فایل شناسایی خرابی در سازه ها با استفاده ازپاسخ های حوزه زمان و یک روش بهینه سازی

توضیحات

فایل شناسایی خرابی در سازه ها با استفاده ازپاسخ های حوزه زمان و یک روش بهینه سازی
این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.
چکیده
شناسايي مقدار و محل خرابی در سازه ها بسیار حائز اهمیت است. با استفاده از روش هاي شناسایی خرابی در سازه ها می توان موقعیت خرابی را شناسايي و با انجام اقدامات ترمیمی لازم، از گسترش آسیب جلوگیری نموده و عمر سازه را افزايش داد. در این پایان نامه، ابتدا مسئله تعیین موقعیت و شدت خرابی در سازه به شکل یک مسئله بهینه سازی بیان مي شود. بدین صورت که با استفاده از شتاب های سازه آسيب ديده و شتاب های تحلیلی که از روش نیومارک بدست می¬آیند، تابع هدف در بهينه سازي تعريف مي شود. خرابی به صورت کاهش مدول الاستیسته اعضای سازه شبیه سازی می¬شود. سپس مسئله خرابي که تبدیل به یک مسئله بهینه سازی شده است را با الگوریتم تکامل تفاضلی حل نموده تا موقعيت و شدت دقیق خرابی در سازه تعيين شود. بمنظور بررسی کارایی روش پیشنهادی، تعدادی مثال عددی و یک مثال آزمایشگائی ارائه شده است. در این مطالعه تنها از دو حساسه در مدل¬های تئوری و آزمایشگاهی استفاده شده و با استفاده از تنها دو درجه آزادی از پاسخ¬های حوزه زمان توانستیم نشان دهیم که کارایی روش پیشنهادی جهت تعیین دقیق مکان و شدت خرابی با در نظر گرفتن اثر نویز بسیار خوب می-باشد.
واژه های کلیدی: شناسایی خرابی، پاسخ های حوزه زمان، بهینه سازی، الگوریتم تکامل تفاضلی
فهرست مطالب
فصل اول: کلیات 1
1-1 مقدمه 2
1-2 سابقه تحقیق 3
1-3 تعریف مسئله 5
1-4 فرضیات تحقیق 6
1-5 اهداف پیش‌بینی‌شده در این پایان‌نامه 6
1-6 ساختار پایان‌نامه 7
فصل دوم : شناسایی آسیب در سازه‌ها 8
2-1 مقدمه 9
2-2 اهمیت آشکارسازی آسیب در سازه‌ها 9
2-3 تعریف آسیب در سازه‌ها 10
2-4 اشکال مختلف آسیب در سازه‌ها 11
2-5 روش‌های شناسایی آسیب در سازه‌ها 12
2-6 آشکارسازی خرابی با استفاده از داده‌های دینامیکی 15
2-6-1 آشکارسازی آسیب با استفاده از فرکانس‌های طبیعی 17
2-6-2 روشهای مبتنی بر بررسی تغییرات شکل مود 24
2-6-3 شناسایی آسیب با روش سختی 26
2-6-4 آشکارسازی آسیب با استفاده از روش نرمی 28
2-6-5 روش انرژی کرنشی مودال 31
2-6-6 آشکارسازی خرابی با استفاده از پاسخ فرکانسی 35
فصل سوم : مطالعه حاضر 37
3-1 مقدمه 38
3-2 کاربرد پاسخ در حوزه زمان جهت شناسایی خرابی 39
3-3 معرفی روابط اجزاء محدود 42
3-3-1 المان تیر 42
3-3-2 المان قاب 43
3-4 شناسایی خرابی با روش بهینه‌سازی 46
3-4-1 تابع هدف 46
3-4-2 الگوریتم تکامل تفاضلی 47
3-5 مراحل اجرای روش شناسایی خرابی پیشنهادی 49
فصل چهارم : مثال های عددی و تجزیه وتحلیل نتایج 51
4-1 مقدمه 52
4-2 بررسی نتایج عددی بدون درنظرگرفتن اثر نویز 53
4-2-1 تیر طره 15 المانی 53
4-2-2 تیر طره 20 المانی 58
4-2-3 تیر با دو تکیه گاه ساده24 المانی 63
4-2-4 قاب 15 المانی 68
4-3 بررسی نتایج با اعمال نویز اندازه‌گیری 73
4-3-1 تیر طره 15 المانی 74
4-3-2 تیر طره 20 المانی 79
4-3-3 تیر با دو تکیه گاه ساده24 المانی 84
4-3-4 قاب 15 المانی 88
4-4 نتایج آزمایشگاهی 93
4-4-1 بررسی مثال آزمایشگاهی 95
فصل پنج: نتایج و پیشنهادات 100
5-1 مقدمه 101
5-2 نتيجه¬گيري 101
5-3 پیشنهادات 101
منابع..........................................................................................................................................................107
فهرست جداول
جدول ‏4 1 پارامترهای مورد نیازبرای بهینه‌سازی 53
جدول ‏4 2 حالت های آسیب‌دیدگی اعمال‌شده به تیر طره 15 المانی 54
جدول ‏4 3 پارامترهای مورد نیازبرای بهینه‌سازی 58
جدول ‏4 4 حالت های آسیب‌دیدگی اعمال‌شده به تیر طره 20 المانی 59
جدول ‏4 5 پارامترهای مورد نیازبرای بهینه‌سازی 64
جدول ‏4 6 حالت های آسیب‌دیدگی اعمال‌شده به تیرساده 24 المانی 65
جدول ‏4 7 پارامترهای مورد نیازبرای بهینه‌سازی 69
جدول ‏4 8 حالت های آسیب‌دیدگی اعمال‌شده به قاب 15 المانی 70
فهرست اشکال
شکل ‏1 1 نیروی اعمالی و شتاب‌های به‌دست‌آمده 6
شکل ‏3 1 پاسخ های شتاب در سازه سالم و خراب در کل بازه 41
شکل ‏3 2 پاسخ های شتاب در سازه سالم و خراب در بازه 0.1 تا 0.2 41
شکل ‏3 3 پاسخ های شتاب در سازه سالم و خراب در بازه 0.3 تا 0.5 42
شکل ‏3 4 قطعه تیر همراه با نیروها جابجایی‌ها درمختصات گرهی 43
شکل ‏3 5 المان قاب وجابجایی‌ها درمختصات گرهی 44
شکل ‏3 6 فرایند عمومی الگوریتم تکامل تفاضلی 47
شکل ‏3 7 بار وارد شده به سازه 50
