تشخیص ترک در تیرها به کمک تبدیل هیلبرت-هوانگ

نوع مقاله : کاربردی

نویسندگان

دانشگاه شهید جمران اهواز

چکیده

در این پژوهش یک روش یک روش غیرمخرب به‏ منظور تشخیص ترک در تیرها ارائه شده است. در این روش از تبدیل هیلبرت-هوانگ به ‏عنوان یک روش پردازش سیگنال استفاده می‏شود. ترک که به‏ صورت باز در نظر شده است، توسط فنر چرخشی مد‎لسازی می‏گردد. به ‏منظور محاسبه فرکانس‏های طبیعی تیر ترکدار، تئوری تیموشنکو بکار گرفته شده است. سپس با استفاده از سیگنال‏های ارتعاشی تیر ترکدار، فرکانس‏های طبیعی تجربی به ‏کمک تبدیل فوریه سریع و تبدیل هیلبرت-هوانگ محاسبه شده‏اند. سرانجام با کمینه ‏نمودن یک تابع هدف به‏ کمک الگوریتم‏ کلونی زنبور عسل مصنوعی، محل و عمق ترک‏ها تعیین می‏گردند. تابع هدف به ‏صورت مجموع وزنی مربعات خطای بین مقادیر عددی و تجربی فرکانس‏های طبیعی تیر ترکدار است. به ‏منظور بررسی صحت روش ارائه شده، ترک‏هایی در محل‏ها و عمق‏های گوناگون در تیرهای فولادی ایجاد و پارامترهای ترک با دقت مناسب تشخیص داده شده‏اند. نتایج نشان می‏دهد که با استفاده از فرکانس‏های تجربی حاصل از تبدیل هیلبرت-هوانگ می‏توان ترک (خصوصاً ترک در عمق‏ کم) را با دقت بهتری نسبت به تبدیل فوریه سریع شناسایی نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Crack detection in beams using Hilbert-Huang transform

نویسندگان [English]

  • Mohammad Reza Galeban
  • Shapour Moradi
چکیده [English]

This study presents a non-destructive method for detecting location and depth of crack in beams. The method utilizes Hilbert-Huang Transform (HHT) as a time-series analysis technique. Crack is considered to be open and has been modeled by rotational spring. First, the natural frequencies of the cracked beam are calculated using Timoshenko’s beam theory. Then by using the vibration signals corresponding to the beam, experimental natural frequencies are calculated by Fast Fourier Transform (FFT) and HHT. Finally, with the help of Artificial Bee Colony, the location and depth of the crack are predicted by minimization of an objective function. The objective function is constructed by the weighted sum of the squared errors between the theoretical and experimental natural frequencies of the cracked beams. To investigate the feasibility of proposed method, cracks in different locations and depths are introduced in steel beams and crack parameters are predicted. The results show that both the location and depth of the crack can be predicted well through the proposed method. Moreover, by using the experimental natural frequencies obtained by HHT method, cracks (especially small depth) can be detected with a better precision than FFT method.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Crack Detection
  • Hilbert-Huang Transform
  • Fast Fourier Transform
  • Timoshenko’s beam theory
  • Artificial Bee Colony

مراجع

[1] N. E. Huang, Z. Shen, S. R. Long, M. C. Wu, H. H. Shih, Q. Zheng, N. C. Yen C. C. Tung, H. and H. Liu, "Empirical Mode Decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis", Proceedings of the Royal Society London, Vol. 454, NO. 1971, March 1998, pp. 903 – 995.
[2] D. N. Yang, Y. Lei, S. Lin, and N. E. Huang, "Hilbert-Huang based approach for structural damage detection", Journal of Engineering Mechanics, Vol. 130, NO. 1, January 2004, pp. 85 – 95.
[3] D. Pines, and L. Salvino, "Structural health monitoring using empirical mode decomposition and the Hilbert phase", Journal of Sound and Vibration, Vol. 294, NO. 1-2, June 2006, pp. 97 – 124.
[4] E. Douka, and L. J. Hajileontiadis, "Time-frequency analysis of the free vibration response of a beam with a breathing crack", NDE&E International, Vol. 38, NO. 1, January 2005, pp. 3 – 10.
[5] S. Loutridis, E. Douka, and L. J. Hajileontiadis, "Forced vibration and crack detection of cracked beams using instantaneous frequency", NDE&E International, Vol. 38, NO. 5, July 2005, pp. 411 – 419.
[6] A. Hera, A. Shinde, and Z. Hou, "A comparative study of the Empirical Mode Decomposition and Wavelet analysis on their application for structural health monitoring", Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition, USA, California, Anaheim, November 2004, pp. 449 –458.
[7] N. Cheraghi, M. J. Riley, and F. Taheri, "A novel approach for detection of damage in adhesively bonded joints in plastic pipes based on vibration methods using piezoelectric sensors", Proceedings of the IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, USA, Hawaii, Vol. 4, October 2005, pp. 3472 – 3478.
[8] N. Cheraghi, M. J. Riley, and F. Taheri, "Application of Hilbert-Huang Transform for evaluation of vibration characteristics of plastic pipes using piezoelectric sensors", Structural Engineering Mechanics, Vol. 25, NO. 6, 2007, pp. 653 – 674.
[9] Q. Gao, C. Duan, H. Fan, and Q. Meng, "Rotating machine fault diagnosis using Empirical Mode Decomposition", Journal of Mechanical System and Signal Processing, Vol. 22, NO. 5, July 2008, pp. 1072 – 1081.
[10] F. L. Iacono, G. Navarra, and A. Pirrotta, "A damage identification procedure based on Hilbert Transform: experimental validation", IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 19, NO. 1, February 2012, pp. 146 – 160.
[11] P. Razi, R. A. Esmaeel, and F. Taheri, "Application of a robust vibration-based non-destructive method for detection of fatigue cracks in structures", Journal of Smart Materials and Structures, Vol. 20, NO. 11, October 2011, pp. 1 – 12.
[12] J. N. Yang, Y. Lei, S. Pan, and N. E. Huang, "System identification of linear structures based on Hilbert-Huang spectral analysis part I: normal modes", Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 32, NO. 9, July 2003, pp. 1443 – 1467.
[13] C. C. Chang, and L. W. Chen, "Vibration damage detection of a Timoshenko beam by spatial Wavelet based approach", Applied Acoustics, Vol. 64, NO. 12, December 2003, pp. 1217 – 1240.
[14] H. Tada, P. C. Paris, and G. R. Irwin, "The stress analysis of cracks handbook", 3rd Ed., ASME Press, New York, USA, 2000.
مدل سازی در مهندسی
دوره 16، شماره 52
فروردین 1397
صفحه 27-40

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 08 تیر 1393
  • تاریخ بازنگری: 08 تیر 1395
  • تاریخ پذیرش: 17 شهریور 1395

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار