Marjan Djidrov
Pengajaran dan Asisten Penelitian Ss. Cyril dan Methodius University di Skopje Fakultas Teknik Teknik
Republik Makedonia
Viktor Gavriloski
Profesor Ss. Cyril dan Methodius University di Skopje Fakultas Teknik Teknik
Republik Makedonia
Jovana Jovanova
Pengajaran dan Asisten Penelitian Ss. Cyril dan Methodius University di Skopje Fakultas Teknik Teknik
Republik Makedonia
Analisis getaran Cantilever Beam untuk Deteksi Kerusakan
Struktur mekanik selama operasi fungsional mereka mungkin
rentan terhadap kerusakan dan karena itu tidak dapat untuk dijamin kesalahan
modus operasional gratis yang pasti dan eksploitasi sukses. Dalam tulisan ini,
analisis getaran dan analisis respon frekuensi kantilever aluminium balok
dengan terikat transduser piezoelektrik disajikan dengan menggunakan metode
elemen hingga dalam perangkat lunak analisis elemen hingga ANSYS. Kantilever
respon balok getaran dianalisis dan hasil numerik model balok rusak
dibandingkan dengan skenario yang berbeda dari kehadiran kerusakan dalam
struktur, dengan lokasi dan kedalaman tunggal transversal retak. Teknik ini
didasarkan pada gagasan, jika retakan muncul dalam struktur mekanik, ini dapat
diakui sebagai perubahan sifat fisik, yang menyebabkan menyebabkan perubahan
sifat modal dari struktur
Kata kunci: deteksi kerusakan, analisis getaran, respon frekuensi.
1.
PENGANTAR
Teknik deteksi kerusakan
dalam struktur mekanik dan aplikasi mereka menjadi lebih penting dalam beberapa
tahun terakhir di hampir semua industri mekanik, ruang angkasa dan bidang
teknik sipil. sistem mekanik dengan kemampuan untuk mendeteksi menafsirkan
perubahan negatif dalam struktur dapat meningkatkan kehandalan masa depan
mereka dan mengurangi biaya siklus hidup. Tujuan utama untuk pemantauan
kesehatan struktural adalah deteksi dan karakterisasi kerusakan yang mungkin
mempengaruhi integritas dan operabilitas fungsional dari struktur mekanik.
Teknik pemeriksaan
konvensional dan metode bisa mahal dan memakan waktu. Isu-isu ini dapat cukup
diatasi dengan pengembangan dan penerapan metode dan teknik berdasarkan
peralatan yang dapat secara efektif mendeteksi adanya kerusakan dan dapat
memberikan informasi mengenai lokasi dan beratnya kerusakan dalam struktur.
Oleh karena itu transduser piezoelektrik, baik sebagai sensor dan aktuator,
biasanya digunakan untuk mendeteksi kerusakan dalam sistem untuk pemantauan
kesehatan struktural [1]. Perangkat ini memiliki kemampuan untuk pemanfaatan
efek piezoelektrik converse untuk menggerakkan struktur selain efek langsung
merasakan deformasi struktural. transduser piezoelektrik kecil, ringan,
perangkat terjangkau dan dapat diproduksi dalam bentuk-bentuk geometris yang
berbeda. sensor piezoelektrik dan aktuator dapat terikat ke permukaan atau
dapat tertanam ke dalam struktur, maka mereka memiliki potensi besar untuk
meningkatkan secara signifikan pemantauan dan deteksi kerusakan dengan evaluasi
tak rusak.
Banyak
metode yang telah dikembangkan untuk mendeteksi dan mencari celah dengan
mengukur perubahan dalam frekuensi alami struktur, karena frekuensi modal
Menerima: Juni 2014, yang diterima: November 2014 Korespondensi: Marjan Djidrov
Fakultas Teknik Mesin di Skopje,
adalah
properti dari seluruh struktur dan menurun sebagai akibat dari retak. survei
komprehensif untuk deteksi, lokasi, dan karakterisasi kerusakan struktural
melalui teknik yang meneliti perubahan diukur respon getaran struktur,
disajikan oleh S. W. Doebling et al. [2]. Survei mengkategorikan metode sesuai
dengan data yang dibutuhkan diukur dan teknik analisis, perubahan frekuensi
modal, bentuk modus, dan perubahan koefisien fleksibilitas diukur. Metode yang
menggunakan properti (kekakuan, massa, redaman) matriks memperbarui, deteksi
respon nonlinier, dan deteksi kerusakan melalui jaringan saraf juga disajikan.
