nứt, tần số tự

nhiên đầu tiên sẽ thay đổi đột ngột khi khối lƣợng tập trung nằm ở vị trí của các vết

nứt. Điều này rất hữu ích cho việc phát hiện vết nứt: vị trí vết nứt có thể đƣợc phát

hiện bởi vị trí của các đỉnh nhọn trong biến đổi wavelet của tần số tự nhiên đầu tiên.

4.2.4. Kết luận

Bài toán này giải quyết vấn đề về sự ảnh hƣởng của khối lƣợng tập trung đến

tần số tự nhiên của hệ dầm kép. Khi hệ dầm kép có khối lƣợng tập trung thì tần số

tự nhiên sẽ thay đổi. Sự thay đổi này phụ thuộc vào vị trí của khối lƣợng tập trung

và dạng riêng dao động của hệ dầm.

Tần số tự nhiên sẽ giảm từ từ khi khối lƣợng bắt đầu di chuyển từ nút của

dạng riêng đến vị trí mà biên độ của dạng riêng đạt giá trị cực đại.

Tần số tự nhiên thay đổi đột ngột khi khối lƣợng tập trung đặt ở gần vị trí của

vết nứt. Sự thay đổi đột ngột này sẽ tạo nên các đỉnh nhọn trong phép biến đổi

wavelet của tần số đầu tiên.

Vị trí xuất hiện các đỉnh nhọn chính là vị trí của vết nứt. Phƣơng pháp này

cho kết quả tốt đối với tần số tự nhiên đầu tiên, và có thể phát hiện đƣợc vết nứt có

độ sâu 5%.

4.3. Bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng

phần tử

4.3.1. Phát hiện vết nứt của dầm

Phƣơng trình dao động của kết cấu đã đƣợc trình bày tại phƣơng trình (2.37)

ở mục 2.3, chƣơng 2.

Page 100: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

89

Để tiện theo dõi, phƣơng trình này đƣợc viết lại nhƣ sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )My Cy Ky N fTt t t f t t , ở đó

e

T

e e

L

f dx f N và f T fT

e

e

.

a. Phát hiện một vết nứt của dầm

Xét một cầu dạng dầm, đƣợc chia thành 30 phần tử, vết nứt xuất hiện ở phần

tử thứ 15. Tham số của dầm nhƣ sau: mật độ khối = 7855 kg/m3, mô đun đàn hồi

E = 2.1x1011

N/m2, L = 40m, b = 1m, h = 2m; hệ số cản: 0.02. Xét sáu trƣờng hợp

với độ sâu vết nứt tăng từ 0% đến 50% (chiều rộng của dầm). Lực kích động với

biên độ 20000 N

20000 khi 0

( ) .0 khi 0

tf t

t

(4.18)

Để kiểm tra phƣơng pháp này, phân bố chỉ số độ cứng phần tử đƣợc tính

bằng giải tích, tính trực tiếp từ ma trận phần tử hữu hạn K đối với năm độ sâu của

vết nứt, đƣợc minh họa ở hình 4.11.

Hình này cho thấy xuất hiện các đỉnh trên phân bố chỉ số độ cứng phần tử, tại

phần tử thứ 15. Cũng nhận thấy rằng khi độ sâu vết nứt tăng lên, thì độ lớn của đỉnh

tăng lên.

Hình 4.11. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử bằng giải tích đối với 5 độ sâu vết nứt.

Page 101: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

90

Bây giờ ma trận K đƣợc xây dựng lại từ đáp ứng đo và ma trận phần tử hữu

hạn M, C, khi mà vị trí và chiều sâu của vết nứt chƣa biết. Trong trƣờng hợp này,

ma trận M, C thu đƣợc từ dầm còn nguyên vẹn.

Không có nhiễu

Sử dụng hàm đáp ứng tần số khi không có nhiễu H để xây dựng lại ma trận

độ cứng K từ phƣơng trình (3.45) và (3.46). Hình 4.12 biểu diễn phân bố chỉ số độ

cứng phần tử chuẩn hóa, đƣợc tính từ việc xây dựng lại ma trận K với năm độ sâu

của vết nứt.

Vì phép quay trong véc tơ H đƣợc xấp xỉ từ phép tịnh tiến, không phải là giá

trị chính xác, do đó phân bố chỉ số độ cứng phần tử ở hình 4.12 không chính xác

nhƣ ở hình 4.11, trong đó phép quay đƣợc lấy từ dữ liệu đo.

Tuy nhiên, vẫn xuất hiện một đỉnh ở phân bố chỉ số độ cứng phần tử tại phần

tử thứ 15 đối với mỗi độ sâu vết nứt khác nhau.

Hình 4.12 cho thấy khi độ sâu vết nứt tăng, thì đỉnh trong phân bố chỉ số độ

cứng phần tử sẽ sắc nét hơn. Ta có thể xác định chiều cao của đỉnh dh chính là sự

chênh lệch giữa đỉnh và đáy. Lý do là khi độ sâu vết nứt tăng lên, thì ma trận độ

cứng của phần tử chứa vết nứt giảm đi.

Điều này gây ra sự thay đổi (tăng lên) về phân bố chỉ số độ cứng phần tử tại

phần tử chứa vết nứt, nghĩa là chiều cao của đỉnh dh tăng lên (hình 4.12).

Do đó, chiều cao của đỉnh trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử có thể xem

nhƣ là hệ số cƣờng độ, mà sự thay đổi của hệ số cƣờng độ này liên quan đến độ sâu

vết nứt và sự thay đổi về phân bố chỉ số độ cứng phần tử tại phần tử chứa vết nứt.

Page 102: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

91

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.12. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, không có nhiễu.

a) Độ sâu vết nứt 10%, b) Độ sâu vết nứt 20%, c) Độ sâu vết nứt 30%,

d) Độ sâu vết nứt 40%, e) Độ sâu vết nứt 50%.

Page 103: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

92

Xây dựng đồ thị về chiều cao của đỉnh so với độ sâu vết nứt, ta thấy có mối

liên hệ tuyến tính giữa chiều cao của đỉnh (hệ số cƣờng độ) và độ sâu vết nứt (hình

4.13). Tính chất này rất hữu ích khi ƣớc lƣợng độ sâu của vết nứt.

Hình 4.13. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu của vết nứt, khi không có nhiễu.

Phép đo có nhiễu

Nhiễu từ phép đo sẽ ảnh hƣởng đến tính chính xác của phƣơng pháp. Do đó,

để mô phỏng phép đo nhiễu, thì nhiễu ồn trắng đƣợc đƣa vào [85]:

,y y E N ynoise p σ (4.19)

ở đó y là đáp ứng động lực học của dầm; Ep là mức độ nhiễu (%); N là véc

tơ phân bố chuẩn với giá trị trung bình bằng 0 và độ lệch chuẩn bằng 1; ynoise là đáp

ứng của nhiễu; y là độ lệch chuẩn.

y = 0.0157x - 0.108

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h

Crack depth (%)

Page 104: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

93

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.14. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử.

a) Độ sâu vết nứt 10%, nhiễu 1%, b) Độ sâu vết nứt 20%, nhiễu 2%,

c) Độ sâu vết nứt 30%, nhiễu 4%, d) Độ sâu vết nứt 40%, nhiễu 6%,

e) Độ sâu vết nứt 50%, nhiễu 10%.

Hình 4.14 biểu diễn phân bố chỉ số độ cứng phần tử đối với năm độ sâu vết

nứt. Nhìn vào hình ta thấy, tại vị trí vết nứt xuất hiện các đỉnh. Khi độ sâu vết nứt

nhỏ (10% chiều cao của dầm), phƣơng pháp đƣa ra có hiệu quả với nhiễu nhỏ

Page 105: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

94

(1%).Tuy nhiên, khi mức độ ồn dao động từ 2% đến 10%, đỉnh ở trong phân bố chỉ

số độ cứng phần tử là ổn định (khi độ sâu vết nứt tăng từ 20% đến 50%).

Từ hình 4.14, khi độ sâu vết nứt tăng thì chiều cao của đỉnh tăng. Mối liên hệ

giữa chiều cao của đỉnh và độ sâu vết nứt đƣợc biểu diễn ở hình 4.15. Để so sánh

với tín hiệu không có nhiễu, thì trong hình này cũng đƣa ra mối liên hệ giữa chiều

cao của đỉnh và độ sâu vết nứt khi không có nhiễu. Sau khi áp dụng nhiều tín hiệu

nhiễu khác nhau, mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh và độ sâu vết nứt vẫn ổn định.

Hình 4.15. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, có nhiễu và không có nhiễu.

b. Phát hiện nhiều vết nứt của dầm

Tín hiệu không có nhiễu

Giả sử có hai vết nứt ở vị trí 3L và 2 3L tƣơng ứng với phần tử thứ 10 và

20. Giả sử phép đo không có nhiễu. Hình 4.16 biểu diễn phân bố chỉ số độ cứng

phần tử với năm độ sâu của vết nứt.

Ta thấy xuất hiện hai đỉnh trong phân bố tại phần tử chứa vết nứt. Khi độ sâu

vết nứt tăng, thì chiều cao của đỉnh cũng tăng.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h

Crack depth (%)

Unnoise

Noisy data

Linear (Unnoise)

Linear (Noisy data)

Page 106: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

95

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.16. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, nhiễu 0%.

a) Độ sâu vết nứt 10%, b) Độ sâu vết nứt 20%, c) Độ sâu vết nứt 30%,

d) Độ sâu vết nứt 40%, e) Độ sâu vết nứt 50%.

Page 107: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

96

Hình 4.17 biểu diễn mối liên hệ giữa chiều cao của hai đỉnh và độ sâu vết nứt.

Hình này cho thấy chiều cao của hai đỉnh là tƣơng tự nhau đối với các chiều sâu của

vết nứt.

Hình 4.17. Chiều cao của 2 đỉnh dh so với độ sâu vết nứt, khi không có nhiễu.

Tín hiệu có nhiễu

Trong quá trình đo đạc có nhiễu, thì hiệu quả của phƣơng pháp trên sẽ bị ảnh

hƣởng. Hình 4.18 biểu diễn phân bố chỉ số độ cứng phần tử với năm độ sâu vết nứt.

Ta thấy, tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp của một vết nứt, khi độ sâu vết nứt nhỏ, phƣơng

pháp trên có hiệu quả với nhiễu nhỏ (1%). Hình 4.18 cho thấy khi độ sâu vết nứt

bằng hoặc lớn hơn 20%, thì phƣơng pháp trên có thể áp dụng đƣợc đối với trƣờng

hợp nhiễu từ 2% đến 10%.

Để khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiễu đến chiều cao của đỉnh, thì mối liên hệ

giữa chiều cao của mỗi đỉnh và độ sâu vết nứt khi có nhiễu và không có nhiễu đƣợc

đƣa ra từ hình 4.19 - 4.20.

Từ các hình này ta thấy mối liên hệ giữa chiều cao của mỗi đỉnh và độ sâu

vết nứt khi có và không có nhiễu là gần nhau. Do đó, mối liên hệ này là hữu ích

trong việc ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt.

y = 0.0153x - 0.102

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h

Crack depth (%)

dh1

dh2

Linear (dh1)

Linear (dh2)

Page 108: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

97

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.18. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử.

a) Độ sâu vết nứt 10%, nhiễu 1%, b) Độ sâu vết nứt 20%, nhiễu 2%,

c) Độ sâu vết nứt 30%, nhiễu 4%, d) Độ sâu vết nứt 40%, nhiễu 6%,

e) Độ sâu vết nứt 50%, nhiễu 10%.

Page 109: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

98

Hình 4.19. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có

nhiễu.

Hình 4.20. Chiều cao của đỉnh dh2 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có

nhiễu.

4.3.2. Phát hiện vết nứt của khung

Xét một khung gồm hai cột thẳng đứng với chiều cao 3m và một thanh ngang

với chiều dài 1m nằm trong mặt phằng X-Z (hình 4.21). Khung đƣợc chia thành 70

phần tử khung với mặt cắt ngang 0.04m x 0.04m trong mô hình phần tử hữu hạn.

Hai vết nứt xuất hiện ở phần tử thứ 10 và 20 trên cột bên trái. Ma trận độ cứng của

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h1

Crack depth (%)

Noise free data

Noisy data

Linear (Noise free data)

Linear (Noisy data)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h2

Crack depth (%)

Noise free data

Noisy data

Linear (Noise freedata)

Page 110: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

99

một phần tử chứa vết nứt đƣợc tính theo tài liệu [35]. Đáp ứng động của khung

đƣợc tính bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn.

Hình 4.21. Mô hình khung trong mặt phẳng X-Z.

Do lực kích động tác dụng theo hƣớng X, nên khung có dao động uốn trong

mặt phẳng X-Z, nên phép tịnh tiến và quay trong mặt phẳng X-Z sẽ khác không,

trong khi đó chuyển vị của các bậc tự do khác là bằng không. Áp dụng phƣơng pháp

trên cho chuyển vị tịnh tiến theo hƣớng X của cột bên trái, sẽ thu đƣợc phân bố chỉ

số độ cứng phần tử.

