Damage detection in composite structures under uncertainties via random vibration
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σακελλαρίου, Ιωάννης | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Λούτας, Θεόδωρος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Φασόης, Σπήλιος | |
| dc.contributor.author | Δημογιάννης, Γεώργιος | |
| dc.contributor.other | Dimogiannis, Georgios | |
| dc.date.accessioned | 2025-03-10T10:53:22Z | |
| dc.date.available | 2025-03-10T10:53:22Z | |
| dc.date.issued | 2025-03-05 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Composite materials are increasingly used in various engineering applications, particularly in aerostructures, due to their exceptional mechanical properties and high strength-to-weight ratio. However, their sensitivity to uncertainties caused by varying Environmental and Operating Conditions (EOCs) poses significant challenges for effective damage detection. Vibration-based Structural Health Monitoring (SHM) in composites has become a field of significant interest mainly because vibration is naturally available for most structures. A major issue in vibration-based SHM stems from the fact that variations in the structural dynamics caused by the varying EOCs and other uncertainty factors can be so pronounced that they partially or even completely obscure the dynamic changes associated with early-stage damage. Therefore, distinguishing the effects of EOCs and uncertainties from those induced by damage is crucial for effective vibration-based SHM. In the present study, the problem of random vibration-based robust damage detection for a composite aerostructure under temperature, manufacturing uncertainty and a distributed excitation profile is numerically addressed. A three-dimensional, four-node shell element of linear order withsix degrees of freedom per node is employed for the Finite Element Method (FEM). Temperature varies within the [−40,20]℃ range and is modelled to affect the material properties and damping ratio of the structure. Manufacturing uncertainty is modelled as a variation in the material properties involving the vertical and transverse directions. Additionally, a distributed excitation profile that simulates the real in-flight conditions, based on the Dryden turbulence model, is considered. Delamination is implemented by stiffness degradation in the middle layers of the structure and is considered at three distinct locations: (i) near the boundary condition, (ii) near the middle, and (iii) near the tip of the structure. Three methods, all utilizing acceleration-response signals and based on Multiple Input Multiple Output (MIMO) Transmittance Function (TF) representations of the structural dynamics estimated via stochastic Vector AutoRegressive with eXogenous excitation (VARX) models, are employed for damage detection: (i) an U-PCA-VARX method, and two Multiple Model (MM)-based methods: (ii) an U-MM-VARX method, and (iii) a PCA-enhanced, U-PCA-MM-VARX, method. The study is extensive, based on hundreds of Monte Carlo simulations conducted across a wide range of temperatures. The inspection phase of the damage detection process is structured into two distinct sub-phases: one within the [0,20]℃ temperature range, corresponding to inspections conducted under controlled laboratory conditions, and the other within the [−40,0]℃ range, representing experiments conducted under a real operating regime. All methods achieve excellent damage detection results for both inspection phases considered. | |
