بخشی از مقاله
چکیده
فرابینی سازه اي جهت کسب اطمینان از عملکرد بهره برداري مطمئن سازه، امري ضروري است. این مسئله در ارتباط با سکوهاي فراساحلی از اهمیت بیشتري برخوردار میگردد، چراکه بخش عمده اي از آنها در زیر آب قرار دارد و همواره در معرض عیوب ناشی از محیط ناملایم دریایی میباشند. این تحقیق، شامل بررسی تجربی بر روي یک مدل آزمایشگاهی جهت بسط یک تکنیک شناسایی سیستم براي اهداف سلامت سنجی بلند مدت با استفاده از سیگنالهاي سري زمانی میباشد. روش مربوطه، بر اساس مدل پارامتري ARMAX و سیستم منطق فازي بنیان میگیرد.
-1 مقدمه
فرابینی سازه ها به منظور بررسی عملکرد صحیح آنها، امري ضروریست. این فرآیند در ارتباط با سکوهاي فراساحلی از اهمیت بیشتري برخوردار است. سلامت سنجی سازه اي روشی است که عدم نقصان سازه را به منظور افزایش عمر بهره برداري و بالا بردن امنیت آن، مورد بررسی قرار میدهد. تعداد زیادي روشهاي غیر مخرب موضعی براي ارزیابی وضعیت موضعی سازه ها وجود دارند .
[1] در این روشها اغلب باید اطلاعی اولیه از حدود موقعیت عیب وجود داشته باشد و بیشتر در بخشهاي در معرض دسترس سازه، قابل اعمال میباشند. این دو جنبه مطرح شده براي روشهاي موضعی، در تضاد با روشهایی است که به منظور فرابینی سرتاسري سازه بسط داده میشوند.
در دو دهه اخیر، تکنیکهاي سلامت سنجی سازه اي از توجه زیادي برخوردار شدهاند و روشهاي غیر مخرب سرتاسري مختلفی مورد استفاده قرار گرفتهاند. روشهاي سرتاسري، به طور عام براي بررسی تغییرات بحرانی در اعضاي سازه اي به منظور پیش بینی خرابی غیر منتظره بکار میروند. در این روشها وقوع عیب، موقعیت و شدت آن با استفاده از پارامترهاي ارتعاشی سازه و با روشهاي ارزیابی خرابی آنلاین، قابل شناسایی می-باشند.
این روشها شامل تکنیکهایی میباشند که یا بر اساس بررسی تغییر در فرکانسهاي طبیعی و مد شکلها انجام میگیرند - روشهاي حوزه فرکانسی - و یا بر اساس مشخصه هایی - features - که با استفاده از مدلهاي پارامتري سریهاي زمانی بدست میآیند.
Kim و [2] Bartkowich، نتایج مطالعات عیب یابی که بخشی از آن به صورت آزمایشگاهی بر روي یک خرپاي ابزار بندي شده انجام گرفته بود را ارائه دادند. 3] Reda Taha et al. و [4، ترکیب روش شبکه عصبی مصنوعی و آنالیز موجک را براي انجام سلامت سنجی هوشمند، پیشنهاد نمودند. [5] Rajasankar et al.، روشی بر مبناي آنالیز اطمینان براي سلامت سنجی اتصالات لوله اي سازه فراساحلی ارائه دادند.
Sahin و [6] Shenoi، آلگوریتمی را براي عیب یابی و بر اساس ترکیب داده هاي ارتعاشی مبناي موضعی و سرتاسري و با استفاده از شبکه عصبی پیشنهاد نمودند. Surace و [7] Worden، روشی بر مبناي رفتار ارتعاشی سازه و آلگوریتمی که با استفاده از تشابه رفتار ایمنی بدن انسان انجام گرفته بود را مورد بررسی قرار دادند. [8] Elshafey et al.، روشی را براي فرابینی سازه فراساحلی بر اساس آلگوریتم شبکه عصبی بررسی و ارزیابی نمودند.
