Mô hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏng của liên kết bulông
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (19.43 MB, 152 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------
NGƠ THANH MỘNG
MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN SỬ DỤNG TRỞ KHÁNG
ĐỂ THEO DÕI VÀ ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG CỦA LIÊN
KẾT BULƠNG
Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60 58 20
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014
Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Đức Duy
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM,
ngày tháng 01 năm 2014.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ...............................................................................
2. ...............................................................................
3. ...............................................................................
4. ...............................................................................
5. ...............................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGÔ THANH MỘNG
MSHV:11211013
Ngày, tháng, năm sinh: 30/12/1986
Nơi sinh: Tiền Giang
Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và công nghiệp
I.
TÊN ĐỀ TÀI : MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN SỬ DỤNG TRỞ
KHÁNG ĐỂ THEO DÕI VÀ ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG CỦA LIÊN KẾT
BULƠNG
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Mơ phỏng các mẫu dầm nhơm trong giai đoạn khơng hư hỏng và có hư hỏng,
so sánh tín hiệu trở kháng giữa mơ phỏng và thí nghiệm.
Mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh giá hư hỏng
liên kết bulơng. Tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng trước và sau khi có hư hỏng
trong liên kết bulơng. Từ những thay đổi đó đánh giá mức độ hư hỏng trong liên kết
bulông.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22/11/2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒ ĐỨC DUY
Tp. HCM, ngày
tháng
năm 2014.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)
(Họ tên và chữ ký)
TS. HỒ ĐỨC DUY
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)
ii
LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy TS. Hồ Đức Duy. Thầy luôn tận
tâm trong việc hướng dẫn. Thầy ln nhiệt tình hỗ trợ về tinh thần và kiến thức
khoa học. Những kiến thức nền tảng mà tôi đã được tiếp thu từ thầy đã giúp cho tơi
vượt qua những khó khăn khi thực hiện luận văn này.
Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến nhóm học cao học khóa K2011 đã giúp
đỡ và trao đổi nhiệt tình trong thời gian học tập. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến
anh Nguyễn Khắc Duy đã góp ý về những kiến thức chun mơn để tơi hồn thành
luận văn này.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời tri ân đến gia đình. Gia đình đã ln là chỗ dựa cho
tơi trong những lúc khó khăn về tinh thần và tài chính, ln động viên tôi trong thời
gian thực hiện luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014
Ngơ Thanh Mộng
iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Sử dụng phầm mềm Comsol 4.0 mơ phỏng các thí nghiệm được tiến hành
trên các mẫu dầm nhôm trong giai đoạn không hư hỏng và có hư hỏng, so sánh tín
hiệu trở kháng của mơ phỏng và thí nghiệm, chứng minh khả năng mơ phỏng tìm
hư hỏng trong kết cấu.
So sánh kết quả trở kháng mơ phỏng và thực nghiệm các tấm trịn mỏng
bằng nhơm với tấm PZT đặt tại tâm tấm và hư hỏng có khoảng cách thay đổi so với
tâm tấm tại tần số kích thích cao.
Phân tích mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng trở kháng để theo dõi và đánh
giá hư hỏng của liên kết bulông. Hư hỏng của liên kết bulông ở nghiên cứu này là
bulông bị lỏng được giả định bằng việc thay đổi mômen xiết chặt bulông từ đó tính
lực kéo trong thân bulơng ở ba cấp độ giảm mômen xiết chặt bulông là: 10%, 25%,
50%.
Sử dụng mơ hình phần tử hữu hạn để tìm những thay đổi tín hiệu trở kháng
trước và sau khi có hư hỏng trong liên kết bulơng. Từ những thay đổi đó đánh giá
mức độ hư hỏng trong liên kết bulông.
iv
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu kết quả tham khảo từ các cơng trình
nghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Đức Duy. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là
trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.
