Experimental study and characterization of magnetoelastic ribbons as vibration sensors and their application for the identification of cracks in cantilever beams through the dynamic behavior of the beam

Abstract

In the current thesis thin magnetoelastic ribbons of metallic glass alloy known as Metglas 2826MB were investigated, characterized and applied as vibration-basedstructural health monitoring sensors. Such materials have the property of changingtheir magnetic state (magnetization) when they are stressed mechanically (Villaryeffect), and vice versa they are stressed mechanically when they are magnetizedby an external magnetic field (magnetostriction effect). These materials were used in the form of thin ribbons in contact with a mechanical structure, such as a cantilever beam, as a vibration sensor, in order to monitor the structure's mechanically health state. The monitoring was established through the detection of the natural frequencies of the mechanical structure.The study of the thesis is divided into three main parts which are, the proof of concept of the work, the characterization procedure and the application process. As far as the first part is concerned, the ability of the ribbons in sensing and transmitting the vibrational state of a cantilever beam was investigated, as well as the accuracy of the recorded data in detecting the change of the vibrational state of the structure due to damages. To carry out this task, a number of different beam specimens, undamaged and damaged, of aluminum alloy 6063 material were used and the results were compared to computational ones using ANSYS modal analysis. The second part was the characterization of the ribbons as structural vibration sensors and the process involved seven different sensor parameters such as the frequency response, linearity, signal to noise ratio (SNR), quality factor, stability, repeatability and sensitivity. The experiment was accomplished using two different experimental setups, one to examine the frequency response parameter and one to examine the rest of the parameters. The last part included the application of the under consideration vibration sensors to detect and identify cracks in cantilever beams, through a proposed crack identication methodology. The methodology involved the use of a pattern matching process, through a minimization procedure, in order to identify the crack location and depth. Each one of the three parts was examined in detail and thoroughly, with the results of the experiments being properly presented and described.

Στη παρούσα διατριβή λεπτές ταινίες μαγνητοελαστικού υλικού τύπου Metglas (άμορφο μεταλλικό κράμα Metglas 2826MB) μελετήθηκαν, χαρακτηρίσθηκαν και εφαρμόστηκαν ως αισθητήρας δονήσεων. Τέτοια υλικά έχουν την ιδιότητα να αλλάζουν την μαγνητική τους κατάσταση (μαγνήτιση) και να παράγουν μαγνητικά πεδία υπό την επίδραση μιας μηχανικής τάσης (Villary effect), και αντίστροφα να παραμορφώνονται μηχανικά όταν σε αυτά εφαρμοστεί κάποιο μαγνητικό πεδίο (magnetostriction). Στη παρούσα διατριβή, τα υλικά αυτά χρησιμοποιήθηκαν ως αισθητήρες δονήσεων με τη μορφή λεπτών ταινιών, και προσκολλήθηκαν πάνω στην επιφάνεια μιας μηχανικής δομής, όπως μία δοκός προβόλου (cantilever beam), για την παρακολούθηση της μηχανικής υγείας της δομής, παρουσία ρωγμών, μέσω των φυσικών της συχνοτήτων κάμψης. Το πειραματικό μέρος της διατριβής χωρίζεται σε τρεις βασικές φάσεις οι οποίες είναι, η επαλήθευση της χρήσης των υλικών αυτών ως αισθητήρες δονήσεων (proof of concept), ο πλήρης χαρακτηρισμός τους και τέλος η εφαρμογή τους στη ταυτοποίηση της μηχανικής υγείας της υπό μελέτης μηχανικής δομής. Στην παρούσα διατριβή, η σειρά των πειραμάτων ήταν σύμφωνη με την σειρά αυτών των φάσεων. Έτσι, όσον αφορά την πρώτη φάση, διερευνήθηκε η ικανότητα των μαγνητοελαστικών ταινιών να ανιχνεύουν και να μεταδίδουν την δονητική κατάσταση της μηχανικής δομής στην οποία ήταν επικολλημένες, καθώς και η ακρίβεια αυτών στην ανίχνευση της αλλαγής της δονητικής κατάστασης της δομής παρουσία ρωγμών, μέσω των καταγεγραμμένων δεδομένων των ιδιοσυχνοτήτων κάμψης. Για την εκτέλεση του έργου αυτού, ένα πλήθος διαφορετικών δειγμάτων προβόλου, άθικτων και μη, από κράμα αλουμινίου 6063 χρησιμοποιήθηκαν, και τα δεδομένα της ανίχνευσης των ιδιοσυχνοτήτων κάμψης συγκρίθηκαν με αντίστοιχα αριθμητικά αποτελέσματα από φασματικές προσομοιώσεις στο πρόγραμμα ANSYS. Κατά την δεύτερη φάση πραγματοποιήθηκε το πείραμα χαρακτηρισμού των ταινιών αυτών ως αισθητήρες δόνησης και μελετήθηκαν συνολικά επτά διαφορετικοί παράμετροι αισθητήρων όπως είναι η συχνοτική απόκριση, η γραμμικότητα, ο λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR), ο συντελεστής ποιότητας (Q factor), η σταθερότητα, η επαναληψιμότητα και η ευαισθησία. Το πείραμα αυτό του χαρακτηρισμού πραγματοποιήθηκε με την χρήση δύο διαφορετικών πειραματικών διατάξεων, μία για την εξέταση της παραμέτρου της συχνοτικής απόκρισης και μία για την εξέταση των υπολοίπων παραμέτρων. Η τρίτη και τελευταία φάση περιλαμβάνει την εφαρμογή των υπό εξέταση αισθητήρων δόνησης για τον εντοπισμό και την ταυτοποίηση ρωγμών σε μηχανικές δομές, όπως η δοκός πρόβολος, μέσω μια προτεινόμενης μεθοδολογίας αναγνώρισης ρωγμών. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει της χρήση μιας διεργασίας αντιστοίχισης προτύπων (pattern matching process), μέσω μιας διαδικασίας ελαχιστοποίησης της διασποράς των πειραματικών και θεωρητικών δεδομένων, προκειμένου να ταυτοποιηθεί η θέση και το βάθος της ρωγμής, και να προσδιοριστεί η μηχανική κατάσταση-υγεία της δομής. Οι μέθοδοι εκτέλεσης των πειραμάτων και τα πειραματικά δεδομένα της κάθε φάσης εξετάστηκαν λεπτομερώς και διεξοδικά, με τα αποτελέσματα αυτών να παρουσιάζονται και να περιγράφονται αναλυτικά στο κείμενο της διατριβής.