Kết quả mô phỏng số cho thấy tại phần tử chứa vết nứt xuất hiện hai đỉnh

trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái (hình 4.22, hình 4.23). Đỉnh

đầu tiên gần với điểm cuối cố định của cột quan trọng hơn đỉnh thứ hai gần với đầu

tự do cuối của cột. Điều đó cho thấy rằng vết nứt gần với điểm cuối cố định có thể

đƣợc phát hiện hiệu quả hơn.

Trong trƣờng hợp này mối liên hệ giữa chiều cao của đỉnh đầu tiên và độ sâu

vết nứt trong trƣờng hợp có nhiễu và không có nhiễu đƣợc đƣa ra nhƣ trong hình

4.24. Trong hình này, mối liên hệ giữa chiều cao của đỉnh đầu tiên và độ sâu vết nứt

khi có nhiễu và không có nhiễu là gần nhau. Do đó ta có thể sử dụng mối liên hệ

này để ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt.

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041

4243444546474849505152535455565758596061626364656667686970

X

Z

Force

Page 111: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

100

Hình 4.22. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, nhiễu 0%.

Hình 4.23. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử của cột bên trái, có nhiễu.

a) Độ sâu vết nứt 10%, nhiễu 1%; b) Độ sâu vết nứt 20%, nhiễu 2%;

c) Độ sâu vết nứt 30%, nhiễu 4%; d) Độ sâu vết nứt 40%, nhiễu 6%;

e) Độ sâu vết nứt 50%, nhiễu 10%.

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Element number

Ele

ment

stiff

ness index d

istr

ibution

crack depth 10%

crack depth 20%

crack depth 30%

crack depth 40%

crack depth 50%

0 5 10 15 20 25 300

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Element number

Ele

ment

stiff

ness index d

istr

ibution

crack depth 10%

crack depth 20%

crack depth 30%

crack depth 40%

crack depth 50%

Page 112: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

101

Hình 4.24. Chiều cao của đỉnh dh1 so với độ sâu vết nứt, khi có nhiễu và không có

nhiễu.

4.3.3. Phát hiện vết nứt của giàn cao tầng

Thực hiện mô phỏng số đối với kết cấu đối xứng, mảnh chịu tác động của lực

đặt tại điểm giữa và dọc theo phƣơng X nhƣ trong hình 4.25. Hàm đáp ứng tần số

theo phƣơng X thu đƣợc dọc theo kết cấu.

Kết cấu gồm bốn cột và các phần tử giằng, kích thƣớc tổng thể của kết cấu

0.25m x 0.25m x 3.6m. Phần tử cột và giằng của kết cấu đƣợc mô tả là phần tử

khung trong phân tích phần tử hữu hạn. Mặt cắt của phần tử cột và giằng có kích

thƣớc 0.02m x 0.02m và 0.02m x 0.002m. Tham số của vật liệu nhƣ sau: mật độ

khối = 7855 kg/m3, mô đun đàn hồi E = 2.1x10

11 N/m

2. Kết cấu đƣợc chia thành

240 phần tử. Mỗi cột đƣợc chia thành 36 phần tử.

Giả sử vết nứt xuất hiện tại phần tử 17 và nằm trên cột #1. Ở đó các phần tử

trên cột #1 của kết cấu đƣợc đánh số tăng dần theo chiều từ dƣới lên.

Ma trận độ cứng của phần tử chứa vết nứt đƣợc tính theo tài liệu [36]. Khảo

sát kết cấu trong trƣờng hợp vết nứt có độ sâu từ 10% đến 50%.

Do kết cấu đối xứng, mảnh nên có thể đƣợc coi tƣơng đƣơng kết cấu dạng

dầm công xôn và phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử đƣợc áp dụng cho

việc phát hiện vết nứt.

0.91

0.92

0.93

0.94

0.95

0.96

0.97

0.98

0.99

1

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h1

Crack depth (%)

Noise free data

Noisy data

Linear (Noise free data)

Linear (Noisy data)

Page 113: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

102

Hình 4.25. Mô hình giàn cao tầng.

Trong luận án này, ma trận độ cứng K đƣợc xây dựng lại từ các ma trận phần

tử hữu hạn M, C và các hàm đáp ứng tần số H thu đƣợc từ 36 điểm đo dọc theo cột

#1. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử đƣợc tính theo mục 3.2 của chƣơng 3. Ở đây,

tác giả thấy 1.2 cho kết quả chính xác nhất, nếu chọn 1.2 thì các đỉnh trong

phân bố chỉ số độ cứng phần tử sẽ có độ rộng lớn hơn và kém sắc nét, dẫn đến thiếu

chính xác trong việc xác định vị trí của vết nứt.

Hình 4.26 trình bày phân bố chỉ số độ cứng phần tử chuẩn hóa, đƣợc tính từ

ma trận xây dựng lại K với năm độ sâu vết nứt. Hình 4.26 cho thấy có một đỉnh rõ

ràng trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử ở phần tử thứ 17 chứa vết nứt.

Hơn nữa, khi độ sâu vết nứt tăng, thì đỉnh trong phân bố chỉ số độ cứng của

phần tử càng sắc nét hơn. Gọi dh là chiều cao của đỉnh, đƣợc xác định bằng sự

chênh lệch giữa đỉnh và đáy, khi đó ta thấy độ sâu vết nứt tăng lên thì giá trị dh

cũng tăng theo.

Do đó, dh có thể xem là hệ số cƣờng độ, hệ số này liên quan giữa độ sâu vết

nứt và sự thay đổi của phân bố chỉ số độ cứng phần tử tại phần tử chứa vết nứt.

Vị trí đo đạc

Vị trí tác dụng lực

Vị trí vết nứt

Page 114: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

103

Hình 4.27 đƣa ra đồ thị liên hệ giữa dh và độ sâu vết nứt, từ hình này ta thấy mối

liên hệ này là tuyến tính. Nhƣ vậy dựa vào đƣờng tuyến tính này, ta có thể ƣớc

lƣợng đƣợc độ sâu của vết nứt.

a) b)

c) d)

e)

Hình 4.26. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt.

a) Độ sâu vết nứt 10%; b) Độ sâu vết nứt 20%; c) Độ sâu vết nứt 30%;

d) Độ sâu vết nứt 40%; e) Độ sâu vết nứt 50%.

Page 115: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

104

Hình 4.27. Mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh dh với độ sâu vết nứt.

Tuy nhiên, chú ý rằng việc phát hiện đƣợc chính xác vị trí vết nứt còn phụ

thuộc vào số lƣợng các điểm đo, vì ta chỉ xác định đƣợc phần tử chứa vết nứt, chứ

không phải vị trí chính xác của vết nứt. Nhƣ vậy, nếu tăng số lƣợng các điểm đo thì

phƣơng pháp đƣa ra sẽ chính xác hơn.

4.3.4. Kết luận

Bài toán này đã áp dụng phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử để

phát hiện vết nứt (một vết nứt và nhiều vết nứt). Phân bố chỉ số độ cứng của phần tử

là một véc tơ có các thành phần là chuẩn của các ma trận con trong ma trận độ cứng

tổng thể, các thành phần này chứa dấu hiệu địa phƣơng về độ cứng của dầm.

Trong bài toán này, ma trận độ cứng tổng thể đƣợc xây dựng trực tiếp từ các

hàm đáp ứng tần số, không phải đƣợc xây dựng từ các dạng riêng nhằm tránh sai số

trong việc đo dạng riêng. Bất kỳ sự thay đổi trong độ cứng của một phần tử sẽ dẫn

đến sự thay đổi trong chỉ số độ cứng của phần tử đó. Bằng cách theo dõi sự thay đổi

trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử, ta sẽ phát hiện đƣợc vị trí của vết nứt.

Sự tồn tại của các vết nứt đƣợc phát hiện bởi các đỉnh trong phân bố chỉ số

độ cứng phần tử và vị trí vết nứt là vị trí của xuất hiện của các đỉnh này. Các vết nứt

có độ sâu 10% có thể đƣợc phát hiện theo phƣơng pháp này. Độ sâu của vết nứt có

thể ƣớc lƣợng đƣợc từ mối quan hệ giữa chiều cao của các đỉnh dh trong độ phân bố

chỉ số độ cứng phần tử với độ sâu vết nứt.

y = 0.0039x + 0.785

0.8

0.82

0.84

0.86

0.88

0.9

0.92

0.94

0.96

0.98

1

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h

Crack depth (%)

Page 116: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

105

Phƣơng pháp này cho kết quả rất tốt đối với bài toán phát hiện một vết nứt và

nhiều vết nứt. Có thể áp dụng phƣơng pháp này cho kết cấu dạng phức tạp hơn. Khi

có nhiễu thì phƣơng pháp này vẫn áp dụng đƣợc.

Tuy nhiên, phƣơng pháp này có một số hạn chế. Vị trí vết nứt không thể phát

hiện chính xác, chỉ phát hiện đƣợc phần tử chứa vết nứt. Do đó, độ chính xác của

phƣơng pháp này phụ thuộc vào số điểm đo.

Ngoài ra, việc xấp xỉ của phép quay cũng phụ thuộc vào các điểm đo. Nhƣ

vậy, để tăng tính chính xác cho phƣơng pháp, thì cần có nhiều điểm đo hơn.

4.4. Kết luận

Chƣơng này đã trình bày ba bài toán ứng dụng phƣơng pháp xử lý tín hiệu để

phát hiện vết nứt trong kết cấu.

Bài toán thứ nhất là bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu xảy ra trong quá

trình động đất bằng phƣơng pháp phân tích phổ wavelet. Khi có vết nứt xuất hiện

trong kết cấu thì độ cứng của kết cấu sẽ suy giảm. Do đó, sự suy giảm đột ngột của

tần số tức thời thu đƣợc khi phân tích wavelet quá trình dao động của kết cấu chính

là dấu hiệu cho thấy sự tồn tại của vết nứt. Trong khi đó, thời điểm tần số tức thời bị

suy giảm đột ngột chính là thời điểm xảy ra vết nứt. Khi độ sâu vết nứt tăng thì sự

suy giảm tần số tức thời càng lớn. Mối quan hệ bậc hai giữa độ suy giảm của tần số

riêng và độ sâu vết nứt có thể đƣợc sử dụng để ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt. Kết quả

của bài toán này đƣợc đăng trong 2 báo cáo Hội nghị quốc tế, 1 báo cáo Hội nghị

toàn quốc:

1. Time-frequency spectrum method for monitoring the sudden crack of a

column structure occurred in earthquake shaking duration. Proceeding of

the International Symposium Mechanics and Control 2011, p. 158-172.

2. Wavelet based technique for detection of a sudden crack of a beam-like

bridge during earthquake excitation. International Conference on

Engineering Mechanics and Automation ICEMA August 2012, Hanoi,

Vietnam, p. 87-95.

Page 117: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

106

3. Experimental study for monitoring a sudden crack of beam under ground

excitation. Hội nghị Cơ học Vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ 11, 2013, p.

605-614.

Bài toán thứ hai là bài toán phát hiện vết nứt của dầm kép mang khối lƣợng

tập trung bằng phƣơng pháp phân tích wavelet. Khi có vết nứt thì tần số riêng sẽ

thay đổi. Khi vị trí của khối lƣợng tập trung thay đổi thì tần số riêng của hệ dầm

cũng thay đổi theo. Đặc biệt, khi vị trí của khối lƣợng tập trung trùng với vị trí của

vết nứt thì tần số riêng của hệ dầm có sự thay đổi đột ngột. Điều này là do ảnh

hƣởng đồng thời của cả vết nứt và khối lƣợng riêng đến tần số riêng khi vị trí của

vết nứt và khối lƣợng tập trung là trùng nhau. Hiện tƣợng này đƣợc phát hiện một

cách rõ ràng bằng biến đổi wavelet sự thay đổi của tần số riêng theo vị trí của khối

lƣợng tập trung. Kết quả của bài toán này đƣợc đăng trong Tạp chí chuyên ngành

quốc gia:

4. Free vibration of a cracked double-beam carrying a concentrated mass.

Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol.38, No.4 (2016), pp. 279-293.

Bài toán thứ ba là bài toán phát hiện vết nứt của kết cấu bằng phƣơng pháp

phân bố chỉ số độ cứng phần tử. Phân bố chỉ số độ cứng phần tử đƣợc tính trực tiếp

từ tín hiệu dao động thay vì tính từ các dạng riêng nhƣ đã biết nhằm khắc phục một

số nhƣợc điểm của phƣơng pháp dựa trên dạng riêng. Trong bài toán này, chỉ số độ

cứng phần tử đƣợc phân bố dọc theo kết cấu. Khi một phần tử của kết cấu có vết nứt

thì phân bố chỉ số độ cứng sẽ có một đỉnh xuất hiện tại vị trí của phần tử chứa vết

nứt. Vị trí của vết nứt sẽ đƣợc xác định bằng vị trí xuất hiện đỉnh trong phân bố chỉ

số độ cứng phần tử. Kết quả của bài toán này đƣợc đăng trong Tạp chí ISI, Tạp chí

chuyên ngành quốc gia:

5. Element stiffness index distribution method for multi-cracks detection of a

beam-like structure. Advances in Structural Engineering 2016, Vol. 19(7)

1077-1091.