رفتار دینامیکی سازه هاي فراساحلی با خصوصیات دینامیکی آنها - نظیر فرکانسهاي طبیعی، مدشکلها و نسبتهاي استهلاکی - در ارتباط مستقیم میباشد. نامعینی هاي موجود در این رفتار دینامیکی، ترکیبی از مشخصه هاي زیادي مشتمل بر فرضیات موجود در معیار طراحی و نامعینی هاي حین ساخت برخاسته از خصوصیات هندسی و مصالح و برخی نامعینی هاي همراه با مدلسازي عددي، میگردند. در آزمایشهاي مودال، روشهاي مختلفی شامل حوزه فرکانسی و حوزه سري زمانی وجود دارند که اطلاعات مودال سازه را با استفاده از پاسخ دینامیکی سازه و تحریک ورودي آن، استخراج میکنند.
فرآیند بدست آوردن خصوصیات دینامیکی تجربی یک سازه با استفاده از مدل واقعی آن، به عنوان مفهومی از یک روش شناسایی سیستم شناخته میشود .[9] از سویی دیگر، شناسایی بلند مدت تغییرات خصوصیات دینامیکی، اغلب نیازمند تهیه یک مدل مبناي عددي براي سلامت سنجی سازه اي میباشد. این مدل مبنا، می تواند یک سناریوي مبنا را براي وضعیت سازه بدست دهد.
Reynders et al.، یک روش آنالیز مودال عملکردي - OMAX - را با استفاده از نیروهاي ورودي و با استفاده از یک مورد مطالعاتی پل سه دهنه، انجام دادند. آنها مشاهده نمودند که روش OMAX نه تنها یک مسئله به روز درآوري را مناسب می سازد بلکه انجام ردگیري عیوب بالقوه را در مدل المان محدود مقدور میسازد .[10]
پس از مرور خلاصه پیشنه کارهاي مربوط به این تحقیق که در بالا مطرح گردید، ترکیب مقاله را میتوان به صورتی که در ادامه می آید بیان نمود: در بخش 2، مدل فیزیکی، ابزار بندي آن و نحوه انجام آزمایشهاي تجربی شرح داده میشود، مدل ARMAX و روش خطاي پیش بینی در بخش 3 توضیح داده میشود، در بخش 4، مدل منطق فازي براي اهداف این مطالعه - عیب یابی - بررسی میگردد، در بخش 5، به آلگوریتم روش بالاترین درجه عضویت اشاره میشود، بحث و نتایج در بخش 6 و 7 بیان میشوند.
-2 چیدمان آزمایش و ابزار بندي
مدل فیزیکی این تحقیق بر اساس مشخصات و ابعاد پیشنهادي توسط [11] ساخته و آزمایشها در آزمایشگاه ارتعاشات و آنالیز مودال دانشکده مکانیک دانشگاه تبریز انجام شده است.
روش OMAX به منظور حصول پارامترهاي دینامیکی سازه، مورد استفاده قرار گرفت. بدین منظور، تحریکات خارجی توسط یک محرك الکترودینامیک - type 4809 - و با حسگر نیروي - AC20, APTech - توسط یک آمپلی فایر - model 2706 - ، همگی ساخت Bruel & Kjaer کشور دانمارك اعمال گردیدند. سیگنالهاي تحریکی تقویت شده با آمپلی فایر، توسط یک سري زمانی تولید شده در یک کامپیوتر شخصی، قابل اعمال میباشند.
سیستم محرك به طور صلب بر روي یک چهارچوب نگهدارنده نزدیک به مدل قرار گرفت و نیروها بر روي یکی از پایه هاي مدل و در تراز میانی طبقه دوم مدل اعمال گردیدند. براي انجام آزمایشهاي این تحقیق، سیگنالهاي نویز سفید به عنوان سیگنالهاي تحریکی مورد استفاده قرار گرفتند. ابزار بندي سازه شامل دو شتاب سنج سبک از نوع - 4508 B&K - براي اندازه گیري پاسخ سازه اي و یک نیرو سنج براي بررسی سیستم محرکه میگردید.
