توسعه روش های عددی و تجربی عیب یابی سازه ها بر اساس مشخصات ارتعاشی آن ها

مهدی صالحی

چکیده

بازرسی غیرمخرب سازه ها یکی از قدیمی ترین مسائل مطرح در مهندسی مکانیک، عمران و هوافضا به شمارمی رود. روش های بسیار متنوعی مانند اندازه گیری های فراصوتی، رادیوگرافی، مواد نافذ و روش های مغناطیسی به منظور عیب یابی سازه ها ارائه و مورد استفاده قرار گرفته اند. فصل مشترک این روش ها، ماهیت موضعی این روش ها و همچنین نیاز به اطلاعاتی در خصوص طراحی، بارگذاری و شرایط کاری سازه می باشد. طی دهه اخیر روش های جدیدی مبتنی بر خواص ارتعاشی سازه ارائه شده است که علاوه بر فراگیر بودن، نیاز به وجود اطلاعات کارکردی را حذف نموده اند. این روش های بر اساس تغییر مشخصات مدل دینامیک سازه ناشی از ایجاد عیب در آن استوارند. در این رساله چندین روش کاربردی به منظور عیب یابی سازه بر اساس نتایج آزمون های ارتعاشی سازه ارائه گردیده است. در روش مبتنی بر ماتریس نرمی سازه، فرکانس های طبیعی و شکل مودهای سازه های سالم و معیوب با استفاده از نتایج آزمون مودال استخراج شده و ماتریس های نرمی متناظر با سازه های سالم و معیوب محاسبه می شوند. ستون های ماتریس نرمی که بیانگر الگوی تغییر شکل سازه به ازای اعمال نیروی واحد در درجه آزادی متناظر سازه می باشند، در حالت های سالم و معیوب به منظور عیب یابی استفاده و مقایسه می گردند. به طور کلی وجود عیوب سازه ای، که همراه با کاهش موضعی سختی سازه در محل عیب می باشند، باعث ایجاد ناپیوستگی در انحنای تغییر شکل سازه می شوند. در روش ماتریس نرمی، تفاضل ستون های متناظر ماتریس نرمی سازه های سالم و معیوب بعنوان ورودی روش به کار گرفته می شود. نقاط ناپیوستگی در انحنای این بردار به دو روش محاسبه عددی مشتق دوم به روش dq در نقاط اندازه گیری و همچنین روشی موسوم به gsm تعیین می شوند. در ادامه نشان داده می شود که ماتریس پاسخ فرکانسی سازه تعمیمی از ماتریس نرمی می باشد. در واقع، ماتریس پاسخ فرکانسی سازه در فرکانس صفر معادل ماتریس نرمی سازه می باشد. مشابه روش ماتریس نرمی، از تغییر شکل کاری سازه در فرکانس های مختلف به منظور عیب یابی سازه استفاده می شود. یکی از بهترین روش های عیب یابی گزارش شده، روش اندیس عیب می باشد. این روش بر اساس محاسبه اندیسی مبتنی بر انرژی کرنشی مودال سازه در المان های سازه می باشد. در این تحقیق، استفاده از اندیس های عیب به تمام فرکانس های کاری سازه تعمیم داده شده است. به عبارت دیگر، به جای استفاده از شکل مودهای سازه، که همان تغییر شکل های کاری در فرکانس های تشدید می باشند، تمام تغییر شکل های کاری سازه در فرکانس های مختلف به منظور عیب یابی مورد استفاده قرار گرفته اند. در بخش بعدی تحقیق، اطلاعات پاسخ فرکانسی سازه توسط تحلیل اجزای اصلی به یک یا چند بردار غیر همبسته کاهش داده شده و از آن ها بعنوان ابزار عیب یابی استفاده شده است. کاهش اطلاعات در حوزه های زمان و فرکانس انجام شده و نتایج مربوط به مطالعات موردی عددی و تجربی رضایت بخش بوده است. مزیت استفاده از بردارهای کاهش یافته نسبت به روش های مبتنی بر شکل مودهای سازه ای آن است که اولاً پاسخ زمانی سازه در هر فرکانس کاری توسط یک بردار کاهش یافته به طور کامل قابل توصیف است. ثانیاً خطای ناشی از اجرای الگوریتم های استخراج پارامترهای مودال از اطلاعات پاسخ فرکانسی در این روش حذف می گردد. در بخش بعدی تحقیق از تحلیل اجزای مستقل به منظور کاهش ابعاد اطلاعات پاسخ فرکانسی استفاده شده است. مزیت این روش نسبت به تحلیل اجزای اصلی آن است که اطلاعات کاهش یافته حاصله علاوه بر غیر همبستگی از نظر آماری مستقل نیز می باشند. در این تحلیل فرض می شود که اطلاعات خروجی آزمون ترکیب خطی از چندین منبع مستقل می باشد. هدف از اجرای این الگوریتم، استخراج منابع مستقل و ماتریس ضرایب ترکیب خطی آن ها به صورت آماری می باشد. حل مساله به یک رویه بهینه سازی به منظور رسیدن به حداکثر میزان غیرگاوسی بودن داده ها منجر می گردد. تحلیل اجزای مستقل نیز بر روی مطالعات موردی عددی و تجربی پیاده شده و نتایج رضایت بخش بوده است. در نهایت، روش های ارائه شده مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته اند

اساتید راهنما و مشاور

مصطفی غیور، محمدعلی وزیری زنجانی