6. Numerical and experimental studies for crack detection of a beam-like

structure using element stiffness index distribution method. Vietnam Journal

of Mechanics, VAST, Vol.39, No.3 (2017), pp. 203-214.

Page 118: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

107

Kết quả của các bài toán đƣợc trình bày ở chƣơng này cho thấy phƣơng pháp

đề xuất và đƣợc phát triển trong luận án có khả năng ứng dụng cho việc phát hiện

vết nứt trong kết cấu làm cơ sở cho bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.

Chƣơng tiếp theo trình bày một số thí nghiệm kiểm chứng phƣơng pháp thời

gian - tần số và phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử để phát hiện vết nứt

trong kết cấu.

Page 119: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

108

CHƢƠNG 5. THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG

Trong chƣơng 4 đã trình bày ba bài toán chẩn đoán kỹ thuật nhằm phát hiện

vết nứt xuất hiện trong kết cấu. Các kết quả số đƣợc mô phỏng và phân tích dựa trên

phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động hiện đại và cho kết quả khả quan. Tuy nhiên,

trong thực tế kết quả đo đạc luôn bị ảnh hƣởng bởi nhiễu đo đạc. Vì vậy, để kiểm

chứng khả năng ứng dụng của các phƣơng pháp đƣợc phát triển và ứng dụng trong

luận án này, tác giả tiến hành thực hiện một số thí nghiệm.

Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian và điều kiện nên tác giả chỉ tiến hành hai

thí nghiệm cho hai bài toán chẩn đoán. Các thí nghiệm này đƣợc thực hiện tại

Phòng thí nghiệm Động lực học Công trình của Viện Cơ học - Viện Hàn lâm Khoa

học và Công nghệ Việt Nam.

Thí nghiệm thứ nhất nhằm kiểm chứng khả năng phát hiện hƣ hỏng đột ngột

của một cầu dầm khi chịu tác động của động đất. Thí nghiệm thứ hai nhằm kiểm

chứng khả năng phát hiện vết nứt của một giàn thép cao tầng bằng phƣơng pháp

phân bố chỉ số độ cứng phần tử. Kết quả của hai thí nghiệm này sẽ đƣợc lấy làm cơ

sở để đánh giá tính hiệu quả của hai phƣơng pháp đề xuất trong luận án này.

5.1. Phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm bằng phƣơng pháp wavelet

Tiến hành thí nghiệm đối với dầm chịu kích động nền đƣợc đặt trên bàn rung,

sử dụng phổ động đất (hình 5.1). Tham số của dầm: mật độ khối 7855 kg/m3, mô

đun đàn hồi E = 2.1x1011

N/m2, chiều dài L = 1.2m, chiều rộng b = 0.06m, chiều

cao h = 0.01m. Khoảng thời gian kích động T = 16s. Vết nứt xuất hiện xung quanh

khoảng thời gian 2T s. Tiến hành thí nghiệm đối với độ sâu vết nứt từ 10% đến

50%.

Bảng 5.1. Vết nứt với độ sâu khác nhau, tại vị trí 2cL L .

Trƣờng hợp Độ sâu vết nứt (%)

1

2

3

4

5

10

20

30

40

50

Page 120: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

109

Để theo dõi vết nứt đột ngột trong quá trình kích động nền, tác giả sử dụng

tần số tức thời IF đƣợc lấy ra từ phổ năng lƣợng wavelet. Ở đây hàm wavelet

“Symlet” đƣợc chọn vì hàm này phù hợp nhất để xử lý tín hiệu.

Đầu tiên, đo gia tốc theo phƣơng thẳng đứng của dầm trong quá trình chịu

kích động từ đó tính phổ năng lƣợng wavelet, sau đó tần số tức thời IF đƣợc lấy ra

từ phần chính của phổ năng lƣợng wavelet.

Hình 5.1 trình bày thí nghiệm của dầm chứa vết nứt đột ngột. Sử dụng hệ

thống phanh thủy lực để tạo ra vết nứt đột ngột. Trƣớc tiên, tác giả sẽ tạo vết nứt

cho dầm bằng cách cƣa. Sau đó, dùng phanh thủy lực để giữ chặt mép của vết nứt,

khi đó dầm đƣợc xem là nguyên vẹn. Khi nhả phanh thủy lực, thì vết nứt sẽ mở ra,

khi đó dầm đƣợc xem là chứa vết nứt mở.

Hình 5.1. Dầm chứa vết nứt, đặt trên bàn rung.

Hình 5.2 minh họa phổ Fourier đƣợc tính từ số liệu đo gia tốc thẳng đứng của

dầm trong phòng thí nghiệm khi kết cấu chịu kích động nền. Ở đây, tần số dao động

chính của dầm là 17.8 Hz tƣơng ứng với tần số thứ nhất của dầm nguyên vẹn.

Page 121: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

110

Hình 5.2. Phổ Fourier của gia tốc thẳng đứng, độ sâu vết nứt 0%.

Hình 5.3 trình bày sự so sánh tần số tức thời IF của dầm chịu kích động với

độ sâu vết nứt từ 10% đến 50%. Các tần số IF này thu đƣợc từ việc đo gia tốc thẳng

đứng và từ mô phỏng số theo tài liệu [130]. Trong hình này, các đồ thị ở bên phải

thu đƣợc từ thực nghiệm và các đồ thị ở bên trái thu đƣợc từ mô phỏng số.

Ta có thể thấy, sự tƣơng đồng giữa các kết quả thu đƣợc từ mô phỏng và thí

nghiệm. Khi độ sâu vết nứt là 10% xuất hiện xung quanh thời điểm t = 8s (hình

5.3a), tần số tức thời IF đạt 17.8 Hz trong nửa thời gian đầu của quá trình kích động,

ở nửa thời gian kích động sau, tần số tức thời IF giảm dần đến giá trị tần số nhỏ hơn,

khoảng 17.7 Hz. Bởi vì, trong nửa thời gian kích động ban đầu, dầm còn nguyên

vẹn; trong nửa thời gian kích động sau dầm xuất hiện vết nứt, do đó độ cứng của

dầm sẽ giảm.

Khi độ sâu vết nứt thay đổi từ 20% đến 50% (hình 5.3b - 5.3e), trong nửa

thời gian đầu của kích động, tần số tức thời IF vẫn nằm trong dải tần số trung tâm

khoảng 17.8 Hz, tƣơng ứng với trƣờng hợp dầm nguyên vẹn.

Trong nửa thời gian tiếp theo tần số tức thời giảm dần. Nhƣ vậy, thời điểm

xuất hiện vết nứt đột ngột chính là thời điểm mà tại đó tần số IF bắt đầu suy giảm.

Mức độ thay đổi tần số tức thời IF mô tả độ sâu của vết nứt.

Page 122: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

111

Mô phỏng Thực nghiệm

a)

b)

c)

Page 123: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

112

Mô phỏng Thực nghiệm

d)

e)

Hình 5.3. Tần số tức thời của dầm.

a) Độ sâu vết nứt 10%; b) Độ sâu vết nứt 20%; c) Độ sâu vết nứt 30%;

d) Độ sâu vết nứt 40%; e) Độ sâu vết nứt 50%.

Theo các kết quả trên, để ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt, gọi df là sự chênh lệch

của tần số thức thời IF trong nửa thời gian kích động ban đầu và nửa thời gian sau.

Từ đó ta xây dựng đồ thị liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt (hình 5.4).

Page 124: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

113

a)

b)

Hình 5.4. Mối liên hệ giữa df và độ sâu vết nứt.

a) Mô phỏng số; b) Thực nghiệm.

5.2. Phát hiện vết nứt của giàn bằng phƣơng pháp phân bố độ cứng phần tử

Tác giả thực hiện thí nghiệm đối với kết cấu giàn bằng thép, đối xứng (hình

5.5), kích thƣớc tổng thể của kết cấu 0.25m x 0.25m x 3.6m. Kết cấu gồm bốn cột,

nối cứng với 144 phần tử giằng. Phần mặt cắt của phần tử cột, giằng có kích thƣớc

0.02m x 0.02m và 0.02m x 0.002m. Hệ thống đo dao động đƣợc bố trí nhƣ hình 5.6.

Hệ thống này bao gồm thiết bị Bruel & Kjaer Pulse để lấy dữ liệu đo dao động, và

phần mềm Pulse Labshop để phân tích hàm đáp ứng tần số. Vết nứt đƣợc tạo tại

phần tử 17, trên cột #1, bằng cách cƣa. Tiến hành thí nghiệm với các trƣờng hợp độ

sâu vết nứt từ 0% đến 50%.

y = 0.8643x2 - 0.2036x + 0.0452

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

df

Crack depth

y = 0.75x2 - 0.105x + 0.032

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

df

Crack depth

Page 125: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

114

Trong thí nghiệm này, tác giả đo hàm đáp ứng tần số bằng cách dùng búa và

đầu đo dao động (bộ chuyển đổi dao động), tác dụng lực bằng búa vào nút cố định

của kết cấu. Trong khi đó di chuyển đầu đo dao động theo cột #1 (hình 5.6). Cột #1

đƣợc chia thành 36 phần tử, do đó ta thu đƣợc hàm đáp ứng tần số tại 36 nút dọc

theo cột #1. Và xây dựng phân bố chỉ số ma trận độ cứng phần tử từ 36 hàm đo đáp

ứng tần số này.

a) b)

Hình 5.5. Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Viện Cơ học – VAST.

a) Kết cấu giàn cao tầng; b) Vết nứt đƣợc tạo bằng cách cƣa.

Vị trí đặt

đầu đo

Vị trí

tác dụng lực

Vị trí vết nứt

Page 126: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

115

a)

b)

Hình 5.6. Đo đáp hàm đáp ứng tần số bằng máy PULSE.

a) Dụng cụ B&K Pulse; b) Gõ búa và đo dao động của kết cấu.

Các kết quả thực nghiệm cho thấy xuất hiện những đỉnh sắc nét trong phân

bố chỉ số độ cứng phần tử của cột #1 tại phần tử 17 với độ sâu vết nứt khác nhau

Page 127: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

116

(hình 5.7). Sự xuất hiện này khẳng định rằng có sự thay đổi về độ cứng tại phần tử

chứa vết nứt (phần tử 17).

a) b)

c) d)

e)

Hình 5.7. Xây dựng lại phân bố chỉ số độ cứng phần tử, phần tử #17 chứa vết nứt.

a) Độ sâu vết nứt 10%; b) Độ sâu vết nứt 20%; c) Độ sâu vết nứt 30%;

d) Độ sâu vết nứt 40%; e) Độ sâu vết nứt 50%.

Nhƣ vậy, đỉnh trong phân bố chỉ số độ cứng phần tử chỉ ra sự tồn tại của vết

nứt, vị trí của đỉnh chính là vị trí của vết nứt. Khi độ sâu vết nứt tăng lên từ 10%

đến 50% thì đỉnh xuất hiện tại vị trí vết nứt sẽ rõ ràng hơn. Tức là khi độ sâu vết nứt

0 10 20 30 400

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Element number

Ele

ment

stiff

ness index d

istr

ibution

dh

Page 128: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

117

càng lớn, thì phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử sẽ phát hiện vết nứt tốt

hơn.

Để ƣớc lƣợng độ sâu vết nứt thì tác giả đƣa ra mối quan hệ giữa chiều cao

của đỉnh dh và độ sâu vết nứt trong trƣờng hợp mô phỏng số và thực nghiệm, và

biểu diễn mối quan hệ này trong cùng một đồ thị (hình 5.8). Từ hình này ta thấy

mối quan hệ giữa chiều cao của đỉnh và độ sâu vết nứt trong hai trƣờng hợp tƣơng

tự nhau. Rõ ràng, kết quả mô phỏng số và kết quả thực nghiệm phù hợp với nhau,

do đó có thể áp dụng đƣợc phƣơng pháp này trong thực tế.

Hình 5.8. Chiều cao của đỉnh dh so với độ sâu vết nứt.

5.3. Kết luận

Chƣơng 5 đã trình bày kết quả của hai thí nghiệm bao gồm:

Thí nghiệm về việc phát hiện vết nứt xảy ra đột ngột của dầm, sử dụng

tần số tức thời IF đƣợc trích ra từ phổ năng lƣợng wavelet.

Thí nghiệm về việc phát hiện vết nứt của kết cấu dạng khung không gian

bằng phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử.

So sánh lý thuyết với thực nghiệm cho thấy các tính toán mô phỏng dựa trên

phƣơng pháp đề xuất trong luận án là phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm.

