Vibration-based monitoring of structures: Algorithms for fault detection and uncertainty quantification of modal indicators - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Vibration-based monitoring of structures: Algorithms for fault detection and uncertainty quantification of modal indicators

Surveillance des structures par vibration: Algorithmes pour la détection des défauts et la quantification de l'incertitude des indicateurs modaux

Szymon Gres

Résumé

Vibration-based structural monitoring is an interdisciplinary field within the Structural Health Monitoring (SHM) domain. It refers to the implementation of a strategy that allows to monitor structural integrity based on vibration measurements collected from a structure during its operation. Its real-life deployment consists of several interconnected tasks such as the design of the monitoring system, which comprises different sensors arranged in a specific layout, and the choice or design of appropriate signal processing methods to analyze the measurements. Such monitoring systems are applied on various engineering structures, e.g. wind turbines, offshore structures, bridges, high rise buildings, gearboxes, rotors and engines. Methods that analyze vibration measurements and give the actual information about the structural condition are at the heart of the SHM problem. In practice the integrity of structures is monitored during their operation, hence under unknown, unmeasured, ambient excitation conditions. These particular conditions pose some challenges for the underlying methods, which may lead to false alarms appearing during damage detection or inaccurate estimates of modal parameters, if not treated correctly. In this thesis three problems revolving around these conditions were considered. First, a time domain method to remove periodic frequencies originating from rotating components on the structure was presented. Second, a statistical framework to quantify the uncertainty in the estimates of Modal Assurance Criterion and Modal Phase Collinearity was developed. Lastly, a data driven damage detection method robust to changes in the excitation properties under the healthy state of the structure was designed. The proposed methods were validated for their theoretical properties in numerical simulations as a proof of concept. Their pertinence to real-life vibration problems was illustrated based on full-scale structures like an offshore meteorological mast at the North Sea, an operating ferry, Dogna and Z24 bridges and a small-scale plate. The industrial readiness of some of the methods was inferred by their transfer to the commercial software for modal analysis and SHM.
La surveillance structurelle basée sur les vibrations est un domaine interdisciplinaire dans le domaine de la surveillance de la santé structurelle (SHM). Il s'agit de la mise en œuvre d'une stratégie qui permet de contrôler l'intégrité structurale à partir des mesures de vibrations collectées sur une structure lors de son fonctionnement. Son déploiement réel comprend plusieurs tâches interconnectées telles que la conception du système de surveillance, qui comprend différents capteurs disposés dans une configuration spécifique, et le choix ou la conception de méthodes de traitement du signal appropriées pour analyser les mesures. Ces systèmes de surveillance sont appliqués sur diverses structures d'ingénierie, par exemple éoliennes, structures offshore, ponts, immeubles de grande hauteur, boîtes de vitesses, rotors et moteurs. Les méthodes qui analysent les mesures des vibrations et donnent les informations réelles sur l'état structurel sont au cœur du problème SHM. En pratique, l'intégrité des structures est surveillée pendant leur fonctionnement, donc dans des conditions d'excitation ambiantes inconnues, non mesurées. Ces conditions particulières posent certains défis pour les méthodes sous-jacentes, ce qui peut entraîner l'apparition de fausses alarmes lors de la détection de dommages ou d'estimations inexactes des paramètres modaux, si elles ne sont pas traitées correctement. Dans cette thèse, trois problèmes liés à ces conditions ont été examinés. Tout d'abord, une méthode du domaine temporel pour éliminer les fréquences périodiques provenant des composants en rotation sur la structure a été présentée. Deuxièmement, un cadre statistique permettant de quantifier l'incertitude dans les estimations du critère d'assurance modale et de la colinéarité de phase modale a été élaboré. Enfin, une méthode de détection des dommages basée sur les données et robuste aux changements des propriétés d'excitation sous l'état sain de la structure a été conçue. Les méthodes proposées ont été validées pour leurs propriétés théoriques dans des simulations numériques comme preuve de concept. Leur pertinence pour les problèmes de vibration réels a été illustrée sur la base de structures à grande échelle comme un mât météorologique offshore en mer du Nord, un ferry en activité, des ponts Dogna et Z24 et une plaque à petite échelle. La préparation industrielle de certaines des méthodes a été déduite de leur transfert vers le logiciel commercial d'analyse modale et de SHM.
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Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-02542242 , version 1 (14-04-2020)
tel-02542242 , version 2 (27-01-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02542242 , version 2

Citer

Szymon Gres. Vibration-based monitoring of structures: Algorithms for fault detection and uncertainty quantification of modal indicators. Civil Engineering. Aalborg University, 2019. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02542242v2⟩
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