Numerical investigation and experimental setup design for IFEM implementation on a static and rotating shaft for imbalance detection

Structural Health Monitoring (SHM) is crucial for ensuring the safety and reliability of rotating machinery. In rotating shafts, structural damage can affect force distribution and alter dynamic behavior. This study conducts a preliminary numerical investigation into the application of the Inverse Finite Element Method (iFEM) for rotor monitoring. Based on Bernoulli-Euler beam theory, the iFEM algorithm reconstructs the full 3D deformation field through beam elements of inverse finite 0th-order formulation. Static and dynamic Finite Element Method (FEM) simulations assess the accuracy of the methodology under varying loading and boundary conditions. To simulate real-world sensor inaccuracies, Gaussian noise is introduced into the strain data, replicating measurement uncertainties typical of Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors. Additionally, an experimental test rig is outlined for validating iFEM implementation on a rotating shaft. Results demonstrate the iFEM capability to effectively capture deformation patterns, enabling real-time monitoring of a rotating shaft. Its sensitivity to structural changes highlights its suitability for predictive maintenance and fault diagnostics in rotating machinery. This study lays the groundwork for further research into iFEM-based SHM implementations, supporting research advancements and new industrial applications.

Il monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring, SHM) riveste un'importanza fondamentale per garantire la sicurezza e l'affidabilità dei macchinari rotanti. Nei rotori, eventuali danni strutturali possono influenzare la distribuzione delle forze e alterare il comportamento dinamico. Il presente studio propone un'indagine numerica preliminare sull'applicazione del Metodo degli Elementi Finiti Inverso (iFEM) per il monitoraggio dei rotori. Basato sulla teoria delle trave di Eulero-Bernoulli, l'algoritmo iFEM è in grado di ricostruire il campo di deformazione tridimensionale attraverso elementi trave di formulazione inversa di ordine 0. Sono state condotte simulazioni statiche e dinamiche utilizzando il Metodo degli Elementi Finiti (FEM) al fine di valutare l'accuratezza della metodologia in condizioni variabili di carico e vincoli. Per simulare le imprecisioni tipiche dei sensori nel contesto reale, è stato introdotto rumore Gaussiano nei dati di deformazione misurate, replicando le incertezze di misura proprie dei sensori ottici a reticolo di Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG). Inoltre, viene presentato un progetto preliminare di un banco prova per la validazione sperimentale dedicato per l'implementazione dell’iFEM su un albero rotante. I risultati ottenuti dimostrano la capacità dell’iFEM è di catturare efficacemente le deformazioni, permettendo il monitoraggio in tempo reale dell'albero. La sua sensibilità alle variazioni delle condizioni strutturali evidenzia il potenziale per applicazioni nella manutenzione predittiva e nella diagnostica dei guasti. Questo studio pone le basi per ulteriori ricerche sull’implementazione dell’iFEM nell'ambito di macchine rotanti, espandendone l'utilizzo per nuove applicazioni industriali.