Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp véc-tơ định vị DLV và giải thuật tiến hóa khác biệt DE

i

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng, Luận văn "Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp

sử dụng phương pháp véc-tơ định vị DLV và giải thuật tiến hóa khác biệt DE"

là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoại trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam

đoan rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố

hoặc được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận

văn này mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các

trường đại học hoặc cơ sở đào tạo khác.

TP. Hồ Chí Minh, năm 2016

NGUYỄN THANH TIỀN

ii

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự hướng dẫn,

giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của thầy cô trường Đại học Mở Tp HCM và các bạn

cùng lớp Xây dựng 3 cũng như gia đình.

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS. TS Nguyễn

Thời Trung, là người đã trực tiếp giúp đỡ hướng dẫn cho tôi rất tận tình trong suốt

thời gian thực hiện đề cương và luận văn này; đồng thời cảm ơn sâu sắc đến anh Võ

Duy Trung – nghiên cứu viên của Viện khoa học tính toán INCOS, trường Đại học

Tôn Đức Thắng.

Sau đó, tôi xin cảm ơn các bạn cùng học chung trong lớp Xây dựng 3 đã hết

lòng hỗ trợ, trao đổi, giúp đỡ tôi trong việc hoàn thành luận văn này. Xin chân thành

cảm ơn gia đình và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn

thành luận văn này.

TP. Hồ Chí Minh, năm 2016

NGUYỄN THANH TIỀN

iii

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

TRANG TÓM TẮT

Vật liệu composite ngày càng được sử dụng phổ biến trong cuộc sống bởi

những tính năng ưu việt của chúng. Nên việc đánh giá khả năng làm việc an toàn,

hiệu quả của các công trình có sử dụng kết cấu composite là rất quan trọng và cần

thiết. Luận văn này trình bày về chẩn đoán hư hại của dầm composite nhiều lớp

bằng phương pháp kết hợp véc-tơ định vị DLV và giải thuật tiến hóa khác biệt DE.

Quá trình chẩn đoán hư hại trải qua hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là xác định vị

trí hư hại trong kết cấu dầm composite nhiều lớp bằng phương pháp DLV; giai đoạn

thứ hai là sử dụng phương pháp DE để xác định mức độ hư hại tại các vị trí đã xác

định ở giai đoạn một. Để chứng minh sự tin cậy và hiệu quả của phương pháp được

đề xuất thì các ví dụ số cho kết cấu dầm công xôn với góc hướng sợi được thay đổi

trong từng bài toán cụ thể, và với các vị trí hư hại giả định trước đã được thực hiện.

Trong các ví dụ đó, ảnh hưởng của nhiễu cũng đã được xét đến. Kết quả số cho thấy

rằng, phương pháp sử dụng rất hiệu quả trong việc xác định vị trí hư hại và mức độ

hư hại của dầm composite nhiều lớp. Đồng thời, kết quả cũng cho thấy rằng phương

pháp bị ảnh hưởng bởi số lượng dạng dao động, số lượng vị trí hư hại và mức độ hư

hại khi xét nhiễu.

Từ khóa: Dầm composite nhiều lớp, chẩn đoán hư hại, phương pháp DLV,

giải thuật DE.

iv

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................ii

TRANG TÓM TẮT...............................................................................................iii

MỤC LỤC ............................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................vii

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

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU....................................................................................1

1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................1

1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................6

1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước.................................................................12

1.4. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................14

1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................15

1.6. Ý nghĩa đề tài ..............................................................................................15

1.7. Phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của luận văn.......................................16

1.7.1. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................16

1.7.2. Cấu trúc luận văn ..................................................................................16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................18

