Chuẩn đoán hư hại cho tấm Composite nhiều lớp sử dụng phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tìm kiếm phân nhánh ngẫu nhiên

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn “Chẩn đoán hư hại cho tấm composite nhiều lớp sử

dụng phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật tìm kiếm phân nhánh ngẫu

nhiên” 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

Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2018

PHẠM KHÁNH THÁI DUY

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS. TS. Nguyễn Thời

Trung, người đã trực tiếp hướng dẫn và giúp tôi hoàn thành đề tài. Thầy không

những hỗ trợ về chuyên môn mà còn là người khơi dậy niềm đam mê nghiên cứu

khoa học trong tôi.

Kế đến tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy Cô tại Trường Đại học

Mở Thành Phố Hồ Chí Minh, khoa Xây Dựng và Điện, khoa Đào Tạo Sau Đại

Học đã truyền đạt những kiến thức nền tảng cho tôi từ khi tôi còn là một tân sinh

viên cho đến lúc là học viên lớp cao học.

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến các anh/bạn trong viện Khoa học tính toán

(INCOS), trường đại học Tôn Đức Thắng, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá

trình thực hiện luận văn, đặc biệt là sự giúp đỡ từ nghiên cứu sinh Võ Duy Trung

và nghiên cứu sinh Đinh Công Dự. Tôi xin cám ơn vì sự nhiệt tình, cởi mở, thân

thiện và hỗ trợ hết mình của mọi người.

Cuối cùng, xin cám ơn gia đình và bạn bè đã luôn bên cạnh động viên và tạo

mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành khóa học.

Dù tác giả đã hết sức cố gắng, nhưng vẫn khó tránh khỏi những khiếm khuyết,

kính mong nhận được sự góp ý của quí Thầy, Cô, bạn bè và đồng nghiệp để luận

văn được bổ sung hoàn chỉnh.

iii

TÓM TẮT

Luận văn được thực hiện nhằm đề xuất một phương pháp chẩn đoán hư hại

cho tấm composite nhiều lớp bằng cách kết hợp phương pháp năng lượng biến

dạng và giải thuật tìm kiếm phân nhánh ngẫu nhiên (Stochastic Fractal Search -

SFS). Phương pháp đề xuất sẽ tiến hành chẩn đoán hư hại qua hai giai đoạn. Trong

giai đoạn đầu tiên, chỉ số dựa trên năng lượng biến dạng (Modal Strain Energy

Based Index - MSEBI) được sử dụng để định vị các phần tử có khả năng bị hư hại.

Sau đó, các phần tử đã xác định từ bước một sẽ được đánh giá mức độ hư hại thông

qua giải thuật tối ưu SFS. Để thực hiện việc này, một bài toán tối ưu hóa được thiết

lập với hàm mục tiêu là cực tiểu hóa sự khác biệt các dạng dao động riêng của kết

cấu ở trạng thái hư hại giả sử và trạng thái hư hại cần xác định. Các yếu tố như số

lượng dạng dạo động riêng, các mức độ hư hại khác nhau, số lượng hư hại, góc

hướng sợi, số lớp trong tấm, điều kiện biên và các mức độ nhiễu khác nhau được

khảo sát để đánh giá hiệu quả của phương pháp được đề xuất. Bên cạnh đó, trong

các ví dụ số, ảnh hưởng của nhiễu dữ liệu dạng dao động riêng cũng được xem xét

để đánh giá độ chính xác của phương pháp đề xuất. Ngoài ra, khả năng định vị hư

hại của phương pháp sử dụng chỉ số MSEBI cũng được so sánh với phương pháp

sử dụng chỉ số MSECR (Modal Strain Energy Change Ratio); và hiệu quả của giải

thuật SFS khi đánh giá mức độ hư hại cũng được so sánh với giải thuật tiến hóa

khác biệt DE (Differential Evolution). Các kết quả số cho thấy phương pháp đề

xuất có thể chẩn đoán vị trí và mức độ hư hại trong tấm composite nhiều lớp một

cách chính xác trong cả trường hợp có nhiễu và không có nhiễu.

