16607

16607

پايش سلامت سازه هاي كامپوزيتي ورقي توسط امواج فراصوت هدايت شده بر پايه تبديل موجك و الگوريتم شبكه عصبي مصنوعي

كارشناسي ارشد

ساخت و توليد

بهمن 1395

دكتر محمد رياحي

مكانيك

پايش سلامت سازه¬اي برپايه فلسفه¬اي نوين در نگهداري و حفظ سلامت سازه¬ها به عنوان نسل جديد آزمونهاي غيرمخرب كه از مفاهيم، تجهيزات و فناوري نوين بهره¬مند مي باشد، اهميت فراواني يافته است. امروزه پايش سلامت با استفاده از روشهاي مبتني بر امواج فراصوت هدايت شده به دليل قابليت انتشار در فواصل طولاني، حساسيت مناسب به عيوب كوچك و توانايي انتشار در محيط¬هايي نظير مواد كامپوزيتي كه محدوديتهاي زيادي در بازرسي با روشهاي معمول دارند، به عنوان روشي كارآمد مطرح بوده و برتريهاي آن، حتي نسبت به شيوه¬هاي پيشرفته در آزمونهاي غيرمخرب، نظير امواج فراصوتيِ معمول، به اثبات رسيده است. هدف از اين پژوهش، طراحي و بهينه¬سازي يك سامانه پايش سلامت، براي سازه¬هاي كامپوزيتي ورقي بر اساس توليد و انتشار امواج فراصوت هدايت شده با استفاده از مبدلهاي پيزوالكتريك با نقش دوگانه محرك و سنسور مي باشد. پس از انجام آزمايشات مقدماتي بر روي نمونه¬هاي اوليه از جنس شيشه/اپوكسي با خرابي از نوع سوراخ و كربن/اپوكسي با خرابي از نوع شكاف، با سه شدتِ مختلف، در يك چيدمان خطيِ محرك و سنسور، ضمن طراحي يك شاخص خرابي ساده و برازش منحني درجه دو بر نتايج حاصل، رابطه تقريبِ رياضي ميان ويژگي سيگنال با شدت خرابي حاصل شد. با توسعه پژوهش، مبتني بر تجارب حاصل از آزمايشات مقدماتي، در گام بعدي، ساخت يك ورق كامپوزيتي براي آزمايش نهايي با 16 لايه و چيدمان شبه¬همسانگرد از جنس اپوكسي تقويت شده با الياف شيشه به روش تزريق در خلا و ايجاد شبكه¬اي از محركها و سنسورها روي سازه در دستور كار قرار گرفته و سه نوع خرابي با ماهيت متفاوت شامل تورق، شكاف و سوراخ در آن ايجاد گرديد. به منظور كنترل و مديريت تجهيزات سخت افزاري و ايجاد شرايط بهينه براي اجراي آزمايش، با كدنويسي در پلتفرم لب¬ويو و همچنين جهت تحليل و تفسير نتايج استخراج شده، با كدنويسي در پلتفرم متلب، نرم افزارهاي مورد نياز توليد شد كه مي تواند براي ادامه تحقيقات حتي در ساير پيكربندي¬ها با شرايط آزمايشگاهي و نمونه¬هاي متفاوت ديگر نيز مورد استفاده قرار گيرد. پس از تقسيم سطح ورق كامپوزيتي به چهار ناحيه بر اساس چيدمان آرايه¬ايِ مبدلهاي پيزوالكتريك، نهايتاً 40 مسير مختلف روي سازه درنظر گرفته شد و ضمن تعويض نقش محرك و سنسور براي هر يك از مبدلهاي نصب شده بر روي سازه، با تحريك مبدل توسط فانكشن ژنراتور، امواج فراصوت هدايت شده در ورقِ تحت بررسي منتشر شده و براي هر مسير، با دريافت امواج توسط سنسورها، سيگنال مربوط به هر سنسور، بوسيله اسيلوسكوپ ديجيتال و نرم افزارِ طراحي شده، پس از نويززدايي، بر روي رايانه ذخيره گرديد. با استخراج ويژگي از سيگنالها بوسيله كدهاي نرم افزاري نوشته شده، طراحي شاخصهاي خرابيِ متنوع و مطالعه رخداد تغييرات در آنها به كمك روشهاي پيشرفته پردازش سيگنال در حوزه تلفيقي زمان و فركانس، نظير تبديل موجك انجام پذيرفت. نهايتاً امكان مقايسه سيگنالهاي دريافتي از نواحي مختلف سازه با هدف شناسايي و تشخيص عيوب و همچنين تمايز انواع مختلف آنها، بر اساس چگونگي تاثير هر يك از خرابيها بر ويژگيهاي امواج (اثر انگشت هر يك از انواع خرابيها روي امواج دريافتي)، با دقت قابل قبولي فراهم گرديد. در پايانِ اين پژوهش، با طراحي يك شبكه عصبي پرسپترون چند لايه از نوع پيش¬خور، ويژگيهاي استخراج شده از سيگنالها به عنوان ورودي براي آموزش شبكه با الگوريتم پس انتشار خطا در نظر گرفته شد. بر اين اساس شبكه عصبيِ طراحي شده توانست با عملكردي مناسب، اقدام به شناسايي عيوب (تمايز سازه سالم از معيوب) نموده و علاوه بر آن، نوع خرابي را نيز بر اساس الگوريتم طراحي شده، با خطاي قابل قبول تخمين بزند كه مي تواند راهكاري موثر در شناسايي و طبقه بندي انواع خرابيهاي محتمل در يك سازه كامپوزيتي ورقي با وضعيت نامعلوم و دلخواه باشد.