Nhƣ vậy các phƣơng pháp đề xuất có khả năng ứng dụng trong việc phát hiện

vết nứt trong kết cấu. Nội dung của các thí nghiệm này đã đƣợc công bố trong 3 bài

báo sau:

0.76

0.8

0.84

0.88

0.92

0.96

1

0 10 20 30 40 50 60

Inte

nsi

ty f

acto

r d

h

Crack depth (%)

Experiment

Simulation

Linear (Experiment)

Linear (Simulation)

Page 129: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

118

1. Giám sát vết nứt thở của dầm bằng phương pháp phân tích wavelet: nghiên

cứu lý thuyết và thực nghiệm. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, 2012, p.

539-548.

2. Experimental study for monitoring a sudden crack of beam under ground

excitation. Hội nghị Cơ học Vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ 11, 2013, p.

605-614.

3. Numerical and experimental studies for crack detection of a beam-like

structure using element stiffness index distribution method. Vietnam Journal

of Mechanics, VAST, Vol.39, No.3 (2017), pp. 203-214.

Page 130: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận của luận án

Đề tài của luận án nhằm mục đích phát triển và ứng dụng các phƣơng pháp

xử lý tín hiệu hiện đại phục vụ cho bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình. Đó là

phƣơng pháp xử lý tín hiệu dựa trên phân tích phổ trong miền tần số và phân tích

wavelet trong miền thời gian - tần số.

Điểm mới của luận án là:

1. Đã đề xuất ứng dụng phƣơng pháp phổ wavelet cho bài toán phát hiện vết

nứt xảy ra đột ngột. Khi áp dụng phƣơng pháp này thì sự tồn tại của vết

nứt và đặc biệt là cả thời điểm xuất hiện vết nứt đều đƣợc xác định.

2. Đã đề xuất ứng dụng phân tích wavelet cho bài toán phát hiện vết nứt dựa

trên ảnh hƣởng đồng thời của vết nứt và khối lƣợng tập trung. Khi có ảnh

hƣởng đồng thời của vết nứt và khối lƣợng tập trung thì sự thay đổi tần số

riêng sẽ rõ ràng hơn so với khi không có khối lƣợng tập trung. Vì vậy

phƣơng pháp này có khả năng xác định đƣợc cả vị trí của vết nứt.

3. Đã đề xuất một phƣơng pháp mới sử dụng “phân bố chỉ số độ cứng phần

tử” nhằm phát hiện vết nứt của kết cấu. Trong phƣơng pháp này, phân bố

chỉ số độ cứng phần tử đƣợc tính trực tiếp từ tín hiệu dao động. Do đó,

phƣơng pháp này sẽ khắc phục đƣợc sai số so với việc phải tính ma trận

độ cứng thông qua dạng riêng nhƣ truyền thống.

Nội dung công việc mà luận án đã thực hiện bao gồm trình bày cơ sở lý

thuyết về động lực học kết cấu có hƣ hỏng và phƣơng pháp xử lý tín hiệu dao động

hiện đại ứng dụng trong bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.

Luận án đã ứng dụng phƣơng pháp phân tích wavelet và đề xuất một phƣơng

pháp mới dựa trên “phân bố chỉ số độ cứng phần tử” nhằm phát hiện vết nứt trong

kết cấu. Luận án đã trình bày ba bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình ứng dụng

các phƣơng pháp đã đề xuất nhằm phát hiện vết nứt trong các kết cấu khác nhau.

Kết quả của các phƣơng pháp đề xuất trong luận án này đã đƣợc kiểm chứng

bằng hai thí nghiệm đƣợc thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công trình, Viện Cơ học –

Page 131: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

120

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các thí nghiệm cho thấy kết quả

mô phỏng số của phƣơng pháp đề xuất là phù hợp tốt với kết quả thực nghiệm.

Nhƣ vậy, các phƣơng pháp đã đề xuất và phát triển trong luận án là có triển

vọng để ứng dụng cho bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình.

2. Phạm vi áp dụng của luận án và công việc cần tiếp tục thực hiện trong tƣơng

lai

Mặc dù các phƣơng pháp đề xuất trong luận án nhằm phát hiện vết nứt của

kết cấu bƣớc đầu đã cho kết quả khả quan, tuy nhiên vẫn còn một số vấn đề chƣa

đƣợc giải quyết.

Trong đó, luận án mới chỉ ứng dụng phƣơng pháp wavelet để phát hiện vết

nứt cho các kết cấu đơn giản dạng dầm. Đối với các kết cấu phức tạp hơn thì sự ảnh

hƣởng của vết nứt đến các tín hiệu dao động có thể sẽ khác so với kết cấu dầm.

Do đó, phƣơng pháp đề xuất dựa trên phân tích wavelet cần phải đƣợc

nghiên cứu đối với các kết cấu phức tạp hơn nhằm đánh giá khả năng ứng dụng của

các phƣơng pháp này trong thực tiễn.

Ngoài ra, phƣơng pháp phân bố chỉ số độ cứng phần tử mặc dù đã cho kết

quả tốt đối với cả kết cấu dạng dầm và khung không gian, tuy nhiên phƣơng pháp

này mới chỉ ứng dụng cho kết cấu có hình dạng đối xứng. Đồng thời, các phần tử

dầm hoặc cột chứa vết nứt đƣợc giả thiết là có tiết diện không đổi.

Vì vậy, với các kết cấu có hình dạng không đối xứng và có tiết diện thay đổi

cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu để đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp này trong thực

tế.

Việc làm thí nghiệm để kiểm chứng tính hiệu quả của các phƣơng pháp đề

xuất trong luận án này mới chỉ đƣợc thực hiện đối với hai bài toán là phát hiện vết

nứt xảy ra đột ngột dựa trên phổ wavelet và phá hiện vết nứt dựa trên phân bố chỉ số

độ cứng phần tử. Trong khi đó, thí nghiệm kiểm chứng cho phƣơng pháp phát hiện

vết nứt của kết cấu dầm có khối lƣợng tập trung vẫn chƣa đƣợc tiến hành. Vì vậy

đây sẽ là một nghiên cứu cần đƣợc thực hiện tiếp theo của luận án.

Page 132: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

121

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

1. Khoa Viet Nguyen, Quang Van Nguyen. Time-frequency spectrum method for

monitoring the sudden crack of a column structure occurred in earthquake shaking

duration. Proceeding of the International Symposium Mechanics and Control 2011,

p. 158-172.

2. Khoa Viet Nguyen, Quang Van Nguyen. Wavelet based technique for detection

of a sudden crack of a beam-like bridge during earthquake excitation. International

Conference on Engineering Mechanics and Automation ICEMA August 2012,

Hanoi, Vietnam, p. 87-95.

3. Nguyễn Việt Khoa, Nguyễn Văn Quang, Trần Thanh Hải, Cao Văn Mai, Đào

Nhƣ Mai. Giám sát vết nứt thở của dầm bằng phương pháp phân tích wavelet:

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 9, 2012, p.

539-548.

4. Khoa Viet Nguyen, Hai Thanh Tran, Mai Van Cao, Quang Van Nguyen, Mai

Nhu Dao. Experimental study for monitoring a sudden crack of beam under ground

excitation. Hội nghị Cơ học Vật rắn biến dạng toàn quốc lần thứ 11, 2013, p. 605-

614.

5. Khoa Viet Nguyen, Quang Van Nguyen. Element stiffness index distribution

method for multi-cracks detection of a beam-like structure. Advances in Structural

Engineering 2016, Vol. 19(7) 1077-1091.

6. Khoa Viet Nguyen, Quang Van Nguyen. Free vibration of a cracked double-

beam carrying a concentrated mass. Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol.38,

No.4 (2016), pp. 279-293.

7. Khoa Viet Nguyen, Quang Van Nguyen, Kien Dinh Nguyen, Mai Van Cao,

Thao Thi Bich Dao. Numerical and experimental studies for crack detection of a

beam-like structure using element stiffness index distribution method. Vietnam

Journal of Mechanics, VAST, Vol.39, No.3 (2017), pp. 203-214.

Page 133: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

122

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Chondros T.G., Dimarogonas A.D., Yao J., A continuous cracked beam

vibration theory. Journal of Sound and Vibration 215(1) (1998), 17-34.

[2] Lee Y., Chung M., A study on crack detection using eigenfrequency test data.

Computers and Structures 77 (2000), 327-342.

[3] Orhan S., Analysis of free and forced vibration of a cracked cantilever beam.

NDT&E International 40 (2007), 443–450.

[4] Zheng D.Y., Kessissoglou N.J., Free vibration analysis of a cracked beam by

finite element method. Journal of Sound and Vibration 273 (2004), 457–475.

[5] Gudmundson P., Eigenfrequency changes of structures due to cracks, notches or

other geometrical changes. Journal of the Mechanics and Physics of Solids 30

(1982), 339-53.

[6] Kisa M., Brandona J., Topcu M., Free vibration analysis of cracked beams by a

combination of finite elements and component mode synthesis methods. Computers

and Structures 67 (1998), 215-223.

[7] Fernadez-Saez J., Rubio L., and Navarro C., Approximate calculation of the

fundamental frequency for bending vibrations of cracked beams. Journal of Sound

and Vibration (1999), 225(2), 345-352.

[8] Loya J.A., Rubio L., Fernandez-Saez J., Natural frequencies for bending

vibrations of Timoshenko cracked beams. Journal of Sound and Vibration 290

(2006), 640–653.

[9] Lee J., Identification of multiple cracks in a beam using natural frequencies.

Journal of Sound and Vibration 320 (2009) 482–490.

[10] Neild S.A., McFadden P.D., Williams M.S., A discrete model of a vibration

beam using a time-stepping approach. Journal of Sound and Vibration 239(1)

(2001), 99-121.

[11] Douka E., Bamnios G., Trochidis A., A method for determining the location

and depth of cracks in double-cracked beams. Applied Acoustics 65 (2004), 997–

1008.

Page 134: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

123

[12] Khaji N., Shafiei M., Jalalpour M., Closed-form solutions for crack detection

problem of Timoshenko beams with various boundary conditions. International

Journal of Mechanical Sciences 51 (2009) 667–681.

[13] Rosales M.B., Filipich C.P., Buezas F.S., Crack detection in beam-like

structures. Engineering Structures 31 (2009), 2257-2264.

[14] Lin H., Direct and inverse methods on free vibration analysis of simply

supported beams with a crack. Engineering Structures 26 (2004), 427–436.

[15] Matja Skrinar. Elastic beam finite element with an arbitrary number of

transverse cracks. Finite Elements in Analysis and Design 45 (2009), 181-189.

[16] Kisa M., Arif Gurel M., Modal analysis of multi-cracked beams with circular

cross section. Engineering Fracture Mechanics 73 (2006), 963–977.

[17] Caddemi S., Calio I., Exact closed-form solution for the vibration modes of the

Euler–Bernoulli beam with multiple open cracks. Journal of Sound and Vibration

327 (2009), 473-489.

[18] Chen Yang, S. Olutunde Oyadiji. Delamination detection in composite

laminate plates using 2D wavelet analysis of modal frequency surface. Computers

and Structures 179 (2017) 109–126.

[19] Carlson R.L., An Experimental Study of the Parametric Excitation of a

Tensioned Sheet with a Crack-like Opening. Experimental Mechanics 1974, Vol.

14, pp. 52-458.

[20] Gudmundson P., The Dynamic Behaviour of Slender Structures with Cross-

sectional Cracks. Journal of Mechanics Physics Solids 1983, Vol. 31, pp. 329-345.

[21] Kisa M. and Brandon J., The Effects of Closure of Cracks on the Dynamics of a

Cracked Cantilever Beam. Journal of Sound and Vibration 2000, Vol. 238(1), pp. 1-

18

[22] Chondros T.G., Dimarogonas A.D., and Yao J., Longitudinal Vibration of a

Bar with a Breathing Crack. Engineering Fracture Mechanics 1998, Vol. 61, pp.

503-518.

[23] Chondros T.G., Dimarogonas A. D., and Yao J., Vibration of a Beam with a

Breathing Crack. Journal of Sound and Vibration 2001, Vol. 239, pp. 57-67.

Page 135: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

124

[24] Cheng S. M., Wu X. J., Wallace W., and Swamidas A. S. J., Vibrational

Response of a Beam with Breathing Crack. Journal of Sound and Vibration 1999,

Vol. 225(1), pp. 201-208.

[25] Luzzato E., Approximate Computation of Nonlinear Effects in a Vibrating

Cracked Beam. Journal of Sound and Vibration 2003, Vol. 265, p. 745-763.

[26] Sundermeyer J. N., and Weaver R. L., On Crack Identification and

Characterization in a Beam by Non-linear Vibration Analysis. Journal of Sound and

Vibration 1995, Vol. 183(5), pp. 857-871.

[27] Rivola A. and White P. R., Bispectral Analysis of the Bilinear Oscillator with

Application to the Detection of Fatigue Cracks. Journal of Sound and Vibration

1998, Vol. 216, pp. 889-910.

[28] Khoo L. M., Mantena P. R., and Jadhav P., Structural Damage Assessment

Using Vibration Modal Analysis. Structural Health Monitoring 2004, Vol. 3(2), pp.

177-194.

