Báo Cáo Thuật toán xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng của cầu

TÓM TẮT: Bài báo trình bày hai nội dung. Thứ nhất, giới thiệu một thuật toán mới, mang tên thuật toán VTHH, dùng để xác định vị trí suy giảm độ cứng chống biến dạng trên cầu dựa vào độ biến thiên thế năng biến dạng đàn hồi của cầu khi xuất hiện khuyết tật – được xác lập thông qua số liệu đo biên độ giao động. Trong đó, hệ thống suy diễn Neuro-Fuzzy được chúng tôi ứng dụng để nhận dạng cơ hệ ở giai đoạn chưa bị hư hỏng, là cơ sở để đánh giá mức độ suy giảm độ cứng chống biến dạng của cơ hệ ở hai thời điểm: thời điểm được nhận dạng và thời điểm kiểm tra. Nội dung thứ hai trình bày thí nghiệm đo biên độ dao động của cầu mô hình được chúng tôi thực hiện tại Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng, trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh. Thí nghiệm nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu để kiểm chứng thuật toán VTHH, định hướng ứng dụng cũng như so sánh hiệu quả của thuật toán này với Phương pháp năng lượng đã được công bố.
Từ khóa: tên thuật toán VTHH, , hệ thống suy diễn Neuro-Fuzzy


1.ĐẶT VẤN ĐỀ


Phương pháp xác định vị trí hư hỏng và mức độ hư hỏng của cầu dựa trên đặc điểm về biến thiên thế năng biến dạng đàn hồi của cầu - dạng dầm chịu lực - khi xuất hiện khuyết tật của [5] và [8] có độ tin cậy khá cao khi ứng dụng cho các mô hình tính toán của cầu, ngay cả trong trường hợp số liệu đo có sai số và khuyết tật xuất hiện đồng thời tại nhiều phần tử với những mức độ hư hỏng khác nhau. Nguyên tắc của phương pháp là cầu được phân chia thành nhiều phần tử nhỏ dạng dầm theo mô hình của phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Cho hệ dao động ở những tần số khác nhau ứng với các mode dao động khác nhau (gọi là các trạng thái dao

động -TTDĐ). Đo chuyển vị nút Yj , j  1 .n

tại những thời điểm khác nhau trước và sau khi

có khuyết tật để tính các hệ số hư hỏng [5] hoặc tính hệ số hư hỏng trung bình [8] của từng phần tử. Phần tử có độ suy giảm độ cứng chống biến dạng EJ lớn nhất là phần tử có có hệ số hư hỏng lớn nhất.
Trong bài báo này chúng tôi trình bày một thuật toán mới về xác định vị trí hư hỏng xuất hiện trên cơ hệ, thuật toán VTHH, được xây dựng trên cơ sở phát triển phương pháp năng lượng của [5], [8] và ứng dụng mạng Neuro-Fuzzy của [9]:
- Thuật toán VTHH dựa vào sự thay đổi thế năng biến dạng đàn hồi (TNBDĐH) của phần tử để nhận biết vị trí khuyết tật trên cơ hệ. Tuy nhiên khác với [5], ở đây chúng tôi thực hiện việc so sánh theo hai mức: so sánh tuyệt đối và so sánh tương đối. So sánh sự thay đổi tuyệt đối của TNBDĐH trên từng phần tử ở hai thời điểm, thời điểm không hư và thời điểm kiểm tra nhằm xác định tình trạng suy giảm TNBDĐH trên từng phần tử. So sánh sự thay đổi tương đối của TNBDĐH trên từng phần tử so với các phần tử còn lại trên cơ hệ tại mỗi thời điểm nhằm xác định phần tử có mức độ suy giảm lớn nhất, nghĩa là phần tử có khả năng bị phá hỏng sớm nhất trên cơ hệ.
- Để xác định được TNBDĐH của cơ hệ ở hai thời điểm, thời điểm không hư hỏng và thời điểm kiểm tra chúng ta phải tiến hành đo biên độ dao động tại các điểm nút của từng phần tử trong cùng một TTDĐ. Việc này có thể thực hiện một cách dễ dàng trên mô hình toán – như đã được trình bày trong [5] và [8] – nhưng lại rất khó thực hiện chính xác trên một cơ hệ thực tế vì khó có thể lặp lại một cách chính xác một TTDĐ ở hai thời điểm khác nhau trên một cơ hệ thực





có cấu trúc phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng mạng Neuro-Fuzzy của [11] để nhận dạng cơ hệ trong mối quan hệ input-output là TTDĐ-chuyển vị. Đây là một mô hình suy diễn có cấu trúc thích nghi và cho độ chính xác đáp ứng cao, hoàn toàn phù hợp với bài toán này.
- Nhằm kiểm chứng hiệu quả của thuật toán được đề xuất cũng như đánh giá khả năng áp dụng thuật toán này trên các hệ thống cầu thực, chúng tôi đã tiến hành thực hiện nhiều bài thí nghiệm đo động để xây dựng cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng hai thuật toán VTHH và [5] trên một khung thí nghiệm giả lập cấu trúc, chế độ làm việc, và giả lập tình trạng suy giảm độ cứng chống biến dạng của một nhịp cầu tựa trên hai gối (khớp bản lề loại 4 và loại 5). Thí nghiệm được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Cơ học ứng dụng của trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh.


2. HỆ SỐ HƯ HỎNG TƯƠNG ĐỐI


Hệ số hư hỏng tương đối – là cơ sở để thiết lập thuật toán VTHH – được chúng tôi xây dựng dựa trên mức độ biến thiên thế năng biến dạng đàn hồi khi xuất hiện khuyết tật làm suy giảm độ cứng chống biến dạng của phần tử.
Chia cơ hệ ra thành Ne phần tử và kích thích cho hệ dao động. Thế năng biến dạng đàn hồi
của phần tử thứ j ở trạng thái dao động thứ i được tính: