SUPERVISOR
Alireza Fadaei Tehrani,Saeed ZeiaeiRad,Hamidreza Mirdamadi
علیرضا فدائی تهرانی (استاد راهنما) سعید ضیائی راد (استاد مشاور) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Hamid Hemasian Etefagh
محمدحمید حمصیان اتفاق
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Structural Health Monitoring Based on Ultrasonic Guided Waves Propagation for Damages with Curved Geometry
Damage identification in industrial products and manufacturing infrastructures at the earliest possible time is an issue that almost all industries are interested in. Such a need makes industrial sectors to employ some kinds of structural health monitoring configurations to provide better life safety and also to have access to economical benefits which are provided by SHM. Among the different types of damage identification approaches in aerospace structures, guided waves have attracted the most interest. Utilizing guided waves for damage identification in thin-walled metallic and composite materials and structures has created a promising outlook for on-line or real-time health monitoring of engineering structures. Depending up on the kind of signal processing method and pattern recognition technique, a variety of information can be obtained from guided wave signals which are classified in time, frequency and joint time-frequency domains based on the field of study. To increase our knowledge about existing damages in a structure, after localization and severity determination, it seems to be necessary to attain more possible information about their geometry. It looks that identification of crack shape as a subsequent level in damage assessment is important, considering this fact that cracks are not necessarily linear. To investigate the feasibility of crack quantification with curved geometry using Lamb waves, at first, in this study, relative reflection intensity from typical cracks is investigated in an aluminum beam as a 1/D waveguide for propagation of Lamb waves. It is then shown that RRI criteria have no possibility of providing an appropriate signal feature for a typical damage in a structure due to the same RRI values in circumstances of different crack shape. The feasibility of using energy envelop curve in a captured signal from the structure, is also evaluated in providing an appropriate feature from a damage signal. This method also seems to be not suitable due to the crucial need to wave signal reflections from boundaries. The concept of digital damage fingerprint has been developed to overcome the uncertainties associated with employing existent feature extraction methods in evaluation of crack parameters using artificial neural network (ANN) technique. Among different types of feature extraction procedures, DDF method is assumed as one of the best choices for extraction of an appropriate feature from Lamb wave signals. Next in this study, for the first time, the prediction of damage geometry and size for transverse cracks with curved geometry in beam-like structures is systematically scrutinized by using DDF method, based on an inverse analysis approach. By utilizing damage parameter database (DPD), comprising a sufficient number of DDFs, training of designated neural network is then carried out as a powerful tool in the artificial intelligence (AI) and damage parameter prediction in the beam under study. Results indicate that in comparison with signal amplitude, frequency content of received Lamb waves are more sensitive to crack shape and play an effective role in prediction of crack curvature as a main part of damage geometry. On the contrary, DDF including signal amplitudes in time domain, can predict size of crack with less error values in comparison with DDF extracted from frequency content of signals. Finally, it can be concluded that an acceptable quantification of crack size and curvature in an aluminum beam can be achieved by using ultrasonic guided waves, activated and received via piezoelectric wafer active sensor and actuator. keywords: structural health monitoring, Ultrasonic guided waves, digital damage fingerprints,
