تشخیص و ارزیابی عددی شل‌شدگی اتصالات پیچی برج توربین بادی به کمک روش مدولاسیون ویبروآکوستیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

2 مهندسی مکانیک و انرژی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران.

چکیده

از علل رایج خرابی سازه‌های صنعتی دارای اتصالات پیچی فلنجی، شل‌شدگی پیچ‌ها می‌باشد که تشخیص به موقع آن میتو‌اند سبب پیش‌گیری از تحمیل هزینه‌های سنگین مالی و بعضا جانی گردد. روش‌های مرسوم تشخیص این عیب، معایب مختلفی دارند، به عنوان مثال روش‌های کنترل گشتاور اغلب دارای خطای بالا بوده، روش‌های مبتنی بر اندازه‌گیری امپدانس هزینه‌هایی بالا به همراه داشته و روش‌های ارتعاشی یا اولتراسونیک نیز به واسطه استفاده از پدیده‌هایی خطی در تشخیص خرابی، از دقت بالایی برخوردار نمی‌باشند. روش مدوالسیون ویبروآکوستیک یکی از روش‌های غیرخطی می‌باشد که به کمک اندازه‌گیری شدت مدولاسیون سیگنال‌های ارتعاشی و اولتراسونیک اعمال شده به سازه، می‌تواند با دقت بسیار بالایی به تشخیص و ارزیابی شل‌شدگی اتصالات پیچی بپردازد. در این مقاله با تعریف شاخصی برای شدت مدولاسیون و شل‌شدگی اتصال، کارایی روش در تشخیص و ارزیابی شل‌شدگی اتصالات پیچی فلنجی برج توربین بادی شبیه‌سازی شده، به صورت عددی مورد بررسی قرار گرفته است. سپس در ادامه، تأثیر پارامترهایی همچون فرکانس تحریک اولتراسونیک و ارتعاشی، دامنه تحریک اولتراسونیک و ارتعاشی، محل قرارگیری حسگرها و عملگرها و همچنین نیروی پیشبار، روی عملکرد روش مورد مطالعه قرار گرفته است. در انتها به منظور کاهش زمان اجرای شبیه‌سازی در نرمافزار آباکوس، مدل‍سازی شبکه عصبی به کمک نرم‌افزار متلب صورت گرفته و نتایج به دست آمده از آن با نتایج حل عددی مقایسه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Looseness Detection and Assessment of Flange Type Joints Using Vibro-Acoustic Modulation Method

نویسندگان [English]