شکل ‏3 8 نیروی اعمالی و شتاب‌های به‌دست‌آمده 50
شکل ‏4 1 مدل تیر طره با اعمال آسیب‌دیدگی به اعضای 4 و 12 54
شکل ‏4 2 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1 در تیر 15 المانی 55
شکل ‏4 3 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 1 در تیر 15 المانی 55
شکل ‏4 4 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2در تیر 15 المانی 56
شکل ‏4 5 : نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 2 در تیر 15 المانی 56
شکل ‏4 6 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر 15 المانی 57
شکل ‏4 7 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر 15 المانی 57
شکل ‏4 8 مدل تیر طره 20 المانی 59
شکل ‏4 9 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1در تیر20المانی 59
شکل ‏4 10 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی1 در تیر20المانی 60
شکل ‏4 11 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در تیر20المانی 60
شکل ‏4 12 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی2 در تیر20المانی 61
شکل ‏4 13 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر20المانی 61
شکل ‏4 14 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر20المانی 62
شکل ‏4 15 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 4 در تیر20المانی 62
شکل ‏4 16 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی4 در تیر20المانی 63
شکل ‏4 17 مدل تیر با تکیه ساده به همراه سطح مقطع آن 63
شکل ‏4 18 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1در تیر24المانی 65
شکل ‏4 19 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی1 در تیر24المانی 66
شکل ‏4 20 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در تیر24المانی 66
شکل ‏4 21 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی2 در تیر24المانی 67
شکل ‏4 22 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر24المانی 67
شکل ‏4 23 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر24المانی 68
شکل ‏4 24 مدل قاب 15المان 69
شکل ‏4 25 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1 در قاب 15 المانی 70
شکل ‏4 26 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 1 در قاب 15 المانی 71
شکل ‏4 27 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در قاب 15 المانی 71
شکل ‏4 28 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 2 در قاب 15 المانی 72
شکل ‏4 29 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی 72
شکل ‏4 30 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی 73
شکل ‏4 31 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1 در تیر 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 75
شکل ‏4 32 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 1 در تیر 15 المانی با درنظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 75
شکل ‏4 33 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2در تیر 15 المانی با درنظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 76
شکل ‏4 34 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 2 در تیر 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 76
شکل ‏4 35 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر 15 المانی با درنظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 77
شکل ‏4 36 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 77
شکل ‏4 37 بررسي پارامتر F در نحوه همگرايي تیرطره 15 الماني 78
شکل ‏4 38 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1در تیر20المانی با درنظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 79
شکل ‏4 39 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی1 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 80
شکل ‏4 40 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 80
شکل ‏4 41 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی2 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 81
شکل ‏4 42 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 81
شکل ‏4 43 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 82
شکل ‏4 44 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 4 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 82
