Crack identification method for mechanical structures

Detection of cracks in a mechanical component is one of the most important aspect in industrial field. These elements are in fact responsible for sudden ruptures or failure and may therefore be a serious danger to the overall security of a mechanical structure indeed. In this paper will be completely illustrated a new approach to crack identification. The method presented is part of the Non Destructive Testing (NDT). It is know that a damage induces a nonlinear behaviour in the system analysed. Even in presence of small depth cracks, the dynamic behaviour of structures with breathing cracks forced by harmonic excitation is characterized by the appearance of sub-harmonic and super-harmonics in the response spectrogram. This is the main expression of the system nonlinearity. With the objective of developing a crack identification method, great part of this study is focused on the study of super-harmonic frequencies of the system response. These frequencies are used to weigh the non-linearity of system behaviour at each frequency considered. Dealing with the presence of a single crack, the study follows the intuition that the non-linearity of system behaviour tend to be switched off when the crack is located in correspondence of a nodal point of the mode of interest. Since the objective is to track the gap between non-linear and linear behaviour of a cracked structure, it is necessary to create an index that can be used in a later stage to locate the damage. This index, named Non-Linearity Index, evaluate these frequencies in which the behaviour is approximately linear and use them in conjunction with the nodal point location information to identify the position of the crack. Nodal point location can be obtained by analytical way for simple geometries as well as by Finite Element Analysis for complex geometries where an analytical solution is not available. Multiple advantages are related with the use of the crack identification method discussed in this paper. Nodal points information can be achieved from the study of an undamaged model of the structure that is more easily solvable respect to a system where a crack needs to be modelled. Finally the fact that it is possible to obtain information useful to crack identification directly from the measures of one single point of the structure. These facts make the method costly and versatile indeed.

L'identificazione delle cricche in un componente meccanico riveste uno degli aspetti più importanti in campo industriale. Questi elementi sono infatti responsabili di rotture improvvise e disservizi che a volte possono essere un serio pericolo per la sicurezza complessiva di una struttura meccanica. In questo lavoro sarà illustrato in modo completo un nuovo approccio all’identificazione delle cricche. Il metodo presentato fa parte di quelli che vengono comunemente chiamati Controlli Non Distruttivi (CND). È risaputo che un danneggiamento introduce una non linearità all’interno del sistema. Anche in presenza di piccole cricche, il comportamento dinamico di una struttura con una cricca aperta, quando forzata con un eccitazione armonica, è caratterizzato dalla presenza di frequenze sub e super armoniche nello spettrogramma della risposta. Questa è la principale espressione della non-linearità del sistema. Con l’obiettivo di sviluppare un metodo di identificazione delle cricche, gran parte del lavoro si è focalizzato sullo studio delle frequenze super-armoniche della risposta del sistema. Queste frequenze sono usate per pesare la non-linearità del sistema ad ogni frequenza considerata. Considerando la presenza di una singola cricca nel sistema, lo studio segue l’intuizione che la non-linearità del sistema tende a svanire quando la cricca viene a trovarsi in corrispondenza di un punto nodale del modo di vibrare di interesse. Siccome l’obiettivo è quello di tracciare la distanza tra risposta non-lineare e lineare di una struttura criccata è necessario creare un indice da utilizzare successivamente per la localizzazione del danneggiamento. Questo indice, chiamato Non-Linearity Index, valuta queste frequenze in cui il comportamento è approssimativamente lineare e le utilizza in unione alle informazioni sulla posizione del nodi del modo per identificare la posizione della cricca. La posizione dei nodi della curvatura può essere ottenuta per via analitica nel caso di geometrie semplici oppure attraverso un analisi ad elementi finiti per geometrie complesse dove una soluzione analitica non è possibile. I vantaggi nell’utilizzo del metodo di identificazione delle cricche discusso in questa relazione sono molteplici. Le informazioni sulla posizione dei nodi della curvatura possono essere ricavate dallo studio di una struttura non danneggiata e quindi, più facilmente risolvibile rispetto ad una in cui la cricca debba essere modellata. Infine il fatto che sia possibile ricavare informazioni utili all’identificazione della cricca direttamente dalle rilevazioni fatte in un unico punto della struttura. Questi fatti rendono il metodo poco costoso e soprattutto versatile.