Structural health monitoring of deteriorating ship hull structures

Abstract

Global trade relies heavily on seaborne transportation, highlighting the critical role of cargo ships in maintaining the global supply chain. However, the deterioration of ship hull structures over their lifecycle poses significant challenges for structural integrity, operational safety, and maintenance planning. Traditional preventive maintenance approaches, centred on periodic inspections, offer limited opportunities for timely, data-driven decision-making, particularly given the relatively infrequent surveys and the exponential progression of deterioration modes such as corrosion-induced thickness loss (CITL). Structural Health Monitoring (SHM) offers a promising alternative by using structural response data to provide continuous or event-triggered health-state information to support condition-based or predictive maintenance. In this thesis, a comprehensive strain-based SHM framework for CITL monitoring in ship hull structures is proposed and evaluated, with uncertainty quantification (UQ) placed at its core. The framework encompasses tasks across the SHM hierarchy, from damage detection and quantification to prognosis, using both data-driven and model-based approaches. By integrating SHM outcomes into decision-making processes, the framework aims to enable a transition from traditional inspection-based maintenance to adaptive, data-centric strategies. Key contributions of this thesis include the demonstration of the feasibility of strain-based CITL monitoring for ship hull structures, the development of an optimal sensor placement (OSP) framework for SHM system design, and an evaluation of the value of information (VoI) to assess the benefits of investing in such systems. Computational challenges associated with model-based SHM for large-scale structures have also been addressed through surrogate modelling techniques, such as convolutional variational autoencoders (CVAEs), which enable uncertainty-informed structural response predictions with significantly reduced computational costs while maintaining accuracy. Although conducted primarily in a numerical environment—using a high-fidelity Finite Element (FE) model based on a realistic case study of a ship hull—this research incorporates experimental investigations on lab-scale specimens to address challenges not amenable to numerical investigations. These investigations explore the role of UQ in training data generation for data-driven SHM and examine model selection for model-based SHM tasks through Bayesian decision theory, evaluating its impact on SHM performance and downstream decision-making. The findings from these experimental campaigns extend beyond the specific context of ship hull SHM, contributing to the field of SHM more broadly. This thesis seeks to advance the integration of SHM into established hull maintenance practices, to ultimately bridge the gap between academic research and practical applications. By demonstrating the feasibility and value of SHM for ship hull structures, it provides a pathway for industry stakeholders to adopt more informed and adaptive maintenance strategies. Additionally, critical areas for future research have been identified, including extending the framework to other damage modes, refining decision-making tools, and addressing data scarcity through population-based SHM approaches.

