شبیه‌سازی پایش سلامت برخط سازه‌های دریایی با استفاده از روش امپدانس الکترومکانیکی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود

2 دانشجوی دکتری، پژوهشکده فناوری نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

3 دانشیار، پژوهشکده فناوری نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

4 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران

10.22044/jsfm.2020.9723.3195

چکیده

روش امپدانس الکترومکانیکی ازجمله روش‌های برخط پایش سلامت سازه به شمار می‌رود. بهره‌گیری از وصله‌های پیزوالکتریک برای تحریک فرکانس‌ بالای سازه میزبان ، منجر به تشخیص عیوب‌ ریز می‌شود. از طرفی، انواع آسیب‌های محیطی از قبیل خوردگی منجر به ازکارافتادگی سازه‌های دریایی می‌شوند. بنابراین پایش سلامت این سازه‌ها به‌منظور بهینه‌سازی فرایند تعمیر و نگهداری آن‌ها ضروری است. هدف از تحقیق حاضر بررسی امکان استفاده از روش امپدانس الکترومکانیکی جهت شناسایی آسیب در سازه‌های دریایی است. در این راستا از یک شبیه‌سازی المان محدود چند فیزیکه وابسته برای مدل‌سازی نحوه ارتعاشات دائمی یک تیر مغروق در سیال و استخراج امپدانس الکترومکانیکی استفاده شد. جهت صحه‌گذاری مدل توسعه داده‌شده، ۵ فرکانس طبیعی اول ارتعاش عرضی تیر در سیال آب با نتایج تئوری موجود مقایسه شد. در ادامه، امپدانس الکترومکانیکی تیر سالم در سه عمق مختلف از آب استخراج و با حالت تیر قرار داده‌شده در هوا مقایسه شد. درنهایت، قابلیت شناسایی آسیب در سیال آب توسط روش امپدانس الکترومکانیکی، با شبیه‌سازی آسیب خوردگی با ابعاد مختلف موردبررسی قرار گرفت. تغییرات یکنوای شاخص آسیب مجذور میانگین مربعات خطا در هر دو محیط، نشان از قابلیت مناسب آن در شناسایی و پیش‌بینی آسیب دارد.

کلیدواژه‌ها


[1] Ho M, El-Borgi S, Patil D, Song G (2020) Inspection and monitoring systems subsea pipelines: A review paper. Struct Health Monit 19(2): 606-645.
[2] Kaiser MJ (2018) The global offshore pipeline construction service market 2017–Part I. Ships Offshore Struct 13(1): 65-95.
[3] سالاری م، ناصرالاسلامی ا (1394) آنالیز مودال صفحه مستطیلی قائم نیمه‌مغروق در آب با شرایط تکیه‌گاهی مختلف. کنفرانس بین المللی یافته‌های نوین پژوهشی در مهندسی صنایع و مهندسی مکانیک.
[4] ناصرالاسلامی ا، سالاری م (1394) آنالیز مودال پوسته استوانه‌ای با شرایط مرزی و حالت‌های غوطه‌وری مختلف در تماس با سیالات تراکم ناپذیر. مجله مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها 558-554 :(1)9.
[5] Anderson CM, LaBelle RP (2000) Update of comparative occurrence rates for offshore oil spills.  Spill Sci Technol Bull 6(5): 303-321.
[6] Liang C, Sun FP, Rogers CA (1997) Coupled electro-mechanical analysis of adaptive material systems-determination of the actuator power consumption and system energy transfer. JIMSS 8(4): 335-343.
[7] Wang X, Ehlers C, Neitzel M (1996) Electro-mechanical dynamic analysis of the piezoelectric stack. SmMaS 5(4): 492.
[8] Giurgiutiu V (2007) Structural health monitoring: with piezoelectric wafer active sensors. Elsevier.
[9] Giurgiutiu V, Gresil M, Lin B, Cuc A, Shen Y (1012) Roman C, Predictive modeling of piezoelectric wafer active sensors interaction with high-frequency structural waves and vibration. AcMec 223(8): 1681-1691.
[10] Bhalla S, Naidu ASK, Ong CW, Soh CK (2002) Practical issues in the implementation of electromechanical impedance technique for NDE. in: Smart Structures, Devices, and Systems, International Society for Optics and Photonics 484-494.
[11] Sepehry N, Shamshirsaz M, Bastani A (2011)  Experimental and theoretical analysis in impedance-based structural health monitoring with varying temperature. Struct Health Monit 10(6): 573-585.
[12] Rajabi M, Shamshirsaz M, Naraghi M (2017)  Crack detection in rectangular plate by electromechanical impedance method: modeling and experiment. Smart Struct Syst 19(4): 361-369.
[13] Sepehry N, Bakhtiari-Nejad F, Shamshirsaz M (2017)  Discrete singular convolution and spectral finite element method for predicting electromechanical impedance applied on rectangular plates. JIMSS 28(18): 2473-2488.
[14] Yin XR, Li GQ, Xu W, Miao YY (2010) Analysis of beams with piezoelectric stack by using finite element method and impedance method. in: Proceedings of the 2010 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications, IEEE, 554-558.
[15] Wang D, Song H, Zhu H (2015) Electromechanical impedance analysis on piezoelectric smart beam with a crack based on spectral element method. Math Probl Eng 4: 713501
[16] Sepehry N, Asadi S, Shamshirsaz M, Bakhtiari Nejad F (2018) A new model order reduction method based on global kernel k‐means clustering: Application in health monitoring of plate using L amb wave propagation and impedance method. Struct Contr Health Monit 25(9): e2211.
[17] Sepehry N, Shamshirsaz M, Bakhtiari Nejad F (2017) Low‐cost simulation using model order reduction in structural health monitoring: Application of balanced proper orthogonal decomposition. Struct Contr Health Monit 24(11): e1994.
[18] Green CP, Sader JE (2002) Torsional frequency response of cantilever beams immersed in viscous fluids with applications to the atomic force microscope. JAP 92(10): 6262-6274.
[19] Dorignac J, Kalinowski A, Erramilli S, Mohanty P (2006) Dynamical response of nanomechanical oscillators in immiscible viscous fluid for in vitro biomolecular recognition. PhRvL 96(18): 186105.
[20] Paul M, Clark M, Cross M (2006) The stochastic dynamics of micron and nanoscale elastic cantilevers in fluid: fluctuations from dissipation. Nanot 17(17): 4502.
[21] Paul M, Cross M (2004) Stochastic dynamics of nanoscale mechanical oscillators immersed in a viscous fluid. PhRvL 92(23): 235501.
[22] Chon JW, Mulvaney P, Sader JE (2000)  Experimental validation of theoretical models for the frequency response of atomic force microscope cantilever beams immersed in fluids. JAP 87(8): 3978-3988.
[23] Chu W (1963) Technical report no. 2, DTMB, Contract NObs-86396 (X), Southwest Research Institute. San Antonio, Texas.