Identification of damage in one-dimensional periodic structures

Abstract

Estruturas periódicas são geralmente encontradas em diversas apliações de engenharia. Estas estruturas são geralmente constituídas de sub-partes iguais ou similares, que são montadas de forma repetitiva. Exemplos de estruturas periódicas podem ser encontrados em aeronaves, edifícios, pontes, trilhos de trem, por exemplo. Do ponto de vista da análise dinâmica, estas estruturas apresentam características distintas de outras estruturas, como por exemplo a formação de "band gaps", que são faixas de frequência em que não ocorre propagação de ondas na estrutura, ou em que a propagação ocorre de maneira atenuada. Tendo em vista que muitas destas estruturas podem estar sujeitas a condições de operação críticas, onde existe o risco de falhas, é importante identificar métodos de monitoramento da condições de saúde estutural. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo desenvolver uma análise baseada em métricas de resposta em frequência para identificar alterações do comportamento dinâmico estrutural em sistemas unidimensionais como barras e vigas. O método de elementos espectrais foi utilizado para simular as condições do dano estrutural, modificando a sua magnitude e localização. Tendo a resposta em frequência de cada variação do dano na estrutura usou-se métodos de correlação: Método de Curvatura da Resposta em Frequência (FRF) e o Critério de garantia da resposta em frequência (FRAC) para identificar essas características. E para essa simulação escolheu-se uma estrutura periódica com 10 células com um e dois danos, variando o dano em 2% a 30% e sua posição. Os resultados dos dois métodos se complementam. O Método de FRF localica e quantifica o dano na estrutura, exceto nas extremidades devido ao arranjo matemático, e com o Método de FRAC é possível localizar o dano nas extremidade.

Periodic structures are generally found in many engineering applications. These structures generally consist of equal or similar sub-parts, which are assembled repetitively. Examples of periodic structures can be found on aircraft, buildings, bridges, train tracks, for example. For dynamic analysis, these structures have characteristics distinct from other structures, such as the formation of "band gaps", which are frequency bands where there is no wave propagation in the structure, or where the propagation is attenuated. Knowing that many of these structures may be subject to critical operating conditions, where there is a risk of failure, it is important to identify methods for monitoring structural health conditions. In this context, this work aims to develop an analysis based on frequency response metrics to identify changes in the structural dynamic behavior in one-dimensional systems such as bars and beams.The spectral element method simulated the conditions of structural damage, where the magnitude and location are changed. With the frequency response of each variation of the damage in the structure, correlation methods used: Frequency Response Curvature Method (FRF) and the Frequency Response Assurance Criterion (FRAC) to identify these characteristics. And for this simulation, a periodic structure with 10 cells with one and two damages was chosen, varying the damage from 2% to 30% and its position. The results of the two methods are complementary. The FRF Method localizes and quantifies the damage in the structure, except in the extremities due to the mathematical arrangement, and with the FRAC Method, it is possible to locate the damage in the extremities.