An approach for structural alteration identification based on piezoelectric patterns : working principle and validation

The objective of this thesis work is to monitor the healthiness of an elastic structure and to spot the presence and the location of localized corrosion-like damages. For this purpose, it is studied a new damage detection strategy which takes advantage of the electro-mechanical coupling between an elastic structure and one (or more) piezoelectric patches tied on the structure itself. This strategy is based on the estimation of scalar parameters, called Modal Electro-Mechanical Coupling Factors (MEMCFs). The MEMCFs are estimated only by knowing the eigenfrequencies of the considered electro-mechanical system and they have been proved to be robust with respect to environmental temperature variations. The specific system considered throughout the thesis is composed by a thin beam with piezo patches tied on the beam in different positions. In the first part, by means of numerical simulations, it is studied how the MEMCFs of the system variate, as a function of the damage severity and location, with respect to the MEMCFs of the undamaged system. At the end of the analysis, two MEMCFs-based damage detection indices are presented. After that, experimental tests have been carried out in order to validate the results obtained in the numerical simulations, quantify the dispersion of the MEMCFs experimentally estimated, and check the applicability of the MEMCFs-based damage detection indices previously introduced. At the end of the analysis, combining the results coming from the application of the two damage detection indices used, it is presented a method which allow to identify the most probable damaged areas of the beam with an assigned probability level.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è di monitorare l’integrità di strutture elastiche e di individuare la presenza e la posizione di danni da corrosione localizzati. Per questo scopo, è stata studiata una nuova strategia di rilevamento di danni che sfrutta l’accoppiamento elettro-meccanico tra una struttura elastica e una (o più) patch piezoelettriche posizionate sulla struttura stessa. Questa strategia si basa sulla stima di parametri scalari, chiamati Modal Electro-Mechanical Coupling Factors (MEMCFs). I MEMCFs vengono stimati conoscendo soltanto le frequenze proprie del sistema elettro-meccanico considerato e si sono dimostrati resistenti a variazioni di temperatura dell’ambiente circostante. Nello specifico, il sistema considerato nel corso di questa tesi è composto da una trave sottile con patch piezoelettriche posizionate in punti diversi della trave. Nella prima parte, tramite simulazioni di tipo numerico, viene studiato come i MEMCFs del sistema variano, in funzione della severità e della posizione del danno, rispetto ai MEMCFs del sistema non danneggiato. Al termine dell’analisi, vengono presentati due indici di rilevamento di danni basati sui MEMCFs. In seguito, sono stati eseguiti dei test sperimentali allo scopo di validare i risultati ottenuti nelle simulazioni numeriche, quantificare la dispersione dei MEMCFs stimati sperimentalmente, e verificare l’applicabilità dei due indici di rilevamento di danni introdotti in precedenza. Infine, combinando i risultati ottenuti dall’applicazione dei due indici di rilevamento di danni utilizzati, viene presentato un metodo che permette di identificare le più probabili aree danneggiate della trave con un dato livello di probabilità.