نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

تحلیل حساسیت دینامیکی تیر آلومینیومی دوسر آزاد تحت تحریک ضربه‌ای گذرای چندنقطه‌ای با استفاده از آنالیز مودال تجربی، شبیه‌سازی عددی و مدل‌سازی تحلیلی با رویکرد تشخیص آسیب مبتنی بر نوآوری معیار اطمینان مودال بهبود یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
مهرداد کریمی
مسعود جوادی
دانشکده‌‌ هوا فضا، ، دانشگاه شهید ستاری، تهران، ایران.
10.22060/mej.2026.24330.7861
چکیده
در این پژوهش، چارچوبی نوین برای شناسایی آسیب در تیرهای آلومینیومی با شرایط مرزی دوسر آزاد ارائه شده است که بدون نیاز به داده‌های مرجع سالم عمل می‌کند. تیر مورد بررسی تحت تحریک ضربه‌ای چندنقطه‌ای قرار گرفت و پاسخ‌های ارتعاشی آن با استفاده از شتاب‌سنج ثبت شد. برای استخراج دقیق پارامترهای مودال، از ترکیب روش‌های تجربی، تحلیلی و عددی بهره گرفته شد. در بخش تجربی، تست مودال با چکش ضربه‌ای در دو حالت شش و نه نقطه تحریک انجام شد و نتایج نشان داد افزایش نقاط تحریک دقت استخراج شکل‌مودها و فرکانس‌های طبیعی را بهبود می‌بخشد. مدل تحلیلی بر پایه نظریه اویلربرنولی و مدل عددی در نرم‌افزار آباکوس توسعه یافت و با داده‌های تجربی اعتبارسنجی شد. برای شناسایی آسیب، سناریوهایی با ترک عرضی در موقعیت‌ها و اعماق مختلف شبیه‌سازی گردید. نوآوری اصلی پژوهش، توسعه «معیار اطمینان مودال بهبود‌یافته» می‌‌باشد که با استفاده از انحنای شکل‌مودها و تبدیل کانتورلت برای استخراج ویژگی‌های مقاوم به نویز و تغذیه آن‌ها به شبکه کانولوشنی یک‌بعدی است. این روش با دقت ۹۴٪ قادر به شناسایی محل و شدت ترک بوده و نسبت به روش‌های متداول مبتنی بر تغییر فرکانس یا معیار اطمینان مودال عملکرد بهتری دارد. همچنین، پایداری بالایی در برابر نویز اندازه‌گیری نشان داده و قابلیت تعمیم به کاربردهای هوافضا و سازه‌های بزرگ را داراست.
کلیدواژه‌ها
تشخیص آسیب
تبدیل کانتورلت
معیار اطمینان مودال بهبودیافته
شبکه کانولوشنی
پایش سلامت سازه‌ای
موضوعات

عنوان مقاله English

Dynamic Sensitivity Analysis of a Free–Free Aluminum Beam under Multi-Point Transient Impact Excitation Using Experimental Modal Analysis, Numerical Simulation, and Analytical Modeling with a Damage Identification Approach Based on an Enhanced Modal Assurance Criterion

نویسندگان English

mehrdad karimi
Masoud Javadi
Aerospace, Faculty of Postgraduate Studies, Shahid Sattari University, Tehran, Iran
چکیده English

This study presents a baseline-free framework for damage identification in free-free aluminum beams under multi-point transient impact excitation. The beam responses were measured using accelerometers, and modal parameters were extracted through an integrated experimental, analytical, and numerical approach. Experimental modal testing was conducted with six and nine excitation points, showing that a higher number of excitation locations improves the accuracy of identified mode shapes and natural frequencies.The analytical model was developed using Euler–Bernoulli beam theory, while a finite element model was built in Abaqus and verified against the analytical and experimental results. Several damage scenarios involving transverse cracks with different depths and locations were simulated to evaluate the sensitivity of the proposed method. The key contribution of this study is an improved Modal Assurance Criterion (CT-MAC) that combines mode shape curvature with contourlet transform to obtain noise-robust features, which are then classified by a one-dimensional convolutional neural network (1D-CNN). The proposed approach achieves 94% accuracy in detecting crack location and severity, with strong robustness against measurement noise.

