Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/13877
Title: Semi-analytical wave propagation models in composite plates of general laminations for structural health monitoring applications
Other Titles: Πρότυπα διάδοσης κυμάτων σε σύνθετα υλικά και κατασκευές με ενεργούς πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες με εφαρμογές στον εντοπισμό βλαβών
Authors: Μπαρούνη, Αντιγόνη
Keywords: Structural health monitoring
Guided wave propagation
Semi-analytical solution
Lamb waves
Piezoelectrics
Layerwise theory
Composite materials
Keywords (translated): Δομικός έλεγχος κατασκευών
Διάδοση οδηγούμενων κυμάτων
Ημι-αναλυτική λύση
Κύματα Lamb
Πιεζοηλεκτρικά
Θεωρία διακριτών στρώσεων
Σύνθετα υλικά
Abstract: Structural Health Monitoring (SHM) denotes a system with the ability to detect and interpret adverse changes in a structure in order to improve reliability and reduce life-cycle costs. SHM essentially involves the embedding of a Non-Destructive Evaluation (NDE) system into a structure to allow continuous remote monitoring for damage. Limitations of bulk wave and vibration methods have turned Guided Ultrasonic Waves into a highly efficient method for the NDE and SHM of structures with finite cross-sectional dimensions. The increasing use of composites in structures brought SHM and NDE methods to a new level. Thus, modeling guided waves in composite structures has become challenging, because composite materials usually have anisotropic properties and exhibit directional mechanical behaviors. The need for an efficient and accurate technique for solving guided wave propagation problem that can deal with the challenges provoked by the composite structures has become obvious. The aim of the current doctoral dissertation is to develop a quick and robust solution for the guided wave propagation problem in laminated composite plate structures. This solution is capable of exploiting the great sensitivity of guided waves to smaller defects, due to smaller wavelength involved, as well as their ability to monitor larger ranges across the structure. Therefore, the main original contribution of this dissertation is to offer an efficient way to solve the guided wave propagation problem in potentially complex strips and plates. The proposed semi-analytical method couples the through-the-thickness discretization of the cross-section of the structure, based on the hypothesis of the layerwise theory, with the assumed analytic harmonic motion along the wave propagation direction. Fourier transforms are used in order to convert the differential equations of motion into simpler systems in the frequency-wavenumber domain. 2D and 3D formulations are developed for the strip (plain strain) and the plate cases. At this point, the dispersive characteristics of the structures are obtained in terms of group velocity, phase velocity, wavenumber along with the cross-sectional mode shapes. Afterwards, the modal expansion technique and matrix transformation methods are used in order to form a suitable eigenvalue problem for the forced solution of the problem. The propagation of the guided waves is then calculated for various loading cases and the forced response of the structures is predicted. Experimental verification is provided in order to strengthen the proposed semi-analytical solution. During these experiments composite beams with attached piezoelectric actuators and sensors are excited with an ultrasonic signal. Then, the response of the beam in a certain point is correlated with the predicted results from the current solution.
