Structural damage detection methodology using a model updating procedure based on frequency response functions - FRFs

Este trabalho propõe uma metodologia, baseada na utilização de técnicas de ajuste de modelos, para a localização de falhas em estruturas mecânicas. Inicialmente, é feito um levantamento das técnicas de comparação e ajuste de modelos bem como uma discussão detalhada das várias etapas envolvidas no processo tais como modelagem analítica, teste experimental, correlação, localização de erro e ajuste do modelo. Os problemas de incompatibilidade entre os modelos causados pela diferença entre o número de graus de liberdade do modelo analítico e do modelo experimental são resolvidos através da utilização de métodos de redução e um sistema de referência comum para os dois modelos, experimental e analítico. Diferentes métodos de comparação, correlação e ajuste são discutidos, enfatizando-se as vantagens dos métodos baseados em funções de resposta em freqüência para a localização de falha estrutural. A metodologia proposta assume que falhas estruturais provocam uma redução da rigidez e da massa (menos provável) do sistema levando assim à uma mudança das características dinâmicas da estrutura e consequentemente, uma deterioração da correlação inicial entre o modelo analítico e o modelo experimental. A análise desta perda de correlação dos modelos permite avaliar o estado de degradação da estrutura. Detectada uma alteração significativa do comportamento da mesma, o modelo analítico é atualizado em relação aos parâmetros físicos e/ou geométricos, e o novo modelo é comparado com os dados de referência buscando localizar a falha. Modelos numéricos simulados e dados experimentais foram utilizados na validação do método. Duas estruturas foram ensaiadas, uma parcialmente danificada e a outra com um membro complemente danificado. Os resultados obtidos em ambos os casos foram satisfatórios e bastante promissores. A metodologia localizou os componentes danificados das estruturas e permitiu uma estimativa da extensão dos danos das mesmasThis work investigates the location and assessment of structural damage of fIexible structures by using a Non Destructive Evaluation (NDE) tool based on the model updating technique. First. A survey of the model test reconciliation and a positioning of its various phases such as analytical modelling, experimental test, model correlation. error localisation and model adjustment are presented. The problems of incompatibility of the models due to the difference of the number as well as the positions of the degrees of freedom from the analytical and the experimental models are solved by using methods of reduction, and a common system of reference for both models. Various methods of comparison, correlation and updating have been discussed. It is also highlighted the advantages of the use of FRF-based model updating for dartuigedetection purpose. The NDE approach assumes that structural damage provokes a reduction of the stiffness and mass (Iess expected) of the structure yielding a change of its structural dynamic behaviour and consequently, a deterioration of the original correlation between the analytical and experimental models. The loss of correlation of the models is used to evaluate the damage state of the structure. For those cases that is detected a significant change of the dynamic behaviour of the structure, the analytical model is updated, based on the measured damaged data, and the updated model is compared with the intact one in order to localize the damage. Therefore, for a success of the updating process, the comparison between the updated model and the original undamaged one can provide the changes of the structure, leading to the damage. The updating method incorporated in the approach is a FRF-base updating method that works at an element levei and does not interfere with the theory of finite element modeI. This feature allows to relate the changes of the updated model directly with the variation of the adjusted parameters of the elements. which makes the method very useful for damage detection, since the difference between the original and the updated model becomes physically interpretable. Numerical simulation has been used to validate the proposed method and also to investigate the influence of noise contamination on the FRF(s) and the influence of a reduced set of "measured" responses in the localization of the damage. Two experimental tests have been performed in order to demonstrate the capability and limitation of the procedure using real measured data. Initially, a partial damage of a frame structure was investigated and then a total damage of a member from a spatial beam like structure. The approach succeeded in both cases, and it was shown that the quality of the measurement data and the reliability of the initial finite e!ement mode! are important requirements for the success of the approac