Jenis struktur termasuk dalam survei ini adalah: balok, gulungan, piring,
kerang, jembatan, platform lepas pantai, struktur sipil besar lainnya, struktur
aerospace, dan struktur komposit.kerusakan struktural, seperti retak, biasanya
menyebabkan penurunan lokal dalam kekakuan dan inspeksi visual mungkin tidak
menemukan kerusakan. J. Penny et al. [3] digunakan teknik lokasi kerusakan
bergantung pada pengukuran perubahan kecil dalam frekuensi alami dan setelah
prediksi teoritis yang memadai dari perubahan frekuensi tersebut. Penentuan
frekuensi alami di mode yang lebih tinggi seringkali sulit dan tidak berarti
jelas di muka metode yang harus digunakan untuk memprediksi perubahan frekuensi
teoritis, metode sukses berdasarkan jumlah ini harus cukup kuat untuk kesalahan
pengamatan dan model kekurangan. Kualitas
prediksi dari setiap metode lokasi kerusakan sangat tergantung pada keakuratan
model kerusakan. A. S. Bouboulas et al. [4] digunakan prosedur elemen hingga
mendekati analisis getaran balok kantilever dikenai pembebanan impuls dengan
celah pernapasan, dan pernapasan diperlakukan sebagai masalah kontak gesekan
penuh antara permukaan retak. Solusi mereka diperoleh dengan menggunakan
prosedur berulang inkremental, dan dengan analisis dinamis quasi-statik dan
non-linear bertujuan untuk memprediksi karakteristik getaran balok kantilever
retak. D.
M. Reddy dan S. Swarnamani [5], menunjukkan efektivitas penggunaan fungsi
respon frekuensi (FRF) indeks kerusakan energi kelengkungan dan membangun nya. kemampuan untuk mendeteksi dan melokalisasi kerusakan.
Dengan menguji interval frekuensi, mereka disajikan bahwa energi kelengkungan
metode indeks kerusakan FRF ditetapkan dalam rentang frekuensi termasuk eigen
frekuensi. Indeks kerusakan ditemukan menjadi fungsi dari bandwidth frekuensi dan
variasi energi kelengkungan FRF Indeks kerusakan terhadap rentang frekuensi
(bandwidth) memberikan informasi lebih lanjut dalam pilihan optimal frequency range response analysis.
Dalam tulisan ini, frekuensi alami
telah dihitung dengan menggunakan metode elemen hingga dalam paket perangkat
lunak yang tersedia secara komersial ANSYS. analisis modal dan frequency response analysis in different cases of damage presence
on cantilever aluminium beam with bonded piezoelectric
transducer, are presented.
2.
ANALISIS KARAKTERISTIK DINAMIS UNTUK KERUSAKAN DETEKSI
Perubahan karakteristik getaran
dari struktur mekanik adalah dasar dari banyak metode dan teknik yang
dikembangkan dan diimplementasikan untuk sistem monitoring, dimaksudkan untuk
secara efektif, cepat dan ekonomis merusak deteksi. sifat model struktur
sebagai frekuensi modal, bentuk modus dan modal redaman dapat ditentukan
sebagai fungsi sifat fisik (material, karakteristik geometri) [6]. Selain itu,
jika kerusakan muncul dalam struktur mekanik, ini dapat diakui sebagai
perubahan sifat fisik yang menyebabkan menyebabkan perubahan sifat modal dari
struktur. Misalnya, pengurangan kekakuan disebabkan oleh retak atau pemutusan
akan menyebabkan perubahan jelas dalam sifat-sifat modal [7]. Dalam kasus di
mana hubungan ini bisa jadi model dengan persamaan linear, efek dari kesalahan
pada struktur dapat diklasifikasikan sebagai linear dinyatakan sebagai
non-linear. Misalnya, membuka dan menutup di crack terletak di balok dan
tergantung pada manifestasi dan posisi gaya yang diberikan, momen lentur akan
mendorong kasus non-linearitas deteksi kerusakan [8]. Tulisan ini tidak akan
mencakup metode dan teknik dalam kondisi non-linear, tetapi akan merujuk
merusak deteksi karena membuka celah transversal oleh perubahan frekuensi alami
dan respon frekuensi.
Perubahan frekuensi alami,
sebagai pendekatan untuk deteksi kerusakan adalah metode klasik, karena
penentuan mudah, akurasi tinggi dan kepekaan untuk semua jenis kerusakan dalam struktur
[9]. Ketika kesalahan terjadi dalam struktur mekanik, frekuensi alami dari
sistem yang akibatnya mengurangi karena pengurangan kekakuan. Sejumlah cukup
besar peneliti menggunakan metode ini melalui berlatih teknik pengukuran
vibrasi klasik melalui metode eksperimental untuk determinate frekuensi
resonansi.
2.1
GETARAN PAKSA
Perilaku dinamis dari sistem
linear digambarkan oleh persamaan diferensial berikut:
[M
]{x(t)} + [C]{x(t)} +[K ]{x(t)} = { f (t)} (1)
dimana, [M] adalah matriks massa, [C] matriks redaman dan
[K] matriks kekakuan, menggambarkan tata ruang sifat dari sistem. Sebuah vektor
perpindahan adalah x, vektor gaya yang diterapkan adalah f, dan lebih dari
titik mewakili diferensiasi terhadap waktu t. Dalam kasus eksitasi harmonik,
vektor dari gaya yang diterapkan dapat didefinisikan sebagai:
f (t) = Feiwt (2)
berikut ini, vektor respon perpindahan bisa diasumsikan
sebagai:
x(t) = Xeiwt (3)
Dari sini, dengan mengambil Fourier transform, persamaan
diferensial gerak (1) dapat dinyatakan sebagai berikut, masing-masing sistem
memiliki berikut representasi domain frekuensi:
[-w 2 M + iwC + K ]{X
(w
)} = {F (w)} (4)
dimana, X (ω) dan F (ω) yang masing-masing Transformasi
Fourier dari perpindahan x (t) dan diterapkan gaya f (t). Sebagai konsekuensi
dari ini dan dengan persamaan berikut:
[H (w)]
= [-w 2 M
+ iwC + K
]-1 (5)
dapat kita
memperoleh hubungan antara respon - output X (ω) dan eksitasi - input F (ω)
untuk setiap frekuensi sistem (w):
{X (w)} = [H(w)]{F(w)} (6)
H (ω) adalah fungsi respon frekuensi dan berhubungan
dengan massa, redaman dan kekakuan sebagai dinamika karakteristik [10, 11, 12].
Setiap perubahan sifat-sifat spasial dari sistem menyebabkan perubahan fungsi
respon frekuensi dan menciptakan kondisi untuk modifikasi sesuai sistem sebagai
refleksi dari perubahan didefinisikan. Kehadiran dan kerusakan tingkat dapat
memverifikasi dengan mendapatkan fungsi ini didasarkan pada perilaku dinamis
dari sistem mekanik sebelum dan sesudah terjadinya retak. Untuk setiap ukuran
dan lokasi retak dapat didefinisikan fungsi respon frekuensi untuk analisis
lebih lanjut dan penentuan integritas sistem.
3.
SETUP MODEL DAN PROSEDUR
3.1
DESKRIPSI MODEL
Model balok kantilever diciptakan pada perangkat lunak
untuk analisis elemen hingga ANSYS 14.5. Model balok berdasarkan dari
laboratorium set-up eksperimen untuk balok kantilever aluminium dengan
mengikuti sifat dimensi: ketebalan b = 0,002 m, tinggi hb = 0,035 m, panjang
dari ujung lb tetap = 0,88 m, dan sifat material: Young modulus E=69x10 Poisson ratio
µ=0.35.N/m , Density
r =2700 kg⁄m.
