بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به افزایش عمر سازههای مهندسی عمران، توانایی شناسایی وضعیت فعلی سازههایی که در زمانهای گذشته ساخته شدهاند و تحت تاثیر شرایط محیطی و بهرهبرداری مختلفی در طول عمر خود بودهاند، اهمیت بسزایی برای استفاده کنندگان و مالکان این سازهها در زمان حال دارد. در واقع هدف از پایش سلامت سازه تعیین وضعیت فعلی سازه و مشخص نمودن نقاط ضعف و خرابیهای محتمل در سازههای موجود است. از جمله این روشها، تشخیص خرابیها با استفاده از تغییر در مشخصات دینامیکی و استاتیکی است که مطالعات زیادی در آن زمینه صورت پذیرفته است.
نقص دیگر روشهای ابتدایی نیازمندی به مشخصات اولیه و یا مبنا بوده که برای رفع این نقص، تلاشهای گستردهای صورت پذیرفته است. استفاده از تحلیل ویولت برای تشخیص خرابی روشی است که در چند سال اخیر مورد توجه قرار گرفته و مقالات زیادی در آن ارتباط منتشرگردیده است. در این مقاله، استفاده از روش ویولت جهت تشخیص وجود، محل و شدت خرابی در یک خرپا بدلیل کاهش صلبیت محوری در اعضای خرپا بررسی شده و توانایی آن مورد سنجش قرار گرفته است.
.1 مقدمه
با افزایش تعداد و ابعاد سازهها، امکان تشخیص خرابی و زوال آنها با استفاده از روشهای سنتی نظیر اولتراسونیک و چکش اشمیت غیر ممکن میباشد زیرادر تمامی این روشها ابتدا لازم است محلهای بروز خرابی با بازرسی از کل سازه مشخص گردد. بازرسی از چنین سازههایی بسیار پر هزینه، وقتگیر و همراه با خطاهای انسانی است. بررسی سلامت سازهای روشی است که میتواند تغییرات به وجود آمده در مشخصات دینامیکی سازه را تشخیص دهد. این روشها در سازه های عمرانی، مکانیک و هوافضا مورد استفاده بوده و در سال های اخیر به سرعت توسعه یافتهاند که معمولاً در چهار سطح طبقه بندی می شوند;
-1تشخیص وجود خرابی در سازه
-2 تشخیص محل خرابی در سازه
-3 تشخیص شدت خرابی موجود در سازه
-4 پیش بینی عمر بهره برداری باقیمانده سازه.
به طور معمول در سازههای عمرانی سه سطح اول تشخیص خرابی مورد توجه میباشد و دلیل آن وابستگی این سه سطح به مشخصات دینامیکی و مدلسازی است. سطح چهار تشخیص خرابی در مورد تحلیلهای خستگی وارزیابی سازه ای مورد استفاده می باشد.
.2 مروری بر پیشینه تشخیص خرابی
بررسی سلامت سازهای* در سازهها از دهه 70 میلادی مورد توجه محققان سازههای مربوط به صنایع هوا فضا قرار گرفته است. دلیل این امر عدم امکان بازرسی چنین سازههایی در فضا میباشد. ایده اصلی در بررسی سلامت سازهای آنست که از شناسایی تغییرات به وجود آمده در مشخصات دینامیکی و یا استاتیکی سازه بتوان به وجود خرابی در سازه پی برد. در واقع، مشخصات مودال - فرکانسهای اصلی، شکل مدی - و یا مشخصات استاتیکی - خیز - تابعی از مشخصات فیزیکی نظیر جرم، سختی و میرایی هستند که بروز خرابی در سازه سبب تغییر این مشخصات خواهد شد. برای سنجش پاسخ دینامیکی سازه از بارگذاری ضربهای کنترل شده و یا ارتعاشات تصادفی بعلت بار باد و یا عبور وسایل نقلیه و برای سنجش پاسخ استاتیکی از بارگذاری بر روی سازه استفاده میشود
از اولین پارامترهای مورد استفاده در تشخیص سلامت سازهای، فرکانسهای طبیعی ارتعاش است که درآنها فرکانس طبیعی سازه موجود در محل و با استفاده از تجهیزاتی ویژه برداشت شده و سپس با فرکانس طبیعی سازه سالم مقایسه میگردد. در صورت بروز خرابی، سختی سازه کم و در نتیجه فرکانس طبیعی سازه کاهش خواهد یافت . فرکانس طبیعی سازه یک مشخصه کلی سازه بوده و تنها قابلیت تشخیص وجود خرابی در سازه را خواهد داشت - سطح 1 تشخیص خرابی - و هیچ اطلاعاتی در مورد محل و شدت خرابی به دست نخواهد داد.
به همین جهت نیاز است تا فرکانس مدهای بالاتر نیز استخراج شود تا به کمک آن بتوان اطلاعات مفیدی به دست آورد که اندازهگیری فرکانس مدهای بالاتر سازههای بسیار بزرگ نظیر پلها در عمل بسیار پیچیده میباشد. فرار و همکاران[3] وجود خرابی در پل I40 را با استفاده از شناسایی تغییرات در فرکانس طبیعی مورد بررسی قرار دادند. آنها متوجه شدند در شرایطی که سختی یکی از شاهتیرهای اصلی به میزان قابل توجهی کاهش داشت، تغییر کمی در فرکانس به وجود آمده است. همچنین، در برخی موارد ممکن است برای تشخیص محل خرابی نیاز به تعداد زیادی ازفرکانسهای طبیعی باشد که این امر درعمل مشکلات فراوانی را تولید خواهد نمود.
