Luận văn Chẩn đoán vết nứt trong thanh bằng tần số riêng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ LINH KHUÊ
CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG THANH
BẰNG TẦN SỐ RIÊNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN THỊ LINH KHUÊ
CHẨN ĐOÁN VẾT NỨT TRONG THANH
BẰNG TẦN SỐ RIÊNG
Ngành:
Cơ kỹ thuật
Chuyên ngành:
Cơ kỹ thuật
Mã số:
60 52 01 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN THANH HẢI
Hà Nội – 2016
ii
Lời cám ơn
Tôi xin chân thành cám ơn thầy hướng dẫn khoa học đã tận tình hướng
dẫn, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi cũng xin bày tỏ sự biết ơn tới sự quan tâm của Khoa Cơ kỹ thuật và
Tự động hóa - Trường Đại học Công Nghệ và sự ủng hộ của bạn bè đã giúp đỡ
tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình và người thân đã động viện
giúp đỡ, ủng hộ tôi trong thời gian làm luận văn.
Học Viên
Nguyễn Thị Linh Khuê
iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan..........................................................................................................i
MỤC LỤC............................................................................................................iii
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt ..................................................................iv
Danh mục các hình vẽ ..........................................................................................vi
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1........................................................................................................... 6
1.4. Hàm đáp ứng tần số.............................................................................. 13
Kết luận Chương 1 ...................................................................................... 16
CHƯƠNG 2......................................................................................................... 17
2.1. Bài toán chẩn đoán [19] ....................................................................... 17
Kết luận Chương 2 ...................................................................................... 24
CHƯƠNG 3......................................................................................................... 25
3.3. Kết quả chẩn đoán................................................................................ 39
3.3. Kết luận Chương 3............................................................................... 42
KẾT LUẬN CHUNG.......................................................................................... 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 45
PHỤ LỤC I.......................................................................................................... 47
PHỤ LỤC II ........................................................................................................ 48
PHỤ LỤC III....................................................................................................... 51
PHỤ LỤC IV....................................................................................................... 57
iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
E – mô đun đàn hồi (N/m2).
ρ – khối lượng riêng (kg/m3).
F – diện tích tiết diện ngang (m2).
L – chiều dài thanh (m).
– hệ số cản (N.s/m).
c E / – vận tốc truyền sóng.
- tần số dao động riêng của thanh (rad/s).
= /c – trị riêng.
N – lực dọc trục (N).
p(x,t) – lực phân bố dọc trục (N/m).
u(x,t) – chuyển vị dọc trục.
– ứng suất (N/m2).
– biến dạng.
e1,..., en – vị trí vết nứt
a1,..., an – độ sâu vết nứt tương ứng.
K j , j 1,..., n
– độ cứng lò xo dọc trục (vết nứt được mô tả lò xo)
v
Danh mục các bảng
vi
Danh mục các hình vẽ
Hình 1.2: Mô hình thanh có vết nứt. .................................................................... 9
Hình 1.3. Thanh ngàm – tự do. ........................................................................... 12
Hình 1.4. Thanh ngàm – ngàm............................................................................ 13
Hình 1.5. Thanh tự do – tự do............................................................................. 13
một đầu ngàm – một đầu tự do........................................................................... 27
hai đầu ngàm – ngàm (một vết nứt tại 0.1). ........................................................ 29
hai đầu ngàm – ngàm. ......................................................................................... 31
hai đầu tự do – tự do............................................................................................ 34
1
MỞ ĐẦU
Để đảm bảo sự làm việc an toàn và tránh các tai nạn có thể xảy ra, việc
phát hiện kịp thời các vết nứt trong kết cấu là rất cần thiết. Do đó, thời gian gần
đây trên các tạp chí về kỹ thuật công trình công bố nhiều công trình nghiên cứu
về kết cấu có vết nứt.