Tác giả luận văn
Ngô Thanh Mộng
v
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ.........................................................................i
LỜI CẢM ƠN.. .......................................................................................................ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .........................................................................iii
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... iv
MỤC LỤC ............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ............................................................................vii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................xvii
MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT .........................................................................xviii
Chương 1. GIỚI THIỆU.......................................................................................... 1
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................... 1
1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................. 6
1.3 PHẠM VI NGHIÊN CỨU................................................................................. 6
1.4 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN......................................................................... 7
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY........................ 8
2.1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 8
2.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRỞ
KHÁNG NGỒI NƯỚC ...................................................................................... 10
2.3 TỒNG QUAN NGHIÊN CỨU HƯ HỎNG LIÊN KẾT BULÔNG.................. 18
2.4 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRỞ
KHÁNG TRONG NƯỚC...................................................................................... 19
2.5 SỰ THUẬN LỢI CỦA PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNG ................................ 20
vi
2.6 HẠN CHẾ VÀ THÁCH THỨC HIỆN TẠI CỦA PHƯƠNG PHÁP TRỞ
KHÁNG ................................................................................................................ 20
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 23
3.1 GIỚI THIỆU .................................................................................................. 23
3.2 PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNG ..................................................................... 24
3.3 HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNG .................................... 34
3.4 VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN ...................................................................................... 36
3.5 THAM SỐ TRONG PHƯƠNG PHÁP TRỞ KHÁNG..................................... 40
3.5.1 DIỆN TÍCH CẢM BIẾN CỤC BỘ ............................................................... 40
3.5.2 PHẠM VI TẦN SỐ ...................................................................................... 41
3.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HƯ HỎNG ............................................. 43
3.7 CẤU HÌNH CHO VIỆC THU THẬP DỮ LIỆU.............................................. 45
3.8 CÁCH LẤY TÍN HIỆU TRỞ KHÁNG TỪ PHẦN MỀM COMSOL 4.0 ........ 47
3.9 QUAN HỆ GIỮA MÔMEN XOẮN VÀ LỰC KÉO TRONG BULÔNG ........ 61
Chương 4. CÁC VÍ DỤ ......................................................................................... 65
4.1 GIỚI THIỆU ................................................................................................... 65
4.2 MƠ HÌNH DẦM ĐƠN GIẢN KHƠNG HƯ HỎNG ....................................... 65
4.3 MƠ HÌNH DẦM BẰNG NHƠM CĨ VẾT NỨT............................................. 72
4.4 MƠ HÌNH TẤM TRỊN BẰNG NHƠM VỚI KHOẢNG CÁCH VẾT
NỨT THAY ĐỔI .................................................................................................. 79
4.5 MƠ HÌNH LIÊN KẾT BULƠNG TRONG CHI TIẾT NỐI CỘT THÉP.......... 90
Chương 5. KẾT LUẬN ....................................................................................... 123
5.1 KẾT LUẬN ................................................................................................... 123
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỄN ĐỀ TÀI ................................................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 125
vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sụp đổ tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định (Việt Nam 2012)........... 2
Hình 1.2: Sụp đổ cột ăng ten cao 150 m ở Quảng Ninh (Việt Nam 2013). ............... 2
Hình 1.3: Sụp đổ của sân bay Charles de Gaulle (Pháp 2004).................................. 3
Hình 1.4: Sụp đổ của cầu Laval (Canada 2006). ...................................................... 3
Hình 1.5: Sụp đổ của cầu Mississippi River (Mỹ 2007). .......................................... 4
Hình 2.1: Sun và các cộng sự (1995) [5] sử dụng phương pháp trở kháng để
kiểm tra kết cấu giàn.............................................................................................. 10
Hình 2.2: Theo dõi hai khung chính kết nối với thân máy bay phía sau đến
đi đứng của máy bay Piper Model 601P [6]. ...................................................... 11
Hình 2.3: Một mơ hình ¼ mặt cắt cầu thép (steel bridge section) [17]. .................. 14
Hình 2.4: Thí nghiệm đường ống dẫn [18]............................................................. 15
Hình 2.5: a) Thiết lập thí nghiệm , b) Kết quả trở kháng [19]................................. 15
Hình 2.6: Khả năng theo dõi quá trình bảo dưỡng kết cấu bêtơng [23]................... 16
Hình 2.7 : Nghiên cứu phân lớp kết cấu composite [27]. ....................................... 17
Hình 2.8: Các thành phần hợp thành mẫu MASSpatch. ......................................... 21
Hình 3.1: Mơ hình 1-D tương tác cơ-điện giữa miếng PZT và kết cấu chủ [4]. ...... 25
Hình 3.2: Tóm tắt hoạt động của phương pháp trở kháng. ..................................... 34
Hình 3.3: Một số hình ảnh PZT ............................................................................. 37
Hình 3.4: Tương tác giữa điện và biến dạng .......................................................... 38
Hình 3.5: Cấu hình thiết lập thử nghiệm sử dụng máy phân tích trở kháng
HP4194A............................................................................................................... 46
viii
Hình 3.6: Cấu hình thiết lập thử nghiệm sử dụng máy phân tích trở kháng
HP4192A............................................................................................................... 47
Hình 3.7: Quan hệ giữa moment xoắn và lực kéo trong bulơng.............................. 61
Hình 3.8: Chi tiết bulơng. ...................................................................................... 62
Hình 3.9: Chi tiết ren hệ mét.................................................................................. 63
Hình 4.1: Mẫu dầm nhơm thí nghiệm [24] trong phạm vi tần số từ 1-30 kHz......... 67