Từ khóa: tấm composite nhiều lớp; chẩn đoán hư hại; phương pháp năng

lượng biến dạng; giải thuật tìm kiếm phân nhánh ngẫu nhiên.

iv

MỤC LỤC

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

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

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

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

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ....................................................................... vi

DANH MỤC BẢNG...........................................................................................vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT............................................................................viii

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN........................................................ 1

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

1.2 Tình hình nghiên cứu.................................................................................... 5

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................5

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................10

1.3 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 11

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ........................................... 12

1.5 Ý nghĩa của đề tài ....................................................................................... 12

1.6 Cấu trúc của luận văn ................................................................................. 13

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT.................................................................. 14

2.1 Giới thiệu về vật liệu composite ................................................................. 14

2.2 Lý thuyết tấm composite nhiều lớp ............................................................ 15

2.2.1 Quan hệ chuyển vị - biến dạng ........................................................16

2.2.2 Quan hệ ứng suất - biến dạng ..........................................................18

2.2.3 Phương trình dạng yếu Galerkin cho trường hợp tấm composite nhiều

lớp dao động tự do.........................................................................................19

2.3 Mô hình hoá phần tử hữu hạn cho bài toán dao động tự do tấm composite

nhiều lớp ........................................................................................................... 20

2.3.1 Mô hình phần tử hữu hạn tấm composite nhiều lớp ........................20

2.3.2 Phần tử tứ giác đẳng tham số chín nút.............................................22

2.4 Bài toán chẩn đoán hư hại cho tấm composite nhiều lớp........................... 24

2.4.1 Hư hại trong kết cấu sử dụng vật liệu composite nhiều lớp ............24

2.4.2 Phương pháp chẩn đoán hư hại qua hai giai đoạn cho tấm composite

nhiều lớp........................................................................................................25

v

2.4.3 Phương pháp chẩn đoán hư hại dựa trên năng lượng biến dạng .....26

2.4.4 Giải thuật tìm kiếm phân nhánh ngẫu nhiên SFS ............................28

2.4.5 Sơ đồ chi tiết phương pháp chẩn đoán hư hại cho tấm composite nhiều

lớp sử dụng chỉ số MSEBI và giải thuật SFS................................................30

CHƯƠNG 3. VÍ DỤ SỐ..................................................................................... 32

3.1 Giới thiệu .................................................................................................... 32

3.2 Kiểm tra lập trình MATLAB...................................................................... 33

3.2.1 Bài toán kiểm tra 1...........................................................................33

3.2.2 Bài toán kiểm tra 2...........................................................................34

3.2.3 Bài toán kiểm tra 3...........................................................................36

3.2.4 Nhận xét...........................................................................................37

3.3 Bài toán chẩn đoán hư hại cho tấm composite nhiều lớp........................... 37

3.3.1 Bài toán 1: So sánh với phương pháp chẩn đoán hư hại khác.........38

3.3.2 Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của việc sử dụng số lượng dạng dao

động trong chẩn đoán ....................................................................................42

3.3.3 Bài toán 3: Khảo sát ảnh hưởng mức độ hư hại của phần tử...........45

3.3.4 Bài toán 4: Khảo sát ảnh hưởng của số lượng hư hại trong tấm .....49

3.3.5 Bài toán 5: Khảo sát ảnh hưởng của việc bố trí góc hướng sợi cho các

lớp trong tấm .................................................................................................54

3.3.6 Bài toán 6: Khảo sát ảnh hưởng của số lớp trong tấm.....................59

3.3.7 Bài toán 7: Khảo sát sự ảnh hưởng của các điều kiện biên khác nhau

của tấm .........................................................................................................62

3.3.8 Bài toán 8: Khảo sát ảnh hưởng của việc thay đổi mức độ nhiễu dữ

liệu dạng dao động riêng ...............................................................................66

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN.................................................................................. 70

4.1 Kết quả đã đạt được .................................................................................... 70

4.2 Kết luận chung............................................................................................ 71

4.3 Hướng phát triển của đề tài......................................................................... 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 74

PHỤ LỤC............................................................................................................ 79

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ....................................... 84

vi

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Một số ứng dụng của vật liệu composite. .............................................. 1

Hình 1.2. Một số tai nạn xảy ra ở các kết cấu sử dụng vật liệu composite............ 2

Hình 2.1. Phân loại vật liệu composite. ...............................................................14

Hình 2.2. Composite gia cường hạt...................................................................... 15

Hình 2.3. Composite gia cường sợi...................................................................... 15

Hình 2.4. Composite nhiều lớp, mỗi lớp là composite gia cường sợi.................. 15

Hình 2.5. Các lý thuyết tính toán cho tấm. .......................................................... 16

Hình 2.6. Lớp composite đơn trong các hệ tọa độ. .............................................. 18

Hình 2.7. Phần tử tứ giác chín nút trong các hệ toạ độ........................................ 23

Hình 2.8. Sơ đồ giải thuật SFS............................................................................. 30

Hình 2.9. Sơ đồ chi tiết bài toán chẩn đoán hư hại cho tấm composite nhiều lớp

bằng phương pháp năng lượng biến dạng và giải thuật SFS. .............................. 31

Hình 3.1. Tấm composite ba lớp [0°/90°/0°]. ......................................................34