Nội dung chính của việc nghiên cứu kết cấu có vết nứt bao gồm hai bài
toán: Bài toán phân tích dao động hay còn gọi là bài toán thuận, nhằm nghiên
cứu ứng xử của kết cấu khi xuất hiện (đã biết) vết nứt; Bài toán chẩn đoán, thực
chất là một bài toán ngược, nhằm mục đích phát hiện vết nứt (vị trí, kích thước
và số lượng vết nứt) trong kết cấu dựa trên các số liệu đo đạc về ứng xử của nó.
Nội dung của Bài toán thuận là khảo sát sự ảnh hưởng của các vết nứt lên
ứng xử của công trình. Công việc đầu tiên của bài toán thuận là xây dựng mô
hình kết cấu có vết nứt. Sau đó là tính toán phân tích các đặc trưng và ứng xử
của kết cấu kết cấu phụ thuộc vào vị trí, độ sâu và số lượng vết nứt có thể xuất
hiện trong kết cấu. Trong việc tính toán phân tích kết cấu có vết nứt, một vấn đề
quan trọng là nghiên cứu ảnh hưởng của vết nứt đến đặc trưng dao động như tần
số riêng, dạng dao động riêng của kết cấu (dao động riêng). Những nghiên cứu
Bài toán thuận nêu trên là cơ sở quan trọng trong việc giải Bài toán chẩn đoán
vết nứt.
Nội dung của Bài toán chẩn đoán vết nứt chính là việc xác định vị trí, kích
thước và số lượng của vết nứt dựa trên các số liệu đo đạc về ứng xử của kết cấu.
Chẩn đoán vết nứt có thể tiến hành bằng hai cách. Một là xử lý trực tiếp các số
liệu thu thập được trong việc khảo sát, đo đạc trên kết cấu thực (bao gồm cả
những hình ảnh thu thập được) để phát hiện những thay đổi bất thường trong kết
cấu dạng vết nứt dựa trên các hiểu biết về ảnh hưởng của các vết nứt lên ứng xử
của kết cấu (kết quả bài toán thuận). Cách tiếp cận này gọi là phương pháp trực
tiếp hay chẩn đoán theo triệu chứng (symptom based approach) đã và đang được
phát triển theo hướng kết hợp chặt chẽ với công cụ kiểm tra không phá huỷ.
Cách tiếp cận thứ hai dựa trên mô hình (model based approach) kết cấu có vết
nứt giả định và số liệu đo đạc được về ứng xử của kết cấu. Kết quả cho ta một
mô hình kết cấu có vết nứt cụ thể tương ứng với số liệu đo đạc thực tế. Cách tiếp
cận sau gọi là phương pháp mô hình hay phương pháp nhận dạng hệ thống đang
được nghiên cứu hiện nay. Ưu thế của phương pháp mô hình là tận dụng được
các công cụ toán học hiện đại, đặc biệt là công nghệ phần mềm để phát hiện
không chỉ vị trí vết nứt mà còn dự báo cả kích thước của vết nứt.
Trong việc giải bài toán chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp mô hình,
người ta có thể sử dụng các thông tin khác nhau về ứng xử của kết cấu làm đầu
2
vào cho bài toán. Thông tin này bao gồm hai loại chính: các đặc trưng dao động
của kết cấu như các tần số và dạng dao động riêng hoặc đáp ứng của kết cấu
chịu tải trọng. Các đặc trưng dao động của kết cấu gắn liền với các tính chất cơ
học của nó như khối lượng; độ cứng; kích thước hình học và các liên kết. Vì
vậy, sử dụng các đặc trưng dao động để chẩn đoán vết nứt có ưu điểm là không
phụ thuộc vào tác động bên ngoài, nhưng lại có nhược điểm là mắc sai số trong
việc xác định chúng từ số liệu đo. Sử dụng các số liệu đo đạc các đặc trưng dao
động hay đáp ứng động của kết cấu để giải bài toán chẩn đoán vết nứt được gọi
là Phương pháp dao động trong chẩn đoán vết nứt. Những kết quả chính trong
việc phát triển phương pháp dao động trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu được
tổng quan trong [1-3].