غلاف هایی به منظور قرار دادن همزمان حسگرها در دو جهت X و Y بر روي تمامی اتصالات مدل وصل شدند - شکل . - A-1 از آنجاییکه تعداد نقاط اندازه گیري از تعداد شتاب سنجهاي موجود بیشتر بود، اندازه گیری ها در 20 مرحله، متناظر با تعداد اتصالات مدل، انجام گرفت - روش شتاب سنجی لغزنده - . یک بسط اتصالی از جنس آلیاژ برنج، جهت مرتبط کردن ابزار تحریک به پایه مدل، استفاده گردید.
یک انتهاي کابلهاي شتاب سنجها و حسگر نیرو به یک سیستم داده برداري متصل شدند. نرخ فرکانس داده برداري چیدمان آزمایش بر اساس حدود فرکانس هاي اول مورد انتظار مدل، بین 0 تا 200 هرتز تنظیم گردید. سیگنال هاي خروجی ثبت میشدند و به منظور انجام پردازش بیشتر توسط نرم افزار PULS به یک کامپیوتر ارصال میگردیدند.
آزمایشها در دوحالت اصلی انجام گرفتند: حالت اول براي سازه سالم و در حالت دوم براي یک سازه معیوب که در آن یکی از اعضاي سازه جابجا شده بود - نظیر عضو No . 29، No . 33 و No . 38 در شکل . - 2 در تمام حالات طی 20 ثانیه 324000 داده برداشت گردید.
-3 مدل ARMAX و روش خطاي پیش بینی
به علاوه، u - t - سیگنالهاي ورودي و y - t - سیگنالهاي خروجی سیستم دینامیکی میباشند که مطالعه حاضر، به شکل سري زمانی توسط PULS جمع آوري شدهاند. یک گام مهم، انتخاب مرتبه پارامترها و ابعاد AR، MA و واریانس - na, nb, nc - میباشد. روشهاي معیار مختلفی براي انتخاب مرتبه مدل نظیر روشهاي Akaike/Bayesian و نیز روشهایی براي کاهش تعداد داده هاي مشخصه لازم براي روش شناسایی، موجود میباشند. روش خطاي پیش بینی حالت بسط یافته روش حداقل مربعات می باشد که در اینجا جهت تخمین پارامترهاي مدل استفاده شده است .[9]
-4 سیستم منطق فازي و Fuzzification
یک سیستم منطق فازي از مفاهیم منطق فازي به عنوان مبنایی براي بیان یک سیستم و ارتباط بین متغیرهاي آن استفاده میکند. تئوري رشتههاي فازي، یک ارتباط کلی غیر خطی با در نظر گرفتن نامطمئنی ها و ابهامات و عدم وضوح در تعریف وضعیت متغیرها و در حالت نقصان اطلاعات موجود براي یک سیستم میباشد. در این مطالعه، ورودی هاي سیستم منطق فازي [12] که "دلتاي سنجش " - MD - نامیده میشوند، عبارتند از تفاضل بین پارامترهاي مدل ARMAX - یعنی a - k - ، b - k - و c - k - ها - در دو حالت مدل سالم و مدل معیوب که به صورت رابطه زیر بیان میشوند:
- 3 - خروجیهاي سیستم فازي نیز به شکل اعداد خشک بیانگر شماره موقعیت عضو حذف شده در مدل فیزیکی - نظیر number 29 در شکل - 2 در هر سناریوي عیب، در نظر گرفته میشوند. رشته هاي فازي نیز با توابع عضویت گاسین به صورت زیر براي متغیرهاي ورودي استفاده می-گردند:
- 4 - که در آن m نقطه میانی براي رشته فازي می باشد. نامعینی - انحراف استاندارد - با علامت σ نشان داده می شود. سیگنال هاي مربوط به هر حالت آزمایش، به 10 بازه مساوي تقسیم گردیده و پارامترهاي ARMAX با میانگین گیري از 9 بخش اول بر اساس سیگنال هاي ورودي و خروجی بدست میآیند. بخش دهم این سیگنال ها، جهت انجام مرحله اعتبار سنجی روش پیشنهادي در نظر گرفته شد. مقدار پارامتر m با میانگین گیري از MD هاي منتجه، محاسبه میگردد.