2.1. Giới thiệu về vật liệu composite ..................................................................18

2.2. Bài toán chẩn đoán hư hại cho kết cấu.........................................................21

2.2.1. Phần tử hữu hạn cho dầm composite .....................................................22

2.2.1.1. Chuyển vị, biến dạng, ứng suất của dầm nhiều lớp ...........................22

2.2.1.2. Dạng yếu của mô hình dầm composite nhiều lớp..............................26

2.2.1.3. Công thức phần tử hữu hạn của dầm composite nhiều lớp dựa trên lý

thuyết dầm bậc nhất của Timoshenko............................................................31

2.2.2. Định nghĩa khái niệm hư hại trong luận văn ..........................................38

2.2.3. Xác định vị trí hư hại bằng phương pháp Véc-tơ định vị hư hại (DLV).38

v

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

2.2.4. Đánh giá mức độ hư hại sử dụng giải thuật tiến hóa khác biệt DE.........41

2.2.4.1. Hàm mục tiêu ...................................................................................42

2.2.4.2. Giải thuật tiến hóa khác biệt (DE).....................................................43

2.3. Lưu đồ tính toán..........................................................................................46

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ SỐ........................................................................................48

3.1. Giới thiệu ....................................................................................................48

3.2. Phần kiểm chứng.........................................................................................49

3.2.1. Kiểm chứng tần số riêng dầm composite cho bài toán số 1....................49

3.2.2. Kiểm chứng Tần số riêng dầm composite cho bài toán số 2 ..................50

3.2.2.1. Dầm công xôn ..................................................................................51

3.2.2.2. Dầm một nhịp tựa trên hai gối giản đơn............................................52

3.2.2.3. Dầm một nhịp hai đầu ngàm.............................................................52

3.2.2.4. Dầm một nhịp một đầu tựa đơn – một đầu ngàm ..............................53

3.2.2.5. Kiểm chứng tần số riêng với các góc hướng sợi thay đổi khác nhau .53

3.2.3. Nhận xét ...............................................................................................54

3.3. Chẩn đoán hư hại kết cấu ............................................................................54

3.3.1. Khảo sát bài toán với điều kiện biên khác nhau.....................................55

3.3.1.1. Trường hợp không xét đến nhiễu ......................................................55

3.3.1.2. Trường hợp có xét đến nhiễu ............................................................57

3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của góc hướng sợi .................................................59

3.3.2.1. Trường hợp không xét đến nhiễu ......................................................59

3.3.2.2. Trường hợp có xét đến nhiễu ............................................................61

3.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp..............................................................62

3.3.3.1. Trường hợp không xét đến nhiễu......................................................62

3.3.3.2. Trường hợp có xét đến nhiễu ............................................................64

3.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng dạng dao động..................................66

3.3.4.1. Trường hợp không xét đến nhiễu ......................................................66

3.3.4.2. Trường hợp có xét đến nhiễu ............................................................67

3.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng phần tử hư hại ..................................69

vi

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

3.3.5.1. Trường hợp không xét đến nhiễu ......................................................69

3.3.5.2. Trường hợp có xét đến nhiễu............................................................71

3.3.6. Khảo sát ảnh hưởng của mức độ hư hại.................................................72

3.3.6.1. Trường hợp không xét đến nhiễu ......................................................72

3.3.6.2. Trường hợp có xét đến nhiễu ............................................................74

3.4. Kết luận.......................................................................................................75

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN .....................................................................................78

4.1. Đóng góp của luận văn ................................................................................78

4.2. Hạn chế của luận văn...................................................................................79

4.3. Hướng phát triển .........................................................................................79

TÀI LIỆU THAM KHẢO. ....................................................................................80

PHỤ LỤC..............................................................................................................88

vii

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Những sự cố đáng tiếc đã xảy ra trên thế giới...........................................2

Hình 2.1. Phân loại vật liệu composite...................................................................19

Hình 2.2. Composite gia cường hạt........................................................................19

Hình 2.3. Composite gia cường tấm.......................................................................20

Hình 2.4. Composite gia cường sợi........................................................................20