Những khó khăn chủ yếu trong việc chẩn đoán vết nứt bằng phương pháp
mô hình cho đến nay vẫn còn đang được giải quyết bao gồm: Một là sự sai khác
giữa mô hình kết cấu có vết nứt so với thực tế (sai số mô hình); Hai là số liệu đo
đạc thực tế luôn chứa đựng sai số (sai số đo đạc) ngay cả với những thiết bị hiện
đại; Ba là khối lượng thông tin thu được từ số liệu đo luôn bị hạn chế so với yêu
cầu (thiếu thông tin). Tất cả những khó khăn này đều dẫn đến kết quả chẩn đoán
vết nứt không chính xác và không ổn định đối với các số liệu đầu vào.
Phương hướng chung để giải quyết những khó khăn nêu trên là: a) Xây
dựng mô hình kết cấu có vết nứt sát với thực tế hơn đồng thời với việc tìm lời
giải chính xác cho các mô hình mới được xây dựng (giảm thiểu sai số mô hình)
và bổ sung số liệu tính toán để giải quyết vấn đề thiếu thông tin từ số liệu đo; b)
Phát triển các phương pháp toán học hiện đại có thể loại trừ được các sai số đo
đạc hoặc giải quyết bài toán chẩn đoán vết nứt một cách ổn định khi các số liệu
đo đạc có sai số lớn; c) Sử dụng các thiết bị đo đạc hiện đại, các đặc trưng kết
cấu chứa nhiều thông tin hơn hay kể cả các phương pháp toán học ngoại suy số
liệu để có thêm nguồn thông tin phục vụ chẩn đoán hư hỏng.
1. Tổng quan về bài toán chẩn đoán vết nứt trong thanh
Bài toán cơ bản đầu tiên về vấn đề này được nghiên cứu bởi Adams và các
cộng sự [4] cho trường hợp thanh đàn hồi có khuyêt tật làm suy giảm độ cứng
cục bộ và được mô tả bằng một lò xo dọc trục có độ cứng chưa biết là Kx. Giả sử
độ mềm của thanh ở hai bên khuyết tật là
và
, khi đó ta có phương trình
1
0
.
Kx
3
Trong trường hợp thanh không có khuyết tật, tức là không có sự suy giảm
độ cứng hay không có sự tăng thêm của độ mềm, 1/ Kx 0 nghĩa là Kx , thì
phương trình trên sẽ là: 0 0 0
.
Vì khuyết tật không phụ thuộc vào kết cấu, nên ta có
1
( ) ( )
.
1 2
Kx
Phương trình này cho phép ta xác định được cả vị trí khuyết tật và sự suy
giảm độ cứng do khuyết tật nếu biết hai tần số dao động dọc trục. Trong công
trình đầu tiên này, các tác giả chưa mô tả chi tiết bản chất vật lý của khuyết tật
cục bộ.
Haisty và Springer [5] đã sử dụng mô hình lò xo dọc trục này để mô tả vết
nứt trong một phần tử thanh. Các tác giả này đã đưa ra các công thức tính độ
cứng của lò xo thay thế từ độ sâu vết nứt và sử dụng để xây dựng mô hình phần
tử hữu hạn của thanh có vết nứt.
Đồng thời, Chondros và Dirmarogonas [6] đã xây dựng hoàn chỉnh mô
hình lò xo cho vết nứt trong thanh dựa trên lý thuyết cơ học phá hủy (xem Phụ
lục I). Ở đây các tác giả cũng đã đưa ra các công thức tính độ cứng lò xo tương
đương được sử dụng để mô tả vết nứt trong dao động dọc trục.
