SUPERVISOR
Hamidreza Mirdamadi,Rasoul AmirFattahi,Saeed ZeiaeiRad
سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما) رسول امیر فتاحی ورنوسفادرانی (استاد مشاور) سعید ضیائی راد (استاد مشاور)
STUDENT
Seyed Abdolrahim Atashipour
سیدعبدالرحیم آتشی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Guided Wave Based Damage Identification for Structural Health Monitoring Applications
In this thesis, identification of damage in a thick steel beam, made of ST-52, is studied based on the guided ultrasonic wave propagation method. At the beginning, various iecting methods are introduced. Regarding many advantages over other methods, guided wave based damage identification is selected for the purpose of structural health monitoring (SHM) of the structure in hand. Fundamentals, theoretical and experimental aspects of this method are then illustrated. Digital signal processing (DSP) of guided wave (GW) signals, as the key parameter in identification process, is presented, next. For this intent, various DSP algorithms are introduced. Considering the high capability for processing in time-frequency domain, Wavelet transform is chosen for processing guided wave signals. Then, a DSP algorithm for identification of damage is presented and its different aspects are examined in terms of three major steps: pre-processing, processing and post-processing. With the aim of eliminating unwanted and redundant information, a set of signal filtering techniques like sampling, windowing, averaging, DC offsetting, normalizing and de-noising are applied to raw acquired GW signals. Then, pre-processed signals are applied to a number of processing procedures in order to extract damage related features. For this intent, continuous wavelet transform (CWT) together with scaled averaged-wavelet power (SAP) method are used. A set of features are then extracted from processed signals in order to detect and characterize different damage parameters. Taking advantage of Time-of-flight (ToF) feature, damage which is in terms of a saw-cut generated crack, is localized. In order to determine the damage severity (crack depth), the peak amplitude of damage reflected wave, is used which is obtained from the energy distribution of SAP. As the next step, a novel feature extraction technique named Damage Characteristic Points (DCPs) is presented so that the damage could be anonymously and automatically identified within the use of artificial intelligence (AI) techniques. Using the extracted DCPs, a multilayer feedforward artificial neural network (ANN) is developed and trained. As far as developing an efficient damage parameter database using the experimental tests, is pretty expensive and time consuming, finite element method (FEM) through a parameterized modeling is employed for generating the damage parameter database, cost effectively. For this intent, commercial FEM software ABAQUS® together with a Python® code are used. For evaluating the accuracy of the proposed damage identification scheme, experimental tests are then conducted. Two piezo-ceramic transducers are employed, one for generating and the other one for sensing the GW signals. A program compiled in C language is used for remote and precise control of experimental procedures. Experimental, as well as numerical validations are implemented by identifying actual cracks in a steel (ST52 alloy) specimen by the active actuator/sensor path and the proposed online structural health monitoring system. Excellent quantitative diagnosis results for damage parameters (presence, location and severity) are achieved. It should be noted that the employed DSP code is developed and implemented in MATLAB ® . Keywords: Structural health monitoring, Online monitoring, Guided ultrasonic wave propagation method, Thick steel beam, Damage, Crack, Sensor, Actuator, Piezoelectric, Digital signal processing, Continuous wavelet transform, Scaled averaged-wavelet power, Damage characteristic points, Finite element simulation, Experimental test, Artificial neural network.
