Development of a digital twin to simulate the post-buckling behavior of composite stiffened panels
| datacite.contributor.RelatedPerson | Κωστόπουλος, Βασίλειος | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σαραβάνος, Δημήτριος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Λούτας, Θεόδωρος | |
| dc.contributor.author | Βαφείδης, Κωνσταντίνος | |
| dc.contributor.other | Vafeidis, Konstantinos | |
| dc.date.accessioned | 2022-10-17T07:55:15Z | |
| dc.date.available | 2022-10-17T07:55:15Z | |
| dc.date.issued | 2022-10-24 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | The present work is dedicated to the development of a Digital Twin (DT) of a multi-stringer composite panel subjected to Quasi-Static (QS) loading. Four tests are executed with a maximum load of 250,275 and 300 kN. At 250 kN two tests are carried out, one with the specimen being in pristine state (Before Impact – BI), and one where damage After Impact (AI) is present. The rest two tests involve only the specimen in the damaged state. During all four tests strain measurements are recorded via Fiber-Optic Sensors (FOS) placed on the specimen, while for the BI test the post-buckling behavior is captured via Digital Image Correlation (DIC). The purpose of the DT is a) to simulate the post-buckling behavior of the structure, and b) to be used as the healthy state baseline of a Structural Health Monitoring (SHM) system. First, a Finite Element Model (FEM) of the panel is developed and Non-Linear Buckling (NLB) analyses are run via both implicit and explicit solvers. The implicit analysis simulates accurately the buckling load but appears too stiff in the post-buckling region. On the other hand, the post-buckling behavior of the explicit analysis is validated by the DIC findings, though at several load regions the FEM overestimates the acting loads. Then, Surrogate Models (SMs) are trained upon the FEM results (strains) to provide pristine strains for the SHM system. The trained SMs accurately replicate the FEM presenting low RMSEs. Finally, the SHM methodology is applied where, at start, a load identification process is executed utilizing the measured strains. The surrogate and experimental strain distributions are compared at multiple loads to examine if the induced damage can be detected and localized. The results show a successful detection and a semi-successful localization, as only the location of one impact is found. In order to have an automated system, a Health Indicator (ΗΙ) is defined, and a healthy state threshold is specified. Via this method, the damage detection is achieved for both impacts, however only one of them is localized. | |
| dc.description.translatedabstract | Η παρούσα εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ενός Ψηφιακού Διδύμου (ΨΔ) μίας σύνθετης πλάκας πολλαπλών ενισχύσεων που υποβάλλεται σε ψευδοστατική φόρτιση. Εκτελούνται τέσσερις πειραματικές δοκιμές με μέγιστο φορτίο 250,275 και 300 kN. Στα 250 kN πραγματοποιούνται δύο δοκιμές, μία με το δοκίμιο σε υγιή κατάσταση (Πριν την Κρούση - ΠΚ), και μία όπου υπάρχει βλάβη Μετά από Κρούση (ΜΚ). Στις υπόλοιπες δύο δοκιμές μόνο το δοκίμιο βρίσκεται σε βλαμμένη κατάσταση. Κατά τη διάρκεια και των τεσσάρων δοκιμών, οι μετρούμενες παραμορφώσεις καταγράφονται μέσω ενός συστήματος Αισθητήρων Οπτικών Ινών (ΑΟΙ) τοποθετημένο στο δοκίμιο, ενώ για τη δοκιμή ΠΚ η μετα-λυγισμική συμπεριφορά καταγράφεται μέσω της μεθόδου Συσχέτισης Ψηφιακής Εικόνας (ΣΨΕ). Ο σκοπός του ΨΔ είναι α) να προσομοιώσει την μετα-λυγισμική συμπεριφορά της κατασκευής και β) να χρησιμοποιηθεί ως βάση υγιούς κατάστασης ενός συστήματος Παρακολούθησης της Δομικής Ακεραιότητας (ΠΔΑ). Πρώτον, αναπτύσσεται ένα Μοντέλο Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ) της πλάκας και αναλύσεις Μη-Γραμμικού Λυγισμού (ΜΓΛ) εκτελούνται μέσω άμεσων και έμμεσων μεθόδων επίλυσης. Η έμμεση μέθοδος προσομοιώνει με ακρίβεια το φορτίο λυγισμού, αλλά εμφανίζεται πολύ δύσκαμπτη στην μετα-λυγισμική περιοχή. Από την άλλη πλευρά, η μετα-λυγισμική συμπεριφορά της άμεσης μεθόδου επικυρώνεται από τα ευρήματα ΣΨΕ, αν και σε μερικά εύρη φορτίου το ΜΠΣ υπερεκτιμά τα ασκούμενα φορτία. Στη συνέχεια, Υποκατάστατα Μοντέλα (ΥΜ) εκπαιδεύονται με βάση τα αποτελέσματα (παραμορφώσεις) του ΜΠΣ για να παρέχουν υγιείς παραμορφώσεις στο σύστημα ΠΔΑ. Τα εκπαιδευμένα ΥΜ αναπαράγουν με ακρίβεια τα αποτελέσματα του ΜΠΣ παρουσιάζοντας μικρά σφάλματα. Τέλος, εφαρμόζεται η μεθοδολογία ΠΔΑ όπου, αρχικά, εκτελείται μια διαδικασία εκτίμησης του φορτίου σύμφωνα με τις μετρούμενες παραμορφώσεις. Οι πειραματικές και υπολογιστικές, από τα ΥΜ, κατανομές παραμόρφωσης συγκρίνονται σε πολλαπλά φορτία για να εξεταστεί εάν η προκληθείσα βλάβη μπορεί να ανιχνευθεί και να εντοπιστεί. Τα αποτελέσματα δείχνουν επιτυχή ανίχνευση και ημι-επιτυχή εντοπισμό, καθώς εντοπίζεται η θέση μόνο μίας κρούσης. Για να έχουμε ένα αυτοματοποιημένο σύστημα, ορίζεται ένας Δείκτης Υγείας (ΔΥ) και ένα όριο υγιούς κατάστασης. Μέσω αυτής της μεθόδου επιτυγχάνεται η ανίχνευση βλαβών και για τις δύο κρούσεις, ωστόσο μόνο μία από αυτές εντοπίζεται. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/23402 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.subject | Composite stiffened panels | |
| dc.subject | Digital twin | |
| dc.subject | Surrogate modeling | |
| dc.subject | Structural health monitoring | |
| dc.subject | Fiber-optic sensors | |
| dc.subject.alternative | Σύνθετες ενισχυμένες πλάκες | |
| dc.subject.alternative | Ψηφιακό δίδυμο | |
| dc.subject.alternative | Υποκατάστατη μοντελοποίηση | |
| dc.subject.alternative | Παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας | |
| dc.subject.alternative | Αισθητήρες οπτικών ινών | |
| dc.title | Development of a digital twin to simulate the post-buckling behavior of composite stiffened panels | |
| dc.title.alternative | Ανάπτυξη ψηφιακού διδύμου για την προσομοίωση της μετα-λυγισμικής συμπεριφοράς σύνθετων ενισχυμένων πλακών |