Continuous Structural Health Monitoring under varying environmental and operational conditions using wavelet transform modulus maxima decay lines similarity

Abstract

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων τριών δεκαετιών, έχουν αυξηθεί οι απαιτήσεις για την ανάπτυξη και χρήση συστημάτων παρακολούθησης ομαλής λειτουργίας διαφόρων μηχανολογικών συστημάτων και κατασκευών. Στην πραγματικότητα όμως, οι περιβαλλοντικές και συνθήκες λειτουργίας τους αλλάζουν συνεχώς. Τέτοιες αλλαγές προκαλούν σημαντικές αλλαγές στις ιδιότητές τους, και συνεπώς πρέπει να λαμβάνονται υπόψη. Στη βιβλιογραφία αναφέρονται διάφοροι μέθοδοι, που χρησιμοποιήθηκαν σε συστήματα παρακολούθησης, αφαίρεσης της επίδρασης στην κανονική λειτουργία που προκαλούν οι περιβαλλοντικές και λειτουργικές μεταβολές.. Η διατριβή αυτή αφενός προτείνει μια νέα μεθοδολογία αφαίρεσης των ανωτέρων επιδράσεων και αφετέρου την χρησιμοποιεί για να αναπτύξει ένα σύστημα παρακολούθησης της ομαλής λειτουργίας μηχανολογικών κατασκευών. Η μεθοδολογία βασίζεται στην ομοιότητα των γραμμών που φέρουν τα μέγιστα του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίων (WTMM). Αυτή η ομοιότητα μετριέται χρησιμοποιώντας το μέτρο της κανονικοποιημένης συσχέτισης (NCC). Εάν μια απόφαση σχετικά με την ύπαρξη αστοχίας δεν δύναται να ληφθεί απευθείας με τη χρήση αυτής της ομοιότητας, τότε προτείνεται η χρήση μιας μεθόδου βασισμένη στη διαφορά μεταξύ των σημειακών αθροισμάτων μεταξύ δύο γραμμών που φέρουν τα μέγιστα του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίων, που αναφέρεται σε συντομία ως (DSSD). Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αναδεικνύεται χρησιμοποιώντας τόσο ένα σύστημα προσομοίωσης τριών βαθμών ελευθερίας όσο και μια πειραματική δοκό προβόλου. Οι περιβαλλοντικές συνθήκες αλλάζουν μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία, και οι συνθήκες λειτουργίας αλλάζοντας τα στοχαστικά χαρακτηριστικά της δύναμης διέγερσης. Με την καταγραφή και επεξεργασία εικόνων, διαδικασία η οποία επιτρέπει την καταγραφή της μετατόπισης της κατασκευής σε μεγάλο αριθμό σημείων κατά μήκους της κατασκευής, η μεθοδολογία αποδεικνύεται εύχρηστη και κατάλληλη για χρήση κάτω από οποιεσδήποτε λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες.

Over the last three decades, there have been increasing demands to develop and deploy Structural Health Monitoring system for engineering structures. However, in reality, structures are subjected to varying environmental and operational conditions, which cause significant changes in their properties, and thus need to be accounted for in the monitoring system. A number of methods exist in the literature using base line model data to remove the effects of environmental and operational conditions, referred to as normalization. Α novel Structural Health Monitoring methodology under varying environmental and operational conditions is proposed in this thesis. The methodology is based on the similarity between maxima decay lines of the continuous wavelet transform scalogram of the structural responses obtained under different operational and environmental conditions, measured using the magnitude of the Normalized Cross Correlation (NCC). If a decision about damage existence cannot be made from this similarity, a method based on the Difference of the Pointwise Summation of Similar WTMM decay lines, abbreviated by DSSD, is proposed. The effectiveness of the proposed methodology is demonstrated using both a simulated 3-DOF system and an experimental cantilever beam. Environmental conditions are changed by varying the temperature, and operational conditions by changing the colour of the excitation force, between pink and white, as well as by changing their realisations. The proposed methodology is made robust, able to be used under any operating and environmental conditions, recording simultaneously the time responses at a large number of points along the length of the structure under consideration, using image acquisition and processing.