Hình 4.2: Thiết lập mơ hình xác định tín hiệu trở kháng của dầm nhơm. ............... 67
Hình 4.3: So sánh kết quả trở kháng mơ hình, thí nghiệm và tính tốn dầm 1
trong phạm vi tần số từ 1kHz tới 30 kHz. .............................................................. 69
Hình 4.4: So sánh kết quả trở kháng mơ hình, thí nghiệm và tính tốn dầm 2
trong phạm vi tần số từ 1kHz tới 30 kHz. .............................................................. 70
Hình 4.5: So sánh kết quả trở kháng mơ hình, thí nghiệm và tính toán dầm 3
trong phạm vi tần số từ 1kHz tới 30 kHz. .............................................................. 70
Hình 4.6: So sánh kết quả trở kháng mơ hình, thí nghiệm và tính tốn dầm 4
trong phạm vi tần số từ 1kHz tới 30 kHz. ............................................................. 71
Hình 4.7: Mơ hình thí nghiệm dầm nhơm có vết nứt [44]. ..................................... 73
Hình 4.8: Mơ hình Comsol 4.0 dầm nhơm có vết nứt............................................. 74
Hình 4.9: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ 20 kHz tới 24 kHz trong
mơ hình Ansys (2005) [44].................................................................................... 74
Hình 4.10: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhôm từ 20 kHz tới 24 kHz trong
mơ hình Comsol 4.0. ............................................................................................. 75
Hình 4.11: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 19 kHz tới 23 kHz trong
mơ hình thí nghiệm................................................................................................ 75
Hình 4.12: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 22 kHz tới 24 kHz mơ
hình Ansys (2005) [44].......................................................................................... 76
ix
Hình 4.13: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 22 kHz tới 24 kHz mơ
hình Comsol 4.0. ................................................................................................... 77
Hình 4.14: Kết quả tín hiệu trở kháng dầm nhơm từ 21 kHz tới 23 kHz mơ
hình thí nghiệm [44]. ............................................................................................. 77
Hình 4.15: Kết quả RMSD của mơ hình Comsol 4.0 trong phạm vi tần số từ 20
kHz tới 24 kHz. ..................................................................................................... 78
Hình 4.16: Tấm trịn với khoảng cách vết nứt giảm dần từ miếng PZT. ................. 79
Hình 4.17: Mơ hình thí nghiệm tấm trịn bằng nhơm. ............................................ 80
Hình 4.18: Mơ hình Comsol 4.0 tấm trịn bằng nhơm. ........................................... 80
Hình 4.19: So sánh đáp ứng trở kháng giữa mơ hình, thí nghiệm và tính tốn
trong phạm vi tần số từ 0.5 kHz tới 40 kHz giai đoạn không hư hỏng.................... 82
Hình 4.20: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình thí nghiệm từ nhóm 0 đến
nhóm 4 phạm vi tần số từ 11 kHz tới 40 kHz......................................................... 83
Hình 4.21: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 4
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 40 kHz...................................................................... 83
Hình 4.22: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 3
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 40 kHz...................................................................... 84
Hình 4.23: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 2
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 40 kHz...................................................................... 84
Hình 4.24: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 1
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 40 kHz...................................................................... 85
Hình 4.25: So sánh kết quả RMSD giữa mơ hình và thí nghiệm trong phạm vi
tần số từ 11 kHz tới 40 kHz. .................................................................................. 85
Hình 4.26: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 4
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 150 kHz.................................................................... 86
Hình 4.27: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 3
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 150 kHz.................................................................... 86
x
Hình 4.28: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 2
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 150 kHz.................................................................... 87
Hình 4.29: Kết quả đáp ứng trở kháng mơ hình Comsol 4.0 nhóm 0 và nhóm 1
phạm vi tần số từ 11 kHz tới 150 kHz.................................................................... 87
Hình 4.30: So sánh kết quả RMSD giữa mơ hình và thí nghiệm trong phạm vi
tần số từ 11 kHz tới 150 kHz. ................................................................................ 88
Hình 4.31: So sánh kết quả RMSD giữa mơ hình và thí nghiệm trong phạm vi
tần số từ 300 kHz tới 450 kHz. .............................................................................. 88
Hình 4.32: Chi tiết nối cột thép.............................................................................. 91
Hình 4.33: Chi tiết vị trí PZT................................................................................. 92
Hình 4.34: Chi tiết vị trí bulơng............................................................................. 92
Hình 4.35: Đáp ứng trở kháng trong phạm vi tần số 1 kHz tới 12 kHz từ PZT 1
tới PZT 8. .............................................................................................................. 95
Hình 4.36: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1
hư 10%.................................................................................................................. 96
Hình 4.37: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 2
hư 10%.................................................................................................................. 96
Hình 4.38: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 10%.................................................................................................................. 96
Hình 4.39: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 10%.................................................................................................................. 97
Hình 4.40: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 10%.................................................................................................................. 97
Hình 4.41: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 10%.................................................................................................................. 97
Hình 4.42: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 7
hư 10%.................................................................................................................. 98
xi