Hình 3.2. Tấm composite năm lớp [0°/90°/0°/90°/0°]......................................... 35

Hình 3.3. Hệ dàn 3 thanh. .................................................................................... 36

Hình 3.4. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 1. ................................... 40

Hình 3.5. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 2. ................................... 42

Hình 3.6. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 3. ................................... 46

Hình 3.7. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 4. ................................... 50

Hình 3.8. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 5. ................................... 56

Hình 3.9. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 6. ................................... 60

Hình 3.10. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 7. ................................. 63

Hình 3.11. Kết quả xác định vị trí hư hại trong bài toán 8. ................................. 67

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1. Các đặc trưng vật liệu của tấm composite khảo sát............................. 33

Bảng 3.2. Năm tần số dao động không thứ nguyên đầu tiên của tấm composite ba

lớp trong bài toán kiểm tra 1. ............................................................................... 34

Bảng 3.3. Năm tần số dao động không thứ nguyên đầu tiên của tấm composite năm

lớp trong bài toán kiểm tra 2. ............................................................................... 35

Bảng 3.4. Thông số của giải thuật SFS. ............................................................... 36

Bảng 3.5. Kết quả bài toán kiểm tra 3.................................................................. 37

Bảng 3.6. Thông số của giải thuật SFS. ............................................................... 38

Bảng 3.7. Thông số của giải thuật DE. ................................................................ 39

Bảng 3.8. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 1................................ 41

Bảng 3.9. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 2................................ 44

Bảng 3.10. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 3.............................. 48

Bảng 3.11. Các kịch bản hư hại ở bài toán 4. ...................................................... 49

Bảng 3.12. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 4 ở kịch bản 1......... 52

Bảng 3.13. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 4 ở kịch bản 2......... 52

Bảng 3.14. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 4 ở kịch bản 3......... 53

Bảng 3.15. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 4 ở kịch bản 4......... 53

Bảng 3.16. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 5.............................. 57

Bảng 3.17. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 6.............................. 61

Bảng 3.18. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 7.............................. 65

Bảng 3.19. Kết quả đánh giá mức độ hư hại trong bài toán 8.............................. 68

viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ACO : Ant Colony Optimization

CFRP : Carbon Fibre-Reinforced Plastics

CPT : Classical Plate Theory

DE : Differential Evolution

DLV : Damage Locating Vectors

FSDT : First-order Shear Deformation plate Theory

GA : Genetic Algorithm

HSDT : Higher-order Shear Deformation plate Theory

MCSS : Magnetic Charged System Search

MSEBI : Modal Strain Energy Based Index

MSECR : Modal Strain Energy Change Ratio

PSO : Particle Swarm Optimization

SFS : Stochastic Fractal Search

SHM : Structural Health Monitoring

SPGA : Strength Pareto Genetic Algorithm

1

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, vật liệu composite được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nhờ vào các

đặc tính vượt trội so với các loại vật liệu truyền thống. Trong lĩnh vực vận tải, vật

liệu composite được sử dụng thay thế các vật liệu truyền thống để chế tạo các linh

kiện, chi tiết đòi hỏi tính thẩm mỹ cao nhưng vẫn đảm bảo các tính năng kỹ thuật

trong các loại xe đua, xe ô tô thương mại, các toa xe lửa, xe điện, v.v. Lĩnh vực

hàng hải cũng cho thấy tiềm năng to lớn của vật liệu composite do tính chất không

bị ăn mòn, hay chịu tác động của môi trường nước biển. Vật liệu composite còn

được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ để chế tạo các bộ phận

có hình dạng phức tạp trên các loại máy bay quân sự, dân sự hay tàu vũ trụ, góp

phần làm giảm số lượng chi tiết trên thiết bị, đồng thời giảm thời gian và chi phí

lắp đặt sản phẩm. Trong xây dựng, nhờ đặc tính nổi bật như có độ cứng rất cao,

khả năng kháng nhiệt, chống ăn mòn, chống xâm thực mà vật liệu composite được

lựa chọn để sử dụng cho những kết cấu làm việc ở các điều kiện khắc nghiệt như

các nhà máy luyện kim, giàn khoan dầu, nhà máy điện nguyên tử, hạt nhân, v.v.

Một số ứng dụng của vật liệu composite trong thực tế được minh hoạ ở Hình 1.1.

Bảo tàng San Francisco – Mỹ. Cầu Sky Path - New Zealand.

Tỉ lệ các vật liệu trên máy bay 787. Tàu hỏa Acela Express – Mỹ.

Hình 1.1. Một số ứng dụng của vật liệu composite. (Nguồn: compositesworld.com)