Hình 2.5. Vật liệu composite nhiều lớp (Kaw, 2005). ............................................20

Hình 2.6. Vật liệu nền và sợi gia cường liên tục (Kaw, 2005). ...............................21

Hình 2.7. Dầm composite nhiều lớp tổng quát. ......................................................22

Hình 2.8. Góc hướng sợi trong vật liệu composite. ................................................22

Hình 2.9. Chuyển vị phần tử dầm composite nhiều lớp (Wang và cộng sự, 2000)..23

Hình 2.10. Các thành phần ứng suất (Reddy, 2004). ..............................................24

Hình 2.11. Hệ tọa độ lớp và hệ tọa độ chung của dầm (Reddy, 2004). ...................29

Hình 2.12. Các hàm dạng của phần tử 2 nút (Fish và Belytschko, 2007)................31

Hình 2.13. Phần tử dầm Timoshenko 2 nút (Oñate, 2013)......................................32

Hình 2.14. Sơ đồ giải thuật DE..............................................................................43

Hình 2.15. Quá trình đột biến của giải thuật DE, sử dụng rand/1. ..........................45

Hình 2.16. Lưu đồ tính toán của luận văn ..............................................................46

Hình 3.1. Dầm công xôn C-F.................................................................................49

Hình 3.2. Dầm công xôn C-F.................................................................................51

Hình 3.3. Dầm tựa đơn S-S....................................................................................52

Hình 3.4. Dầm hai đầu ngàm C-C..........................................................................52

Hình 3.5. Dầm một đầu ngàm, một đầu tựa đơn C-S..............................................53

Hình 3.6. Khảo sát với điều kiện biên khác nhau khi không xét nhiễu. ..................56

Hình 3.7. Khảo sát với điều kiện biên khác nhau khi xét ảnh hưởng của nhiễu. .....57

Hình 3.8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của góc hướng sợi đến DLV khi không xét

nhiễu. ....................................................................................................................60

viii

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

Hình 3.9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của góc hướng sợi đến DLV khi xét ảnh

hưởng của nhiễu. ...................................................................................................61

Hình 3.10. Kết quả khảo sát ảnh hưởng số lớp composite đến DLV khi không xét

nhiễu. ....................................................................................................................63

Hình 3.11. Kết quả khảo sát ảnh hưởng số lớp composite đến DLV khi xét ảnh

hưởng của nhiễu. ...................................................................................................65

Hình 3.12. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dạng dao động đến DLV khi không xét

nhiễu. ....................................................................................................................66

Hình 3.13. Kết quả khảo sát ảnh hưởng số lượng dạng dao động đến nce khi xét ảnh

hưởng của nhiễu. ...................................................................................................68

Hình 3.14. Sự ảnh hưởng của việc xét nhiễu và không xét nhiễu đến năng lượng

biến dạng tích lũy nce............................................................................................69

Hình 3.15. Kết quả khảo sát ảnh hưởng vị trí hư hại đến DLV khi không xét nhiễu.

..............................................................................................................................70

Hình 3.16. Kết quả khảo sát ảnh hưởng vị trí hư hại đến DLV khi xét ảnh hưởng của

nhiễu. ....................................................................................................................71

Hình 3.17. Kết quả khảo sát ảnh hưởng mức độ hư hại đến DLV khi không xét

nhiễu. ....................................................................................................................73

Hình 3.18. Kết quả khảo sát ảnh hưởng mức độ hư hại đến DLV khi xét ảnh hưởng

của nhiễu. ..............................................................................................................74

ix

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. Số liệu đặc trưng vật liệu cho bài toán 1 ................................................48

Bảng 3.2. Các đặc trưng vật liệu của bài toán 2 .....................................................49

Bảng 3.3. Tần số không thứ nguyên của dầm ở các dạng dao động đầu tiên ..........50

Bảng 3.4. Tần số không thứ nguyên của dầm ở các dạng dao động đầu tiên ..........51