کلیدواژه‌ها English

Multi-point Impact Excitation
Damage Detection
Contourlet Transform
Improved Modal Assurance Criterion (IMAC)
Convolutional Neural Network (CNN)
Structural Health Monitoring (SHM)
[1] A.A. Fadlalla, Modal Analysis of Beams Using Finite Element Methods, Journal of Civil and Construction Engineering Research (JCCER), 1(1) (2024).
[2] M. Avcar, Free vibration analysis of beams considering different geometric characteristics and boundary conditions, system, 4(2) (2014) 2.
[3] D.H. Nguyen, L.V. Ho, T. Bui-Tien, G. De Roeck, M.A. Wahab, Damage evaluation of free-free beam based on vibration testing, Applied Mechanics, 1(2) (2020) 142-152.
[4] H. Cui, X. Xu, W. Peng, Z. Zhou, M. Hong, A damage detection method based on strain modes for structures under ambient excitation, Measurement, 125 (2018) 438-446.
[5] M.-B. Abdo, M. Hori, A numerical study of structural damage detection using changes in the rotation of mode shapes, Journal of Sound and vibration, 251(2) (2002) 227-239.
[6] F. Sayyad, B. Kumar, S. Khan, Approximate analytical method for damage detection in free–free beam by measurement of axial vibrations, International Journal of Damage Mechanics, 22(1) (2013) 133-142.
[7] J. Pacheco-Chérrez, O. Probst, Vibration-based damage detection in a wind turbine blade through operational modal analysis under wind excitation, Materials Today: Proceedings, 56 (2022) 291-297.
[8] M. Modesti, C. Gentilini, A. Palermo, E. Reynders, G. Lombaert, A two-step procedure for damage detection in beam structures with incomplete mode shapes, Journal of Civil Structural Health Monitoring, 15(2) (2025) 287-306.
[9] T.T. Paulsen, G. Coppotelli, I.F. Santos, Remarks on the effects of the boundary conditions on the accuracy of the estimate of the modal parameters in operational modal analysis, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 47(11) (2025) 574.
[10] Y. Zhang, S. Wei, B. Pang, H. Cheng, J. Guo, Double Damage Identification of Fully Free Beams Based on Curvature Modes, Journal of Marine Science and Application,  (2025) 1-14.
[11] B. Rajashekharam, M. Alapati, Impact of feature selection on predictive damage identification in beams using free vibration data-based machine learning algorithm, Innovative Infrastructure Solutions, 10(12) (2025) 581.
[12] X. He, D. Ge, Y. An, Experimental Investigations of Damage Identification for Aluminum Foam Sandwich Beams Using Two‐Step Method, Material Design & Processing Communications, 2023(1) (2023) 6551830.
[13] F. Sokhangou, L. Sorelli, L. Chouinard, P. Dey, D. Conciatori, Detecting multiple damages in UHPFRC beams through modal curvature analysis, Sensors, 24(3) (2024) 971.
[14] A. Nayyar, U. Baneen, S.A.Z. Naqvi, M. Ahsan, Detection and localization of multiple small damages in beam, Advances in Mechanical Engineering, 13(1) (2021) 1687814020987329.
[15] B.Q. NGUYEN, Using optimization algorithms to detect damages on free-free beam based on dynamic results, Journal of Materials and Engineering Structures «JMES», 10(3) (2023) 397-414.
[16] A. Agarwal, L. Mthembu, FE design analysis and optimization of heavy-duty truck chassis using sparse grid initialization technique, Materials Today: Proceedings, 60 (2022) 2084-2092.
[17] S.S. Rao, Vibration of continuous systems, John Wiley & Sons, 2019.
[18] Z.-F. Fu, J. He, Modal analysis, Elsevier, 2001.
[19] D.J. Ewins, Modal testing: theory, practice and application, John Wiley & Sons, 2009.
[20] A.M. Mohammadi, A. Soleymani, H. Jahangir, M. Khatibinia, J.V.A.d. Santos, H.M. Lopes, Damage Identification in Beams via Contourlet Transform of Shearography Modal Data, Vibration, 8(3) (2025) 53.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 57، شماره 10
دی 1404
صفحه 1323-1358