A new damage detection technique

Many infrastructures and mechanical structures are inevitable to suffer damage along with aging, which has drawn a lot of attention during the research of last decades in terms of the damage localization and quantification of engineering structures for health evaluation. Damage identification based on vibration-based data has been developed rapidly, since the change of physical structure naturally causes a change of system property such as natural frequency, modal damping and mode shape. There exists a variety of vibration-based methodologies for damage detection: by means of the change of natural frequency, the change of mode shape, the change of frequency response function and the change of transmissibility function, and so on. Among these methodologies, measuring the change of transmissibility function is preferable since it not only has a better sensitivity to the damage but also none prior information of the system loading is required. Transmissibility function as one of the most popular methods widely applied for identifying damage. Moreover, it is traditionally defined as response spectrum ratio between two degrees of freedom. During the recent decades, more damage indicators based on transmissibility function have been proposed and their results of damage identification have proved the excellent performance of this approach in terms of the sensitivity than the classical frequency response function (FRF). The author also points out the significance of poles and zeros to localize damage in the dynamic system. More recently, it has been proved that the value of transmissibility function converges to the mode shape ratio when frequency bandwidth is restricted to the system’s poles. The convenience and effectiveness of using transmissibility in practice is the basis of making it selected as the main research object in this work. A new conception, namely strain transmissibility function, has been proposed in this study due to the fact that strain is more sensitive regarding to damage in comparison with displacement, which could be proved through the related sensitivity analysis. In addition, the accuracy of damage localisation also relies on the number of sensors. Especially when dynamic test is performed on large structures such as bridges, tunnels and buildings, it is extremely difficult to reach the target of full coverage on the objects. Also, usually a large number of sensors are need and then the idea is impracticable mainly for economic reasons. Fortunately, distributed fiber optics techniques have kept developing rather maturely and they have been applied into various domains which can measure continuously strain and temperature along the structure layout. During the validation of the feasibility of the proposed new conception and approach, a series of simulation studies and the related experiments based on distributed fiber optics have been carried out. However, many researchers mainly concentrate on linear damage case where damage can be considered as the linear reduction of mass and stiffness, apparently, their methodology is unable to detect the change caused by the nonlinear damage. Damage scenarios in engineering structures are manifested as nonlinear behaviours in many cases, which could be deemed as the potential security hazard. Certain types of damage in MDOF systems create a significant nonlinear change instead of a linear one, such as breathing crack (Bilinear stiffness), post-buckled structures (Duffing nonlinearity) and rattling joints (The system with discontinuity), etc. Therefore, the study on nonlinear damage identification is of great importance. Another part of this study focuses on nonlinear damage identification based on the conception of nonlinear output frequency response function (NOFRF). The highlight of this work is the extension of the NOFRF approach to the general input condition and corresponding simulation on a MDOF system clearly demonstrates its availability. In particular, this work also discovers and proves the relationship between NOFRF-based transmissibility function and Output-based transmissibility function under general input condition, which offers a more convenient and reliable strategy for detecting and localizing damaged components, on account of various damaged scenarios, including existence of single damaged component and multiple damaged components. In addition, various loading scenarios are taken into consideration as well, including single-point loading, multiple-point loading and distributed uniformed loading.