شناسایی آسیب در محصول ها و هم چنین زیرسازه های ساخت و تولیدی در کمترین زمان ممکن مساله ای است که کم و بیش تمامی صنایع به دنبال آن هستند. چنین نیازی، بخش های مختلف صنعتی را وادار به بکارگیری پاره ای از شکل های پایش تندرستی سازه ها (SHM) می کند که دلیل آن فراهم سازی امنیت جانی بیشتر و نیز دستیابی به مزایای اقتصادی بهتری است که به کمک این روش ها قابل دستیابی است. در میان روش های گوناگون شناسایی آسیب در سازه های هوافضا، امواج هدایت شونده بیشترین توجه را به خود جلب کرده اند. بهره گیری از این امواج برای شناسایی آسیب در مواد و سازه های کم ضخامت از جنس فلزها و مواد مرکب، افق امیدوارکننده ای را در پایش تندرستی سازه های مهندسی به صورت به هنگام یا برخط به وجود آورده است. بر حسب نوع روش پردازش سیگنال و شیوه ی شناخت الگو، اطلاعات گوناگونی از سیگنال امواج هدایت شونده قابل استخراج است که بر پایه ی زمینه ی مورد بررسی، به سه حوزه ی زمان، فرکانس و زمان-فرکانس دسته بندی می شوند. به منظور افزایش دانش ما از آسیب در سازه، پس از جایابی و تعیین شدت (اندازه ی) آن، به نظر می رسد دستیابی به اطلاعات بیشتر در مورد هندسه ی آسیب ضروری است. با در نظر گرفتن این واقعیت که شکل ترک ها الزاما خطی نیست، در گام بعدی ارزیابی آسیب، شناسایی شکل ترک بسیار مهم به نظر می رسد. ابتدا در این مطالعه به منظور بررسی امکان بزرگایابی ترک با هندسه ی خمیده با بکارگیری امواج هدایت شونده، به بررسی شدت نسبی موج بازتابیده (RRI) از آسیب در یک تیر آلومینیومی به عنوان محیط یک بعدی برای پخش امواج لمب، پرداخته می شود. سپس نشان داده می شود که این معیار به دلیل مقادیر یکسان برای ترک های با شکل ناهمسان، امکان دستیابی به یک مشخصه ی مناسب از سیگنال یک نمونه از آسیب را فراهم نمی کند. همچنین امکان بکارگیری نمودار پوش انرژی سیگنال دریافتی از سازه به منظور دستیابی به مشخصه ی مناسبی از یک آسیب در سازه، مورد ارزیابی قرار می گیرد. این روش نیز به دلیل نیاز اساسی به قسمت های مربوط به بازتاب موج از مرز سازه، چندان مناسب به نظر نمی رسد. ایده ی اثر انگشت دیجیتالی آسیب (DDF) به منظور از میان برداشتن عدم قطعیت های همراه با بکارگیری روش های استخراج مشخصه ی موجود در ارزیابی پارامترهای آسیب به کمک شبکه ی عصبی مصنوعی (ANN)، پدید آمده است. در میان روش های گوناگون استخراج مشخصه از سیگنال، اثر انگشت دیجیتالی آسیب به عنوان یکی از بهترین گزینه ها برای استخراج مشخصه ای مناسب از سیگنال امواج هدایت شونده، شناخته می شود. در گام بعدی، برای نخستین بار به کمک روش اثر انگشت دیجیتالی آسیب، تخمین هندسه و اندازه ی آسیب برای ترک های عرضی با هندسه ی خمیده در سازه های تیر مانند، به صورت نظام مند بر مبنای یک تحلیل وارون، به دقت مورد بررسی قرار می گیرد. با بهره گیری از پایگاه داده ی آسیب (DPD) که شامل تعدادی کافی از اثر انگشت های دیجیتالی آسیب های گوناگون می باشد، آموزش شبکه عصبی به عنوان یک ابزار پر کاربرد در فرآیند هوش مصنوعی و تخمین پارامترهای ترک در تیر مورد مطالعه، انجام می شود. نتیجه ها نشان می دهند که در مقایسه با بزرگی دامنه ی سیگنال، محتوای فرکانسی آن (استخراج شده از نقطه های سرشت نمای سیگنال دریافتی با بکارگیری تبدیل موجک) به شکل آسیب حساسیت بیشتری داشته و نقش موثرتری در تخمین انحنای ترک به عنوان بخش اصلی هندسه ی آن ایفا می کند. در مقابل، اثر انگشت های دیجیتالی شامل دامنه ی نقطه های سیگنال نسبت به اثر انگشت های دیجیتالی شامل محتوای فرکانسی سیگنال، اندازه ی آسیب را با مقادیر خطای کمتری تخمین می زند. در پایان می توان نتیجه گرفت که با بهره گیری از پخش امواج هدایت شونده ی فراصوت برانگیخته و دریافت شده با بکارگیری به کاراندازنده و حسگر ویفری پیزوالکتریک، برآورد قابل قبولی از اندازه و انحنای ترک در یک تیر آلومینومی قابل دستیابی است. واژههای کلیدی : پایش تندرستی سازه ها، امواج هدایت شونده ی فراصوت، شعاع انحنای ترک، شدت نسبی موج بازتابیده، تحلیل وارون، بزرگایابی آسیب،اثر انگشت دیجیتالی آسیب.