Przykłady zastosowań materiałów inteligentnych w monitorowaniu i adaptacji konstrukcji

• Autorzy: Holnicki-Szulc J. , Pawłowski P.

Warianty tytułu

EN

Application of intelligent materials in structural adaptation and monitoring

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawione zostały możliwości zastosowania inteligentnych materiałów w dwóch ważnych dziedzinach, jakimi są monitorowanie konstrukcji metalowych oraz rozpraszanie energii uderzeń. Prowadzenie ciągłej oceny stanu, w jakim znajduje się konstrukcja pozwala nie tylko na wydłużenie czasu jej eksploatacji ale również na unikniecie wielu niespodziewanych uszkodzeń. Proponowany system składa się z piezoelektrycznego generatora fal giętnych o niskiej częstotliwości, układu piezoelektrycznych sensorów oraz centralnego komputera, który identyfikuje uszkodzenie. Zarejestrowany przebieg wygenerowanej w konstrukcji fali, po przesyłaniu do komputera, porównywany jest z sygnałem wzorcowym konstrukcji nieuszkodzonej. W przypadku wystąpienia niezgodności, przeprowadzane jest rozpoznanie położenia i wielkości defektu. W tym celu konieczne jest wykonanie dynamicznej analizy odwrotnej sformułowanej jako zadanie optymalizacji gradientowej. Minimalizowaną funkcję celu stanowi odległość między mierzoną doświadczalnie odpowiedzią konstrukcji uszkodzonej a odpowiedzią symulowaną numerycznie, uwzględniającą możliwy rozkład uszkodzeń poprzez wprowadzenie tzw. dystorsji wirtualnych, które określają (w jednoznaczny sposób) parametry uszkodzenia konstrukcji. Gdy konstrukcja poddana jest silnym obciążeniom dynamicznym konieczne jest zapewnienie dysypacji dostarczanej przez nie energii. Zazwyczaj dysypatory energii projektuje się jako urządzenia pasywne, o charakterystyce materiałowej przystosowanej do najbardziej prawdopodobnego kierunku i siły uderzenia. Jednak w wielu przypadkach zmienność rzeczywistych obciążeń dynamicznych jest tak duża, że optymalnie zaprojektowany pasywny dysypator energii nie jest efektywny. Właściwym rozwiązaniem jest wówczas zastosowanie absorbera o aktywnie sterowanej charakterystyce materiałowej. W odpowiedzi na pomiar dokonany przez system sensorów (np. radarów lub akcelerometrów) definiowany jest sygnał sterujący, wysyłany następnie do aktywatorów (np. cylindrów z cieczą magnetoreologiczną lub mikrobezpieczników), które wymuszają pożądane korekty własności mechanicznych elementów konstrukcji rozpraszających energię. Przedstawione w artykule koncepcje zastosowania aktywnej adaptacji w podwoziu lotniczym oraz inteligentnych konstrukcji energochłonnych (MFM) dobrze ilustrują efektywność oraz potencjał aktywnego rozpraszania energii.

EN

The possibilities of application of intelligent materials in structural monitoring and impact absorption are presented in the article. Performing constant surveillance not only provides longer lifetime of the structure but also helps in preventing accidental failure. The proposed system consists of a piezoelectric generator of low frequency flexural waves, a set of piezoelectric sensors and central computer, which is used for the identification of a defect. The measured signal of the wave generated in the structure is remotely transmitted to the computer and compared to the model signal of the undamaged structure. In case of discrepancy of the signals, location and size of a defect is recognized by performing inverse dynamic analysis, formulated as a gradient optimisation task. The minimized objective function is the distance between the measured response of the damaged structure and numerically simulated response of the undamaged structure. Possible distribution of the defects is modelled by so-called virtual distortions, which uniquely describe parameters of the damage. When the structure is subject to a significant dynamic loading, it is necessary to dissipate its kinetic energy. Hnergy absorbers arc mostly designed as passive devices with the characteristics of the material adjusted to the most probable direction and strength of the impact. The variety of real loadings causes the fact that even an optimally designed passive system is not effective. In many cases absorbers with actively controlled characteristics should be considered as an alternative solution. In the active absorbers, the measurements provided by the system of sensors (i.e. radars or accelerometers) define the control signal, which is directed to the actuators (i.e. cylinders with magnelorheological fluid or structural micro-fuses) responsible for the changes in the mechanical properties of the structural elements. The concepts of adaptive aircraft landing gear and the energy absorbing intelligent structure (MFM), which are presented in the article, illustrate the efficiency and potential of the adaptive impact absorption.

Słowa kluczowe

PL

materiały inteligentne; zastosowanie; monitorowanie konstrukcji metalowych; identyfikacja defektów konstrukcyjnych; konstrukcje inteligentne; rozpraszanie energii uderzeń

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2004
• Tom: R. XXV, nr 2
• Strony: 94--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys.