Sử dụng mô hình lò xo cho vết nứt, Narkis [7] đã thiết lập được một
phương trình tần số gần đúng ở dạng
2cos (sin sine) 0
,
trong đó là hàm của độ sâu vết nứt và e là vị trí vết nứt,
với c là vận
L/c
tốc truyền song trong thanh c E / . Tác giả đã sử dụng phương trình này để
tìm nghiệm giải tích đối với vị trí vết nứt từ số liệu đo hai tần số riêng trong
trường hợp điều kiện biên gối tựa đơn ở dạng
e (2 /)arccos(1 R / 2)
12
với R12 là tỷ số giữa hai tần số đo được.
Sau đó, Morassi [8] đã nghiên cứu chi tiết bản chất toán học của phổ tần số
riêng của thanh có vết nứt và đưa ra các biện pháp để chẩn đoán vết nứt bằng tần
số riêng. Ông đã thiết lập được phương trình gần đúng (xấp xỉ bậc nhất) để xác
định vị trí vết nứt ở dạng
2
1
2
N1(e)
; N (e) EF(e)U (e)
.
k k
N 21(e)
Ruotolo và Surace [9] đã thiết lập được phương trình tần số của thanh chứa
nhiều vết nứt ở dạng định thức và sử dụng để phân tích chi tiết ảnh hưởng vị trí
và độ sâu vết nứt đến tần số riêng.
4
Trong các nghiên cứu của GS. Nguyễn Tiến Khiêm và cộng sự đã xây dựng
được biểu thức hiển cho dạng dao động riêng cho thanh chứa nhiều vết nứt.
Đồng thời các tác giả cũng đã thiết lập được một phương trình tần số mới để tính
toán tần số riêng phụ thuộc vào vết nứt. Tuy nhiên ở các công trình này, các tác
giả đã đi sâu nghiên cứu sự thay đổi các điểm nút của dạng riêng (tức các vị trí
trong thanh mà dạng riêng triệt tiêu) với mục đích chẩn đoán vết nứt bằng dạng
riêng.
Davini [10] cùng cộng sự đã có một nghiên cứu thực nghiệm rất bài bản về
dao động dọc trục trong thanh có vết nứt và đưa ra được những khuyến cáo bổ
ích để chẩn đoán vết nứt bằng dao động.
Tiếp đó, Dilena [11-12] và cộng sự đã giải bài toán chẩn đoán vết nứt trong
thanh với điều kiện biên không lý tưởng bằng tần số riêng và tần số phản cộng
hưởng.
Bài toán chẩn đoán vết nứt trong thanh bằng các điểm nút đã được giải
quyết bởi Gladwell và Morassi trong [13].
Gần đây, GS. Nguyễn Tiến Khiêm và cộng sự đã giải quyết bài toán chẩn
đoán vết nứt trong cọc bằng cách đo đạc hàm đáp ứng tần số [15]. Bằng cách
này, tác giả có thể tránh được các sai số đo đạc tần số riêng và các tần số cộng
hưởng. Trong công bố này, các tác giả đã thiết lập được biểu thức hiển của
phương trình tần số và hàm đáp ứng tần số cho thanh có nhiều vết nứt. Tuy
nhiên, các tác giả mới chỉ sử dụng hàm đáp ứng tần số để chẩn đoán vết nứt mà
chưa sử dụng phương trình tần số.
Trong luận văn này sử dụng phương trình tần số đã thiết lập cùng với các
tần số đo của dao động dọc trục để chẩn đoán vết nứt trong thanh.
2. Đặt vấn đề và lựa chọn phương pháp nghiên cứu
Trong khi bài toán chẩn đoán vết nứt cho dầm đàn hồi đã được giả quyết
trong rất nhiều công trình, xem tài liệu tham khảo trong [18], thì vấn đề chẩn
đoán vết nứt trong thanh (hay sử dụng dao động dọc trục) còn ít được nghiên
cứu như đã trình bày ngắn gọn ở trên. Đặc biệt việc chẩn đoán bằng tần số riêng
và phương trình tần số chính xác vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Vì vậy, bài toán đặt ra trong luận văn này là:
(1) Xây dựng mô hình dao động dọc trục của thanh có số lượng vết nứt bất kỳ,
trong đó quan trọng nhất là thiết lập phương trình tần số ở dạng tường minh
biểu diễn qua các tham số vết nứt;
(2) Xây dựng một quy trình chẩn đoán vết nứt bằng tần số riêng sử dụng phương
pháp điều chỉnh Tikhonov và phương pháp dò vết nứt (crack scanning
method);
5
(3) Tính toán thử nghiệm bằng số một số trường hợp cụ thể.
