بخشی از مقاله
چکیده
زوال سازهای عاملی است که منجر به بارگذاری بیش از حد و غیر قابل انتظار و در نتیجه تضعیف عملکرد سازه میشود، فلذا تنها راه جلوگیری از آن، نگهداری بموقع و تعمیرات بر پایه بازرسی و کنترل سازه می باشد، بنابراین امروزه نیاز چشمگیری به سیستم کنترل سلامت سازهای - SHM - موثر و کارآمدی که بتواند اطلاعات دقیقی از شرایط سازه واقعی در زمان را فراهم آورد حس میشود.
در این مقاله یک روش شناسایی خرابی بر اساس تئوری موجک بر روی بازوی شبیه سازی شده سکوی سلمان صورت پذیرفت. درجهت بهینه کردن زمان محاسبات در سیستم کنترل سلامت سازهای در این پژوهش، روش شناسایی خرابی آماری بر اساس تبدیل مجموعه موجک و نسبتهای درستی نمایی نمونه ها توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفت. بطور خلاصه این پژوهش روش قدرتمندی را در تعیین موقعیت خرابی بدون اطلاعات مرجع برپایه موجک پیشنهاد می-کند. این روش پیشنهادی توسط اطلاعات موجود از آزمایش بازوی سکوی سلمان در مقیاس آزمایشگاهی مورد تایید و ارزیابی قرار گرفت.
مقدمه
در طی قرن گذشته با رشد اقتصاد جهانی، سرمایهگذاری در زیرساختهای عمرانی افزایش پیدا کرده است. در دو دهه اخیر نیز در بیشتر کشورهای درحال توسعه زیرساختهای عمرانی بطور چشمگیری مورد توجه بوده و توسعه پیدا کرده است . از سویی دیگر، نگرانی از امنیت این سازهها نیز همیشه مورد توجه بوده است که این نگرانی به خاطر احتمال آسیب دیدن اینگونه سازهها است که میتواند موجب اخلال در نظم اجتماعی و همچنین خسارات بزرگ مالی و جانی شود.
هدف اصلی از کنترل سلامت سازه ارزیابی اطلاعات شرایط کنونی و ثبت خرابی ناگهانی و تشخیص وجود خرابی در سازه است. علاوه بر این کاربرد این سیستم میتواند بر اساس ارزیابی اطلاعات سلامت سازه و بهتبع آن تعمیرات قسمتهای زوال یافته سازه به حفظ توانایی سرویسدهی و افزایش عمر سرویسدهی منجر شود. گرچه روشهای تشخیص خرابی مدل دینامیکی، نتایج امیدوار کنندهای را در دهههای اخیر نشان دادهاند اما هنوز برای توسعه خرابی بموقع بر پایه مشخصات مودال دینامیکی سازه - شکلهای مودی1، فرکانسهای طبیعی2و ضرایب میرایی - 3 چالشهای زیادی وجود دارد. بنابراین روشهای عیب یابی موضعی به محدودیتهای اجرایی روشهای تشخیص خرابی بر پایه ارتعاش اشاره دارند .
بیشتر روشهای شناسایی خرابی موجود در کاربردهای تحقیقاتی احتیاج به سیگنالها از سازه در حالت اولیه برای مقایسه دادههای کنونی با داده-های گذشته دارند. روش بدون اطلاعات مرجع پیشنهاد شده، ویژگی سازهای محتوای هندسی و مشخصات مکانیکی را استخراج میکند. برای مثال مفصلهای سازهای به همان گونهای طراحی میشوند که ابعاد هندسی و سختی مکانیکی و مقاومت مشخصهای که دارند. بدینگونه سیگنالهای ارتعاشی اندازهگیری شده در یک مکان میتواند به عنوان سیگنالهای مرجع برای مکانهای دیگر که مشخصات سازهای قابل ملاحظه دارند استفاده شوند.
شناسایی خرابی بموقع به محاسبات و پردازش دادهها به شکل سریع نیاز دارد، بنابراین عملگرها مراقب نقایص سازهای و مکانشان در موقعیت کنونی هستند. در این مقاله از تبدیل مجموعه موجک استفاده شده و ضرایب موجک در باند فرکانسی حساس به خرابی انتخاب میشوند . بر پایه انتخابها شاخصهای خرابی بر اساس نسبت درستی نمایی نمونه ها، برای ارزیابی خرابی قابل اعتماد شکل میگیرد. الگوریتم اجرا شده با استفاده از برنامه کدنویسی MATLAB و برنامه Lab View صورت میگیرد.
شناسایی خرابی بدون اطلاعات مرجع در حالتهایی که سیگنالهای خط پابه موجود نیستند کاربردی است. بیشتر سازههای در حال ساخت سیگنالهای پایهای را از شرایط سازهای دست نخورده تهیه نکردهاند. بدون تکیه بر سیگنالهای پایهای، نسبت درستی نمایی نمونههای ضرایب مجموعه موجک انتخاب شده بین دو موقعیت مختلف به ما اجازه میدهد تا خرابی را شناسایی کنیم.
Hsu و [1] Lu یک روش بر پایه تبدیل موجک معرفی کردند که میتواند خرابی سازهای را با مقایسه کردن تبدیل موجک گسسته سیگنال قبل و بعد از رخ دادن خرابی در حوزههای زمانی شناسایی کند.Hou و [2] Shinde از مجموعه موجک برای پردازش تشخیص خرابی استفاده کردند و کاربرد آن را با استفاده از پاسخهای شبیه سازی شده سیستم سه درجه آزادی خطی نشان دادند.Taha و همکاران[3] یک دید مطلوب و سودمند از تبدیل موجک - تبدیل موجک پیوسته و تبدیل موجک گسسته - و تکنولوژیهایشان را برای کنترل سلامت سازه ارائه دادند.
Spanos و همکاران[4] تبدیل موجک پیوسته را برای مسائل شناسایی خرابی درحالتی که تفاوت بین پاسخ جابهجایی سازه آسیبدیده و سازه آسیبندیده تحت شرایط گوناگون بارگذاری مورد نظر بود بکار بردند. Wilde و [5] Rucka تبدیل موجک پیوسته را در جهت تخمین موقعیت ترک در تیر و سازههای صفحهای بکار بردند.Poudel و همکاران[6] یک فرایند جدید تشخیص خرابی را که از یک تبدیل موجک تابع اختلاف شکل مودی از حالت آسیبدیده و آسیبندیده استفاده میکرد پیشنهاد دادند.Smith و همکاران[7] از تبدیل موجک گسسته برای شناسایی خرابی در هواپیما استفاده کردند.
Qiao و [8] Cao تبدیل موجک مجموع - IWT - را که پارامترهای تبدیل موجک ایستا و تبدیل موجک پیوسته را برای بهبود قدرت تحلیلهای غیر معمول شکل های مودی در تشخیص خرابی اخذ کرده است پیشنهاد دادند.Sun و [9] Ren استفاده از آنتروپی اطلاعات ضرایب موجک به عنوان یک ویژگی حساس به خرابی را برای شناسایی خرابی در سازه پیشنهاد کردند. آنها اثرات خرابی جدید آنتروپی موجک، تکامل زمان آنتروپی موجک و آنتروپی موجک نسبی را پیشنهاد دادند و بطور آزمایشگاهی حساسیت آنها را به شناسی خرابی نشان دادند.
Asadi و [10] Amiri تبدیل گسسته موجک و تبدیل مجموعه موجک را در پردازش کردن رکورد های حرکت زمین بایکدیگر مقایسه کردند. Beskhyroun و همکاران [11] تبدیل موجک گسسته را برای شناسایی خرابی سازهای و کنترل سلامت سازه بکار بردند. Yan و همکاران [12] از نیروی موجک باقی مانده - RWF - به عنوان نشان دهنده مکان خرابی توسط تبدیل موجک پیوسته پاسخ ارتعاش آزاد استفاده کردند.
Oyadiji و [13] Zhong از تبدیل موجک ایستا برای شناسایی ترک در سازه شبیه به تیر استفاده کردند. تفاوت غالب بین ضرایب جزئیات تبدیل موجک ایستا مودهای خمشی ارتعاشی از یک تیر ترک خورده و یک تیر سالم به عنوان یک شاخص حساس به خرابی پیشنهاد شد. Wang و [14] Wu از تبدیل موجک Gabor برای تشخیص ترک در تیر سازهای که تحت جابهجایی استاتیکی قرارداشت، استفاده کردند.
سازه بازوی جکت مورد مطالعه
سازه بازوی سکوی جکت نفتی سلمان در ابعاد آزمایشگاهی برای مطالعات کنترل سلامت سازه طراحی و ساخته شده است. سازه مورد اشاره با ابعاد طول×عرض×ارتفاع، 4/8× 0/56 × 0/42 متر و هشت دهانه ساخته شده است. سازه بازوی سکو از لولههای فولادی اجرا شده است. پیکربندی هندسی سازه بازوی سکو جکت آزمایشگاهی در شکل 1 نشان داده شده است .[15]
در هر مقیاس، سیگنالهای اصلی از میان فیلتر عبورپایین و فیلتر عبوربالا تجزیه شده اند. بر اساس تجزیه چندگانه تبدیل مجموعه موجک، انتخاب مجموعه موجک مناسب برای تشخیص خرابی بسیار مهم است. باند فرکانسی مجموعه موجک انتخابی باید شامل فرکانسهای طبیعی سازه باشد، دلیل این امر آن است که خرابی محتوای فرکانسی را تغییر میدهد. انتخاب موجک مادر و تعداد مقیاسهای تبدیل موجک نیز همچنین برای تشخیص متوالی خرابی مهم است.
شاخص حساس به خرابی بر پایه نسبت درستنمایی نمونهها1
شاخصهای خرابی بر اساس نسبت درست نمایی، ضرایبی پیشنهاد شدهای هستند که در باندهای فرکانسی انتخاب شدهاند. تابع درست نمایی در آمار و ریاضیات توسط - 1922 - Fisher مطرح شد. تابع درست نمایی به طور مکرر در آزمون نسبت درست نمایی به منظور کمیتیابی کردن بین توزیعهای احتمال یا در تخمین درستنمایی ماکزیمم پارامترهای آماری مورد استفاده قرار میگیرد .
برای مسایل تشخیص خرابی بر پایه ارتعاش، دادههای شتاب معمولاً توسط سنسورها برای مشخص کردن مدل توزیع احتمالی اصولی اندازهگیری میشوند. پاسخ شتاب سازه بازوی جکت آزمایشگاهی که در معرض نوفه سفید باند پهن اندازهگیری شده در یک نرخ نمونهبرداری 5 کیلو هرتز میباشد. در مجموع 100 هزار داده شتاب اندازهگیری شده است.