Abstract (translated): Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη πειραματικών και αναλυτικών μεθόδων βασισμένων στην κυματική διάδοση με απώτερο στόχο την ανίχνευση και την ταυτοποίηση βλαβών που αναπτύσσονται σε κατασκευές από σύνθετα υλικά. Η εργασία επικεντρώνεται στην ανάπτυξη ημι-αναλυτικών λύσεων για την επίλυση του προβλήματος της κυματικής διάδοσης σε κατασκευές από σύνθετα υλικά. Το αρχικό κίνητρο για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης λύση δόθηκε από τα αποτελέσματα που προέκυψαν ύστερα από την εφαρμογή σε πειράματα διάγνωσης βλάβης σε δοκίμια από σύνθετα υλικά μιας νέας πειραματικής διάταξης με βάση τις αρχές της μη-γραμμικής σύζευξης υπερηχητικών κυμάτων (nonlinear ultrasonic wave spectroscopy). Το έναυσμα για το κυρίως μέρος της παρούσας διατριβής αποτελούν τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από πειράματα σε σύνθετους δοκούς με μη-γραμμικούς υπερήχους. Συγκεκριμένα, αναπτύσσεται μια νέα πειραματική διάταξη που αποτελείται από δυο πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες (PZT5) και ένα πιεζοηλεκτρικό αισθητήρα (PZT5), οι οποίοι έχουν κολληθεί πάνω στην επιφάνεια δοκιμίων δοκού από σύνθετα υλικά. Τα δοκίμια που χρησιμοποιούνται περιλαμβάνουν υγιή δοκίμια και δοκίμια με τεχνητές βλάβες τύπου διαστρωματικής αποκόλλησης. Σκοπός της πειραματικής διάταξης είναι η εκτίμηση για την ύπαρξη και την έκταση της βλάβης μέσω της μη-γραμμικής σύζευξης δυο υπερηχητικών κυμάτων διαφορετικών συχνοτήτων, όταν αυτά εφαρμόζονται ταυτόχρονα και διεγείρουν τους δυο πιεζοηλεκτρικούς διεγέρτες. Στο δεύτερο και πλέον σημαντικό μέρος της διατριβής αρχικά αναπτύσσεται μια ημι-αναλυτική λύση για την επίλυση του προβλήματος της κυματικής διάδοσης σε δοκούς και πλάκες από σύνθετα υλικά. Η πρωτοτυπία της νέας λύσης έγκειται στη σύζευξη του αναλυτικού υπολογισμού του πεδίου των μετατοπίσεων στην κατεύθυνση διάδοσης του κύματος με τις κινηματικές υποθέσεις της θεωρίας των διακριτών στρώσεων (layer wise theory) κατά το πάχος της κατασκευής, ενώ αποτελεί λύση αναφοράς (benchmark) για συγκρίσεις με άλλες αριθμητικές λύσεις. Τα χαρακτηριστικά διασκόρπισης (dispersion) καθώς και η εξαναγκασμένη απόκριση της δοκού σε διαφόρου τύπου διεγέρσεις υπολογίζεται με την παρούσα λύση. Επιπλέον, η προαναφερθείσα λύση επεκτείνεται και λαμβάνει υπόψη όλες τις μετατοπίσεις στον τρισδιάστατο χώρο, επιλύοντας πλέον το πρόβλημα της κυματικής διάδοσης σε πλάκα. Τέλος και για τις δύο μαθηματικές διατυπώσεις των προαναφερθέντων ημι-αναλυτικών λύσεων παρουσιάζονται οι εξισώσεις ισορροπίας και λύνονται στο πεδίο συχνότητας-κυματικού αριθμού μέσω πολλαπλών μετασχηματισμών Fourier. Ειδικότερα, όσον αφορά την τρισδιάστατη λύση, η μετάβαση πάλι πίσω στο πεδίο χώρου-χρόνου γίνεται με τεχνικές έμμεσης επίλυσης του ισοδύναμου διδιάστατου μοντέλου. Ακολουθεί η παρουσίαση αποτελεσμάτων σε περιπτώσεις δοκών και πλακών από σύνθετα υλικά απλής και πολύπλοκης διάταξης στρώσεων καθώς και η παρουσίαση αποτελεσμάτων από τις δυνατότητες της προτεινόμενης πειραματικής διάταξης μη-γραμμικών υπερήχων. Τέλος, η αξιολόγηση και η επαλήθευση των δυνατοτήτων της ημι-αναλυτικής λύσης αποδεικνύεται μέσα από συγκρίσεις με αποτελέσματα αναλυτικών/αριθμητικών λύσεων, ενώ γίνονται και συγκρίσεις με πειραματικά αποτελέσματα σε δοκίμια δοκών από σύνθετα υλικά. Εν κατακλείδι, τα αναλυτικά αποτελέσματα αναδεικνύουν την αποτελεσματικότητα της ημι-αναλυτικής λύσης αλλά και τη σημασία των πρωτότυπων στοιχείων της (θεωρία διακριτών στρώσεων, μη-γραμμική σύζευξη υπερηχητικών κυμάτων) για αξιόπιστες αναλύσεις διάδοσης κυμάτων σε πολύπλοκες κατασκευές από σύνθετα υλικά.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PhD_thesis_Barouni_Fin_Revised_FINAL.pdf8.45 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.