Mục tiêu của luận văn này là xây dựng quy trình chẩn đoán vết nứt trong
kết cấu dựa trên mô hình đã được chính xác hóa cùng với các tần số riêng đo đạc
được.
Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là kết cấu đơn giản dạng thanh đàn
hồi vì hai lý do sau đây. Một là, trong thực tế kỹ thuật người ta sử dụng nhiều
các cấu kiện dạng thanh (bar) chỉ chịu kéo nén dọc trục như cọc (pile) hay các
bộ phận của dàn (truss). Hai là, dạng kết cấu này cho phép ta áp dụng nhiều
phương pháp giải tích có độ chính xác cao.
Phương pháp nghiên cứu ở đây chủ yếu là phương pháp giải tích, sự kết
hợp của các phương pháp đã biết như phương pháp mô hình (model-based) và
một phương pháp được GS. Nguyễn Tiến Khiêm đề xuất trong các công bố [17-
18] được gọi là Phương pháp dò tìm vết nứt (Crack Scanning Method). Đồng
thời để giải các bài toán chẩn đoán trong trường hợp thiếu số liệu đo và/hoặc sai
số trong số liệu liệu đo, đã áp dụng phương pháp điều chỉnh Tikhonov.
Nội dung của luận án bao gồm các phần sau:
Đặt vấn đề nghiên cứu: trình bày tổng quan về bài toán chẩn đoán hư hỏng
kết cấu nói chung, các vết nứt nói riêng và các phương pháp chẩn đoán vết nứt.
Ở đây tập trung giới thiệu những kết quả chính về phương pháp dao động ứng
dụng trong chẩn đoán hư hỏng kết cấu.
Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết dao động dọc trục của thanh có vết nứt,
thiết lập phương trình tần số cho dao động dọc trục của thanh có nhiều vết nứt
với điều kiện biên tổng quát.
Chương 2 trình bày nội dung bài toán chẩn đoán vết nứt trong thanh bằng
tần số riêng; phương pháp dò tìm vết nứt và đưa ra một quy trình chẩn đoán vết
nứt bằng tần số riêng.
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán bằng số và thảo luận.
Kết luận chung nêu những kết quả chính đã nhận được trong luận văn và
những vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo bao gồm 20 tài liệu về vấn đề nghiên cứu, trong đó có
02 công bố mà tác giả luận văn là đồng tác giả.
Phụ lục 1 nêu các công thức khác nhau để tính độ cứng lò xo tương đương
sử dụng để mô tả vết nứt;
Phụ lục 2 trình bày ứng dụng khai triển kỳ dị của một ma trận bất kỳ vào
việc giải phương trình đại số với ma trận hệ số không vuông hoặc kỳ dị;
Phụ lục 3 tóm tắt sơ lược về phương pháp điều chỉnh Tikhonov và ứng
dụng để giải bài toán chẩn đoán.
6
CHƯƠNG 1
LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG CỦA THANH
1.1. Thiết lập phương trình dao động của thanh[16, 18]
Xét một thanh thẳng có tiết diện đều với các đặc trưng hình học và vật liệu
sau đây: E – modul đàn hồi; F – diện tích tiết diện ngang; ρ – mật độ khối; L –
chiều dài. Ký hiệu u (x,t) là chuyển vị mặt cắt tại x. Chọn hệ tọa độ là một trục
trùng với trục của thanh bắt đầu từ đầu trái như trong Hình 1.1 dưới đây
dx
Hình 1.1. Mô hình dao động dọc trục của thanh.