1395/11/25

1/1/1900 12:00:00 AM

The structural health monitoring (SHM) based on a new philosophy in maintenance of the structures as the new generation of Non-destructive tests, which is powered by modern concepts, equipments an​d technologies is important to be considered. Ultrasonic guided waves have been widely used for SHM applications thanks to capability of its traveling in long distance, being sensitive to small damages an​d the ability to propagate in the solid environment with high level of attenuation such as composite materials. New methods based on SHM are more efficient in comparison with the conventional Non-destructive tests, such as ultrasonic test. The aim of this research is to design an​d optimize a structural health monitoring system by ultrasonic guided waves an​d use of the piezoelectric transducers with dual roles of exciters an​d sensors in order to detect various types of damages in structures. After dividing GF/RP composite plate specimen into 4 zones based on the network arrangement of the piezoelectric transducers, 40 different paths are considered on the structure to compare intact zone with defected zones via emmited signals. By changing the role of the exciters an​d sensor for each transducer attached to the structure, excitation of the transducers is done by the function generator an​d the ultrasonic guided waves propagate in the plate. For each path with reception of the waves by sensors, the signal relates to each sensor is received by digital oscilloscope an​d designed software in LabVIEW; so, it was saved in the computer after de-noising. The extraction of the features from signals is done by the software programming in MATLAB, an​d via design of different indices an​d study their changes has been done by advanced signal processing techniques in the joint time-frequency domain, such as wavelet transform. Finally, the possibility of comparing received signals from different zones of the structure were considerably provided to identify an​d classify three different types of damages (delamination, notch an​d hole) due to various effects of each damage on the features of ultrasonic guided waves (the fingerprint of any damage on incoming waves). At the end, a multi layers Perseptron (MLP) neural network which has the extracted signal features as an input was designed an​d trained with back-propagation algorithm. Accordingly, the designed neural network can function appropriate to identify three types of damages an​d in addition, prognosis the type of damages based on the designed algorithm. Therefore, this is considered as an innovative method to recognize an​d classify the possible damages in a composite plate-like structure in an unknown condition as a leading part of a modern SHM system.