گورلی و کریم [4] مؤثر بودن تبدیل ویولت گسسته در بررسی پاسخ یک سکوی فراساحلی تحت بارهای باد و موج را نشان دادند. آنها همچنین به نکاتی اشاره کردند که ممکن بود با استفاده از تحلیل حوزه فرکانس با حوزه زمان به تنهایی قابل مشاهده نباشند. از آن جمله تمیز دادن بین پاسخ سکو در اثر برخورد موجهای بلند به زیرسکو و موجهای برخوردکننده به دال فوقانی بود. آنها در کارشان نشان دادند که میتوان میزان انرژی منتقل شده را با رسم مربع ضرایب ویولت در یک محور زمان که اصطلاحاً نقشه متوسط مربعات نامیده میشود برآورد کرد.
استفاده از تبدیل ویولت در کشف آسیب سازههای مکانیکی مسئله تازهای نیست و در دهه قبل توسط محققان بسیاری موردبررسی قرار گرفته است. گزارشها حاکی از آن است که آسیب در قطعات مکانیکی بر اساس تغییر در ضرایب تبدیل ویولت سیگنال پاسخ قابل پیشبینی است.
اخیراً جیورجیوتو و همکاران [5] مطالعاتی بر روشهای مختلف کشف آسیب در قطعات هلیکوپتر انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که تبدیل ویولت یک روش بهینه برای کشف آسیب بخصوص خرابیها در مراحل اولیه است. به طور مشابهی روبینی و منیگیتی[6] * نشان دادند که تبدیل ویولت را میتوان برای بررسی لحظهای ترکهای پیش روند ناشی از خستگی در قطعات دستگاهها به کار برد.
چن و چنگ [7] پیشنهاد استفاده از تبدیل مکانی ویولت برای کشف آسیب در یک پره در حال چرخش را دادند. در تبدیل مکانی ویولت متغیر زمانی با یک محور مکانی تعویض میشود که این امکان را ایجاد میکند تا بتوان محل ترک را مشاهده کرد. ترک براساس توزیع ضرایب ویولت آشکار میشود. توزیع ضرایب علاوه بر آشکارسازی و تعیین محل ترک، اندازه آن را نیز مشخص می-کند. این روش بر یک مدل المان محدوده پره ترکخورده در حال چرخش اعمال شد. یک نقطه اوج در توزیع ضرایب تبدیل ویولت نشاندهنده عدم پیوستگی هندسی - ترک - است و محل آن را مشخص میکند.
بولتزر و همکاران[8] ** مقایسهای بر توانایی تبدیل فوریه و تبدیل ویولت گسسته بر تشخیص آسیب در موتورهای الکتریکی انجام دادند. بررسیها نشان دادند که توانایی تبدیل ویولت گسسته بسیار بالاتر از تبدیل فوریه سریع بخصوص در اندازهگیری با اغتشاش زیاد است.
آنچه استفاده از تبدیل ویولت در سیستمهای مکانیکی را متمایز میکند این است که این سیستمها در مقایسه با آنچه قبلاً گفته شد بسیار کوچک هستند و لذا خصوصیات دینامیکی مشخصی را دارا میباشند. برای مثال ونگ و مفادن مفادن [9] نشان دادند که با استفاده از ویولتهای متعامد میتوان آسیب در چرخدندههای موجود در یک جعبهدنده را تشخیص داد. کیم و اوینز [10] با استفاده از یک مدل شبیهسازی نشان دادند که حذف اغتشاش از سیگنال یکی از مزیتهای استفاده از تبدیل ویولت نسبت به تبدیل فوریه است.
آنتونیادیس و یاکوپولوس[11] *** استفاده از تبدیل ویولت ویولت در عناصر لغزنده را پیشنهاد کردند. پاسخ ارتعاشی صفحات لغزنده توسط تبدیل ویولت آنالیز شدهاند. آنچه باعث شده است که این روشها به خوبی جوابگو باشند استفاده مؤثر از شاخصهای تبدیل ویولت است. در قسمت بعد برخی از این مشخصات که کاربرد بیشتری دارند به طور خاص موردبحث قرار میگیرد.
.3 استفاده از تبدیل ویولت در تشخیص سلامت سازهای
تحلیل ویولت نماینده گام بعدی در تحلیل سیگنالها میباشد که از پنجره یا اندازه متغیر استفاده میکند. با استفاده از تبدیل ویولت میتوان در مناطقی که نیاز به اطلاعات با فرکانس کم میباشد از طول پنجره زیاد استفاده کرد و در مناطقی که نیاز به اطلاعات با فرکانس زیاد میباشد از پنجره با طول کم استفاده کرد.
شکل 1 مقایسهای بین تبدیل ویولت و نمای حوزه زمان و فرکانس و STFT را نشان می دهد.