Bảng 3.5. Tần số không thứ nguyên của dầm ở các dạng dao động đầu tiên ..........52

Bảng 3.6. Tần số không thứ nguyên của dầm ở các dạng dao động đầu tiên ..........52

Bảng 3.7. Tần số không thứ nguyên của dầm ở các dạng dao động đầu tiên ..........53

Bảng 3.8. Bảng so sánh tần số với điều kiện biên khác nhau..................................53

Bảng 3.9. Thông số của thuật toán DE...................................................................55

Bảng 3.10. Kết quả khảo sát điều kiện biên khác nhau bằng DE khi không xét nhiễu

..............................................................................................................................56

Bảng 3.11. Kết quả khảo sát điều kiện biên khác nhau bằng DE khi xét ảnh hưởng

của nhiễu ...............................................................................................................58

Bảng 3.12. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của góc hướng sợi đến phương pháp DE khi

không xét nhiễu .....................................................................................................60

Bảng 3.13. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của góc hướng sợi đến phương pháp DE khi

xét ảnh hưởng của nhiễu........................................................................................61

Bảng 3.14. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của số lớp đến phương pháp DE khi không

xét nhiễu................................................................................................................63

Bảng 3.15. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của số lớp đến phương pháp DE khi xét ảnh

hưởng của nhiễu ....................................................................................................65

Bảng 3.16. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dạng dao động đến phương pháp DE

khi không xét nhiễu ...............................................................................................67

Bảng 3.17. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của dạng dao động đến phương pháp DE

khi xét ảnh hưởng của nhiễu ..................................................................................68

Bảng 3.18. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của số lượng vị trí hư hại đến phương pháp

DE khi không xét nhiễu .........................................................................................70

x

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

Bảng 3.19. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của số lượng vị trí hư hại đến phương pháp

DE khi xét ảnh hưởng của nhiễu............................................................................72

Bảng 3.20. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của mức độ hư hại đến phương pháp DE khi

không xét nhiễu .....................................................................................................73

Bảng 3.21. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của mức độ hư hại đến phương pháp DE khi

xét ảnh hưởng của nhiễu........................................................................................75

Bảng 3.22. Bảng tổng hợp kết quả khảo sát ...........................................................76

xi

Chẩn đoán hư hại dầm composite nhiều lớp sử dụng phương pháp DLV và DE

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ABC Thuật toán bầy ong nhân tạo (Artificial bee colony)

DLV Véc-tơ định vị hư hại (Damaged locating vector)

DE Giải thuật tiến hóa khác biệt (Differential evolution)

GA Giải thuật di truyền (Genetic algorithm)

PSO Tối ưu hóa bầy đàn (Particle swarm optimization)

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element mothod)

FBDD Xác định hư hại dựa trên tần số (Frequency-based damage

detection)

FRF Hàm ứng xử tần số (Frequency response function)

MBDD Xác định hư hại dựa trên dạng dao động (Mode-shape-based

damage detection)

MDLAC Tiêu chí đảm bảo vị trí đa hư hại (Multiple damage location

assurance criterion)

MSS Chiến lược lựa chọn dạng dao động (Mode selection strategies)

MSE Năng lượng biến dạng dao động (Mode strain energy)

MSEBI Chỉ số dựa trên năng lượng biến dạng của dạng dao động

(Modal strain energy based index)

C-F

C-C

C-S

S-S

Dầm một đầu ngàm, một đầu tự do (dầm công xôn)

Dầm hai đầu ngàm

Dầm một đầu ngàm, một đầu tựa đơn

Dầm giản đơn, hai đầu tựa đơn

b Bề rộng của dầm

Cij Các hệ số của ma trận độ cứng vật liệu

E Mô đun đàn hồi

, F F D UD

Ma trận độ mềm của kết cấu khi hư hại và khi chưa bị hư hại.

G Mô đun đàn hồi cắt

h Chiều cao dầm