Streszczenie
Niniejsza praca dotyczy zastosowania pomiarów impedancji elektromechanicznej, tj. impedancji elektrycznej przetworników piezoelektrycznych, do wykrywania uszkodzeń konstrukcji mechanicznych. Autor skupił się na kwestiach związanych z praktyczną implementacją metody w warunkach przemysłowych. Głównym celem pracy była ocena efektywności omawianej techniki pod kątem zastosowania do ciągłej oceny stanu technicznego.
W pracy przedstawiono wyniki wielodziedzinowych analiz numerycznych z wykorzystaniem Metody Elementów Skończonych, których celem było zidentyfikowanie typów postaci drgań własnych mających największy wpływ na zmianę przebiegów impedancji po pojawieniu się uszkodzenia. Przeprowadzono również analizę wrażliwości oraz niepewności przy użyciu metody Monte Carlo, na podstawie której określono odporność testowanych wskaźników uszkodzeń na zmiany parametrów konstrukcji. Stwierdzono które parametry odgrywają największą rolę w propagacji niepewności technologicznych.
Przedstawiono również opracowany system do monitorowania stanu technicznego konstrukcji w zmiennych warunkach środowiskowych z wykorzystaniem pomiarów impedancji elektromechanicznej. Dla systemu wyznaczony został budżet niepewności pomiarowych, opracowano również metodę wykrywania uszkodzonych przetworników piezoelektrycznych. Działanie systemu przetestowane zostało w warunkach laboratoryjnych dla niewielkich struktur a następnie w zmiennych warunkach środowiskowych na dużych obiektach przemysłowych (dwóch samolotach wycofanych z eksploatacji). Na podstawie uzyskanych wyników dokonano analizy przydatności metody do detekcji, lokalizacji i śledzenia wzrostu uszkodzeń dla różnych typów konstrukcji mechanicznych. Ocena skuteczności metody została przeprowadzona poprzez wyznaczenie prawdopodobieństwa wykrycia uszkodzenia (ang. Probability of Detection).
Metoda bazująca na impedancji elektromechanicznej jawi się jako obiecujące narzędzie lokalnego monitorowania stanu technicznego konstrukcji. Może być w szczególności zastosowana do połączeń śrubowych, dla których rozpoznano największy potencjał aplikacyjny metody.
Abstract
This thesis refers to the utilisation of measurements of the electromechanical impedance, i.e. the electrical impedance of piezoelectric transducers, for the damage detection of mechanical structures. The author has focused on the issues concerning practical implementation of the method for industrial applications. The main aim of this thesis was the evaluation of the discussed technique for the continuous assessment of the technical state.
The work presents the results of numerical analyses performed with use of fully-coupled Finite Element Method, that were aimed on the investigation which types of mode shapes have the largest influence on the impedance characteristics after appearance of the damage. The sensitivity and uncertainty analysis was carried out with use of Monte Carlo method in order to assess the robustness of the tested damage indices. It was also determined which parameters play the most important role in the uncertainty propagation.
The thesis presents the system developed for structural health monitoring in changing environmental conditions with the use of electromechanical impedance measurements. For the system the measurement uncertainty was evaluated and the procedure for detection of damaged piezoelectric transducer was developed. The system was tested in the laboratory conditions for small structures and subsequently in the changing environmental conditions for large industrial objects (two planes withdrawn from operation). On the basis of obtained result the usefulness of the method for the detection, localisation and tracking the growth of the damage in different types of mechanical constructions was analysed. The reliability assessment was carried out for the method by determining the Probability of Detection.
The electromechanical impedance-based method appears as a promising tool of local structural health monitoring. It can be especially utilised for bolted joints, for which the greatest potential of application was recognised.
