Διάγνωση βλαβών σε πληθυσμό ονομαστικά όμοιων δοκών από σύνθετα υλικά με προηγμένες στοχαστικές μεθόδους
Loading...
Date
2024-03-08
Authors
Στεφανόπουλος, Απόλλωνας
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Η παρούσα εργασία στοχεύει στην ανίχνευση, τον καθορισμό θέσης και μεγέθους βλαβών τύπου ρωγμής σε ένα
πληθυσμό ονομαστικά όμοιων δοκών από σύνθετα υλικά μέσω προηγμένων στοχαστικών μεθόδων ανάλυσης
σημάτων ταλάντωσης. Τα σήματα που χρησιμοποιούνται στην ανάλυση προέρχονται από προσομοίωση στο
περιβάλλον του Ansys. Συγκεκριμένα η διάγνωση γίνεται για τρεις τεχνητές βλάβες σε κάθε μια από τις δυο θέσεις
που εφαρμόζονται, οι οποίες είναι τύπου ρωγμής. Το σύνολο των δοκών βρίσκονται σε ίδιες περιβαλλοντολογικές
συνθήκες, όπως και συνθήκες στήριξης, διαφοροποιούνται όμως στο πάχος τους, δημιουργώντας με αυτό τον τρόπο
μια επιπλέον αβεβαιότητα στον πληθυσμό. Η διάγνωση βλαβών λοιπόν φέρει αυτήν την επιπλέον αλλά και κύρια
δυσκολία καθώς και η κατασκευαστική αβεβαιότητα που προκλήθηκε στον πληθυσμό πολλές φορές, μπορεί να
προκαλέσουν έως και επικάλυψη της δυναμικής από αυτής των βλαβών. Η κατασκευή διεγείρεται με μία δυναμική
τύπου αρμονική, ενώ ταυτόχρονα συνδέονται πάνω στην εκάστοτε σύνθετη δοκό τρία επιταχυνσιόμετρα για την
λήψη των σημάτων. Η ανάλυση των ταλαντωτικών σημάτων περιλαμβάνει τόσο την μη-παραμετρική ανάλυση για να
δειχθεί η επίδραση της μεταβλητότητάς της βλάβης στις συναρτήσεις Transmittance, όσο και την παραμετρική
ανάλυση με την χρήση του μοντέλου TF-ARX-OLS και TF- IV. Έπειτα η διάγνωση βλαβών επιτυγχάνεται με την χρήση
της μεθόδου των πολλαπλών μοντέλων, η οποία χρησιμοποιεί ως χαρακτηριστική ποσότητα την τιμή της συνάρτησης
Transmittance. Τέλος στο κομμάτι της ανίχνευσης των βλαβών εκτιμάται η απόδοση των μεθόδων με την χρήση
στατιστικών χαρακτηριστικών καμπυλών (ROC curves) και τα αποτελέσματα φαίνεται να είναι ικανοποιητικά για 5%
ψευδοσυναγερμών (100/0). Στον χαρακτηρισμό των βλαβών ως προς την θέση τους και ως προς το μέγεθος τους και
τα δυο παραμετρικά μοντέλα έδωσαν πολύ ελπιδοφόρα αποτελέσματα. Η παρούσα εργασία στοχεύει στην διάγνωση
βλαβών περιλαμβάνοντας την ανίχνευση, τον καθορισμό θέσης και μεγέθους, σε ένα πληθυσμό ονομαστικά όμοιων
δοκών από σύνθετα υλικά μέσω προηγμένων στοχαστικών μεθόδων ανάλυσης σημάτων ταλάντωσης. Για τον σκοπό
αυτό, τα χαρακτηριστικά κάθε δοκού (γεωμετρία, υλικά) η οποία τυπικά αντιπροσωπεύει τμήμα αεροκατασκευής,
προσομοιώνονται με την χρήση ενός μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων, στο λογισμικό ANSYS. Η κατασκευαστική