  • Seyed majid Yadavar nikravesh 1
  • Masoud Goudarzi 2
1 Energy and Mechanical Engineering Department, Shahid Behesht University, Tehran, Iran.
2 PhD Candidate, Department of Me-chanical Engineering, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Flanged joints’ looseness is among the common causes for the failure of industrial structures with flanged joints such as wind turbines or transmission line pipes the timely detection of which can prevent the imposition of heavy, financial losses and in some cases property damage. Conventional methods for detecting this fault, such as torque control methods, have high error of measurement, or impedance-based measurement methods, have high expenses, or vibration or ultrasonic methods which lack accuracy due to the use of linear phenomena in fault detection. Vibro-acoustic modulation method is one of the nonlinear fault detection methods that detect and evaluate looseness of flanged connection with high precision through the measurement of the intensity of the vibrational and ultrasonic signals modulation applied to the structure. Although the published papers in recent years have often identified the cracking, delamination, or corrosion and decay of parts using this method, in this paper the efficiency of the vibro-acoustic modulation method in the detection and evaluation of flanged joints of simulated wind turbine towers has been numerically investigated by defining an index for modulation intensity and bond relaxation. Then, the effect of parameters such as ultrasonic and vibrational frequency, amplitude of ultrasonic and vibrational stimulation, sensors and actuators position, as well as preload force, on the method performance has been studied. Finally, in order to reduce the simulation time in ABAQUS software, the modeling of the neural network was performed using MATLAB software and the obtained results were compared with numerical results.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nondestructive testing
  • Fault detection
  • Looseness Detection
  • Vibro-Acoustic Modulation
  • Impact Modulation
[1] S.M.Y. Nikravesh, M. Goudarzi, A Review Paper on Looseness Detection Methods in Bolted Structures, Latin American Journal of Solids and Structures, 14(12) (2017) 2153-2176.
[2]  V.Y. Zaitsev, A. Sutin, I.Y. Belyaeva, V. Nazarov, Nonlinear interaction of acoustical waves due to cracks and its possible usage for cracks detection, Modal Analysis, 1(3) (1995) 335-344.
[3] V. Zaitsev, P. Sas, M. Wevers, Nonlinear modulation methods of structural damage detection based on dissipative nonlinear effects, in:  Proceedings of the International Seminar on Modal Analysis, KU Leuven; 1998, 2001, pp. 233-242.
[4]  V. Kazakov, A modulation crack-detection technique: I. Instrumental method of implementation, Russian Journal of Nondestructive Testing, 42(11) (2006) 709-716.
[5]V. Zaitsev, V. Nazarov, V. Gusev, B. Castagnede, Novel nonlinear-modulation acoustic technique for crack detection, NDT & E International, 39(3) (2006) 184-194.
[6]  K.-A. Van Den Abeele, P.A. Johnson, A. Sutin, Nonlinear elastic wave spectroscopy (NEWS) techniques to discern material damage, part I: nonlinear wave modulation spectroscopy (NWMS), Journal of Research in Nondestructive Evaluation, 12(1) (2000) 17-30.
[7]  D. Donskoy, A. Sutin, A. Ekimov, Nonlinear acoustic interaction on contact interfaces and its use for nondestructive testing, Ndt & E International, 34(4) (2001) 231-238.
[8]  D.M. Donskoy, A.M. Sutin, Vibro-acoustic modulation nondestructive evaluation technique, Journal of intelligent material systems and structures, 9(9) (1998) .177-567
[9]  M. Meo, U. Polimeno, G. Zumpano, Detecting damage in composite material using nonlinear elastic wave spectroscopy methods, Applied composite materials, 15(3) (2008) 115-126.
[10]  V. Zaitsev, P. Sas, Nonlinear response of a weakly damaged metal sample: a dissipative modulation mechanism of vibro-acoustic interaction, Journal of Vibration and Control, 6(6) (2000) 803-822.
[11] F. Amerini, M. Meo, Structural health monitoring of bolted joints using linear and nonlinear acoustic/ ultrasound methods, Structural health monitoring, 10(6) (2011) 659-672.
[1121] J. Jaques, D. Adams, Using Impact Modulation to Identify Loose Bolts on a Satellite, PURDUE UNIV LAFAYETTE IN, 2011.
[13] M.G. S. M. Y. Nikravesh, Looseness Detection and Assessment of Flange Type Joints Using Vibro-Acoustic Modulation Method, in:  8th International Conference on Acoustics and Vibration, Iran (Tehran), 2018. (In Persian)
[14] F. Amerini, E. Barbieri, M. Meo, U. Polimeno, Detecting loosening/tightening of clamped structures using nonlinear vibration techniques, Smart materials and structures, 19(8) (2010) 085013.
[15]  T.H. Ooijevaar, Vibration based structural health monitoring of composite skin-stiffener structures, PhD Thesis, Universiteit Twente, (2014)
[16]  M. Meo, G. Zumpano, Nonlinear elastic wave spectroscopy identification of impact damage on a sandwich plate, Composite structures, 71(3-4) (2005) 469-474.
[17]  D. Broda, W. Staszewski, A. Martowicz, T. Uhl, V. Silberschmidt, Modelling of nonlinear crack–wave interactions for damage detection based on ultrasound—A review, Journal of Sound and Vibration, 333(4) (2014) 1097-1118.
[18]  J.E. Shigley, C.R. Mischke, R.G. Budynas, Mechanical Engineering Design, International, Mc-Graw Hill Book Co., Singapore, 1989.
[19]    J.A. Guinto, L.F. Rose, P. Blanloeuil, M. Veidt, W. Chiu, H. Sohn, C.H. Wang, Baseline-Free Characterisation of a Delamination using Nonlinear Vibro-Acoustic Modulation, 8th Eur. Work. Struct. Heal. Monit.(EWSHM 2016),  (2016) 5-8.