Hình 4.43: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 10%.................................................................................................................. 98
Hình 4.44: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 1
hư 25%.................................................................................................................. 98
Hình 4.45: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 2
hư 25%.................................................................................................................. 99
Hình 4.46: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 3
hư 25%.................................................................................................................. 99
Hình 4.47: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 25%.................................................................................................................. 99
Hình 4.48: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 25%................................................................................................................ 100
Hình 4.49: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 25%................................................................................................................ 100
Hình 4.50: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 7
hư 25%................................................................................................................ 100
Hình 4.51: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 8
hư 25%................................................................................................................ 101
Hình 4.52: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1
hư 50%................................................................................................................ 101
Hình 4.53: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 2
hư 50%................................................................................................................ 101
Hình 4.54: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 3
hư 50%................................................................................................................ 102
Hình 4.55: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 4
hư 50%................................................................................................................ 102
xii
Hình 4.56: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 50%................................................................................................................ 102
Hình 4.57: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 50%................................................................................................................ 103
Hình 4.58: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 50%................................................................................................................ 103
Hình 4.59: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 50%................................................................................................................ 103
Hình 4.60: Chi tiết vị trí PZT............................................................................... 104
Hình 4.61: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1
hư 10%................................................................................................................ 105
Hình 4.62: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 2
hư 10%................................................................................................................ 105
Hình 4.63: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 10%................................................................................................................ 105
Hình 4.64: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 10%................................................................................................................ 106
Hình 4.65: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 10%................................................................................................................ 106
Hình 4.66: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 10%................................................................................................................ 106
Hình 4.67: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 10%................................................................................................................ 107
Hình 4.68: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 10%................................................................................................................ 107
Hình 4.69: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1
hư 25%................................................................................................................ 107
xiii
Hình 4.70: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 1
hư 25%................................................................................................................ 108
Hình 4.71: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 3
hư 25%................................................................................................................ 108
Hình 4.72: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 25%................................................................................................................ 108
Hình 4.73: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 25%................................................................................................................ 109
Hình 4.74: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 25%................................................................................................................ 109
Hình 4.75: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 25%................................................................................................................ 109
Hình 4.76: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 25%................................................................................................................ 110
Hình 4.77: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 1
hư 50%................................................................................................................ 110
Hình 4.78: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 2
hư 50%................................................................................................................ 110
Hình 4.79: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 50%................................................................................................................ 111
Hình 4.80: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 50%................................................................................................................ 111
Hình 4.81: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 50%................................................................................................................ 111