αβεβαιότητα εξαιτίας της χρήσης σύνθετων υλικών προσομοιώνεται γεωμετρικά, με μεταβολή του πάχους της δοκού
(20% εύρος μεταβολής από το ονομαστικό πάχος) ενώ οι συνθήκες λειτουργίας κατά την πτήση προσομοιώνονται
με διέγερση τύπου τύρβης περιλαμβάνοντας και την επίδραση της διέγερσης που προκύπτει εξαιτίας
περιστρεφόμενων τμημάτων. Οι εξεταζόμενες βλάβες τύπου διαμπερούς ρωγμής πλάτους 1 mm, υλοποιούνται σε
δύο διαφορετικές θέσεις γεωμετρικά (αφαίρεση υλικού) ενώ για κάθε θέση εξετάζονται 3 διαφορετικά μεγέθη
(0.6%, 2%, 3.3% του μήκους). Τα συγκεκριμένα μεγέθη βλάβης επιφέρουν μικρές μεταβολές στα υγιή δυναμικά
χαρακτηριστικά, οι οποίες επικαλύπτονται σημαντικά, όταν εξετάζονται υπό την κατασκευαστική αβεβαιότητα που
προκύπτει στα δυναμικά χαρακτηριστικά του εξεταζόμενου πληθυσμού, θέτοντας ως πρόκληση την εύρωστη
διάγνωση τους στην παρούσα εργασία. Επιπρόσθετα, οι συνθήκες διέγερσης θεωρούνται μη-μετρήσιμες οδηγώντας
στην αποκλειστική χρήση σημάτων απόκρισης για την εκτίμηση της Συνάρτησης Μετάδοσης (Transmittance
Function), η οποία χρησιμοποιείται ως χαρακτηριστική ποσότητα κατά την διάγνωση, με σκοπό την εξάλειψη της
επίδρασης της διέγερσης. Συγκεκριμένα η εκτίμηση και η δυναμική αναγνώριση πραγματοποιούνται με μη παραμετρικά (Welch) και παραμετρικά μοντέλα (ARX-OLS, IV). Τα πλήρη ή μειωμένα, μέσω της Ανάλυσης Κύριων
Συνιστωσών (PCA), διανύσματα των παραμετρικών μοντέλων χρησιμοποιούνται κατά την διάγνωση σε πλαίσιο
εργασίας τύπου Πολλαπλών Μοντέλων (Multiple Models), το οποίο εξασφαλίζει την ευρωστία στην κατασκευαστική
αβεβαιότητα. Η αξιολόγηση και σύγκριση των δύο εκτιμητριών ως προς την διάγνωση, πραγματοποιείται μέσω 114
Monte-Carlo προσομοιώσεων και αρκετές περιστροφές (rotations) του σετ εκπαίδευσης για την εξασφάλιση της
στατιστικής αξιοπιστίας των ευρημάτων. Τέλος τα αποτελέσματα της ανίχνευσης παρουσιάζονται με την χρήση
καμπυλών ROC επιδεικνύοντας εξαιρετική απόδοση και για τις δύο εκτιμήτριες (100% επιτυχής ανίχνευση για όλες
τις βλάβες σε 0% ποσοστό ψευδοσυναγερμών). Τα αποτελέσματα του καθορισμού της θέσης και του μεγέθους
παρουσιάζονται με την χρήση Confusion Matrices τα οποία κρίνονται πολύ καλά, σε επίπεδο ακρίβειας, στον
καθορισμό της θέσης (82.9% για την ARX-OLS, 82.5% για την IV) όσο και για τον καθορισμό του μεγέθους (72.6% για
την ARX-OLS, 73.8% για την IV) της βλαβών.
Description
Keywords
Διάγνωση βλαβών σε πληθυσμό, Σύνθετες κατασκευές, Σήματα ταλάντωσης, Συνάρτηση μετάδοσης, Μέθοδοι χρονοσειρών ανίχνευση, Καθορισμός θέσης και μεγέθους