| dc.description.translatedabstract | Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε διάφορες μηχανολογικές εφαρμογές, ιδίως σε αεροκατασκευές, λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους και της υψηλής αναλογίας αντοχής προς βάρος. Ωστόσο, η ευαισθησία τους στις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές/λειτουργικές συνθήκες αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα για την αποτελεσματική ανίχνευση βλαβών. Η Παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας (SHM) βάσει τυχαίων ταλαντώσεων στα σύνθετα υλικά έχει γίνει ένα πεδίο μεγάλου ενδιαφέροντος κυρίως επειδή η ταλάντωση είναι φυσικά διαθέσιμη στις περισσότερες κατασκευές. Ένα σημαντικό πρόβλημα στη Παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας βάσει τυχαίων ταλαντώσεων προκύπτει από το γεγονός ότι οι μεταβολές στα δυναμικά χαρακτηριστικά της κατασκευής, που προκαλούνται από τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές/λειτουργικές συνθήκες και άλλους παράγοντες αβεβαιότητας, μπορεί να είναι τόσο έντονες που να αποκρύπτουν μερικώς ή ακόμη και πλήρως τις δυναμικές αλλαγές που σχετίζονται με τη βλάβη σε πρώιμο στάδιο. Επομένως, η διάκριση των επιδράσεων των αβεβαιοτήτων από εκείνες που προκαλούνται από τη βλάβη είναι ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματική ανίχνευση βλαβών. Η παρούσα μελέτη αποσκοπεί στην εύρωστη ανίχνευση βλαβών για μία σύνθετη αεροκατασκευή υπό θερμοκρασιακή και κατασκευαστική αβεβαιότητα και ένα κατανεμημένο προφίλ διέγερσης. Η μελέτη βασίζεται στη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων και η κατασκευή μοντελοποιείται με τρισδιάστατα στοιχεία κελύφους γραμμικής τάξης με έξι βαθμούς ελευθερίας. Η θερμοκρασία μεταβάλλεται εντός του εύρους [-40, 20]℃. Η μεταβολή αυτή επηρεάζει τις ιδιότητες του υλικού και τον λόγο απόσβεσης. Η κατασκευαστική αβεβαιότητα μοντελοποιείται ως μεταβολή στις ιδιότητες του υλικού που σχετίζονται με την κατακόρυφη και την εγκάρσια διεύθυνση. Επιπλέον, μοντελοποιείται ένα κατανεμημένο προφίλ διέγερσης που προσομοιώνει τις πραγματικές συνθήκες πτήσης, βασισμένο στο μοντέλο τυρβώδους ροής Dryden. Η εξεταζόμενη βλάβη (διαστρωματική αποκόλληση) προσομοιώνεται ως μείωση των ιδιοτήτων του υλικού στις μεσαίες στρώσεις της κατασκευής και εξετάζεται σε τρεις θέσεις: (i) κοντά στη συνοριακή συνθήκη, (ii) κοντά στο μέσο και (iii) κοντά στο ελεύθερο άκρο της κατασκευής. Τρεις μέθοδοι, όλες βασισμένες σε σήματα απόκρισης επιτάχυνσης που μοντελοποιούνται με διανυσματικά μοντέλα αυτοπαλινδρόμησης με εξωγενή είσοδο (VARX) της μορφής Συναρτήσεων Μετάδοσης Πολλαπλών Εισόδων Πολλαπλών Εξόδων (MIMO-TF), χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση βλαβών: (i) μια μετασχηματισμένη και μειωμένη έκδοση του διανύσματος των παραμέτρων μέσω Ανάλυσης Κύριων Συνιστωσών (U-PCA-VARX) και δύο μέθοδοι βασισμένες σε Πολλαπλά Μοντέλα (ΜΜ): (ii) η μέθοδος U-MM-VARX και (iii) η U-PCA-MM-VARX. Η μελέτη είναι ενδελεχής και βασίζεται σε εκατοντάδες προσομοιώσεις Monte Carlo που διεξάγονται σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Η φάση επιθεώρησης της ανίχνευσης βλαβών διαρθρώνεται σε δύο επιμέρους φάσεις: μία στο εύρος θερμοκρασιών [0, 20]℃, που αντιστοιχεί σε πειράματα υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, και μία στο εύρος [-40, 0]℃, που αντιπροσωπεύει πειράματα υπό πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. ΄Ολες οι μέθοδοι επιτυγχάνουν εξαιρετικά αποτελέσματα στην ανίχνευση βλαβών και για τις δύο εξεταζόμενες φάσεις επιθεώρησης. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/29287 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Vibration-based SHM | |
| dc.subject | Robust damage detection | |
| dc.subject | Uncertainty | |
| dc.subject | Multiple model method | |
| dc.subject | Principal component analysis | |
| dc.subject.alternative | Παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας βάσει τυχαίων ταλαντώσεων | |
| dc.subject.alternative | Εύρωστη ανίχνευση βλαβών | |
| dc.subject.alternative | Αβεβαιότητα | |
| dc.subject.alternative | Μέθοδος πολλαπλών μοντέλων | |
| dc.subject.alternative | Ανάλυση κυρίων συνιστωσών | |
| dc.title | Damage detection in composite structures under uncertainties via random vibration | |
| dc.title.alternative | Ανίχνευση βλαβών σε σύνθετες κατασκευές υπό αβεβαιότητες μέσω στοχαστικών ταλαντώσεων |