Molte infrastrutture e strutture meccaniche sono inevitabili a subire danni con l'invecchiamento, che ha richiamato molta attenzione durante la ricerca degli ultimi decenni in termini di localizzazione del danno e di quantificazione delle strutture ingegneristiche per la valutazione della salute. L'identificazione dei danni basata su dati a vibrazione è stata sviluppata rapidamente, in quanto la modifica della struttura fisica provoca naturalmente un cambiamento della proprietà del sistema, come la frequenza naturale, lo smorzamento modale e la forma. Esiste una varietà di metodologie basate su vibrazioni per rilevare i danni: mediante la variazione della frequenza naturale, la modifica della forma del modo, la variazione della funzione di risposta in frequenza e la modifica della funzionalità di trasmissibilità e così via. Tra queste metodologie, la misurazione della variazione della funzione di trasmissibilità è preferibile in quanto non solo ha una migliore sensibilità al danno ma anche nessuna informazione preliminare del carico del sistema è necessaria. Funzionalità di trasmissibilità come uno dei metodi più diffusi ampiamente applicati per identificare i danni. Inoltre, è tradizionalmente definito come rapporto di spettro di risposta tra due gradi di libertà. Negli ultimi decenni sono stati proposti altri indicatori di danno basati sulla funzione di trasmissibilità e i loro risultati di identificazione dei danni hanno dimostrato l'eccellente prestazione di questo approccio in termini di sensibilità rispetto alla funzione classica di risposta in frequenza (FRF). L'autore sottolinea anche l'importanza dei poli e degli zeri per localizzare i danni nel sistema dinamico. Più di recente, è stato dimostrato che il valore della funzione di trasmissibilità converge al rapporto forma forma quando la larghezza di banda di frequenza è limitata ai poli del sistema. La comodità e l'efficacia dell'utilizzo della trasmissibilità in pratica è la base per farlo selezionarlo come oggetto di ricerca principale in questo lavoro. In questo studio è stata proposta una nuova concezione, vale a dire la funzionalità di trasmissibilità del ceppo, per il fatto che il ceppo è più sensibile in relazione ai danni rispetto allo spostamento, che potrebbe essere dimostrato attraverso l'analisi di sensibilità relativa. Inoltre, l'accuratezza della localizzazione del danno si basa anche sul numero di sensori. Soprattutto quando viene eseguita una prova dinamica su grandi strutture come ponti, tunnel e edifici, è estremamente difficile raggiungere l'obiettivo di copertura completa sugli oggetti. Inoltre, solitamente un numero elevato di sensori è necessario e quindi l'idea è praticabile principalmente per ragioni economiche. Fortunatamente, le tecniche di fibre ottiche distribuite hanno mantenuto sviluppi piuttosto maturi e sono stati applicati in vari domini che possono misurare continuamente la tensione e la temperatura lungo il layout della struttura. Durante la convalida della fattibilità della nuova concezione e approccio proposti, sono stati condotti una serie di studi di simulazione e gli esperimenti relativi a fibre ottiche distribuite. Tuttavia, molti ricercatori si concentrano principalmente sul caso di danno lineare in cui i danni possono essere considerati come la riduzione lineare della massa e della rigidità, apparentemente, la loro metodologia non è in grado di rilevare il cambiamento causato dal danno non lineare. Gli scenari di danni nelle strutture ingegneristici si manifestano come comportamenti non lineari in molti casi, che potrebbero essere considerati come potenziali pericoli per la sicurezza. Alcuni tipi di danni nei sistemi MDOF creano una notevole modifica non lineare, anziché una linea, come respirazione (rigidità bilineare), strutture post-bloccate (non lineare Duffing) e articolazioni a catena (Il sistema con discontinuità). Lo studio sulla identificazione dei danni non lineari è di grande importanza. Un'altra parte di questo studio si concentra sull'identificazione del danno non lineare basata sulla concezione della funzione di risposta in frequenza di uscita non lineare (NOFRF). Il punto forte di questo lavoro è l'estensione dell'approccio NOFRF alla condizione di input generale e la corrispondente simulazione su un sistema MDOF dimostra chiaramente la sua disponibilità. In particolare, questo lavoro scopre e dimostra anche la relazione tra la funzione di trasmissibilità basata sul NOFRF e la funzionalità di trasmissione basata sull'uscita in condizioni di input generali, che offre una strategia più conveniente e affidabile per individuare e localizzare componenti danneggiati, a causa di diversi scenari danneggiati, Inclusa l'esistenza di componenti singoli danneggiati e componenti multipli danneggiati. Inoltre, vengono presi in considerazione anche diversi scenari di caricamento, tra cui il caricamento a singolo punto, il carico a più punti e il carico uniforme distribuito.