Hình 4.82: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 6
hư 50%................................................................................................................ 112
xiv
Hình 4.83: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 50%................................................................................................................ 112
Hình 4.84: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 50%................................................................................................................ 112
Hình 4.85: Chi tiết vị trí PZT............................................................................... 113
Hình 4.86: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 1
hư 10%................................................................................................................ 114
Hình 4.87: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 2
hư 10%................................................................................................................ 114
Hình 4.88: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 10%................................................................................................................ 114
Hình 4.89: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 4
hư 10%................................................................................................................ 115
Hình 4.90: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 5
hư 10%................................................................................................................ 115
Hình 4.91: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 10%................................................................................................................ 115
Hình 4.92: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 10%................................................................................................................ 116
Hình 4.93: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 10%................................................................................................................ 116
Hình 4.94: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 1
hư 25%................................................................................................................ 116
Hình 4.95: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 2
hư 25%................................................................................................................ 117
Hình 4.96: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 25%................................................................................................................ 117
xv
Hình 4.97: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 4
hư 25%................................................................................................................ 117
Hình 4.98: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 5
hư 25%................................................................................................................ 118
Hình 4.99: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 25%................................................................................................................ 118
Hình 4.100: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 25%................................................................................................................ 118
Hình 4.101: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 8
hư 25%................................................................................................................ 119
Hình 4.102: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 1
hư 50%................................................................................................................ 119
Hình 4.103: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 2
hư 50%................................................................................................................ 119
Hình 4.104: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 3
hư 50%................................................................................................................ 120
Hình 4.105: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 4
hư 50%................................................................................................................ 120
Hình 4.106: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 5
hư 50%................................................................................................................ 120
Hình 4.107: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 6
hư 50%................................................................................................................ 121
Hình 4.108: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulơng 7
hư 50%................................................................................................................ 121
Hình 4.109: Chỉ số RMSD trong phạm vi tần số 3 kHz tới 7 kHz khi bulông 8
hư 50%................................................................................................................ 121
xvi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1 Đặc trưng dầm nhôm .............................................................................. 66
Bảng 4.2 Đặc trưng PZT 5-A................................................................................. 66
Bảng 4.3 So sánh kết quả tần số có đỉnh trở kháng cao của dầm 1 và dầm 2
giữa mơ hình, thí nghiệm và tính tốn.................................................................... 68
Bảng 4.4 So sánh kết quả dầm 3 và dầm 4 giữa mơ hình , thí nghiệm và tính
tốn tần số nơi có đỉnh trở kháng cao..................................................................... 69
Bảng 4.5 Đặc trưng dầm nhôm .............................................................................. 72
Bảng 4.6 Đặc trưng miếng PZT ............................................................................. 73
Bảng 4.7 Đặc trưng tấm nhơm trịn........................................................................ 81
Bảng 4.8 Đặc trưng miếng PZT ............................................................................. 81
Bảng 4.9 So sánh tần số có đỉnh trở kháng cao trong phạm vi tần số từ 0.5
kHz tới 40 kHz trong giai đoạn không hư hỏng .................................................... 82
Bảng 4.10 Giá trị mômen xiết chặt và lực kéo trong thân bulông........................... 91
xvii
DANH MỤC KÍ HIỆU
CC
=
Correlation coefficient.
Cov
=
Covariance.
CIMMS
=
Center for Itelligent Materials and Structure.
FRF
=
Frequency response function.
FRP
=
Fiber reinforced plastic.
MAPD
=
Mean absolute percentage deviation.
MEMS
=
MicroElectroMechanical Systems.
NDE
=
Non-Destructive Evaluation.
PZT
=
Lead Zirconate Titanate.
RMSD
=
Root-Mean-Square deviation.
SHM
=
Structural Health Monitoring.
UCL
=
Upper control limit.
c
=
Hệ số cản.
E
=
Điện trường.
d 32
=
Hằng số áp điện.
D3
=
Sự dịch chuyển điện.