Các lực tác dụng lên phân tố thanh dx tại mặt cắt x gồm:
- Lực quán tính:
f Fdx.u
1
- Các lực kéo ở hai đầu phân tố:
- Lực cản ngoài:
N
x
N, N
dx
f u
c
- Tải trọng phân bố dọc theo thanh:
Q p(x,t)dx
Hướng tác dụng của các lực này được xác định trong Hình 1.1 sử dụng
nguyên lý D’Alambert ta có thể thiết lập được phương trình
2u
u N
F
p x,t
(1.1)
t2
t x
Theo định luật Hook:
u
x
E E
,
do vậy lực kéo tổng cộng
u
x
N F FE EF
.
(1.2)
7
Khi đó phương trình (1.1) có thể viết ở dạng
2u
u
t x
u
x
F
EF
p x,t
.
(1.3)
t2
Đây là phương trình dao động của thanh, được giải cùng với các điều kiện
biên và điều kiện đầu. Thông thường điều kiện biên thường là cho chuyển vị
hoặc lực, ở đây chúng ta có thể viết điều kiện biên tổng quát ở hai đầu thanh như
sau:
tại
:
x 0
0u(x,t) 0ux (x,t) 0
(1.4)
(1.5)
và tại
:
x 1
1u(x,t) 1ux (x,t) 0
.
Một số trường hợp riêng sau:
+ Nếu đầu thanh bị ngàm chặt thì
0, 1
;
;
(1.6)
(1.7)
+ Nếu đầu thanh tự do:
1, 0
+ Nếu đầu thanh có đệm đàn hồi độ cứng K thì
EF, K
(1.8)
hay
EF / K, 1
.
(1.9)
Ví dụ: đối với thanh ngàm hai đầu thì điều kiện biên là
u(0,t) u(1,t) 0
(1.10)
(1.11)
và thanh có hai đầu tự do thì điều kiện biên là
ux (0,t) ux (1,t) 0
.
1.2. Dao động của thanh không có vết nứt
Xét bài toán dao động tự do, khi lực ngoài và lực cản bằng không
2u
u
x
F
EF
0
.
(1.12)
(1.13)
t2 x
Trong trường hợp các tham số hình học, vật liệu là hằng số ta được
2u(x,t)
2u(x,t)
c2
0; c E /
.
t2
x2
Đây là phương trình sóng một chiều với vận tốc truyền sóng bằng c phụ
thuộc vào môi trường vật liệu, không phụ thuộc vào hình học của kết cấu.
Đặt :
u(x,t) U(x)eit
,
(1.14)
phương trình (1.13) sẽ có dạng
2
2
it
[ U(x)c Ux (x)]e 0.
(1.15)
8
Từ đây ta có phương trình để xác định dạng dao động riêng
2
.
(1.16)
(1.17)
Ux (x) U(x) 0, /c
Dễ dàng nhận thấy nghiệm tổng quát của phương trình (1.16) có dạng
U(x) Acosx Bsinx
,
trong đó các hằng số A, B xác định từ điều kiện biên.
Trước hết ta xét điều kiện biên tổng quát
0U(0) 0Ux (0) 0
(1.18)
1U(1) 1Ux (1) 0.
Thay (1.17) vào (1.18) ta được hệ phương trình để xác định hai hằng số A, B
0 A 0 B 0;
(1 cos 1 sin)A (1 sin 1 cos)B 0.
Để hệ phương trình trên có nghiệm khác không thì điều kiện phải thỏa mãn là
0
0
det
0
(1.19)
(1 cos 1 sin (1 sin 1 cos)
hay
2
.
(1.20)
(01 01)sin (01 10 )cos 0
Đây chính là phương trình tần số dao động dọc trục của thanh với điều kiện
biên tổng quát. Giải phương trình này đối với ta được các nghiệm
k ,k 1,2,3,....