[29] Haritos N. and Owen J. S., The Use of Vibration Data for Damage Detection in

Bridges: A comparison of System Identification and Pattern Recognition

Approaches. Structural Health Monitoring 2004, Vol. 3(2), pp. 141-163.

[30] Verboven P., Parloo E., Guillaume P. and Overmeire M. V., Autonomous

Structural Health Monitoring - Part I: Modal Parameter Estimation and Tracking.

Mechanical Systems and Signal Processing 2002, Vol. 16(4), pp. 637-657.

[31] Verboven P., Parloo E., Guillaume P. and Overmeire M. V., Autonomous

Structural Health Monitoring - Part II: Vibration-based In-operation Damage

Assessement. Mechanical Systems and Signal Processing 2002, Vol. 16(4), pp. 659-

675.

[32] Vanlanduit S., Verboven P., Guillaume P., On-line Detection of Fatigue

Cracks Using an Automatic Mode Tracking Technique. Journal of Sound and

Vibration 2003, Vol. 266, pp. 805-814.

[33] Verboven P., Parloo E., Guillaume P. and Overmeire M. V., Autonomous

modal parameter estimation based on a statistical frequency domain maximum

likelihood approach. SEM International Modal Analysis Conference, Kissimmee,

FL, USA, 2001, pp. 1511-1517.

Page 136: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

125

[34] Vanlanduit S., Verboven P., Schoukens J. and Guillaume P., An Automatic

Frequency Domain Modal Parameter Estimation Algorithm. COST F3 Conference

on Structural System Identification, Kassel, Germany, 2001.

[35] Khoa Viet Nguyen. Mode shapes analysis of a cracked beam and its

application for crack detection. Journal of Sound and Vibration 333 (2014) 848–872.

[36] M. El-Gebeily , Y.A. Khulief. Identification of wall-thinning and cracks in

pipes utilizing vibration modes and wavelets. Applied Mathematical Modelling 40

(2016) 5335–5348.

[37] Pandey A. K., Biswas M. and Samman M. M., Damage Detection from

Changes in Curvature Mode Shapes. Journal of Sound and Vibration 1991, Vol.

145(2), pp. 321-332.

[38] Abdel Wahab M.M., Damage detection in bridges using modal curvature:

application to a real damage scenario. Journal of Sound and Vibration 226(2)

(1999), 217-235.

[39] Qian G. L., Gu S. N., and Jiang J. S., The Dynamic Behaviour and Crack

Detection of a Beam with a Crack. Journal of Sound and Vibration 1990, Vol. 138,

pp. 233-243.

[40] Pandey A. K. and Biswas M., Damage Detection in Structures Using Changes

in Flexibility. Journal of Sound and Vibration 1994, Vol. 169(1), pp. 3-17.

[41] Patjawit A, Kanok-Nukulchai W., Health Monitoring of Highway Bridge

Based on a Global Flexibility Index. Engineering Structures 2005, Vol. 27, pp.

1385-1391.

[42] Rizzo P. and Scalea F. L., Ultrasonic Inspection of Multi-wire Steel Strands

With the Aid of the Wavelet Transform. Smart Materials and Structures 2005, Vol.

14, pp. 685-695.

[43] Rizzo P. and Scalea F. L., Feature Extraction for Defect Detection in Strands

by Guided Ultrasonic Waves. Structural Health Monitoring 2006, Vol. 5(3), pp.

297-308.

[44] Reda Taha M.M. and Lucero J., Damage Identification for Structural Health

Monitoring using Fuzzy Pattern Recognition. Engineering Structures 2005, Vol. 27,

pp. 1774-1783.

Page 137: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

126

[45] Li H., Deng X., Dai H., Structural Damage Detection Using the Combination

Method of EMD and wavelet analysis. Mechanical Systems and Signal Processing

2007, Vol. 21, pp. 298-306.

[46] Bovsunovsky A. P. and Matveev V. V., Analytical Approach to the

Determination of Dynamic Characteristics of a Beam with a Closing Crack. Journal

of Sound and Vibration 2000, Vol. 235(3), pp. 415-434.

[47] Matveev V.V. and Bovsunovsky A.P., Vibration-based Diagnostics of Fatigue

Damage of Beam-like Structures. Journal of Sound and Vibration 2002, Vol. 249(1),

pp. 23-40.

[48] Ruotolo R., Surace C., Crespo P., and Storer D., Harmonic Analysis of the

Vibrations of a Cantilevered Beam with a Closing Crack. Computers & Structures

1996, Vol. 61, pp. 1057-1074.

[49] Pugno N., Surace C., and Routolo R., Evaluation of the Nonlinear Dynamic

Response to Harmonic Excitation of a Beam with Several Breathing Cracks. Journal

of Sound and Vibration 2000, Vol. 235(5), pp. 749-762.

[50] Pierfrancesco Cacciola and Giuseppe Muscolino. Dynamic Response of a

Rectangular Beam with a Known Non-propagating Crack of Certain or Uncertain

Depth. Computers and Structures 2003, Vol. 80, p. 2387-2396.

[51] Saavendra P. N. and Cuitino L. A., Crack Detection and Vibration Behaviour

of Cracked Beams. Computers and Structures 2001, Vol. 79, pp. 1451-1459.

[52] Shinha J. K. and Friswell M. I., Simulation of the Dynamic Response of a

Cracked Beam. Computers and Structures 2002, Vol. 80, pp. 1473-1475.

[53] Trần Văn Liên, Nguyễn Tiến Khiêm, Ngô Trọng Đức. Phân tích dao động

cưỡng bức của dầm Timoshenko bằng vật liệu FGM có nhiều vết nứt. Tạp chí Khoa

học công nghệ xây dựng 2017, Tập 11 Số 3, p. 751-760.

[54] Tran Van Lien, Ngo Trong Duc, Nguyen Tien Khiem. Free Vibration of

Multiple Cracked Functional Graded Timoshenko Beams. Latin American Journal

of Solid and Structures 2017, Vol. 14 No 09, p. 774-788.

[55] Tran Van Lien, Nguyen Tien Khiem, Ngo Trong Duc. Free Vibration Anslysis

of Functional Graded Timoshenko Beam Using Dynamic Stiffness Method. Latin

American Journal of Solid and Structures 2017, Vol. 14 No 09, p. 774-788.

Page 138: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

127

[56] Junjie Ye, Yumin He, Xuefeng Chen, Zhi Zhai, Youming Wang, Zhengjia He.

Pipe crack identification based on finite element method of second generation

wavelets. Mechanical Systems and Signal Processing 24 (2010) 379–393.

[57] Reda Taha M. M., Noureldin A., Lucero J. L., and Baca T. J., Wavelet

Transform for Structural Health Monitoring: A compendium of Use and Features.

Structural Health Monitoring 2006, Vol. 5(3), pp. 267-295.

[58] Owen J. S., Eccles B. J., Choo B. S., and Wooding M. A., The Application of

Auto-Regressive Time Series Modelling for the Time-Frequency Analysis of Civil

Engineering Structures. Journal of Engineering Structures 2001, Vol. 23, pp. 521-

536.

[59] Ovanesova A.V. and Suarez L.E., Application of Wavelet Transform to

Damage Detection in Frame Structures. Journal of Engineering Structure 2004, Vol.

26, pp. 39-49.

[60] Wang Q. and Deng X., Damage Detection with Spatial Wavelets. International

Journal of Solids and Structures 1999, Vol. 36, pp. 3443-3468.

[61] Lu CJ. and Hsu YT., Vibration Analysis of an Inhomogeneous String for

Damage Detection by Wavelet Transform. International Journal of Mechanical

Science 2002, Vol. 44, pp. 745-754.

[62] Hou Z., Noori M. and Amand R. St., Wavelet based approach for structural

damage detection. Journal of Engineering Mechanics 2000, Vol. 126(7), pp. 677-

683.

[63] Basu B., Identification of Stiffness Degradation in Structures Using Wavelet

Analysis. Construction and Building Materials 2005, Vol. 19, pp. 713-721.

[64] Rucka M. and Wilde K., Crack Identification Using Wavelets on Experimental

Static Deflection Profiles. Engineering Structures 2006, Vol. 28, pp. 279-288.

[65] Poudel P. and Fu_ G., and Ye J., Structural Damage Detection Using Digital

Video Imaging Technique and Wavelet Transformation. Journal of Sound and

Vibration 2005, Vol. 286, pp. 869–895.

[66] Sun Z. and Chang C. C., Structural Damage Assessment Based on Wavelet

Packet Transform. Journal of Structural Engineering 2002, Vol. 128(10), pp. 1354-

1361.

Page 139: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

128

[67] Gentile A. and Messina A. On the Continuous Wavelet Transforms Applied to

Discrete Vibration Data for Detecting Open Cracks in Damaged Beams.

International Journal of Solids and Structures 2003, Vol. 40, pp. 295-315.

[68] Loutridis S., Douka E., and Trochidis A., Crack Identification in Double-

cracked Beam Using Wavelet Analysis. Journal of Sound and Vibration 2004, Vol.

277, pp. 1025–1039.

[69] Hong J.-C., Kim Y.Y., Lee H.C., and Lee Y.W., Damage Detection Using the

Lipschitz Exponent Estimated by the Wavelet Transform: Applications to Vibration

Modes of a Beam. International Journal of Solids and Structures 2002, Vol. 39, pp.

1803-1816.

[70] Chang C-C., Chen L-W., Detection of the Location and Size of Cracks in the

Multiple Cracked Beam by Spatial Wavelet Based Approach. Mechanical Systems

and Signal Processing 2005, Vol. 19, pp. 139-155.

[71] Yan Y. J., Hao H. N., and Yam L. H., Vibration-based Construction and

Extraction of Structural Damage Feature Index. International Journal of Solids and

Structures 2004, Vol. 41, pp. 6661-6676.

[72] Law S.S, Li X. Y., Zhu X. Q., and Chan S. L., Structural Damage Detection

from Wavelet Packet Sensitivity. Engineering Structures 2005, Vol. 27, pp. 1339-

1348.

[73] Han J-G., Ren W-X., and Sun Z-S., Wavelet Packet Based Damage

Identification of Beam Structures. International Journal of Solids and Structures

2005, Vol. 42, pp. 6610-6627.

[74] Kishimoto K., Inoue H., Hamada M., Shibuya T., Time-frequency Analysis of

Dispersive waves by mean of Wavelet Transform. Journal of Applied Mechanics

1995, Vol. 62 (4), pp. 841-846.

[75] Inoue H., Kishimoto K., Shibuya T., Experimental Wavelet Analysis of

Flexural Waves in Beams. Experimental Mechanics 1996, Vol. 36, pp. 212-217.

[76] Tian J, Li Z, Su X., Crack Detection in Beams by Wavelet Analysis of

Transient Flexural Waves. Journal of Sound and Vibration 2003, Vol. 261, pp. 715-

727.

Page 140: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

129

[77] Li Z, Xia S. Wang J, Su X., Damage Detection of Cracked Beams Based on

Wavelet Transform. International Journal of Impact Engineering 2006, Vol. 32, pp.

1190-1200.

[78] Castro E., Garcia-Hernandez M. T., Gallego A., Damage Detection in Rods by

Means of the Wavelet Analysis of Vibration: Influence of the Mode Order. Journal

of Sound and Vibration 2006, Vol. 296, pp. 1028-1038.

[79] Castro E., Garcia-Hernandez M. T., Gallego A., Defect Identification in Rods

Subject to Forced Vibration Using the Spatial Wavelet Transform. Journal of Sound

and Vibration, accepted 13 April 2006.

[80] Chang C-C. and Chen L-W., Damage Detection of a Rectangular Plate by

Spatial Wavelet Based Approach. Applied Acoustics 2004, Vol. 65, pp. 819-832.

[81] Douka E., Loutridis S., and Trochidis A., Crack Identification in Plates Using

Wavelet Analysis. Journal of Sound and Vibration 2004, Vol. 270, pp. 279–295.

[82] Loutridis S., Douk E., Hadjileontiadisc L.J., and Trochidis A., A Two-

dimensional Wavelet Transform for Detection of Cracks in Plates. Engineering

Structures 2005, Vol. 27, pp. 1327–1338.

[83] Rucka M., Wilde K., Application of Continuous Wavelet Transform in

Vibration Based Damage Detection Method for Beams and Plates. Journal of Sound

and Vibration 2006, Vol. 297, pp. 536-550.

[84] Byeong Hwa Kim, Taehyo Park, George Z. Voyiadjis. Damage estimation on

beam-like structures using the multi-resolution analysis. International Journal of

Solids and Structures 43 (2006) 4238–4257.

[85] X.Q. Zhu, S.S. Law. Wavelet-based crack identification of bridge beam from

operational deflection time history. International Journal of Solids and Structures 43

(2006) 2299–2317.

[86] A. Messina. Detecting damage in beams through digital differentiator filters

and continuous wavelet transforms. Journal of Sound and Vibration 272 (2004)

385–412.

[87] Hansang Kim, Hani Melhem. Damage detection of structures by wavelet

analysis. Engineering Structures 26 (2004) 347–362.

