Experimental study and characterization of magnetoelastic ribbons as vibration sensors and their application for the identification of cracks in cantilever beams through the dynamic behavior of the beam
Authors: Σαμουργκανίδης Γεώργιος 
Published: September 2021

Στη παρούσα διατριβή λεπτές ταινίες μαγνητοελαστικού υλικού τύπου Metglas (άμορφο μεταλλικό κράμα Metglas 2826MB) μελετήθηκαν, χαρακτηρίσθηκαν και εφαρμόστηκαν ως αισθητήρας δονήσεων. Τέτοια υλικά έχουν την ιδιότητα να αλλάζουν την μαγνητική τους κατάσταση (μαγνήτιση) και να παράγουν μαγνητικά πεδία υπό την επίδραση μιας μηχανικής τάσης (Villary effect), και αντίστροφα να παραμορφώνονται μηχανικά όταν σε αυτά εφαρμοστεί κάποιο μαγνητικό πεδίο (magnetostriction). Στη παρούσα διατριβή, τα υλικά αυτά χρησιμοποιήθηκαν ως αισθητήρες δονήσεων με τη μορφή λεπτών ταινιών, και προσκολλήθηκαν πάνω στην επιφάνεια μιας μηχανικής δομής, όπως μία δοκός προβόλου (cantilever beam), για την παρακολούθηση της μηχανικής υγείας της δομής, παρουσία ρωγμών, μέσω των φυσικών της συχνοτήτων κάμψης. Το πειραματικό μέρος της διατριβής χωρίζεται σε τρεις βασικές φάσεις οι οποίες είναι, η επαλήθευση της χρήσης των υλικών αυτών ως αισθητήρες δονήσεων (proof of concept), ο πλήρης χαρακτηρισμός τους και τέλος η εφαρμογή τους στη ταυτοποίηση της μηχανικής υγείας της υπό μελέτης μηχανικής δομής. Στην παρούσα διατριβή, η σειρά των πειραμάτων ήταν σύμφωνη με την σειρά αυτών των φάσεων. Έτσι, όσον αφορά την πρώτη φάση, διερευνήθηκε η ικανότητα των μαγνητοελαστικών ταινιών να ανιχνεύουν και να μεταδίδουν την δονητική κατάσταση της μηχανικής δομής στην οποία ήταν επικολλημένες, καθώς και η ακρίβεια αυτών στην ανίχνευση της αλλαγής της δονητικής κατάστασης της δομής παρουσία ρωγμών, μέσω των καταγεγραμμένων δεδομένων των ιδιοσυχνοτήτων κάμψης. Για την εκτέλεση του έργου αυτού, ένα πλήθος διαφορετικών δειγμάτων προβόλου, άθικτων και μη, από κράμα αλουμινίου 6063 χρησιμοποιήθηκαν, και τα δεδομένα της ανίχνευσης των ιδιοσυχνοτήτων κάμψης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα από φασματικές προσομοιώσεις στο πρόγραμμα ANSYS. Κατά την δεύτερη φάση πραγματοποιήθηκε το πείραμα χαρακτηρισμού των ταινιών αυτών ως αισθητήρες δόνησης και μελετήθηκαν συνολικά επτά διαφορετικοί παράμετροι αισθητήρων όπως είναι η συχνοτική απόκριση, η γραμμικότητα, ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR), ο συντελεστής ποιότητας (Q factor), η σταθερότητα, η επαναληψιμότητα και η ευαισθησία. Το πείραμα αυτό του χαρακτηρισμού πραγματοποιήθηκε με την χρήση δύο διαφορετικών πειραματικών διατάξεων, μία για την εξέταση της παραμέτρου της συχνοτικής απόκρισης και μία για την εξέταση των υπολοίπων παραμέτρων. Η τρίτη και τελευταία φάση περιλαμβάνει την εφαρμογή των υπό εξέταση αισθητήρων δόνησης για τον εντοπισμό και την ταυτοποίηση ρωγμών σε μηχανικές δομές, όπως η δοκός πρόβολος, μέσω μια προτεινόμενης μεθοδολογίας αναγνώρισης ρωγμών. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει της χρήση μιας διεργασίας αντιστοίχισης προτύπων (pattern matching process), μέσω μιας διαδικασίας ελαχιστοποίησης της διασποράς των πειραματικών και θεωρητικών δεδομένων, προκειμένου να ταυτοποιηθεί η θέση και το βάθος της ρωγμής, και να προσδιοριστεί η μηχανική κατάσταση-υγεία της δομής. Οι μέθοδοι εκτέλεσης των πειραμάτων και τα πειραματικά δεδομένα της κάθε φάσης εξετάστηκαν λεπτομερώς και διεξοδικά, με τα αποτελέσματα αυτών να παρουσιάζονται και να περιγράφονται αναλυτικά στο κείμενο της διατριβής.