Robust Vibration-Based damage diagnosis under varying environmental and operating conditions and uncertainty via stochastic functional model methods
Authors: Αραβανής Τρύφων-Χρυσοβαλάντης 
Published: November 2021

Η παρακολούθηση της υγείας (δομικής ακεραιότητας) των κατασκευών βάσει σημάτων ταλάντωσης, η οποία στοχεύει στη διάγνωση βλαβών με αποκλειστική χρήση ταλαντωτικών σημάτων, έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο τα τελευταία χρόνια, φτάνοντας σε υψηλά επίπεδα τεχνολογικής ωριμότητας. Ωστόσο, μια σημαντική πρόκληση που σχετίζεται με την αποτελεσματική διάγνωση βλαβών (συμπεριλαμβανομένης της ανίχνευσης βλαβών και της ακριβούς χωροθέτησής τους) υπό μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές και λειτουργικές συνθήκες (ΠΛΣ), παραμένει μέχρι και σήμερα. Ο θεμελιώδης λόγος πίσω από αυτό, σχετίζεται με το γεγονός ότι τέτοιοι παράγοντες (ΠΛΣ) μπορούν να επηρεάσουν τα δυναμικά χαρακτηριστικά μιας κατασκευής με παρόμοιο τρόπο όπως μια ενδεχόμενη βλάβη. Καθώς τέτοιες αλλαγές βρίσκονται στον πυρήνα της διάγνωσης βλαβών, αυτή μπορεί να καταστεί αναποτελεσματική. Με γνώμονα την αντιμετώπιση της πρόκλησης αυτής, στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μίας μεθόδου για την εύρωστη διάγνωση βλαβών (ανίχνευση και ακριβής χωροθέτηση) βάσει σημάτων ταλάντωσης υπό μεταβαλλόμενες ΠΛΣ και αβεβαιότητα μέσω μεθόδων στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων. Αρχικά, στο Κεφάλαιο ΙΙ αντιμετωπίζεται το πρόβλημα της δυναμικής ανάλυσης σιδηροδρομικών οχημάτων, μέσω ταλαντωτικών σημάτων, υπό κανονικές μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας. Η ανάλυση βασίζεται σε διάφορες μη-παραμετρικές και παραμετρικές μεθόδους και αποτελεί μια προκαταρκτική μελέτη και μέρος της βάσης των επόμενων κεφαλαίων. Η προτεινόμενη μεθοδολογία για την εύρωστη ανίχνευση βλαβών μέσω στοχαστικών συναρτησιακών μοντέλων παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο III. Η μέθοδος, σε αυτό το κεφάλαιο, αναπτύσσεται για κατασκευές οι οποίες λειτουργούν υπό μία μεταβαλλόμενη συνθήκη λειτουργίας, αποτελώντας έτσι μια πρώτη προσέγγιση στο πρόβλημα και στοχεύει σε υψηλά επίπεδα απόδοσης, ενώ εξαλείφει διάφορους περιορισμούς άλλων διαθέσιμων μεθόδων της βιβλιογραφίας. Η αποτίμηση της μεθόδου γίνεται μέσω μελέτης προσομοιώσεων και αφορά στην ανίχνευση σφαλμάτων σε συστήματα ανάρτησης σιδηροδρομικών οχημάτων υπό μεταβαλλόμενο ωφέλιμο φορτίο. Επιτυγχάνεται υψηλή απόδοση ενώ τέλος, πραγματοποιείται και σύγκριση έναντι μιας εναλλακτικής μεθόδου. Το Κεφάλαιο IV περιλαμβάνει την επέκταση της μεθόδου, όπως παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο III, μέσα σε ένα πιο ρεαλιστικό πλαίσιο, λαμβάνοντας υπόψη πολλαπλές μεταβαλλόμενες ΠΛΣ και άλλες εξωγενείς αβεβαιότητες. Επιπλέον, εισάγεται μια νέα έκδοσή της, η οποία μειώνει την παρέμβαση του χρήστη στην επιλογή υποκειμενικών παραμέτρων. Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί, μια συστηματική μελέτη για την πειραματική αποτίμηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας, η οποία πραγματοποιείται μέσω εκατοντάδων πειραμάτων σε κομμάτι της ουράς ενός μη-επανδρωμένου αεροσκάφους (UAV). Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ιδανική απόδοση ανίχνευσης μέσω της νέας έκδοσης, καθώς επίσης πραγματοποιούνται και συγκρίσεις με άλλες μεθόδους της βιβλιογραφίας. Το τελευταίο κεφάλαιο (Κεφάλαιο V) αντιμετωπίζει το πρόβλημα της εύρωστης και ακριβούς χωροθέτησης βλαβών για κατασκευές που λειτουργούν υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας, αποτελώντας έτσι και το τελικό στάδιο του προτεινόμενου πλαισίου διάγνωσης βλαβών. Σε αντίθεση με τις περισσότερες διαθέσιμες μεθόδους της βιβλιογραφίας, η παρούσα έχει την δυνατότητα εκτίμησης των ακριβών συντεταγμένων της βλάβης, υποθέτοντας ότι μπορεί να συμβεί οπουδήποτε στην εξεταζόμενη τοπολογία. Η μέθοδος αξιολογείται πειραματικά μέσω πολλαπλών πειραμάτων για τον ακριβή εντοπισμό βλάβης σε μια λεπτή πλάκα αλουμινίου υπό μεταβαλλόμενες συνοριακές συνθήκες και σενάρια βλαβών πρώιμης φάσης. Εξετάζεται επίσης η απόδοσή της σε δύο διαφορετικές περιπτωσιολογικές μελέτες, ανάλογα με τη διαθεσιμότητα του σήματος διέγερσης. Παρά τη μικρή φύση των εξεταζόμενων βλαβών, τον περιορισμένο αριθμό των χρησιμοποιούμενων αισθητήρων και το εύρος ζώνης χαμηλής συχνότητας, η μέθοδος παρουσιάζει εντυπωσιακή ακρίβεια και για τις δύο περιπτώσεις, υπογραμμίζοντας την ικανότητά της να λειτουργεί αποκλειστικά με ταλαντωτικά σήματα απόκρισης.