H κατασκευαστική υποβάθμιση της γάστρας των πλοίων κατά τη διάρκεια της επιχειρησιακής τους ζωής θέτει σημαντικές προκλήσεις για την δομική τους ακεραιότητα, την ασφαλή τους λειτουργία, καθώς και τον προγραμματισμό των εργασιών συντήρησής τους. Οι υπάρχουσες πρακτικές προληπτικής συντήρησης, που βασίζονται σε τακτικές επιθεωρήσεις, προσφέρουν περιορισμένες δυνατότητες για έγκαιρη λήψη αποφάσεων υποστηριζόμενων από επιχειρησιακά δεδομένα. Το συμπέρασμα αυτό μπορεί να υποστηριχθεί περαιτέρω λαμβάνοντας υπόψη τη σχετικά μικρή συχνότητα των τακτικών επιθεωρήσεων και τον συχνά εκθετικό χαρακτήρα των φαινομένων υποβάθμισης που απαντώνται συχνά στη μεταλλική κατασκευή του πλοίου, όπως είναι η απώλεια πάχους λόγω διάβρωσης. Οι τεχνικές παρακολούθησης της υγείας της δομής (ΠΥΔ ή Structural Health Monitoring) προσφέρουν μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική προσέγγιση, χρησιμοποιώντας δεδομένα απόκρισης της κατασκευής για να παρέχουν είτε συνεχή, είτε στοχευμένη πληροφόρηση για την κατάσταση της δομικής υγείας της γάστρας. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για να υποστηρίξουν διαδικασίες προβλεπτικής συντήρησης (condition-based maintenance). Στην παρούσα διατριβή προτάθηκε και αξιολογήθηκε ένα πλαίσιο για την εφαρμογή ΠΥΔ της γάστρας πλοίων έναντι απώλειας πάχους λόγω διάβρωσης. Πραγματοποιήθηκε η υπόθεση ότι το σύστημα ΠΥΔ είναι βασισμένο σε δεδομένα απόκρισης υπό τη μορφή μετρήσεων παραμόρφωσης, και φέρει ως κύριο χαρακτηριστικό του τη δυνατότητα ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας (uncertainty quantification). Το πλαίσιο αυτό συμπεριλαμβάνει διαφορετικούς στόχους της τυπικής ιεραρχίας των προβλημάτων ΠΥΔ κατασκευών, όπως είναι η διάγνωση βλαβών, η ποσοτικοποίηση της έκτασης τους, και η πρόγνωση της μελλοντικής τους εξέλιξης. Για την επίτευξη των στόχων αυτών, στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές από αμφότερες τις τυπικές προσεγγίσεις της ΠΥΔ, συγκεκριμένα την προσέγγιση που βασίζεται μόνο σε δεδομένα απόκρισης (data-driven SHM), αλλά και εκείνη που αξιοποιεί μοντέλα του κατασκευαστικού συστήματος (model-based SHM). Εντάσσοντας τα αποτελέσματα του συστήματος ΠΥΔ σε διαδικασίες λήψης αποφάσεων, το προτεινόμενο πλαίσιο στοχεύει να συνεισφέρει στη διαδικασία της μετάβασης από τις υπάρχουσες πρακτικές συντήρησης για τη γάστρα των πλοίων, που στηρίζονται σε επιθεωρήσεις, σε περισσότερο προσαρμόσιμες στρατηγικές, οι οποίες βασίζονται περισσότερο στην αξιοποίηση διαθέσιμων δεδομένων. Βασικές συνεισφορές της παρούσας διατριβής αποτελούν: η ανάδειξη ότι είναι εφικτή η ΠΥΔ της γάστρας των πλοίων έναντι απώλειας πάχους λόγω διάβρωσης, η ανάπτυξη ενός πλαισίου βέλτιστης τοποθέτησης αισθητήρων με σκοπό τη σχεδίαση συστημάτων ΠΥΔ, και τέλος η αξιολόγηση του οφέλους που δύνανται να προσφέρουν τέτοια συστήματα στη λειτουργία και συντήρηση των πλοίων. Η αξιολόγηση αυτή πραγματοποιήθηκε με κριτήρια βασισμένα στη θεωρία λήψης αποφάσεων κατά Bayes. Επιπλέον, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν καινοτόμα εργαλεία υποκατάστατης μοντελοποίησης, προκειμένου να αντιμετωπιστούν ζητήματα υπολογιστικού κόστους εγγενή στην προσέγγιση της ΠΥΔ κατασκευών που βασίζεται σε μοντέλα του συστήματος. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές μηχανικής μάθησης και εκπαιδεύτηκαν μοντέλα τα οποία επιτυγχάνουν υψηλής πιστότητας προβλέψεις κατασκευαστικής απόκρισης, προσφέροντας ταυτόχρονα δυνατότητες ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας και απαιτώντας κλάσμα του υπολογιστικού κόστους, συγκριτικά με προσομοιώσεις βασισμένες στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (ΜΠΣ). Η παρούσα εργασία υλοποιήθηκε κυρίως σε αριθμητικό περιβάλλον, χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ΠΣ υψηλής πιστότητας μιας ρεαλιστικής κατασκευής γάστρας πλοίου. Παρόλα αυτά, πραγματοποιήθηκε παράλληλα και μια σειρά πειραματικών δοκιμών σε εργαστηριακή κλίμακα προκειμένου να διερευνηθούν ορισμένα ζητήματα τα οποία δεν μπορούν να αντιμετωπιστούν επαρκώς σε μια αυστηρά αριθμητική υλοποίηση. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε αρχικά η επίδραση των αβεβαιοτήτων στη διαδικασία παραγωγής συνθετικών δεδομένων για χρήση σε τεχνικές ΠΥΔ βασιζόμενες σε δεδομένα απόκρισης. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε υπό το πρίσμα της θεωρίας αποφάσεων κατά Bayes το ζήτημα της επιλογής μοντέλων για τεχνικές ΠΥΔ που βασίζονται σε μοντέλα του συστήματος, αξιολογώντας την επίδραση της επιλογής του μοντέλου τόσο στην απόδοση του συστήματος ΠΥΔ, όσο και στην ικανότητα του μοντέλου να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σε διαδικασίες υποστήριξης αποφάσεων για την συντήρηση και λειτουργία της κατασκευής. Οι εργαστηριακές αυτές μελέτες οδήγησαν σε καινοτόμα ευρήματα με απήχηση στο ευρύτερο ερευνητικό πεδίο της ΠΥΔ.Η διατριβή αυτή συνεισφέρει στην ενσωμάτωση τεχνικών ΠΥΔ στις υπάρχουσες πρακτικές συντήρησης της μεταλλικής κατασκευής της γάστρας του πλοίου, μειώνοντας έτσι την απόσταση μεταξύ ερευνητικής δραστηριότητας και βιομηχανικής πρακτικής. Αναδεικνύοντας την εφικτότητα και την πιθανή αξία των τεχνικών ΠΥΔ για την κατασκευή της γάστρας του πλοίου, προσφέρει μία δίοδο στους ενδιαφερόμενους από την πλευρά της βιομηχανίας για να υιοθετήσουν περισσότερο ευέλικτες πρακτικές συντήρησης. Τέλος, στο πλαίσιο της διατριβής εντοπίστηκαν και αναδείχθηκαν κρίσιμες περιοχές για περαιτέρω ανάπτυξη της παρούσας έρευνας, συμπεριλαμβανομένης της επέκτασης του προτεινόμενου πλαισίου σε άλλες μορφές κατασκευαστικής υποβάθμισης (λ.χ. ρωγμές λόγω κόπωσης), της υιοθέτησης περισσότερο ρεαλιστικών ή/και πολύπλοκων διαδικασιών λήψης αποφάσεων, καθώς και της διερεύνησης μεθόδων ικανών να αντιμετωπίσουν το ζήτημα της περιορισμένης διαθεσιμότητας δεδομένων από πραγματικές κατασκευές.