D
=
Đường kính của bulơng.
dw
=
Đường kính trung bình của vịng đệm.
F
=
Lực đặt vào bởi thiết bị truyền động.
KA
=
Độ cứng tĩnh định của PZT.
KD
=
Độ cứng động học.
Ks
=
Hệ số độ cứng của lị xo.
m
=
Khối lượng.
p
=
Bước ren.
S2
=
Biến dạng.
rt
=
Bán kính của ren.
xviii
rb
=
Bán kính đệm.
T
=
Mơment xoắn đặt vào đầu hoặc đai ốc bulông.
Tp
=
Thành phần môment xoắn ren.
T2
=
Ứng suất.
wA, hA, và lA
=
Chiều rộng, chiều dày, chiều dài của PZT.
x
=
Chuyển vị.
xin
=
Chuyển vị tự do của PZT.
Y22E
=
Môđun đàn hồi của PZT với điện trường bằng 0.
ω
=
Tần số kích thích.
ωn
=
Tần số cộng hưởng của kết cấu.
E
=
Biến dạng cơ học của PZT tại điện trường bằng 0.
33
E
=
Hằng số điện dung của miếng áp điện tại ứng suất bằng 0.
v
=
Chuyển vị trong hướng y.
=
Tỷ trọng của PZT.
=
Hệ số mất chất điện mơi.
=
Hệ số mất tính cơ học.
xi và yi
=
Tín hiệu thu được từ PZT liên kết trên kết cấu trước và sau
s 22
hư hỏng.
và
=
Độ lệch trung bình và độ lệch tiêu chuẩn của RMSD.
x và y
=
Giá trị trung bình của hai bộ dữ liệu từ tín hiệu dẫn nạp.
σx và σy
=
Độ lệch chuẩn của tín hiệu x và y.
μt
=
Hệ số ma sát của ren.
μb
=
Hệ số ma sát bề mặt đệm.
β
=
Nữa góc nghiêng của ren.
1
Chương 1.
GIỚI THIỆU
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Biết sự toàn vẹn của kết cấu trong quá trình sử dụng liên tục là một mục tiêu
rất quan trọng:
Cho phép sử dụng tối ưu kết cấu, và tránh gây sụp đổ kết cấu.
Cung cấp cho các nhà xây dựng một sự cải tiến trong sản phẩm
của mình.
Thay đổi tổ chức cơng việc bảo trì: i) nhằm thay thế kiểm tra bảo
dưỡng định kỳ theo lịch trình, giảm lao động bảo trì hiện tại; ii)
giảm thiểu sự tham gia của con người, và do đó làm giảm lao
động, cải thiện an tồn và độ tin cậy.
Cải thiện an toàn trong sử dụng là một động lực mạnh mẽ, đặc biệt là sau khi
một số vụ tai nạn xảy ra, ví dụ, sụp đổ tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định
(Việt Nam 2012) ( hình 1.1) hoặc sụp đổ cột ăng ten cao 150 m ở Quảng Ninh (Việt
Nam 2013) ( hình 1.2), sụp đổ của sân bay Charles de Gaulle, (Pháp 2004) ( hình
1.3), sụp đổ của cầu Laval (Canada 2006) ( hình 1.4), sụp đổ của cầu Mississippi
River (Mỹ 2007) ( hình 1.5).
2
Hình 1.1: Sụp đổ tháp truyền hình cao 180 m ở Nam Định (Việt Nam 2012).
Hình 1.2: Sụp đổ cột ăng ten cao 150 m ở Quảng Ninh (Việt Nam 2013).
3
Hình 1.3: Sụp đổ của sân bay Charles de Gaulle (Pháp 2004).
Hình 1.4: Sụp đổ của cầu Laval (Canada 2006).
4
Hình 1.5: Sụp đổ của cầu Mississippi River (Mỹ 2007).
Để đảm bảo kết cấu an toàn trong sử dụng và giảm thiểu tai nạn đáng tiếc
xảy ra, giảm thiệt hại về kinh tế, đặc biệt là bảo đảm tính mạng của người sử dụng.
Do đó, việc xác định những hư hỏng trong kết cấu để tiến hành gia cố, sửa chữa có
ý nghĩa quan trọng. Đồng thời, theo dõi sức khỏe kết cấu làm giảm chi phí bảo trì
kết cấu.
