Monitorování kompozitních konstrukcí za použití piezoelektrických senzorů a aktuátorů

Ing. Petr SADÍLEK

Doctoral thesis

Structural health monitoring of composites using piezoelectric patches

Abstract:

The aim of this thesis is to propose a methodology that is able to identify a damage on a composite structure using change of spectral characteristics. Use of such methodology may reveal damage of the structure without a need of visual inspection. Removal of inspection reduces costs and, moreover, the structure may be monitored continually. Use of piezoelectric materials is chosen for this approach, as they respond in real time. In the first step, for deeper understanding of behaviour of piezoelectric materials, one dimensional finite element with piezoelectric effect is developed. The mathematical model is implemented in MATLAB environment and compared on adequate problems to analytical solution. Afterwards, experiments on undamaged and damaged structures are performed using two piezoelectric patches (one sensor and one actuator). Firstly, an aluminium grid structure is investigated for eigenfrequencies. An adequate finite element model is created to evaluate eigenfrequencies of the structure. Values from the experiments and FEM analysis differ in maximum 10% in the tracked values. Following experiments are performed on the same aluminium structure with predefined damages. Change of eigenfrequencies is clearly independent of the excitation signal, but localization of the damage is not possible without a deeper research. After the experiments with isotropic structure, the behaviour of composite structures is tested during series of impact using chirp signal. Firstly, spectrum of eigenfrequencies is measured on undamaged unidirectional composite plate and then after each impact. Measurements of the plate with different level of damage are compared. Change of eigenfrequency spectrum corresponds with the growth of the crack. Following experiments are performed on sandwich materials where more different types of failures may occur. Set of sandwich beams (cut out from one plate made of two outer composite layers and a foam core) is investigated. Several samples are impacted in the same manner to get comparable results. All monitored samples show similar change of frequency spectrum up to certain frequency. Tested methodology is able to reveal the damage without a need of additional computations, but for identification of type of damage or its localization more extensive research beyond the scope of this work is necessary.

Abstract:

Cílem této práce je navrhnout metodiku, s jejíž pomocí je možné identifikovat poškození na kompozitní struktuře v závislosti na změně spektrální charakteristiky. Použití takové metodologie může odhalit poškození konstrukce bez nutnosti vizuální kontroly. Odstranění kontroly snižuje náklady a navíc umožňuje nepřetržité monitorování dané konstrukce. Uvedený přístup využívá piezoelektrické materiály a jejich okamžitou odezvu. Pro detailnější porozumění chování piezoelektrických materiálů je nejprve vytvořen jednorozměrný konečněprvkový model s piezoelektrickým jevem. Numerický model je implementován do prostředí Matlabu a porovnán na odpovídajících problémech s analytickým řešením. Následně jsou provedeny experimenty na nepoškozených konstrukcích za pomoci piezoelektrického senzoru a aktuátoru. Nejprve jsou zjištěny vlastní frekvence hliníkové sítě. Následně je vytvořen odpovídající konečněprvkový model. Hodnoty získané z experimentů a MKP modelu se liší maximálně o 10% u sledovaných hodnot. Následující experimenty jsou provedeny na stejné hliníkové konstrukci, s předdefinovanými místy poškození. Změna vlastních frekvencí je nezávislá na budícím signálu, ale místo poškození není možné bez hlubšího výzkumu identifikovat. Po experimentech s isotropní konstrukcí je zkoumáno chování kompozitních struktur během rázových zkoušek. Za použití chirp signálu je nejprve změřeno spektrum vlastních frekvencí na nepoškozené jednosměrové kompozitové desce a následně po každém rázu. Měření z jednotlivých poškození jsou porovnána. Změna spektra vlastních frekvencí odpovídá růstu trhliny. Následující experimenty probíhají na sendvičových vzorcích, kde jsou možné různé druhy poškození. Sada sendvičových nosníků (vyříznutých z jedné desky) je podrobena stejné sekvenci rázů, pro dosažení porovnatelných výsledků. Všechny sledované vzorky vykazují do určité frekvence srovnatelnou změnu frekvenčního spektra. Testovaná metodika dokáže odhalit poškození bez dalších přidaných výpočtů, ale pro identifikaci druhu poškození kompozitní konstrukce je nutný hlubší výzkum, který přesahuje rámec této práce.

Keywords

piezoelektrický, SHM, kompozitní, chirp

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 3. 2013

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Robert Zemčík, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Applied Mechanics