Page 141: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

130

[88] Chih-Chieh Chang, Lien-Wen Chen. Vibration damage detection of a

Timoshenko beam by spatial wavelet based approach. Applied Acoustics 64 (2003)

1217–1240.

[89] M. Haase, J. Widjajakusuma. Damage identification based on ridges and

maxima lines of the wavelet transform. International Journal of Engineering Science

41 (2003) 1423–1443.

[90] Ser-Tong Quek, Quan Wang, Liang Zhang, Kian-Keong Ang. Sensitivity

analysis of crack detection in beams by wavelet technique. International Journal of

Mechanical Sciences 43 (2001) 2899–2910.

[91] Helong Lia, Xiaoyan Dengb, Hongliang Dai. Structural damage detection

using the combination method of EMD and wavelet analysis. Mechanical Systems

and Signal Processing 21 (2007) 298–306.

[92] Shuncong Zhong, S. Olutunde Oyadiji. Crack detection in simply supported

beams without baseline modal parameters by stationary wavelet transform.

Mechanical Systems and Signal Processing 21 (2007) 1853–1884.

[93] Jiayong Tian, Zheng Li, Xianyue Su. Crack detection in beams by wavelet

analysis of transient flexural waves. Journal of Sound and Vibration 261 (2003)

715–727.

[94] J. Grabowska, M. Palaczb, M. Krawczuk. Damage identification by wavelet

analysis. Mechanical Systems and Signal Processing 22 (2008) 1623–1635.

[95] Arcangelo Messina. Refinements of damage detection methods based on

wavelet analysis of dynamical shapes. International Journal of Solids and Structures

45 (2008) 4068–4097.

[96] H.F. Lam, C.T. Ng. A probabilistic method for the detection of obstructed

cracks of beam-type structures using spatial wavelet transform. Probabilistic

Engineering Mechanics 23 (2008) 237–245.

[97] Shuncong Zhong, S. Olutunde Oyadiji, Detection of cracks in simply-

supported beams by continuous wavelet transform of reconstructed modal data.

International Journal of Solids and Structures 46 (2009) 4379–4395.

Page 142: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

131

[98] Wei Fan, Pizhong Qiao. A 2-D continuous wavelet transform of mode shape

data for damage detection of plate structures. International Journal of Solids and

Structures 46 (2009) 4379–4395.

[99] Andrzej Katunin. Damage identification in composite plates using two-

dimensional B-spline wavelets. Mechanical Systems and Signal Processing 25

(2011) 3153–3167.

[100] Hakan Gokdag, Osman Kopmaz. A new damage detection approach for

beam-type structures based on the combination of continuous and discrete wavelet

transforms. Journal of Sound and Vibration 324 (2009) 1158–1180.

[101] Chang Tao, Yiming Fu, Ting Dai, Dynamic analysis for cracked fiber-metal

laminated beams carrying moving loads and its application for wavelet based crack

detection. Composite Structures 159 (2017) 463–470.

[102] D.M. Joglekar, M. Mitra. Analysis of flexural wave propagation through

beams with a breathing crack using wavelet spectral finite element method. Journal

of Sound and Vibration 324 (2009) 1158–1180.

[103] Mario Solís, Mario Algaba, Pedro Galvín. Continuous wavelet analysis of

mode shapes differences for damage detection. Mechanical Systems and Signal

Processing 40 (2013) 645–666.

[104] N. Wu, Q. Wang. Experimental studies on damage detection of beam

structures with wavelet transform. International Journal of Engineering Science 49

(2011) 253–261.

[105] Wei C. Su, Tuyen Q. Le, Chiung S. Huang, Pei Y. Lin. Locating damaged

storeys in a structure based on its identified modal parameters in Cauchy wavelet

domain.

[106] Wen-Yu He, Songye Zhu. Progressive damage detection based on multi-scale

wavelet finite element model: numerical study. Computers and Structures 125

(2013) 177–186.

[107] Guirong Yan, Zhongdong Duan, Jinping Ou, Alessandro De Stefano.

Structural damage detection using residual forces based on wavelet transform.

Mechanical Systems and Signal Processing 24 (2010) 224–239.

Page 143: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

132

[108] D. Hester, A. Gonza´lez, A wavelet-based damage detection algorithm based

on bridge acceleration response to a vehicle. Mechanical Systems and Signal

Processing 28 (2012) 145–166.

[109] M. Makki Alamdari, J. Li, B. Samali, Damage identification using 2-D

discrete wavelet transform on extended operational mode shapes. Archives of civil

and mechanical engineering 15 (2015) 698–710.

[110] Khoa Viet Nguyen, Hai Thanh Tran, Multi-cracks detection of a beam-like

structure based on the on-vehicle vibration signal and wavelet analysis. Journal of

Sound and Vibration 329 (2010) 4455–4465.

[111] Khoa Viet Nguyen. Comparison studies of open and breathing crack

detections of a beam-like bridge subjected to a moving vehicle. Engineering

Structures 51 (2013) 306–314.

[112] Andrzej Katunin, Piotr Przystałka. Damage assessment in composite plates

using fractional wavelet transform of modal shapes with optimized selection of

spatial wavelets. Engineering Applications of Artificial Intelligence 30 (2014) 73–

85.

[113] K. Dziedziech, W.J. Staszewski, B. Basu, T. Uhl. Wavelet-based detection of

abrupt changes in natural frequencies of time-variant systems. Mechanical Systems

and Signal Processing 64-65 (2015) 347–359.

[114] Khoa Viet Nguyen. Crack detection of a double-beam carrying a

concentrated mass. Mechanics Research Communications 75 (2016) 20–28.

[115] Rims Janeliukstis, Sandris Rucevskis, Miroslav Wesolowski, and Andris

Chate. Multiple damage identification in beam structure based on wavelet

transform. Procedia Engineering 172 ( 2017 ) 426 – 432.

[116] Scanlan, R.H., 2000. Motion related body-force functions in two-dimensional

low-speed flow. J. Fluids Struct. 14, 49-63.

[117] Scanlan, R.H., 2001. Reexamination of sectional aerodynamic force functions

for bridges. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 89 (14-15), 1257-1266.

[118] G. R. Liu and S. S. Quek. The finite element method: A practical course.

Linacre House, Jordan Hill, Oxford, (2003).

Page 144: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

133

[119] Lin YH, Trethewey MW. Finite element analysis of elastic beams subjected

to moving dynamic loads. Journal of Sound and Vibration 136(2) (1989): 323–342.

[120] Mallat S., A Wavelet Tour of Data Processing. Second Edition, London:

Academic Press, 1999.

[121] J. Kawecki, J.A. Zuranski. Cross-wind vibrations of steel chimneys - A new

case history. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 95 (2007)

1166–1175.

[122] Addition P. S., The Illustrated Wavelet Transform Handbook. Institute of

Physics Publishing Bristol and Philadelphia, 2002.

[123] Daubechies I., Ten lectures on wavelets. CBMS-NSF Conference series, 61.

Philadelphia, PA: SISAM, 1992.

[124] Hansen P.C., Regularization tools version 4.0 for Matlab 7.3. SIAM

Numerical Algorithms, 46, 189-194, 2007.

[125] Hansen P.C., The truncated SVD as a method for regularization, BIT 27

(1987) 534–553.

[126] A. K. Chopra, Dynamics of Strucutres. Theory and applications to

earthquake engineering. Prentice -Hall Inc. Simson & Schuster Company 1995.

[127] Z. Oniszczuk. Free transverse vibrations of elastically connected simply

supported doublebeam complex system. Journal of Sound and Vibration, 232, (2),

(2000), pp. 387–403.

[128] Q. Mao. Free vibration analysis of elastically connected multiple-beams by

using the Adomian modified decomposition method. Journal of Sound and

Vibration, 331, (11), (2012),pp. 2532–2542.

[129] J. R. Banerjee. Free vibration of beams carrying spring-mass systems - A

dynamic stiffness approach. Computers & Structures, 104, (2012), pp. 21–26.

[130] Nguyen Viet Khoa. Monitoring a sudden crack of beam-like bridge during

earthquake excitation. Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol. 35, No. 3

(2013), 189 – 202.

Page 145: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

134

PHỤ LỤC

%Input--------------------------------------------------------

b=[ ex(2)-ex(1); ey(2)-ey(1); ez(2)-ez(1) ];

L=sqrt(b'*b); n1=b/L; lc=sqrt(eo*eo'); n3=eo/lc; Xy=ec(1); Xz=ec(2);

%

if nargin==6; eq=[0 0 0 0]; end

qx=eq(1); qy=eq(2); qz=eq(3); qw=eq(4);

%Stiffness of cracked element-----------------------

A=ep(1);EG=ep(2);G=ep(3);Iz=ep(4); Iy=ep(5);J=ep(6);

a=E*A/L ; b=12*E*Iz/L^3 ; c=6*E*Iz/L^2;

d=12*E*Iy/L^3 ; e=36*E*Iy/L^2 ; f=G*J/L;

g=2*E*Iy/L ; h=2*E*Iz/L ;

%-Compliance matrix of intact beam-----------------

c11=L/A/E;c22=Xz*L/G/A+L^2/3/E/Iz;c26=L^2/2/E/Iz;

c33=Xy*L^2/G/A+L^3/3/E/Iy;c35=-L^2/2/E/Iy;c44=L/G/J;c55=L/E/Iy;

c53=c35;c66=L/E/Iz;c62=c26;

Cin=[c11 0 0 0 0 0 ;

0 c22 0 0 0 c26 ;

0 0 c33 0 c35 0 ;

0 0 0 c44 0 0 ;

0 0 c53 0 c55 0 ;

0 c62 0 0 0 c66];

%-Compliance matrix of cracked beam----------------

intstep=100;s=0; x=0;m=1+nu;ds=aa/h/intstep;E_=E/(1-nu^2);

if aa>0 & aa<h

for i=1:intstep

s=s+ds;

x(i)=s; F1(i)=sqrt(2/pi/s*tan(pi*s/2))/cos(pi*s/2)*(0.752+2.02*s+0.37*(1-

sin(pi*s/2))^3);

F2(i)=sqrt(2/pi/s*tan(pi*s/2))/cos(pi*s/2)*(0.923+0.199*(1-sin(pi*s/2))^4);

FII(i)=(1.122-0.561*s+0.085*s^2+0.18*s^3)/sqrt(1-s);

FIII(i)=sqrt(2/pi/s*tan(pi*s/2));

F12(i)=s*F1(i)^2;F22(i)=s*F2(i)^2;FII2(i)=s*FII(i)^2;

FIII2(i)=s*FIII(i)^2;F1F2(i)=s*F1(i)*F2(i);

end

end

T=[ -1 0 0 0 0 0;

0 -1 0 0 0 0;

0 0 -1 0 0 0;

0 0 0 -1 0 0;

0 0 -L 0 -1 0;

0 -L 0 0 0 -1;

1 0 0 0 0 0;

0 1 0 0 0 0;

0 0 1 0 0 0;

0 0 0 1 0 0;

0 0 0 0 1 0;

0 0 0 0 0 1];

C=Cin+Cc;

Ke=T*inv(C)*T';

%Tranfer to global coordinate----------------------

n2(1)=n3(2)*n1(3)-n3(3)*n1(2);

n2(2)=-n3(3)*n3(1)+n3(1)*n3(3);

n2(3)=n3(1)*n1(2)-n1(1)*n3(2);

%

An=[n1;n2;n3];

%

G=[ An zeros(3) zeros(3) zeros(3);

zeros(3) An zeros(3) zeros(3);

zeros(3) zeros(3) An zeros(3);

zeros(3) zeros(3) zeros(3) An ];

Ke1=G'*Ke*G; Ke=Ke1;

for i=1:ne %Element stiffness matrix

ke(i,1,1)=3;ke(i,1,2)=3*a;ke(i,1,3)=-3;ke(i,1,4)=3*a;

ke(i,2,1)=3*a;ke(i,2,2)=4*a*a;ke(i,2,3)=-3*a;ke(i,2,4)=2*a*a;

ke(i,3,1)=-3;ke(i,3,2)=-3*a;ke(i,3,3)=3;ke(i,3,4)=-3*a;

ke(i,4,1)=3*a;ke(i,4,2)=2*a*a;ke(i,4,3)=-3*a;ke(i,4,4)=4*a*a;

end

Page 146: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

135

ke=ke*E*I/2/a/a/a;

for i=1:ne %Element mass matrix

me(i,1,1)=78;me(i,1,2)=22*a;me(i,1,3)=27;me(i,1,4)=-13*a;

me(i,2,1)=22*a;me(i,2,2)=8*a*a;me(i,2,3)=13*a;

me(i,2,4)=-6*a*a;me(i,3,1)=27;me(i,3,2)=13*a;

me(i,3,3)=78;me(i,3,4)=-22*a;me(i,4,1)=-13*a;me(i,4,2)=-6*a*a;

me(i,4,3)=-22*a;me(i,4,4)=8*a*a;

end

me=me*rho*A*a/105;