Twórcy

autor

Holnicki-Szulc J.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie

autor

Pawłowski P.

• Instytut Podstawowych Problemów Techniki PAN w Warszawie

Bibliografia

• [1] CEDR AT TECHNOLOGIES, http://www.cedrat.com
• [2] Holnicki-Szulc J., Zieliński T. G.: Damage Identification Method Based on Analysis of Perturbation of Elastic Wave Propagation, Proc. of the 2nd International Workshop on Structural Health Monitoring, Fu-Kuo Chang, Ed., Stanford, September 1999
• [3] Holnicki-Szulc J., Zieliński T. G.: New Damage Identification Method Through the Gradient Based Optimisation, Proc. of the International Conference on System Identification & Structural Health Monitoring. Gomes and Fu-Kuo Chang Ed. Madrid, June 2000
• [4] PIEZOD1AGNOSTICS, europejski projekt badawczy G1RD - CT - 2001 - 00659 finansowany przez Komisję Europejską w ramach 5PR, 2002-2005
• [5] Kriap L., Holnicki-Szulc J.: Optimal Design of Adaptive Structures for the Best Crash-Worthmess, Proc. of the 3rd World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimisation, Buffalo, May 1999
• [6] Sims N. D., Stanway R., Johnson A. R.: Vibration control using smart fluids: a state-of-the-art. review, The Shock and Vibration Digest, 31, p. 195-204, 1999
• [7] Sims, N. D., Peel D. J., Stanway R., Johnson A. R., Bullough W. A.: The Electrorheological Long Strofce Damper: A new Modelling Technigue With Experimental Validation, Journal of Sound and Vibration, 229, p. 207-227, 2000
• [8] Gavin H. P.: Design method for high-force electrorheological dampers, Smart Materials and Structures, 7, p. 664-673, 1998
• [9] Carlson J. D., Spencer B.F.: Magneto-rheological fluid dampers for semiactive seismic control, Proc. 3rd International Conference on Motion and Viration Control, Sept. 1-6, Chiba, Japan, 3, p. 35-40, 1996
• [10] ADLAND, europejski projekt badawczy FP6-502793 (w fazie negocjacji) finansowany przez Komisję Europejską w ramach 6PR. 2003-2006
• [11] Bangash M.: Impact and Explosion, Blackwell 1993
• [12] Dfaz A. R., Soto C. A.: Lattice Models for Crash Resistant Design and Optimization, Proceedings of 3rd World Congress of Structural and Multidisciplinary Optimization, Buffalo, New York, USA,. May 17-2, (1999)
• [13] Dfaz A. R., Ignatovich C. L, Soto C.A.: Strategies in Design for Enhanced Crashworthiness
• [14] Holnicki-Szulc J.. Pawlowski P., Wiklo M.: High-performance impact absorbing materials - the concept, design tools and applications, Smart Materials and Structures, vol. 12, number 3 (2003)
• [15] Holnicki-Szulc J., Pawlowski P., Wiklo M.: Optimal Strategies for Adaptiye Impact Absorption, Proc. 5lh World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation, Lido di Jesolo 2003
• [16] Jones N.: Structural Impact, Cambridge University Press 1989
• [17] Jones N., Wierzbicki T.: Structural Crashworthiness and Failure, Elsevier 1993
• [18] Macaulay M.A.: Impact Engineering, Chapman and Hali 1987
• [19] Maute K., Schwartz S., Ramm E.: Adaptiye Topology Optimization of Elastoplastic Structures, Structural Optimization, 15, 81-89, (1998)
• [20] Mayer R. R., Kikuchi N., Scott R. A.: Applications of Topology Optimization Techniques to Structural Crashworthiness, Int. J. Num. Meth. Engrg., vol. 39, 1383-1403, (1996)
• [21] Neves M. M.. Rodrigues H., Guedes J. M.: Generalized Topology Design of Structures with a Buckling load Criterion, Structural Optimization, 10, 71-78. (1995)
• [22] Pedersen C. B. W.: Topology Optimization for Crashworthiness of Frame Structures, Icrash 2002, Society of Automotiye Engineering, Melbourne, Australia, Feb. (2002)
• [23] Pedersen C. B. W.: On Topology Design of Frame Structures for Crashworthiness, rozprawa doktorska
• [24] Yuge K., Iwai N., Kikuchi N.: Topology Optimization Algorithm for Plates and Shells Subjected to Plastic Deformations, proc. 1998 ASME Design Engineering Technical Conference, paper DET98/DAC-5603, (1998)
• [25] Zukas J. A.: Impact Dynamics. John Wiley & Sons 1982
• [26] Yamakawa H., Tsutsui Z., Takemae K., Ujita Y., Suzuki Y.: Structural Optimization for Improyement of Train Crashworthiness in Conceptual and Preliminary Designs, Proc. 3rd World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimisation", Buffalo, New York, USA,. May 17-2, (1999)