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가진력크기제어를 통한 보형 구조물의 피로균열 규명 = Fatigue crack identification of beam-type structures using excitation force magnitude control
서명 / 저자 가진력크기제어를 통한 보형 구조물의 피로균열 규명 = Fatigue crack identification of beam-type structures using excitation force magnitude control / 김도균.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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Most studies in damage identification so far have concentrated on comparing modal parameters of a structure with an open crack with those of an intact structure. In this study, a new damage identification method for beam-type structures with a fatigue crack is proposed, which does not require comparative measurement on an intact structure but several measurements at different magnitude of excitation forces on the cracked structure. The idea comes from the fact that dynamic behavior of a structure with a fatigue crack changes with the magnitude of the excitation force. In other words, a beam with a real fatigue crack would behave as an intact beam at low excitation forces due to the crack closure. Firstly, the 2nd spatial derivatives of frequency response functions along the longitudinal direction of a beam are used as the sensitive indicator of crack existence. Then, weighting function is employed in the averaging process in frequency domain to account for the modal participation of the differences between the dynamic behavior of a beam with a fatigue crack at the low random excitation and one at the high excitation. Subsequently, a damage index is defined such that the location and severity of the crack may be identified. Finally, it is shown that damage identification method using the proposed frf-based damage index is very successful through experiment and finite element analysis, especially at high crack level over 40%. At low crack level under 20%, efficient sensor positioning algorithm is suggested around local candidate crack locations to improve crack detection. Secondly, mode shape curvatures and its square functions are also used as the effective indicator of crack diagnosis. A damage index is defined such as the differences between different modal parameters of a fatigue cracked beam at the low and high harmonic excitation around the considered each mode to identify the location and severity of the crack. Finally, it is understood that damage identification method using the proposed mode shape-based damage index is very powerful through experiment and finite element analysis at crack level over 10%. Finally, strain mode shape functions are additionally used as the sophisticated indicator of crack detection. A damage index is defined such as the differences between different strain mode shapes of a fatigue cracked beam at the low and high harmonic excitation around the considered each mode to identify the location and severity of the crack. Finally, it is found that damage identification method using the proposed strain mode shape-based damage index is very powerful through finite element analysis at crack level over 10%, especially in the phase of multiple-crack detection.

현재까지 구조물 손상규명에 대한 대부분의 연구는 손상이 없는 건전 구조물과 슬롯 또는 피로균열을 갖는 구조물의 모드 매개변수를 비교하는 방향으로 주로 진행되어왔다. 그러나, 이 방법은 건전 구조물의 사용시 손상 구조물과 동일한 형상과 시험조건을 요구한다는 제약과 슬롯의 사용시 피로균열의 균열닫힘거동을 묘사하지 못하는 특성으로 인하여 실제 구조물에 적용시에는 적합성의 한계가 따른다. 그리고, 최근에 일부 문헌에서 손상 구조물만을 분석하는 방법이 소개되고는 있으나, 손상의 존재여부와 단순한 손상위치 탐지 및 고정된 위치에서의 상대적인 크기에 대한 정성적인 평가에 그쳐온 실정이다. 본 논문에서는 건전 구조물과의 비교시의 한계를 극복하고 손상규명의 효율성을 도모하기위하여 모서리 피로균열을 갖는 보형 구조물에 대하여 손상 구조물만의 자체 진동 신호를 활용한 손상규명기법을 제시하였다. 피로균열을 갖는 구조물은 부과되는 하중크기에 따라서 소성 기인 균열닫힘거동에 의하여 모드특성과 밀접한 관련이 있는 서로다른 진동상태 ?? 균열상시닫힘상태, 균열일부개폐상태, 균열완전개폐상태 ?? 를 가지게 되며, 이러한 특성을 이용하는 가진력크기제어를 통한 손상규명기법이 도입되었다. 또한 손상규명에 적합한 주요 인자로는 주파수응답함수의 공간2차미분과 모드형상 곡률 및 이의 제곱이 적절한 함수관계로 유도되었다. 그러므로, 저진폭 가진력과 고진폭 가진력 상태에서의 이들 손상규명의 주요 인자들간의 차이를 활용하여 적절한 손상지수를 정의하고 손상규명 성능을 평가하였다. 우선 주파수응답함수 기반 손상지수는 주파수영역내에서 랜덤가진 방식의 저진폭 및 고진폭 가진을 수행하고 중심차분법을 통하여 각각의 주파수응답함수의 공간2차미분을 계산한 뒤 이들간의 차이값에 모드기여도를 고려한 가중함수를 곱하여 측정위치별 손상지수를 정의하였다. 이렇게 정의된 손상지수는 실험과 해석적으로 비교적 큰 균열수준인 40% 이상에서는 우수한 균열위치 탐지와 균열크기 진단 성능을 구현하는 반면에, 낮은 균열수준인 20% 이하에서는 균열위치 탐지 가능성을 제시하였다. 특히 20% 이하의 균열수준에서는 후보 균열지점 부위에 국부적으로 센서배치 밀도를 증가시키는 유효 센서배치 알고리듬의 도입을 통하여 균열위치 탐지 성능을 개선할 수 있었다. 한편, 모드형상 기반 손상지수는 시간영역내에서 모드별 조화가진 방식의 저진폭 및 고진폭가진을 수행하고 그때의 변형진폭신호에 대하여 다항식 곡선접합과 이의 수식적 2차 미분을 통하여 각각의 모드형상 곡률 및 이의 제곱 등을 계산한 뒤 이들간의 차이값으로 임의위치에서의 손상지수를 정의하였다. 모드형상 기반 손상지수에 사용되는 주요 인자는 모드형상 곡률과 이의 제곱 외에도 모드형상, 모드형상 기울기 제곱, 모드형상 곡률차 제곱, 모드형상 곡률제곱함수 비가 포함된다. 이렇게 정의된 변형률 모드형상 손상지수를 제외한 손상지수는 균열열림모드간 각각의 조화가진력 비교조건에서 낮은 균열수준인 10% 에서는 실험시 15%와 해석시 20% 이내 위치오차의 의미있는 균열위치 탐지성능을 보여주는 반면에, 균열수준 20% 이상에서는 실험시 9%와 해석시 8% 이내 위치오차의 정밀한 균열위치 탐지성능을 나타내었으며, 더불어 균열수준 10% 이상에서 우수한 균열크기 진단성능을 구현하였다. 또한 변형률 모드형상 손상지수는 변형률의 높은 곡률 표현능력의 특성상 낮은 균열수준에서도 적절한 센서배치를 통하여 다중균열을 포함하여 뛰어난 균열위치 탐지성능을 구현하였고, 균열크기 진단능력 측면에서도 의미있는 결과를 보여주었다. 그러므로, 변형률 모드형상 손상지수와 모드형상 기반 손상지수의 적절한 조합을 통하여 피로균열의 정확한 위치 및 개수의 탐지와 시간경과에 따른 균열진전상태 및 다중균열의 경우 균열간의 상대적인 크기의 평가를 원활히 수행할 수 있다고 판단된다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 11028
형태사항 vii, 128 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Do-Gyoon Kim
지도교수의 한글표기 : 이순복
지도교수의 영문표기 : Soon-Bok Lee
수록잡지명 : "Structural damage identification of a cantilever beam using excitation force level control". Mechanical Systems and Signal Processing, v.24.no.6, pp. 1814-1830(2010)
부록 : 1, 손상된 외팔보의 모드와 고유진동수 차이와의 관계. - 2, 가진력크리제어용 고진폭가진력의 허용 상한치 해석
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 121-124
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