Damage detection of composite structures using optimal modeling and vibration measurements from a limited number of sensors

Abstract

Over the last years, there has been an increasing rate of adoption of Structural Health Monitoring (SHM) systems due to the increasing development of new materials and larger or more complex structures. The vibration-based methods are a subcategory of SHM that relies on the fact that a structural damage will affect the dynamic response of a structure. In the past, several methods have been proposed to detect if a structure is damaged or to find the exact location of that damage. The task of finding the exact location of a damage requires experimental vibration measurements from the structure but also additional inputs, one such option is a Finite Element model (FEM). The current thesis tackles this task by presenting a framework to localize damages by using metaheuristic οptimization algorithm and FE models. While similar methodologies have been presented in the past, the new framework can be applied in any type of FE model, detailed or simplified, that includes any type of finite element, while utilizing output-only information from the experimental procedure. The application of this framework was initially targeted to structures consisting of composite materials; nevertheless, nothing prevents its usage in any other type of material. The thesis follows a holistic approach starting from the modeling of composite materials and then proceeding in the development of the main damage detection framework. As the modeling error can be a serious issue in complex structures, an additional advancement of the framework is presented to be used in structures where the error cannot be minimized further. At last, an optimal sensor placement strategy was developed to accompany this framework, which can also be used with other methodologies with similar characteristics. For each of the sections mentioned above, detailed studies are presented including experimental tests that showcase the effectiveness and robustness of the proposed methodologies.

Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει μια αυξανόμενη τάση στη χρήση συστημάτων Παρακολούθησης Δομικής Ακεραιότητας (ΠΔΑ) των κατασκευών που μπορεί να αποδοθεί στη χρήση προηγμένων υλικών αλλά και στην ανάπτυξη μεγαλύτερων και πιο πολύπλοκων κατασκευών. Οι μέθοδοι που βασίζονται σε ταλαντωτικές μετρήσεις ανήκουν σε μια υποκατηγορία των ΠΔΑ η οποία λειτουργεί με την θεώρηση ότι μια βλάβη θα επηρεάσει την δυναμική απόκριση της κατασκευής. Κατά το παρελθόν, διάφορες μέθοδοι έχουν προταθεί με στόχο την ένδειξη βλάβης σε μία κατασκευή ή την εύρεση της ακριβής τοποθεσίας της βλάβης. Στην περίπτωση που αναζητείται η ακριβής τοποθεσία της βλάβης οι μέθοδοι απαιτούν πειραματικές μετρήσεις αλλά και επιπλέον δεδομένα ως είσοδο, μια από τις επιλογές είναι ένα μοντέλο Πεπερασμένων Στοιχείων. Η παρούσα διατριβή ερευνά αυτή την επιλογή παρουσιάζοντας έναν αλγόριθμο για την εύρεση της τοποθεσίας της βλάβης κάνοντας χρήση μετα-ευρετικών αλγορίθμων βελτιστοποίησης και μοντέλων Πεπερασμένων Στοιχείων. Παρόμοιες μέθοδοι έχουν προταθεί και στο παρελθόν, όμως ο παρών αλγόριθμος μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε είδος μοντέλου Πεπερασμένων Στοιχείων, είτε απλοποιημένο είτε λεπτομερές, το οποίο μπορεί αντίστοιχα να αποτελείται από όλα τα είδη στοιχείων απαιτώντας μόνο σήματα εξόδου από τους αισθητήρες που έχουν τοποθετηθεί στην κατασκευή. Η εφαρμογή αυτού του αλγορίθμου προορίζεται αρχικά για κατασκευές που αποτελούνται από μέρη κατασκευασμένα με σύνθετα υλικά χωρίς όμως να περιορίζεται η χρήση του σε άλλου τύπου υλικά. Η παρούσα διατριβή ακολουθεί μια ολιστική προσέγγιση ξεκινώντας με την μοντελοποίηση των σύνθετων υλικών και προχωρά στην ανάπτυξη του κύριου αλγορίθμου εύρεσης βλαβών. Το σφάλμα ενός υπολογιστικού μοντέλου μπορεί να αποδειχθεί ένα μείζων πρόβλημα σε πολύπλοκες κατασκευές. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα μια επιπλέον μεθοδολογία παρουσιάζεται ώστε να εφαρμοστεί σε πολύπλοκες κατασκευές όπου το υπολογιστικό σφάλμα είναι αδύνατο να μειωθεί περαιτέρω. Επιπροσθέτως, αναπτύχθηκε μια στρατηγική για τη βέλτιστη τοποθέτηση των αισθητήρων ώστε να εφαρμόζεται σε συνεργασία με τον αλγόριθμο εύρεσης βλαβών, έχοντας την δυνατότητα να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες μεθοδολογίες με παρόμοια χαρακτηριστικά. Τα προαναφερθείσα τμήματα της παρούσας διατριβής παρουσιάζονται λεπτομερώς σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες πειραματικές δοκιμές που αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων μεθοδολογιών.