được gọi là các trị riêng của thanh. Ứng với mỗi trị riêng này ta có thể xác định
các tần số riêng và dạng dao động riêng
k k E / , k (x) Ck[A cosk x Bk sink x]; k 1,2,3,.... (1.21)
k
với các hằng số A , Bk được tính từ k
.
k
Từ phương trình (1.20) có thể nhận được phương trình tần số cho các
trường hợp điều kiện biên cổ điển như sau.
Đối với thanh một đầu ngàm một đầu tự do với các hằng số
1 0 0,0 1 1
ta được
cos 0.
(1.22)
(1.23)
Tương tự, xét thanh có hai đầu ngàm, khi đó
0 1 0,0 1 1
và cuối cùng
sin 0.
Trong trường hợp thanh có hai đầu tự do với
0 1 1,0 1 0
ta được phương trình (1.23).
9
Kết thúc phần này, ta xét hàm dạng tổng quát (1.17) thỏa mãn điều kiện
biên tổng quát bên trái (tức x=0)
0U(0) 0Ux (0) 0
.
(1.24)
(1.25)
(1.26)
(1.27)
Thay (1.17) vào (1.24) ta được
0 A 0B 0
Từ đó rút ra
A 0C, B 0C
Trong đó C là một hằng số tùy ý. Như vậy cuối cùng ta được
L0 (x,) C(0 sinx 0 cosx).
Nghiệm này sử dụng để nghiên cứu dao động của thanh có vết nứt ở phần sau.
1.3. Dao động của thanh có vết nứt
e1
e2
en
a1
a2
an
....
x
...
K1
K2
Kn
x =0
x=L
Hình 1.2: Mô hình thanh có vết nứt.
Xét một thanh đàn hồi có tiết diện không đổi và các hằng số E – mô đun
đàn hồi; ρ – khối lượng riêng; F – diện tích tiết diện ngang; L – chiều dài thanh.
Giả sử thanh chứa n biết nứt ngang tại các vị trí e1,..., en và có độ sâu tương ứng
là a1,..., an (Hình 1.2). Vết nứt được mô tả bằng lò xo dọc trục có độ cứng là
K j , j 1,..., n
được tính từ độ sâu vết nứt theo các công thức cho trong Phụ lục 1.
Ta đã thiết lập được phương trình dao động riêng của thanh có dạng
2
U (x) U(x) 0, x(0,1), L / E
.
(1.28)
Tại các vết nứt nghiệm của phương trình (1.28) phải thỏa mãn điều kiện
;
EFU (ej 0) EFU (ej 0) EFU (ej )
(1.29)
K j[U(ej 0) U(ej 0)] EFU (ej ), j 1,..., n
hay
là :
U (ej 0) U (ej 0) U (ej )
U(ej 0) U(ej 0) jU (ej ), j EF / LK j , j 1,..., n
.
(1.30)
Ký hiệu nghiệm của phương trình (1.12) giữa hai vết nứt
e0 0,en1 1
(ej1,ej ), j 1,..., n 1,
U (x), j 1,..., n 1
,
j
10
khi đó các hàm này phải thỏa mãn điều kiện (1.30) được viết lại thành
U j1(ej 0) U j (ej 0) U j (ej );
(1.31)
U j1(ej 0) U j (ej 0) jU j (ej ), j 1,..., n.