%Assembled stiffness matrix

for i=1:ne

for j=1:4

for k=1:4

KK(2*i-2+j,2*i-2+k)=KK(2*i-2+j,2*i-2+k)+ke(i+1,j,k);

end

end

end

%Assembled masss matrix

for i=1:ne

for j=1:4

for k=1:4

MM(2*i-2+j,2*i-3+k)=MM(2*i-2+j,2*i-2+k)+me(i+1,j,k);

end

end

end

%Calculate Reiglay damping

alpha=2*La(1)*La(2)*(kxi1*La(2)-kxi2*La(1))/(La(2)^2-La(1)^2);

beta=2*(kxi2*La(2)-kxi1*La(1))/(La(2)^2-La(1)^2);

C=beta*K+alpha*M;

%Newmark algorism-------------------------

function [di,time,v] = newmark(value,L,b,h,ro,E,Ci1,Ci2,ne,ni)

nnel=2; % So nut cua moi phan tu

ndof=2; % So bac tu do tai moi nut

nnode=(nnel-1)*ne+1; % Tong so nut cua ca he

sdof=nnode*ndof; % Tong so bac tu do cua ca he

edof=nnel*ndof; % So bac tu do cua moi phan tu

Qe = 0;

Q = value(1); %

w = value(2); %

v = value(3); %

s1 = value(4); %

s2 = value(5); %

s3 = value(6); %

s4 = value(7); %

alpha =1/4;xima=1/2;

% --- A. Tinh toan ban dau ---------------------------------------

% --- 1. Xay dung ma tran do cung K, ma tran khoi luong M -------------Le=L/ne; %

A=b*h; % Dien tich mat cat ngang (m2)

I=b*h^3/12; % Momen quan tinh mat cat ngang (m^4)

% Khoi tao ma tran khoi luong, do cung, vector luc tong the

K = zeros(sdof,sdof);M = zeros(sdof,sdof);

% Khoi tao vector chi so ghep noi

index=zeros(edof,1);

for iel=1:ne

start = (iel-1)*2;

for i=1:4

index(i)=start+i;

end

[Ke,Me] = bernoulli(Le,A,E,ro,I);

K = ghepnoimatran(K,Ke,index);

M = ghepnoimatran(M,Me,index);

end

% Dieu kien bien

bcdof=[1,2,sdof-1,sdof];s=[s1,s2,s3,s4];[K,M] = ap_dkb(K,M,bcdof,s);

fre=eig(K,M); % Giai phuong trinh gia tri rieng

fre=sqrt(fre)/(2*3.1416); %hz

C = tinhc(Ke,Me,Ci1,Ci2,fre(1),fre(2),bcdof,s,sdof,index);

% Tinh toan dong

dx=Le/10;dt=dx/v;step_x=Le/dx;di=zeros(ne*step_x,1);

Page 147: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

136

time=zeros(ne*step_x,1);count=2;

% --- 2. Cho gia tri ban dau ----------------------------------------------

U0=zeros(length(K),1);Ud0=zeros(length(K),1);Udd0=zeros(length(K),1);

t=0;

% --- 3. Tinh cac he so tich phan -----------------------------------------

a0=1/(alpha*dt^2);a1=xima/(alpha*dt);a2=1/(alpha*dt);

a3=1/(2*alpha)-1;a4=xima/alpha-1;a5=0.5*dt*(xima/alpha-2);

a6=dt*(1-xima);a7=xima*dt;Kmu = K+a0*M+a1*C;

% --- B. Tai moi buoc tinh ------------------------------------------------

for i=1:ne

for j=1:step_x

% --- 1. Tinh vector tai huu hieu tai thoi diem t+dt --------------

t=t+dt;

ax=t*v-(i-1)*Le;

P=zeros(sdof,1);

Pe = Q*[1-3*(ax/Le)^2+2*(ax/Le)^3

ax-2*(ax^2/Le)+ax^3/Le^2

3*(ax/Le)^2-2*(ax/Le)^3

-ax^2/Le+ax^3/Le^2]; %*sin(w*t)

for l=1:4

P((i-1)*2+l)=Pe(l);

end

if rem(ne,2)==0

P(sdof/2-1)=P(sdof/2-1)+Qe*Le/2;

P(sdof/2)=P(sdof/2)+Qe*Le^2/8;

P(sdof/2+1)=P(sdof/2+1)+Qe*Le/2;

P(sdof/2+2)=P(sdof/2+2)-Qe*Le^2/8;

else

P(sdof/2)=P(sdof/2)+Qe*Le/2;

P(sdof/2+1)=P(sdof/2+1)+Qe*Le^2/8;

P(sdof/2+2)=P(sdof/2+2)+Qe*Le/2;

P(sdof/2+3)=P(sdof/2+3)-Qe*Le^2/8;

end

for m = length(bcdof):-1:1

c = bcdof(m);

if s(m) == 0

P(c)=[];

end

end

Pmu = P+M*(a0*U0+a2*Ud0+a3*Udd0)+C*(a1*U0+a4*Ud0+a5*Udd0);

% --- 2. Tinh chuyen vi nut ------------------------------

U=Kmu\Pmu;

% --- 3. Tinh gia toc, van toc tai thoi diem t+dt --------

Udd_t=a0*(U-U0)-a2*Ud0-a3*Udd0;

Ud_t=Ud0+a6*Udd0+a7*Udd_t;

U0=U; Ud0=Ud_t; Udd0=Udd_t;

%---------------------------------------------------------

if s1 ==0

if s2==0

U = [0;0;U(1:length(U))];

else

U = [0;U(1:length(U))];

end

end

if s2 ==0

U = [U(1);0;U(2:length(U))];

end

di(count)=U(ni);

time(count)=t;

count=count+1;

end

end

end

%End of newmark algorism--------------------

P.5. Mã c?a modul tính toán bi?n ??i wavelet

dx=1; dx=dt*1000/zoom; c = strcmp(wname,'mexh');

if c==0

pos1=[0.1 0.74 0.7 0.2];

pos2=[0.1 0.42 0.7 0.2];

Page 148: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

137

pos3=[0.1 0.1 0.7 0.2];

s_=s;

%----filter the exciting frequency

if filter==0

ss=s_;

end

if filter==1

sss=s_;

[ss]=lowpass_filter(ss);

end

if filter==2

sss=s_;

[ss]=hipass_filter(ss);

end

ss=Kalman(ss);

n=size(cd,2);

cd=ss;

for i=1:1

h=cwt(cd,1:level_index,wname);

cd=h(level_index,:);

end

handle1 = subplot('position',pos1); plot(t,ss);

xlabel('Thoi gian s'

,'color','black','fontsize',12);ylabel('Gia

toc ','color','black','fontsize',12);

handle2 = subplot('position',pos2); plot(t,cd);

xlabel('Thoi gian (s)','color','black','fontsize',12);ylabel('He so

wavelet','color','black','fontsize',12);

z=cd';

%--------find irregular points

[min,max]=minmax(cd);

max=(max-min);

distance=4;

for i=distance+1:n-distance-1

ok=1;

%j=i*2;

dy1=cd(i)-cd(i-1);

dy2=cd(i)-cd(i+1);

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if (dy1*dy2>=0) %& (sumdy>max/5) % points should be extrema, big

enough

for k=1:distance

if abs(cd(i))<abs(cd(i+k)) | abs(cd(i))<abs(cd(i-k))

% points should be extrema in its local vicinity

ok=0;

end

end

xx=cd(i-distance+1:i);

xx=abs(xx);

[min1,max1]=minmax(xx);

dy1=max1-min1;

xx=abs(cd(i:i+distance-1));

[min1,max1]=minmax(xx);

dy2=max1-min1;

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

end

end

%-------------------------------

handle3=subplot('position',pos3);h=cwt(ss,1:level_index,wname,'abslvl');title('2-

D wavelet transform ','color','b');

figure; plot(t,cd);

xlabel('Time (s)','color','black','fontsize',11);ylabel('Wavelet

coefficient','color','black','fontsize',11);

end

end

if draw_type==2 %Original data

dx=1; dx=dt*1000/zoom; pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 = subplot('position',pos1);

plot(ss);title('Original Data','color','b','EraseMode','xor');

Page 149: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

138

grid;

set(handle1,'Interruptible','off','BusyAction','cancel','ButtonDownFcn','kcursor'

);

data_number=size(ss,2);

[min max]=minmax(ss);

end

if draw_type==3 %Approximation

dx=1;

dx=dt*1000/zoom;

[ca cd]=dwt(ss,wname);

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

n=size(ca,2);

t=[1:n]*dt*1000/zoom;

handle1 =

subplot('position',pos1);plot(ca);title('Approximation','color','b');

xlabel('Time','color','b');ylabel('Wavelet coefficient','color','b');

grid;

set(handle1,'Interruptible','off');

set(handle1,'ButtonDownFcn','kcursor');

data_number=size(ca,2);

[min max]=minmax(ca);

end

if draw_type==4 %Detail

dx=1;

dx=dt*1000/zoom;

c = strcmp(wname,'mexh');

if c==0

[ca cd]=dwt(s,wname);

n=size(cd,2);

h=cwt(ss,1:level,wname);

cd=h(level_index,:);

n=size(cd,2);

t=[1:n]*dt*1000/zoom;

%-------lowpass filter

if filter==1

[cd]=lowpass_filter(cd);

end

if filter==2

[cd]=hipass_filter(cd);

end

distance=10;

cd(1:distance)=0;cd(n-distance+1:n)=0;

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1=subplot('position',pos1);plot(t,cd);title('Detail','color','b');

grid;

%--------find irregular points

[min,max]=minmax(cd);

max=(max-min);

distance=4;

for i=distance+1:n-distance-1

ok=1;

dy1=cd(i)-cd(i-1);

dy2=cd(i)-cd(i+1);

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if (dy1*dy2>=0) %& (sumdy>max/5) % points should be extrema, big enough

for k=1:distance

if abs(cd(i))<abs(cd(i+k)) | abs(cd(i))<abs(cd(i-k)) % points should be

extrema in its local vicinity

ok=0;

end

end

xx=cd(i-distance+1:i); xx=abs(xx);

[min1,max1]=minmax(xx); dy1=max1-min1;

xx=abs(cd(i:i+distance-1)); [min1,max1]=minmax(xx);

dy2=max1-min1; sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if ok==1 & sumdy>max/3

for k=1:distance

if ss(i-k)*ss(i+k)<0 % stress at irregular point should be zero

text(i,cd(i),'\leftarrow','HorizontalAlignment','left','color','red');

Page 150: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

139

end

end

end

end

end

set(handle1,'Interruptible','off');

set(handle1,'ButtonDownFcn','kcursor');

data_number=size(cd,2)*dt*1000/zoom;

[min max]=minmax(cd);

end

end

P.6. Mã c?a modul tính ph? wavelet

n=size(ss,2);

n1=round(size(ss,2)/2);

ss(1:n1)=ss(1:n1)*1;

level=50;

ss=highpass(filterlevel,ss);

ss=lowpass(filterlevel,ss);

ss=Kalman(ss);

m=5;

for j=1:round(n/m)-1

X=ss((j-1)*m+1:j*m);

[min max Imin Imax]=minmax(X);

max=abs(max);

if abs(max)<abs(min)

max=abs(min);

end

ss((j-1)*m+1:j*m)=ss((j-1)*m+1:j*m)/max;

end

h=cwt(ss,1:level,wname);

m=round(4*n/100);

for i=1:level-3+1

h(i,1:m)=0;%h(i,m+1);

h(i,n-m:n)=0;%h(i,n-m-1);

end

max_=zeros;

for j=1:n

X=h(start:stop,j);

[min max Imin Imax]=minmax(X);

h(1:level,j)=h(1:level,j)/max;

end

P.7. Mã c?a modul l?c nhi?u Kalman

N=1000;t=[1:N];

%Predict

for i=2:N;

x_hat_(i)=x_hat(i-1)+B*u(k);

p_(i)=A*p(i+1)*AT+q;

k(i)=p_(i)*HT/(H*p_(i)*HT+r);

x_hat(i)=x_hat_(i-1)+k(i)*(z(i)-x_hat_(i));

p(i)=(1-k(i))*p_(i);

end

%Update

x_hat1(N)=z(N);

for i=1:N-1;

x_hat_1(N-i)=x_hat1(N-i+1);

p_(N-i)=p(N-i+1)+q;

k(N-i)=p_(N-i)/(p_(N-i)+r);

x_hat1(N-i)=x_hat_1(N-i)+k(N-i)*(z(N-i)-x_hat_1(N-i));

p(N-i)=(1-k(N-i))*p_(N-i);

end

x=(x_hat+x_hat1);z=x_hat';

P.8. Mã c?a modul phát hi?n h? h?ng

if draw_type==1 %overview

dx=1; dx=dt*1000/zoom; c = strcmp(wname,'mexh');

if c==0

pos1=[0.1 0.74 0.7 0.2];

pos2=[0.1 0.42 0.7 0.2];

pos3=[0.1 0.1 0.7 0.2];

s_=s;

Page 151: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

140

s_=Kalman(s_);

cd=h(level_index,:);

t=[1:n]*dt;

%----------------------

handle1 = subplot('position',pos1); plot(t,ss);

xlabel('Thoi gian (s)','color','black','fontsize',12);ylabel('Gia toc

','color','black','fontsize',12);

handle2 = subplot('position',pos2); plot(t,cd);

xlabel('Thoi gian (s)','color','black','fontsize',12);ylabel('He so

wavelet','color','black','fontsize',12);

%--------find irregular points

[min,max]=minmax(cd);

max=(max-min);

distance=4;

for i=distance+1:n-distance-1

ok=1;

%j=i*2;

dy1=cd(i)-cd(i-1);

dy2=cd(i)-cd(i+1);

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if (dy1*dy2>=0) %& (sumdy>max/5) % points should be extrema, big

enough

for k=1:distance

if abs(cd(i))<abs(cd(i+k)) | abs(cd(i))<abs(cd(i-k)) % points

should be extrema in its local vicinity

ok=0;

end

end

xx=cd(i-distance+1:i);

xx=abs(xx);

[min1,max1]=minmax(xx);

dy1=max1-min1;

xx=abs(cd(i:i+distance-1));

[min1,max1]=minmax(xx);

dy2=max1-min1;

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

end

end

%-------------------------------

handle3 =

subplot('position',pos3);h=cwt(ss,1:level_index,wname,'abslvl');title('2-D

wavelet transform ','color','b');

figure; plot(t,cd);

xlabel('Time (s)','color','black','fontsize',11);ylabel('Wavelet

coefficient','color','black','fontsize',11);

[ca,cd5]=swt(ss,1,wname);

figure; plot(ca);

end

end

if draw_type==2 %Original data

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 = subplot('position',pos1);

plot(ss);title('Original Data','color','b','EraseMode','xor');

grid;

set(handle1,'Interruptible','off','BusyAction','cancel','ButtonDownFcn','kcursor'

);

end

if draw_type==3 %Approximation

[ca cd]=dwt(ss,wname);

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

n=size(ca,2);

handle1=subplot('position',pos1);plot(ca);title('Approximation','color','b');

xlabel('Time','color','b');ylabel('Wavelet coefficient','color','b');

grid;

set(handle1,'Interruptible','off');

set(handle1,'ButtonDownFcn','kcursor');

data_number=size(ca,2);

Page 152: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

141

[min max]=minmax(ca);

end

if draw_type==4 %Detail

c = strcmp(wname,'mexh');

if c==0

[ca cd]=dwt(s,wname);

%-------lowpass filter

if filter==1

[cd]=lowpass_filter(cd);

end

if filter==2

[cd]=hipass_filter(cd);

end

distance=10;

cd(1:distance)=0;cd(n-distance+1:n)=0;

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 =

subplot('position',pos1);plot(t,cd);title('Detail','color','b');

grid;

%--------find irregular points

[min,max]=minmax(cd);

max=(max-min);

distance=4;

for i=distance+1:n-distance-1

ok=1;

%j=i*2;

dy1=cd(i)-cd(i-1);

dy2=cd(i)-cd(i+1);

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if (dy1*dy2>=0) %& (sumdy>max/5) % points should be extrema, big

enough

for k=1:distance

if abs(cd(i))<abs(cd(i+k)) | abs(cd(i))<abs(cd(i-k)) % points

should be extrema in its local vicinity

ok=0;

end

end

xx=cd(i-distance+1:i);

xx=abs(xx);

[min1,max1]=minmax(xx);

dy1=max1-min1;

xx=abs(cd(i:i+distance-1));

[min1,max1]=minmax(xx);

dy2=max1-min1;

sumdy=abs(dy1)+abs(dy2);

if ok==1 & sumdy>max/3

for k=1:distance

if ss(i-k)*ss(i+k)<0 % stress at irregular point should be

zero

text(i,cd(i),'\leftarrow

','HorizontalAlignment','left','color','red');

end

end

end

end

end

%-------------------------------

set(handle1,'Interruptible','off');

set(handle1,'ButtonDownFcn','kcursor');

data_number=size(cd,2)*dt*1000/zoom;

end

end

if draw_type==5 %Wavelet Coefficients

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 = subplot('position',pos1);

h=cwt(ss,d_level,wname,'absglb');

end

Page 153: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

142

if draw_type==6 %Continuous wavelet

figure;

h=cwt(ss,[1:level],wname);

n=size(ss,2);

t=[1:n]*dt/zoom;

d=[1:level];

surf(t,d,h);

end

if draw_type==7 %Continuous Wavelet Coefficients

cla reset;

h=cwt(ss,1:level,wname);

n=size(ss,1);

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 = subplot('position',pos1);

hold on;

for i=2:11

continue_result=h(i,:).';

plot(continue_result);

end

grid;

title('Continuous Wavelet Coefficients','color','b');

set(handle1,'Interruptible','off','BusyAction','cancel','ButtonDownFcn','kcursor'

);

data_number=size(continue_result,1);

[min max]=minmax(continue_result.');

end

P.9. Mã c?a modul ?ánh giá m?c ?? h? h?ng và ??a ra c?nh báo nguy c? m?t an toàn

k?t c?u

if draw_type==8 %Damage assessment and warning

dscale=1;

n=size(ss,2);

n1=round(size(ss,2)/2);

ss(1:n1)=ss(1:n1)*1;

level=100;

scales=[1:level]*dscale;

filterlevel=0;

ss=highpass(filterlevel,ss);

filterlevel=00;

ss=lowpass(filterlevel,ss);

h=cwt(ss,scales,wname);

max_=zeros;

if k<n

tt=n*dt;

k=k+1;

t(k)=tt;

f(k)=f(k-1);

end

max_=f;

%Eleminate boundary effect

n=size(max_,1);

distance1=round(14*n/100);distance2=round(20*n/100);

max_(1:distance1)=max_(distance1+1:2*distance1);

max_(n-distance2+1:n)=max_(n-2*distance2+1:n-distance2);

figure;

plot(t,max_);

xlabel('Time (s)','color','black','fontsize',10);

ylabel('Frequency (Hz)','color','black','fontsize',10);

t=t';

max_=max_';

tt=(0.1:7)*10;

[max_IF min_IF]=max(max_);

damage=(maxIF-minIF)/total_damage;

end

if damage>0.3

warning;

end

end

if draw_type==12 %Lipschitz

dx=1;

Page 154: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

143

dx=dt*1000/zoom;

pos1=[0.1 0.74 0.7 0.2];

pos2=[0.1 0.42 0.7 0.2];

pos3=[0.1 0.1 0.7 0.2];

handle1 = subplot('position',pos1);

h=cwt(ss,1:level,wname); n=size(h,2); m=1; distance=3;

for i=1:level-m

x(i)=log(i+m);

end

for i=1:n

for l=1:level-m

modulus(l)=abs(h(l+m,i));

for ll=1:distance

k=round(i-distance/2+ll);

if k<=0

k=1;

end

if k>n

k=n;

end

if modulus(l)<abs(h(l+m,k))

modulus(l)=abs(h(l+m,k));

end

end

end

end

handle1 = subplot('position',pos1);plot(ss);title('Original Data','color','b');

handle2=subplot('position',pos2);plot(lipschitz);title('Lipschitz

exponent','color','b');

handle3=subplot('position',pos3);h=cwt(ss,1:level,wname,'abslvl');title('Wavelet

Coefficients','color','b');

set(handle1,'Interruptible','off','BusyAction','cancel','ButtonDownFcn','kcursor'

);

data_number=n;

[min max]=minmax(lipschitz);

end

if draw_type==13 %phase shift

n=size(s1,1);

phase(s1,s2,s3,s4,s5,s6);

h=figure;

[min max]=minmax(phi');

ratio=max-min;

for i=1:6

phi(i)=(phi(i)-min)/ratio;

end

plot(phi);

xlabel('Measurement position','color','b','fontsize',10);ylabel('Normalized

phase','color','b','fontsize',10);

end

if draw_type==14 %phase of transfer function

x=s2;xx=(fft(x));yy1=(fft(s1));yy2=(fft(s2));yy3=(fft(s3));

yy4=(fft(s4));yy5=(fft(s5));yy6=(fft(s6));

n=round(size(yy1,1)/2);

f=(0:n-1);

dx=1/2/n/dt*zoom;

xx=xx(1:n);

yy=yy2(1:n);

yy=abs(yy);%./abs(xx);

yy1=yy1(1:n);

for i=1:n

yy1(i)=yy1(i)/xx(i);

phaseyy1(i)=angle(yy1(i))*180/2/pi;

end

yy2=yy2(1:n);

for i=1:n

yy2(i)=yy2(i)/xx(i);

phaseyy2(i)=angle(yy2(i))*180/2/pi;

end

yy3=yy3(1:n);

Page 155: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

144

for i=1:n

yy3(i)=yy3(i)/xx(i);

phaseyy3(i)=angle(yy3(i))*180/2/pi;

end

yy4=yy4(1:n);

for i=1:n

yy4(i)=yy4(i)/xx(i);

phaseyy4(i)=angle(yy4(i))*180/2/pi;

end

yy5=yy5(1:n);

for i=1:n

yy5(i)=yy5(i)/xx(i);

phaseyy5(i)=angle(yy5(i))*180/2/pi;

end

yy6=yy6(1:n);

for i=1:n

yy6(i)=yy6(i)/xx(i);

phaseyy6(i)=angle(yy6(i))*180/2/pi;

end

pos1=[0.1 0.1 0.7 0.8];

handle1 = subplot('position',pos1);

yy(1:2)=0;

plot(f,yy);

title('Transfer function','color','b');

set(handle1,'Interruptible','off','BusyAction','cancel','ButtonDownFcn','kcursor'

);

data_number=size(yy,1);

[min max]=minmax(yy.');

k=1;

yy(1:1)=0;

for i=1:n

for j=i:n

if yy(i)<yy(j)

z=yy(i);yy(i)=yy(j);yy(j)=z;z=phaseyy1(i);

phaseyy1(i)=phaseyy1(j);phaseyy1(j)=z;

z=phaseyy2(i);phaseyy2(i)=phaseyy2(j);

phaseyy2(j)=z;z=phaseyy3(i);

phaseyy3(i)=phaseyy3(j);phaseyy3(j)=z;

z=phaseyy4(i);phaseyy4(i)=phaseyy4(j);

phaseyy4(j)=z;z=phaseyy5(i);

phaseyy5(i)=phaseyy5(j);phaseyy5(j)=z;

z=phaseyy6(i);phaseyy6(i)=phaseyy6(j);

phaseyy6(j)=z;

end

end

end

xx=[0 1.7 2.5 4.5];

end

if draw_type==15 %transfer function

%--real input force

n=size(ss,2);

%--simulated input force

for i=1:n

x(i)=sin(omega*dt/zoom*(i-1+1));

end

if filter==0

ssss=ss;

end

if filter==1

[ssss]=lowpass_filter(ss);

[ref]=lowpass_filter(ref);

end

if filter==2

[ssss]=hipass_filter(ss);

[ref]=hipass_filter(ref);

end

%----transfer function

Page 156: PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN …gust.edu.vn/media/26/uftai-ve-tai-day26237.pdf · i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn

145

xx=fft(ref.'); yy=fft(ssss.'); [ssss]=lowpass_filter(ss);

[ref]=lowpass_filter(ref); xx=ref; yy=ssss;

[min1 max1]=minmax(xx.'); adj=max1-1; xx=xx-adj;

[min2 max2]=minmax(yy.'); adj=max2-1; yy=yy-adj;

point1=xx; point2=yy; t=[1:n]*dt*1000/zoom;

peak=0.5;

k=0;

for i=1:n-k

if abs(xx(i))<0.02

ssss(i)=1;

xx(i)=1;

else

ssss(i)=(yy(i+k))/(xx(i));

end

end

[min max]=minmax(ssss);

max;

ss=ssss;

%% calculate standard deviation

dx=10;

c = strcmp(wname,'mexh');

if c==0

pos1=[0.1 0.74 0.7 0.2];pos2=[0.1 0.42 0.7 0.2];pos3=[0.1 0.1 0.7 0.2];

[ca cd]=dwt(ss,wname);

n=size(cd,2);

h=cwt(ssss,1:50,wname);

cd=h(level_index,:);

n=size(cd,2);

% draw graph----------------------

distance=5;

cd(1:distance)=1;cd(n-distance+1:n)=1;

ssss(1:distance)=ssss(distance);ssss(n-distance+1:n)=ssss(n-distance+1);

handle1 = subplot('position',pos1);plot(t,ssss);

xlabel('Time (ms)','color','b','fontsize',12);ylabel('Signal ratio

h(t)','color','b','fontsize',12);

ymax=dt*1000*n/zoom;

axis([0 ymax -1 2]);

handle2 = subplot('position',pos2);plot(t,cd);

xlabel('Time (ms)','color','b','fontsize',12);ylabel('Wavelet

coefficient','color','b','fontsize',12);

handle3=subplot('position',pos3);h=cwt(ssss,1:level,wname,'abslvl');title('2-D

wavelet transform ','color','b');

figure;

hold on

plot(point1,'r');

plot(point2);

point1=point1;

end

end