در این پایاننامه، آسیبشناسی سازهای یک تیر ضخیم پولادی از جنس ST-52 با بهرهگیری از روش پخش امواج هدایتشدهی فراصوت، مورد مطالعه قرار گرفته است. در ابتدا، روشهای گوناگون آسیبشناسی در سازهها شناسانده شده است. با مقایسه بین روشهای موجود، روش پخش امواج هدایتشدهی فراصوت به عنوان روشی نیرومند با توانایی پایش بلادرنگ سازهها (بدون حضور و دخالت انسان) برای انجام فرایند آسیبشناسی برگزیده میشود. در ادامه، به بیان جنبههای نگرهای و کاربردی روش یادشده پرداخته میشود. در گام بعد، پردازش سیگنال به عنوان مهمترین بخش یک سامانهی آسیبیاب بر پایهی سیگنال مورد بررسی قرار گرفته است و روشهای گوناگونی در این زمینه شناسانده می شوند. در ادامه، نشان داده میشود که بهکارگیری تبدیل موجک، بهدلیل دارا بودن برتریهای فراوان نسبت به سایر روشهای پردازش سیگنال، برتری دارد. سپس، به بازکردن الگوریتم پردازش سیگنال بهکارگرفته شده در این پژوهش پرداخته شده است و مجموعهی کارهای صورت گرفته در اینباره در قالب فرایندهای پیش-پردازش، پردازش و پس-پردازش سیگنال ارایه میشود. در قسمت پیش-پردازش، با هدف پالایش سیگنالها، کارهایی مانند نمونهبرداری، پنجرهگذاری، میانگینگیری، کنارگذاری بخش نامتناوب، همپایهسازی و نوفهزدایی صورت پذیرفته است. پس از آن، سیگنالهای پیش-پردازش شده، با بهرهگیری از تبدیل موجک پیوسته و روش توان میانگین مقیاسشدهی موجک مورد پردازش قرار گرفتهاند. در ادامه، از سیگنالهای پردازش شده، ویژگیهایی مانند زمان پرواز و شدت انرژی موج بازتابیده شده از آسیب درآوری میشود تا سرشتهای گوناگون آن مانند هستی، جا و بزرگا، به صورت دستی تعیین شود. در گام بعد، با هدف خودکارسازی فرایند آسیبشناسی، ویژگیهایی به نام نقطههای سرشتنمای آسیب، که برای نخستینبار در این پایاننامه پیشنهاد شدهاند، از سیگنالها درآوری شده است تا با بهکارگیری آنها، یک شبکهی عصبی مصنوعی چندلایه آموزش داده شود. بهمنظور تهیه مجموعه دادهی ورودی جهت آمادهسازی شبکه بهگونهای سریع و مقرونبهصرفه، شبیهسازیهای سهبعدی و گذرای پخش موج با بهرهگیری از روش اجزای محدود در بستهی نرمافزاری آباکوس و از راه نوشتن یک کد به زبان پیتون انجام پذیرفته است. در گام بعد، با هدف ارزیابی توانایی الگوریتم هوشمند پردازش سیگنال ارایهشده در شناسایی ترک در سازه، آزمونهای آزمایشگاهی انجام میگیرد. برای برانگیزش و گردآوری سیگنالهای بدستآمده از پخش امواج هدایتشده در سازه، از دو تبدیلکننده پیزوسرامیکی، یکی به عنوان بهکاراندازنده و دیگری به عنوان حسگر، بهکارگرفته شده است. برای انجام آزمایشهایی دقیق، برنامهای تفسیرشده به زبان C تهیه شده است که سامانههای الکتریکی برانگیزش (تابعساز) و گردآوری سیگنال (نوساننما) را با دقت مناسبی کنترل کند. در پایان، با بهکارگیری سیگنالهای بدستآمده از آزمونهای آزمایشگاهی، شبکهی آموزش دادهشده مورد ارزیابی قرار میگیرد. نتایج بدست آمده حکایت از دقت بالای سامانهی هوشمند آسیبیابی در شناسایی و سرشتیابی ترک در سازه دارد. گفتنی است همهی کدهای فرایند پردازش سیگنال در نرمافزار متلب نوشته شدهاند. واژههای کلیدی: پایش تندرستی سازهها، پایش بلادرنگ، پخش امواج هدایتشدهی فراصوت، تیر ضخیم پولادی، آسیب، ترک، حسگر، بهکاراندازنده، کهربفشار، پردازش دیجیتال سیگنال، تبدیل موجک پیوسته، توان میانگین مقیاس شدهی موجک، نقطههای سرشتنمای آسیب، شبیهسازیهای اجزای محدود، آزمونهای آزمایشگاهی، شبکهی عصبی مصنوعی