Ta có thể chứng minh được rằng các hàm
U j1(x),x(ej ,ej1)
được biểu diễn ở dạng
,
(1.32)
U j1(x) U j (x) jU j (ej )cos(x ej ), j 1,..., n
U j (x)
(ej1,e )
được mở rộng
j
trong đó
nghiệm phương trình (1.28) trong đoạn
(e ,e
)
.
liên tục cho đoạn tiếp theo
j
j1
U (x)
Thật vậy, do
được mở rộng để thỏa mãn phương trình (1.28) trong
j
(ej ,ej1
)
cos (x ej )
và hàm luôn thỏa mãn phương trình (1.28) trong
khoảng
khoảng
(ej ,ej1
)
, nên biểu thức (1.32) là tổng của hai nghiệm phương trình
(ej ,ej1
)
sẽ là nghiệm của phương trình (1.28) trong khoảng
(1.28) trong khoảng
này. Mặt khác sử dụng (1.32) ta thấy
U j1(ej 0) lim{U j (x) jU j (ej )cos(x ej )}
xej
(1.33)
(1.34)
U j (ej ) jU j (ej )
và
U j1(ej 0) lim{U j (x) U j (ej )sin(x ej )}
j
xej
U j (ej ).
Tức hàm (1.32) thỏa mãn điều kiện (1.31).
Từ công thức truy hồi (1.32) ta có thể biểu diễn nghiệm tổng quát của
phương trình (1.28) ở dạng
n
U(x) C[L (x) K(x e )]
,
(1.35)
0
j
j
j1
trong đó
L0 (x) 0 sinx 0 cosx
là nghiệm liên tục của phương trình (1.28) thỏa mãn điều kiện biên tại
, C
x 0
là hằng số xác định từ điều kiện biên bên phải tại
và
x 1
cosx, x 0
K(x)
(1.36)
(1.37)
0 ,
x 0
Các tham số 1,..., n được tính công thức truy hồi
j1
[L (e ) sin(e e )], j 1,..., n
.
j
j
0
j
k
j
k
k1
11
Để chứng minh (1.35) là nghiệm tổng quát của phương trình (1.28) thỏa
mãn điều kiện bên bên trái và các điều kiện tương thích (1.31) ta chỉ cần chứng
(e ,e
)
.
minh biểu thức (1.35) trùng với (1.32) trong khoảng
Thật vậy, ta có thể chứng minh bằng phương pháp quy nạp toán học như
sau. Xét nghiệm (1.35) trong miền , lúc đó
j
j1
(0 x e1)
U(x) C[L0 (x)] U1(x)
.
(1.38)
Tức (1.35) là nghiệm của phương trình (1.28) thỏa mãn điều kiện biên bên
trái. Điều này chứng tỏ điều cần chứng minh đúng cho j, tức là
n
U(x) C[L (x) K(x e )]
0
j
j
j1
(1.39)
C[L (x) j1 cos(x e )] U (x)
0
j
j
j
j1
khi
. Bây giờ ta phải chứng minh điều cần chứng minh đúng với
(ej1 x ej )
e x e
j+1. Thật vậy, khi
j1 , do tính chất của hàm (1.36) ta có
j
U(x) C[L (x) j1 cos(x e ) cos(x e )]
0
k
k
j
j
k1
U (x) C [L (e ) j1 sin(e e )]cos(x e )
,
(1.40)
j
j
0
j
k
j
k
j
k1
U j (x) jU j (ej )cos(x ej ) U j1(x).
Trong công thức trên đã sử dụng các công thức (1.37) và (1.39) cùng với đạo
hàm của hàm số bên vế phải của (1.39):
U (x) C[L (x) j1 sin(x e )]
.
(1.41)
j
0
j
j
j1
Như vậy, ta đã chứng minh được biểu thức (1.35) cùng với (1.36), (1.37) là
nghiệm tổng quát của phương trình (1.28) thỏa mãn điều kiện biên bên trái và
các điều kiện tương thích (1.31) tại các vết nứt.
Đưa vào véc tơ
μ (1 ,..., n )T
và
γ (1,...,n)T
thì phương trình (1.37) có thể viết lại thành
Aμ b,
(1.42)
(1.43)
trong đó
;
b {bj jL0(ej ), j 1,...,n}
Tải về để xem bản đầy đủ
80 trang
16980
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Chẩn đoán vết nứt trong thanh bằng tần số riêng", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_chan_doan_vet_nut_trong_thanh_bang_tan_so_rieng.pdf
