Vibration-based delamination detection in composite beams through frequency changes

Abstract

Delamination is a common damage in fibre reinforced composite laminates, usually hidden from external view, that can substantially reduce the structural stiffness which changes the dynamic response of the structures such as natural frequencies. Natural frequencies are the most reliable parameters for detecting damage while they do not directly provide information regarding its location and severity. To determine the location and severity of damage, it is necessary to solve the inverse problem using frequency shifts in multiple modes. In this paper, the graphical approach, which was previously employed for estimating two variables of crack (location and size) in isotropic beams, is extended in the current work to estimate the three variables of delamination (interface, span-wise location and size) in anisotropic composite beams from measured frequency shifts. Compared to the use of optimisation or neural network for detection, graphical technique is computationally inexpensive and quick since it solves the inverse problem without iterations or network training. The present approach has been validated using numerical simulation as well as experimental data from modal testing conducted on quasi-isotropic simply supported and cantilever beams. Results show that the proposed graphical technique can be used to assess the location and severity of delamination in composite beams with a high degree of accuracy.

Tabakali Kompozi̇t Bi̇r Ki̇ri̇ş Ve Levhada Hasar Tespi̇ti̇ni̇n Model Tabanli Yapi Sağliği İzleme Tekni̇kleri̇yle Beli̇rlenmesi̇

“…Yapı sağlığı izleme tekniklerinde, hasar tespiti için tersinir yöntemler, fizik kuram modelleri Tablo 4. Yüzey uydurma algoritması uygulanmasıyla elde edilen polinom katsayıları (%95 güvenirlilik aralığı) (Polynomial coefficients obtained by using the surface fit algorithm) ( 95% confidence interval) Eğrilik Modu II Eğrilik Modu III Eğrilik Modu IV x y z x y z x y z p 00 -7,183e-006 -3,56e-006 -0,0006077 -1,007e-005 -1,542e-007 -0,0009045 2,833e-005 9,242e-006 0,00255 p 10 9,346e-008 6,783e-008 8, 726e-006 3,66e-008 1,712e-008 8,719e-006 -1,422e-007 -1,758e-007 -5,337e-005 p 01 9,019e-008 -2,407e-009 5,438e-006 3,203e-008 -1,522e-008 1,699e-006 -3,085e-007 6,179e-009 -2,002e-005 p 20 -4,668e-010 -3,96e-010 -3,931e-008 2,004e-010 -2,712e-010 7,651e-008 -8,347e-010 3,749e-010 2,422e-007 p 11 -8,953e-010 -1,072e-010 -8,615e-008 -1,066e-009 5,527e-011 1,043e-008 1,586e-009 1,737e-010 3,969e-007 p 02 -3,97e-010 4,148e-011 7,582e-009 2,077e-010 3,502e-010 -3,152e-008 1,238e-009 1,482e-010 -8,383e-009 p 30 9,772e-013 8,883e-013 7,077e-011 -6,897e-014 1,36e-012 -5,71e-010 4,908e-012 1,731e-012 -3,699e-010 p 21 3,315e-012 7,846e-013 3,335e-010 4,441e-012 -4,135e-013 -9,869e-011 6,793e-013 -2,19e-012 -1,805e-009 p 12 1,595e-012 -3,874e-013 3,335e-010 3,248e-012 -9,129e-013 1,313e-010 9,985e-015 -1,876e-012 4,893e-010 ve veri tabanlı YSİ olmak üzere üç farklı yaklaşım kullanılmaktadır. Tersinir yöntem ve model tabanlı YSİ'de, yapı için fizik kuramlarına bağlı matematiksel modeller geliştirilerek yapılır.…”

“…Aynı şekilde, nümerik simülasyonlarla yapılan başka bir çalışmada, delaminasyon alanının artışı doğal frekansı çok az dahi olsa düşürdüğü belirtilmiştir [15]. Her ne kadar yukarıda değinilen ve nümerik olarak yapılmış bazı çalışmalarda kompozit kiriş ve levhalardaki delaminasyon hasarı, doğal frekansı çok az dahi olsa azalttığı yönünde bulgular sunulmuş olsa bile, deneysel olarak yapılmış bazı çalışmalarda delaminasyonla birlikte doğal frekansın kısmi de olsa arttığı yönünde veriler sunulmuştur [12,23]. Bu durumun, deneysel olarak iki tabaka arasında kalan teflondan dolayı kaynaklandığı yönünde çeşitli olası sebepler belirtilmiştir [12,23].…”

“…Her ne kadar yukarıda değinilen ve nümerik olarak yapılmış bazı çalışmalarda kompozit kiriş ve levhalardaki delaminasyon hasarı, doğal frekansı çok az dahi olsa azalttığı yönünde bulgular sunulmuş olsa bile, deneysel olarak yapılmış bazı çalışmalarda delaminasyonla birlikte doğal frekansın kısmi de olsa arttığı yönünde veriler sunulmuştur [12,23]. Bu durumun, deneysel olarak iki tabaka arasında kalan teflondan dolayı kaynaklandığı yönünde çeşitli olası sebepler belirtilmiştir [12,23]. Aynı şekilde deneysel olarak frekans ölçümlerden kaynaklanan hassasiyetler, gerçek malzeme ile nümerik çözücü arasındaki malzeme modeli farklılığı, sınır koşul belirsizlikleri, nümerik yöntemde kullanılan algoritma, eleman tipi ve sayısının (SEY için) sonuçlar üzerinde etkili olacağı aşikârdır.…”

“…Kompozit kiriş ve levhanın modellenmesi ve analizi sürecinde ticari yazılım paketi olan ANSYS kullanılmıştır. Literatürde, sonlu elamanlar yöntemi (SEY) kullanılarak delaminasyon hasarının modellenmesi, etkileşim [12,22] Delaminasyon içeren kompozit kirişe ilişkin olarak sonlu elamanlar ağının örülmesi iki şekilde yapılabilir. Birincisi tabaka arasındaki ayrılma, katı geometrisi içerisinde çatlak oluşturularak yapılır.…”

Vibration Characteristics of Underground Structure and Surrounding Soil Underneath High Speed Railway Based on Field Vibration Tests

“…Wave propagation properties mainly depend on their attenuation properties and waveform characteristics [9][10][11]. Vibration modes and related methods are more commonly used, including natural frequency and frequency response function spectrum (FRFs) based methods [12][13][14][15], mode shape based methods [16], mode shape curvature/strain mode shape based methods [17,18], model and related matrix based methods [19], and data driven methods [20]. Some signal processing techniques are proposed for the extraction of vibration characteristics [21].…”