Mục tiêu cuối cùng của các nỗ lực theo dõi sức khỏe kết cấu là sử dụng tích
hợp thiết bị cảm biến để cung cấp cho khả năng tự theo dõi các kết cấu và đưa ra
một cảnh báo khi hư hỏng xảy ra. Việc cảnh báo sẽ hữu ích hơn khi hư hỏng mới
bắt đầu hơn là khi thiệt hại nghiêm trọng đã xảy ra và các chức năng của kết cấu bị
tổn hại.
Các kỹ thuật giám sát tính tồn vẹn kết cấu được đề xuất sử dụng các thay
đổi trong đáp ứng động học (do hư hỏng) để định lượng, xác định hư hỏng. Sự khác
biệt cơ bản giữa kỹ thuật này và các phương pháp phân tích khác, kỹ thuật này dựa
trên phương thức sử dụng các tần số để kích thích kết cấu và kết hợp với cảm biến
5
cảm nhận cường độ rung động của kết cấu. Các tần số được sử dụng trong kỹ thuật
này là tần số cao. Để cảm nhận được những hư hỏng mới bắt đầu mà những hư
hỏng này không gây ra bất kỳ sự thay đổi trong các đặc trưng độ cứng tổng thể của
kết cấu, nó cần thiết cho việc sử dụng các bước sóng kích thích phải nhỏ hơn chiều
dài đặc trưng của những hư hỏng được phát hiện. Phát hiện các hư hỏng ở mức độ
mới bắt đầu, trước khi tình trạng nguyên vẹn tổng thể của kết cấu thay đổi, là hữu
ích nhất vì nó có thể cung cấp cho một cảnh báo trước khi sụp đổ thực sự xảy ra. Từ
các kỹ thuật phân tích dựa trên phương thức tổng thể không nhạy cảm với loại hư
hỏng mới bắt đầu.
Kỹ thuật mô tả ở đây sử dụng các miếng nhỏ PZT (Lead Zirconate Titanate)
để đưa ra tần số kích thích cao, thường nằm trong khoảng kHz, với kết cấu đang
được theo dõi. Ở tần số kích thích cao như vậy, phản ứng chủ yếu là dạng cục bộ và
hư hỏng mới bắt đầu như các vết nứt nhỏ và tách lớp vật liệu, đưa ra những thay đổi
có thể đo được trong các đặc trưng trở kháng. Các tần số cao cũng hạn chế diện tích
cảm biến của thiết bị truyền động. Khu vực cảm biến hạn chế này giúp cô lập các
ảnh hưởng của hư hỏng trên tín hiệu trở kháng từ những thay đổi khối lượng, độ
cứng và điều kiện biên ở khu vực xa hư hỏng. Vì vậy, kỹ thuật này sẽ hữu ích trong
việc xác định và theo dõi hư hỏng trong những khu vực kết cấu mà tính tồn vẹn kết
cấu cần phải được đảm bảo tại mọi thời điểm.
Trong lĩnh vực xây dựng, liên kết bulông được sử dụng rộng rãi đặc biệt
trong kết cấu thép, do bulông dễ lắp ráp và tháo dỡ, dễ chế tạo, chi phí thấp... Liên
kết bulơng ngồi khả năng liên kết các chi tiết kết cấu cịn có khả năng chịu lực khi
có ngoại lực gây ra. Đối với bulông thường, bulông thô, bulông tinh do vặn êcu nên
bulông chịu kéo và bản thép bị xiết chặt, giữa các mặt tiếp xúc của các bản thép
hình thành lực ma sát. Lực ma sát này tiếp nhận một phần lực trượt do tải ngoài gây
ra. Trong liên kết bulông cường độ cao lực ma sát giữa các bản thép hoàn toàn tiếp
nhận lực trượt do ngoại lực gây ra. Do đó khi êcu bị lỏng làm lực ma sát giữa các
bản thép giảm đi, dẫn đến khả năng chịu lực của liên kết giảm đi, có thể làm hư
hỏng hoặc sụp đổ cơng trình. Do đó, việc tìm ra hư hỏng của liên kết bulơng có ý
