Stress monitoring of cylindrical structures using guided waves

Abstract

This thesis presents some approaches for guided wave based stress monitoring as a part of Structural Health Monitoring (SHM). SHM systems include different levels, from damage detection to prognosis, however, this work is focused on detection and on an estimation of the actual stress. The proposed stress monitoring strategies are based on different statistical and signal processing approaches such as Principal Component Analysis and Residuals. These techniques are applied on signals of elastic guided waves generated and sensed via Piezoelectrical (PZT) or Magnetostrictive transducers. Transducer devices are chosen in this work to generate longitudinal, flexural and torsional guided waves in cylindrical specimens, since their high performance, low energy consumption, weight and reasonable price. In order to guarantee the efficacy of the proposed techniques, they are tested in laboratory by emulating real installations and abnormal conditions. Experimental tests revealed that temperature and bonding layer between the PZT and the specimen influence on the performance of the monitoring scheme by changes in the guided wave propagation. Thus, the temperature effect on guided wave propagation was examined by checking the sensitivity of the PCA-based proposed approach. Then, a temperature compensation strategy is applied to improve stability and robustness of the scheme for structures subjected temperature changes.

On the other hand, since the acoustoelasticity effect is predominant in the propagation of stressed guided waves, it was observed its incidence on the dispersion curves by using a SAFE method (Semi-Analytical Finite Element) to generate stressed dispersion curves via Effective Elastic Constants (EEC).

Finally, as a consequence of some observations in the experimentation stage, it is proposed a scheme for monitoring the supports rigidity in pipelines based on a guided waves energy leakage perspective. The proposed approaches may promise the ability and capability of being implemented in different fields such as aerospace and gas/oil industry.

En esta tesis se presentan algunos enfoques para el monitoreo de esfuerzos usando ondas guiadas como parte de un sistema de evaluación de integridad. Estos sistemas incluyen diferentes niveles de monitoreo que van desde la detección de daños hasta su predicción; sin embargo este trabajo se enfoca solo en la detección y estimación de un valor probable de esfuerzo. La estrategia de monitoreo propuesta se basa en diferentes enfoques estadísticos y de procesamiento de señales tales como Análisis de Componentes Principales y Residuos. Estas técnicas se aplican en señales que corresponden a ondas guiadas generadas por transductores piezoelectricos (PZT) o magnetostrictivos. Estos elementos tienen la capacidad de generar ondas guiadas longitudinales, de flexión y torsionales en especímenes cilíndricos, con alto desempeño, bajo consumo de energía, bajo peso y a un costo razonable. Para garantizar la efectividad de las técnicas propuestas, estas se prueban en laboratorio emulando una instalación real y bajo condiciones anormales de esfuerzo. Los resultados experimentales revelaron que la temperatura de los alrededores y la capa adhesiva entre el piezoelectrico y el espécimen influyen en el desempeño del esquema de monitoreo debido a los cambios que se producen en la propagación de onda . Por lo tanto, se estudia el efecto desde una perspectiva analítica el efecto de la temperatura en la propagación de la onda guiada y en consecuencia en el desempeño del enfoque de monitoreo propuesto. Basado en lo anterior, se aplica una estrategia de compensación del efecto de la temperatura para mejorar la estabilidad y la robustez del esquema propuesto ante escenarios de cambios de temperatura. Por otro lado, debido a que el efecto predominante en la propagación de ondas guiadas bajo esfuerzo es el efecto acoustoelastico, se estudia su influencia en las curvas de dispersión usando un método semi-analitico basado en elementos finitos (SAFE del inglés) en combinación con las Constantes Elásticas Efectivas (EEC del inglés) para estimar las curvas de dispersión de ondas guiadas bajo esfuerzo. Finalmente, como un resultados de la experimentación, se propone un esquema de monitoreo de rigidez de soportes de tubería cilíndrica basado en un perspectiva de energía de ultrasonido transferida al entorno vía contacto de superficies. El enfoque propuesto puede ser extendido al monitoreo de rigidez o contacto en otros sistemas en campos tales como el aeroespacial y en la industria del Gas/Petróleo