Model kerusakan balok dibuat dan kerusakan disajikan oleh
retakan melintang tunggal, dan itu diasumsikan selalu terbuka selama analisis
dinamis. Untuk mengetahui bagaimana retak mempengaruhi perilaku dinamis dari balok,
skenario retak yang berbeda diperoleh oleh dua retak parameter, kedalaman hc
yang berbeda dan di lokasi yang berbeda lc (jarak yang berbeda diukur dari
ujung tetap), ditunjukkan pada Gambar. 1.
Kasus
berikut model balok dianggap:
•
kantilever balok dengan celah di lokasi LC1 = 0.079m, dan tiga kasus kedalaman
yang berbeda: HC1 = 0.005m, HC2 = 0.01m, HC3 = 0.015m, secara terpisah.
•
kantilever balok dengan celah di lokasi LC2 = 0.52m, dan tiga kasus kedalaman
yang berbeda: HC1 = 0.005m, HC2 = 0.01m, HC3 = 0.015m, secara terpisah.
•
kantilever balok dengan celah di lokasi LC3 = 0.86m, dan tiga kasus kedalaman
yang berbeda: HC1 = 0.005m, HC2 = 0.01m, HC3 = 0.015m, secara terpisah.
3.2 PROSEDUR SIMULASI
Frekuensi alami diukur digunakan untuk proses deteksi
saja dan melalui analisis lebih lanjut frekuensi alami yang sama dapat
digunakan untuk identifikasi lokasi retak dan ukuran. Penentuan frekuensi alami
di mode yang lebih tinggi seringkali sulit dan hanya pertama tiga frekuensi
alami diperoleh dengan simulasi uncrack dan untuk semua kasus model balok retak
kantilever. Dalam setiap kasus contoh untuk menciptakan model yang kantilever
balok, hanya satu celah yang ada hanya pada satu lokasi. Kedalaman retak
bervariasi dari 5 mm sampai 15 mm pada setiap retak posisi LC1 = 0,079 m, LC2 =
0,52 m, LC3 = 0.86 m.
Retak parameter geometris yang ditentukan oleh menggunakan
parameter retak berdimensi berikut sebagai: l '= lc / lb non posisi retak
dimensi, h' = hc / hb non-dimensi kedalaman retak. Frekuensi alami non-dimensi
untuk mode n diperkenalkan dan didefinisikan sebagai rasio ω frekuensi '= ωc /
ω, di mana ωc adalah frekuensi alami dari model retak balok dan frekuensi alami
ω dari model balok tanpa celah.
4.
HASIL ANGKA DAN
PEMBAHASAN
4.1
PERUBAHAN PADA
FREKUENSI ALAMI
The variation of the frequency
ratio as a function of the crack depth and crack location
for cantilever beam models are shown in Tables 1 to 3. The plots of the variation
of the first three natural
frequency ratio, as a function
of crack depths for different
crack positions are show
in
Figure 2 to 4.
Variasi kurva untuk rasio frekuensi alami ω 'dalam hal
rasio kedalaman retak untuk posisi retak yang berbeda, dapat dilihat sebagai
indikasi kemungkinan balok retak, karena hasil numerik menunjukkan bahwa ada
variasi mencolok antara alam
Frekuensi model balok kantilever retak dan uncracked.
Crack berpengaruh terbesar pada akhir tetap dari model balok untuk variasi
frekuensi alami pertama, tetapi variasi frekuensi alami kedua lebih dipengaruhi
oleh rasio kedalaman retak di lokasi l2 'dekat titik tengah balok. Variasi
frekuensi alami ketiga adalah kurang yang terpengaruh untuk lokasi retak dan
rasio kedalaman retak dibandingkan dengan variasi pertama dua frekuensi alami,
tetapi rasio kedalaman retak di lokasi l2 'kontribusi untuk variasi yang lebih
besar dalam hal dua posisi lainnya. Hasil numerik menunjukkan bahwa rasio
kedalaman retak terletak dekat ujung bebas dari model kantilever balok dengan
efek hampir diabaikan pada perubahan frekuensi, meskipun perubahan frekuensi
tidak hanya fungsi dari kedalaman retak, dan retak lokasi, tetapi juga dari jumlah
modus [13]. Sebelum lanjut penilaian ukuran retak, dari pengamatan di atas
dapat ditentukan bahwa mengetahui posisi retak dapat menyebabkan estimasi
kemungkinan perpanjangan retak jika menggunakan salah satu modus getaran [14].
