Prognóstico de danos em estrutura simples : implementação numérica-experimental

Abstract

Resumo: Atualmente, o crescente interesse em SHM (Structural Health Monitoring) está associado com a sua potencial aplicabilidade no processo de prognóstico de danos para predição de falhas catastróficas. O conhecimento da saúde de uma estrutura, prévio à sua falha, pode reduzir enormes prejuízos tanto de vidas humanas quanto perdas materiais e ainda permite que ações corretivas possam ser tomadas com antecedência. Neste trabalho foi implementada, de forma numérica e experimental, uma metodologia para prognóstico de danos sobre uma estrutura simples, a identificação do seu estado atual e sua predição de vida útil remanescente. A estrutura em estudo foi uma viga pré-fissurada, instrumentada e submetida a um teste de fadiga de flexão em três pontos, em laboratório. Para identificar a trinca, localização e tamanho equivalente, medições de FRFs (Funções Resposta em Frequência) foram realizadas a cada certo número de ciclos. A partir destas respostas e suas equivalentes obtidas por um modelo numérico em elementos finitos, a trinca foi identificada através de um ajuste por mínimos quadrados. Para tal fim, foi proposto um problema de otimização multivariável por algoritmos genéticos. Para detectar a trinca e restringir a região de busca no processo de otimização, no que diz respeito à localização da mesma, a viga foi instrumentada com sensores de emissão acústica. Uma vez a trinca identificada, para certo numero de ciclos, o modelo de prognóstico de crescimento de trinca por fadiga foi aplicado a partir de conceitos da mecânica da fratura linear elástica. Assim, a partir dos dados em um gráfico, tamanho de trinca em função do numero de ciclos, é possível interceptar uma curva de tamanho de trinca tolerável com a evolução do crescimento da trinca identificada para estimar a vida útil residual da estrutura. Todos esses conceitos foram aplicados em programas que realizam a análise automatizada do processo. Dois ensaios de fadiga sobre diferentes vigas permitiram atestar a capacidade da metodologia proposta na identificação do dano e na determinação da sua vida útil remanescente. Os resultados mostram a potencialidade da metodologia proposta em estruturas reais simples assim como também a continuidade para futuros trabalhos.

Abstract: The increased interest in SHM (Structural Health Monitoring) is currently associated with the technique's potential for the damage prognosis process in structures, to predict catastrophic failures. Knowledge of the health of a structure prior to its failure allows corrective action to be taken in advance, decreasing significant material losses and the risk for human lives. This work proposes a methodology for damage prognosis, identifying its current status and predicting remaining life of the structure. The prognosis is accomplished numerically and experimentally using a free-free beam. The structure used in this work was a pre-cracked beam, instrumented and submitted to a three-point bending fatigue test in laboratory. FRF (Frequency Response Function) measurements were performed every certain number of cycles to identify the crack, its equivalent size and location. From these responses and equivalent derived by a finite element numerical model, the crack was identified through a least squares fit. To this end, a multivariable optimization solution was developed using genetic algorithms. The beam was instrumented by acoustic emission sensors and restricting the search region of crack location in the optimization problem. Once a crack is identified, for a certain number of cycles, the fatigue crack growth prognosis model is applied based on concepts of elastic linear fracture mechanics. Therefore, generating a chart, crack size as a function of time, it is possible to intercept the tolerable crack size curve in respect to the identified crack growth evolution curve, generating a prediction of the structure's remaining life. All these concepts are applied in programs that perform an automated analysis of the prognosis process. Two fatigue tests on different beams allowed demonstrating the capability of the methodology for damage identification and prediction of its remaining life. Besides showing the potential of this methodology in real simple structures, these tests also supplied some directions for further study and development of the methodology.