Vibration analysis and measurement of beams having multiple cracks

Abstract

Titreşim esaslı metotlar, çubuk tipi elemanlar içeren mekanik ve yapısal sistemlerdeki çatlakların tespit edilmesi ve tanımlanması için kullanılan tahribatsız metotlar arasında yaygındır. Bu metotlar, her hasarın kolaylıkla ölçülen titreşim karakteristiklerinde değişimlere neden olmasından dolayı etkilidirler. Fakat, çeşitli karmaşıklıklara sahip genel çubuk elemanları için çatlakların tanımlanması daha zor olabilir.Bu tez çok çatlaklı çubukların eğilme titreşim analizleri için sürekli metotlar ile birlikte tek ve çift çatlaklı çubuklar için tespit metotlarını sunmaktadır. Çubukların titreşimi farklı geometri sınır ve çatlak koşulları ile analiz edilmiştir. Çoklu dik çatlaklara, çoklu yan kenar çatlaklarına ve asimetrik çift taraflı çatlaklara sahip çubukların titreşim analizleri gösterilmiştir. Açık ve nefes alan çatlak modellerinin ikisi de incelenmiştir. Analizler içinde her çatlağın sebep olduğu enerji yutumları tanımlanarak enerji esaslı nümerik çözüm metodu kullanılmıştır. Çatlak etkileri arasındaki etkileşimler ayrıca tanımlanmıştır.Tek çatlağın tespiti için doğal frekans oranlarını gösteren kontur çizgileri kullanılmıştır. Şu anki ters problemleri işaret eden literatüre katkı olarak, iki çatlağın tespiti için frekans esaslı bir algoritma geliştirilmiştir. Teorik ve ölçülen frekansları kullanarak bir otomatik tek ve çift çatlak tespit sistemi kurulmuştur. Ölçümde, değişmeyen doğal frekanslar bir interpolasyon tekniği (DASI) kullanan bir istatistik yaklaşım (RSZF) yardımıyla elde edilmiştir. Bu tezde sunulan direk ve ters metotlar çatlak tespitini basitleştirirler, farklı yapılar için uygundurlar, otomasyon için idealdirler ve düşük işlem zamanı, hafıza ve disk kapasitesi gerektirirler. Vibration based methods are widespread through the non-destructive methods for detection and identification of cracks in mechanical and structural systems including beam type elements. The methods are effective since any damage leads to changes in vibration characteristics that are easily measured. However, identification of cracks can be more difficult for general beam elements having several complexities.This thesis presents continuous methods for flexural vibration analyses of multiple cracked beams and detection methods for single and double cracked beams. Vibration of beams are analysed with different geometric, boundary, and crack properties. Vibration analyses of the beams having multiple transverse cracks, multiple height-edge cracks, and asymmetric double edge cracks are all presented. Both open and breathing crack models are considered. Energy based numerical solution method is used in the analyses by describing the energies consumed caused by each crack. Interactions between the crack effects are also described.Contour lines representing natural frequency ratios are employed for detecting single crack. As a contribution to current literature addressing the inverse problems, a frequency based algorithm is developed for detection of double cracks. An automated single and double crack detection system is established by using theoretical and measured natural frequencies. In measurement, stable natural frequencies are obtained by means of a statistical approach (RSZF) using an interpolation technique (DASI). Direct and inverse methods presented in this thesis simplify the crack detection, are convenient for different structures, ideal for automation, and require low process time, memory and disc capacity.