4.2
Analisis Harmonic Model Balok Kantilever
Pergeseran dalam frekuensi alami, sebagai sifat global
balok, dapat diperoleh dari analisis harmonik dan oleh pengamatan fungsi respon
frekuensi (FRF) untuk kasus yang berbeda model balok retak. Gambar 5 dan 6,
menunjukkan FRFs untuk mode kedua getaran untuk berbagai HC1 kedalaman retak,
HC2 dan HC3 di berbagai LC2 lokasi dan LC3, masing-masing. FRF amplitudo untuk
model balok tak retak dibandingkan dengan model yang balok retak memiliki
pengurangan nyata untuk posisi retak dan LC2 yang dekat titik tengah balok.
Untuk lokasi LC3 dekat ujung bebas, FRF amplitudo memiliki model formulir balok
tak retak sedikit penurunan (Gambar. 6).
Gambar 5. FRF untuk posisi
retak LC2 untuk kedalaman retak yang berbeda
pada frekuensi alami kedua
Gambar 7 dan 8, menunjukkan FRFs untuk modus ketiga
getaran untuk berbagai HC1 kedalaman retak, HC2 dan HC3 di berbagai LC2 lokasi
dan LC3, masing-masing. Gambar 7, menunjukkan frekuensi pergeseran alam dan
pengurangan amplitudo FRF untuk posisi retak di LC2 dibandingkan dengan model
yang balok uncracked. Di lokasi LC3 dekat ujung bebas, tidak ada perbedaan di
frekuensi alami pergeseran dan pengurangan amplitudo FRF pertimbangan yang
berbeda kedalaman retak HC1, HC2 dan HC3 (Gbr. 8). Meskipun demikian, ada
perubahan dengan frekuensi dan amplitudo pada FRF kurva di hal retak dibandingkan dengan model yang balok
uncracked.
Gambar 8. FRF untuk posisi
retak LC2 untuk kedalaman retak yang berbeda
pada frekuensi alami ketiga
5.
KESIMPULAN
Analisis getaran model balok kantilever telah disajikan
dalam makalah ini untuk deteksi kerusakan. Kerusakan diperkenalkan sebagai
tunggal retak transversal di permukaan, dan itu diasumsikan selalu terbuka
selama analisis. Pengaruh kedalaman retak yang berbeda pada posisi celah yang
berbeda pada model balok, perubahan pertama tiga frekuensi alami dan amplitudo
FRF juga disajikan. perilaku getaran balok simulasi di software FEA ANSYS dan
diperoleh hasil, menunjukkan bahwa model kantilever balok sensitif terhadap
mode lokasi retak, kedalaman retak dan getaran. hasil numerik menunjukkan variasi
tertinggi frekuensi alami terjadi untuk mode pertama balok getaran pada posisi
celah dekat akhir tetap, dan FRF oleh perubahan amplitudo dan frekuensi
pergeseran paling terpengaruh ketika retak terletak di dekat titik tengah dari
balok di mana keparahan kedalaman retak jelas.
Untuk tes eksperimental yang kuat di masa mendatang di
bawah kondisi pengukuran yang tepat, teknik ini dapat diterapkan di mana pun
balok serupa diuji dan tanggapan diukur. Hal ini disebabkan fakta bahwa
parameter yang diukur dari frekuensi adalah nilai-nilai yang unik, yang akan
tetap sama dalam tingkat toleransi [14], dan jika retak muncul dalam struktur
mekanik, ini dapat diakui sebagai perubahan sifat fisik yang mengarah
menyebabkan perubahan sifat modal dari struktur.
