Dissertação
Utilização das Técnicas de Impedância Eletromecânica e Ondas de Lamb para Identificação de Dano em Estruturas com Rebites
On The Use of the Electromechanical Impedance and Lamb Waves techniques for Damage Detection on Riveted Structures
Registro en:
LEUCAS, Leonardo de Freitas. On The Use of the Electromechanical Impedance and Lamb Waves
techniques for Damage Detection on Riveted Structures. 2009. 80 f. Dissertação (Mestrado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2009.
Autor
Leucas, Leonardo de Freitas
Institución
Resumen
The present work is devoted to studying the performance of two well-known structural health
monitoring (SHM) techniques to detect damage in typical metallic riveted structures, such as
beams and panels found in various types of industry. Both techniques use piezoelectric
materials for mechanical excitation (actuator effect) and dynamic response analysis (sensor
effect) of the structure. The first approach used is known as electromechanical impedance
technique, in which the electrical impedance of the piezoelectric patch is directly associated
with the mechanical impedance of the structure. By this way, the detection of damage can be
made by observing the variation of this parameter and comparing the signals patterns
(signatures) of the healthy and damaged states of the structure. There are several damage
metrics aiming at quantifying the damage for SHM analysis. Another approach uses the socalled
Lamb waves, which propagate along solid materials. Information is collected from the
structure under healthy conditions by using wave propagation phenomena (such reflection
and attenuation) along the structure. The evolution of the damage can be observed by using
a specially defined Damage Metrics that is able to quantify damage in this case the
Damage Index (D.I.). The first studied structure was an aluminium beam containing a single
rivet, which was used to test both techniques for damage (rivet loss) identification purposes.
After this first validation procedure, the identification of a systematic loss of rivets on an
aeronautic aluminium panel containing various rivets was studied. This configuration
presents a more complex structure as compared with the aluminium beam, from the
structural view point. Statistical techniques based on hypothesis tests were applied, aiming at
identifying damage with a certain confidence interval. Finally, this work presents an
alternative approach using artificial neural networks applied to pattern recognition associated
to different damage states of the structure. All techniques presented in this dissertation
showed to be useful for damage detection, as far as rivet losses are concerned. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Mestre em Engenharia Mecânica O presente trabalho tem por objetivo o estudo do desempenho de duas técnicas já
conhecidas de monitoramento de integridade estrutural (SHM Structural Health Monitoring)
aplicadas à detecção de danos em estruturas metálicas rebitadas, como vigas e painéis
aeronáuticos. Ambas as técnicas se servem de materiais piezelétricos para a excitação
mecânica (efeito atuador) e coleta de sinais (efeito sensor) na estrutura. Na técnica de
impedância eletromecânica, a impedância elétrica do elemento piezelétrico é associada
diretamente à impedância mecânica da estrutura analisada. Desta forma, ao se verificar a
variação deste parâmetro, consegue-se verificar a presença do dano pela comparação das
assinaturas dos sinais de impedância para os casos com e sem dano. Métricas
especialmente desenvolvidas são capazes de quantificar estas duas situações. Já na
abordagem por ondas de Lamb, são observados os fenômenos de propagação de ondas
mecânicas (como reflexão e atenuação) em meios sólidos. Ao se verificar uma mudança nos
padrões correspondentes, consegue-se identificar a presença de dano na estrutura por meio
da metodologia avaliativa conhecida como DI (Damage Index). Primeiramente foi estudada
uma estrutura simples uma viga de alumínio com um único rebite buscando validar
ambas as técnicas para identificação do dano caracterizado pela retirada (perda) deste
rebite. Foi estudada também, numa etapa posterior, a perda sistemática de rebites em um
painel aeronáutico de alumínio. Esta configuração apresenta características bem mais
complexas do ponto de vista estrutural do que a primeira estrutura estudada. Foram
aplicadas técnicas de análise baseadas em testes de hipóteses estatísticas nos resultados
obtidos, buscando verificar a presença de dano, porém dentro de certa margem de
confiança. Além disso, foi apresentada uma abordagem alternativa para classificação de
padrões baseada em redes neurais artificiais aplicadas na detecção dos diferentes estágios
de dano do painel aeronáutico. Ambas as metodologias estudadas se mostraram eficazes
na identificação de danos associados à perda de rebites.