Ανίχνευση μεταβολής δομικών χαρακτηριστικών δοκού με τη χρήση αλγοριθμικών μη-καταστροφικών μεθόδων διάγνωσης βλαβών επί πειραματικών δεδομένων από αισθητήρια μη-επαφής

Σουλτάνα, Ρόμπερτ-Γκάμπριελ

Detection of structural alterations in beams via algorithmic non-destructive fault diagnosis methodologies and contact-less sensor data

Διπλωματική εργασία

Author

Σουλτάνα, Ρόμπερτ-Γκάμπριελ

Date

2022-07-12

Advisor

Δημογιαννόπουλος, Δημήτριος

idpe_47101.pdf (19.34Mb)

Keywords

Μαγνητοελαστικά ; Συνθετικά υλικά ; Αλγόριθμοι ανίχνευσης σφαλμάτων

Abstract

Η εργασία έχει ως αντικείμενο την επιτυχή ανίχνευση δομικών αλλαγών σε δοκό από σύνθετα υλικά με χρήση αλγοριθμικών μη-καταστροφικών μεθοδολογιών διάγνωσης βλάβης. Η προσέγγιση πρωτοτυπεί στο γεγονός ότι τα σήματα που προκύπτουν από την πειραματική διέγερση της δοκού καταγράφονται χωρίς τη φυσική επαφή της με μετρητική/καταγραφική διάταξη. Η πειραματική διεργασία περιλαμβάνει μια πακτωμένη από τη μία πλευρά δοκό που διεγείρεται με τη χρήση μίνι-διεγέρτη, ο οποίος και παρέχει το απαιτούμενο προφίλ εξωτερικού φορτίου στο ελεύθερο άκρο αυτής. Αλλαγές στη δομική κατάσταση της δοκού προσομοιώνονται πειραματικά με την ενσωμάτωση συγκεκριμένων μαζών στην επιφάνεια αυτής. Το θέμα προσεγγίζεται πρώτα θεωρητικά προσομοιώνοντας τη δοκό με μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται στους νόμους της φυσικής και αναλύοντας τις διαφορές που προκύπτουν από την παρουσία των μαζών στη δοκό. Κατόπιν, γίνεται ανάλυση των καταγεγραμμένων δεδομένων με χρήση μεθόδων αλγοριθμικής διάγνωσης βλαβών με στόχο την ανίχνευση των δομικών αλλαγών και την αξιολόγησή τους ως προς τη θέση τους πάνω στη δοκό. Η ανίχνευση αυτή στηρίζεται στη χρήση γραμμικών στοχαστικών μοντέλων “μόνο εξόδου” (output-only) που αναγνωρίζονται επί καταγεγραμμένων δεδομένων και επιτρέπουν τη μοντελοποίηση του συστήματος παρά την περιορισμένη γνώση της δομής του. Η παρούσα μελέτη βεβαιώνει ότι οι αλλαγές της δομικής κατάστασης της δοκού ανιχνεύονται ως μεταβολές των παραμέτρων των μοντέλων ή/και των υπολοίπων τους (residuals).

Abstract

The objective of this thesis is the successful detection of structural changes in a cantilever beam from composite materials using algorithmic non-destructive damage diagnosis methodologies. The novelty is in the fact that the signals resulting from the experimental excitation of the beam are recorded via a sensing setup having no physical contact with the beam. According to the experimental procedure, a mini-exciter provides the required external load profile to the cantilever beam’s free end. Changes in the beam’s structural state are simulated experimentally by placing small masses at specific positions onto the beam’s surface. Initially, the problem is theoretically studied by simulating the beam with physics-based mathematical models at nominal (i.e. unloaded) or loaded states. Subsequently, the experimental data are analyzed via damage diagnostic algorithms for detecting and evaluating structural changes in regards to their position on the beam. Fault detection and localization is performed using linear stochastic output-only models identified on recorded experimental data, both at nominal and loaded states. It results that structural changes are linked to altered model parameters and/or modified model residuals.