Hadiah kerusakan struktur dapat menyebabkan kegagalan
serius dari sistem mekanik, oleh karena itu retak harus dideteksi di negara
awal dengan menggunakan transduser yang permanen terikat atau tertanam dalam
struktur. Dalam makalah ini, dianalisis kantilever Model balok di software FEA
telah terikat transduser piezoelektrik dekat akhir tetap. patch ini dapat
tampil sebagai sensor untuk analisis model atau dengan eksitasi harmonik
sebagai aktuator untuk analisis respon, dan melalui integrasi yang tepat dalam
sistem mekanis dapat meningkatkan deteksi kerusakan dengan evaluasi
non-destruktif.
SUMBER
[1] Sirohi, J., Chopra, I.: Fundamental Understanding of Piezoelectric Strain Sensors,
Journal of intelligent material systems and structures, Vol. 11, No. 4, pp. 246-257, 2000.
[2] Doebling, S.W., Farrar,
C.R., Prime, M.B. and Shevitz,
D.W.: Damage Identification and Health Monitoring of Structural and Mechanical Systems from Changes in Their Vibration Characteristics: A Literature Review, Technical Report,
Los Alamos National
Lab., NM (United States), 1996.
[3] Penny, J., Wilson, D. and Friswell,
M.I.,: Damage location in structures using vibration data, Journal of Proceedings-spie the international society for optical engineering, pp. 861-861,
1993.
[4]
Bouboulas, A. S., Georgantzinos, S. K. and Anifantis, N. K.: Vibration Analysis of Cracked Beams Using the Finite Element Method, in Advances
in Vibration Engineering and Structural Dynamics, Edited
by Francisco Beltran-Carbajal, ISBN 978-953-51-0845-0, 378 pages,
Publisher:
InTech, 2012.
[5] Reddy, D., Swarnamani, S.: Application of the FRF
curvature energy damage detection method to plate like structures, World Journal of Modelling and
Simulation, Vol. 8, No. 2, pp. 147–153,
2012.
[6] Djidrov, M., Gavriloski, V. and Jovanova,
J.: Vibration based fault detection techniques for mechanical structures. Mechanical Engineering–
Scientific Journal, ISSN 1857 – 5293, Vol. 31 (1–2),
pp. 99–105, 2013.
[7] Ramanamurthy, E. V. V., Chandrasekaran, K.: Vibration analysis on a composite beam to identify damage and damage severity using finite element method, International Journal of
Engineering Science and Technology (IJEST), Vol. 3, Issue 7, 2011.
[8] Luo, T. L., James S. S. Wu and Hung. J. P.: A study of non-linear vibrational behavior of cracked structures by the finite element method. Journal of Marine Science and Technology, Vol. 13, No. 3, pp. 176-183,
2005.
[9] Rytter, A.: Vibration
Based Inspection of Civil Engineering Structures, Ph. D. Dissertation, Department of Building
Technology and Structural Engineering, Aalborg
University, Denmark, 1993.
[10] Morassi, A. and Vestroni,
F.: Dynamic Methods for Damage Detection in Structures. Springer
Verlag, 2008.
[11] Sinou., J. J.: A Review
of Damage Detection
and Health Monitoring of Mechanical Systems from Changes in the Measurement of Linear and Non- linear Vibrations. Mechanical Vibrations: Measurement, Effects and Control, Robert C. Sapri (Ed.)
pp. 643-702, 2009.
[12] Mal A., Banerjee, S. and Ricci, F.: An automated damage identification technique based on vibration and wave propagation data, Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences. Vol. 365, No. 1851, pp. 479-491,
2007.
[13] Jagdale, P. M., Chakrabarti, M. A.: Free Vibration
Analysis of Cracked Beam, Vol. 3 Issue 6, pp. 1172–1176, 2013.
[14] Owolabi, G.M., Swamidas, A.S.J. and Seshadri, R.: Crack detection in beams using changes in frequencies and amplitudes of frequency response
function, Journal of Sound and Vibration, Vol. 265,
Issue 1, pp. 1–22, 31
July 2003.
[15] Maulimam.blogspot.com