شکل ‏4 45 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی4 در تیر20المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 83
شکل ‏4 46 بررسي پارامتر CR در نحوه همگرايي تیرطره 20 الماني 84
شکل ‏4 47 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 85
شکل ‏4 48 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی1 در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 85
شکل ‏4 49 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 86
شکل ‏4 50 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی2 در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 86
شکل ‏4 51 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 87
شکل ‏4 52 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی3 در تیر24المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 87
شکل ‏4 53 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 1 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 88
شکل ‏4 54 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 1 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 89
شکل ‏4 55 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 2 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 89
شکل ‏4 56 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 2 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 90
شکل ‏4 57 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 90
شکل ‏4 58 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نویز اندازه‌گیری3% 91
شکل ‏4 59 نیروی سینوسی وارده به سازه 92
شکل ‏4 60 پیش‌بینی محل خرابی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نیروی سینوسی و نویز اندازه‌گیری3% 92
شکل ‏4 61 نمودار همگرایی الگوریتم تکامل تفاضلی برای حالت خرابی 3 در قاب 15 المانی بادر نظرگرفتن نیروی سینوسی و نویز اندازه‌گیری3% 92
شکل ‏4 62 تکیه گاه گیر دار مدلسازی شده در آزمایشگاه 93
شکل ‏4 63 حساسه¬های مورد استفاده در آزمایشگاه 94
شکل ‏4 64 دستگاه تست مودال به همراه چکش ضربه 94
شکل ‏4 65 نتایج حاصله از ضربه چکش و برداشت حساسه ها در نرم افزار 95
شکل ‏4 66 خرابی ایجاد شده بر روی تیر آزمایشگاهی 96
شکل ‏4 67 محل اثر ضربه و محل قرار گیری حساسه ها 96
شکل ‏4 68 چکش به همراه سه سر آن 97
شکل ‏4 69 برداشت شتاب توسط نرم افزار 98
شکل ‏4 70 شبیه سازی تکیه گاه همانند فنر 99
شکل ‏4 71 پیش‌بینی محل خرابی برای خرابی در تیرطره 10 المانی در آزمایشگاه 99
1 فصل اول: کلیات
1-1 مقدمه
شناسایی خرابی و کنترل سلامت سازه‌ها از موضوعات موردتوجه هميشگي بوده است. بسياري از سازه ها در طول عمر خود دچار خرابي مي¬شوند. اين خرابي ها در سازه هاي مختلف، متفاوت مي¬باشند. به طور مثال در سازه¬هاي فولادي، زنگ زدگي اعضا يك نوع از خرابي و در سازه هاي بتني، خوردگي اعضا نوع ديگري از خرابي است. خرابي در سازه¬ها در ابتدا به صورت خرابي¬هاي محلي است كه در يك يا چند المان از سازه ممكن است رخ دهد، ولي با گذشت زمان خرابي¬ها گسترش يافته و ممكن است منجر به خرابي كلي و شكست سازه گردد. بدین ترتيب با توجه به هزينه بالاي ساخت و اهميت برخي از سازه¬ها، باعث شده تا تشخيص خرابي به عنوان موضوعي مهم در مهندسي سازه مطرح گردد. با تشخيص درست المان¬هاي خراب در سازه و با تقويت يا تعويض آن ها مي توان عمر مفيد سازه را به طور محسوسي افزايش داده همچنین باكشف زود هنگام خرابی در سازه می‌توان براي تعمير و نگهداري آن برنامه‌ریزی كرد و از خرابي فاجعه‌بار آن به هنگام رسيدن خسارت به حالت بحراني، جلوگيري كرد. بنابراين لزوم شناسايي مقدار و محل خرابی در سازه‌ها بسیار حائز اهمیت است.
برای شناسایی خرابی در سازه‌ها از دو روش مخرب و غیر مخرب استفاده می‌شود. روش‌های مخرب به دلیل هزینه‌بر بودن و ناکارآمد بودن آن در برخی از سازه‌ها روش چندان مناسبی نمی‌باشند. از این‌رو محققین به روش‌های غیر مخرب روی آورده‌اند. از مهم‌ترین روش‌های شناسایی غیر مخرب می‌توان به استفاده از پاسخ‌های سازه‌ای نظیر پاسخ دینامیکی و استاتیکی سازه اشاره نمود، با مطالعه بر روي اين دو روش اين نتيجه حاصل شده است كه روش¬هاي ديناميكي بهتر از روش هاي استاتيكي است. زيرا در روش ديناميكي پارامترهايي كه مورد بررسي قرار مي¬گيرند، رفتار سازه را در برابر تغييرات بهتر نشان مي-دهند، این امر باعث شده که روش دینامیکی از محبوبیت بيشتري برخوردار باشد.
شناسايي خرابي در سازه¬ها بايد به نحوي باشد كه محل و مقدار خرابي ايجاد شده در سازه بطور دقيق تشخيص داده شود. دردهه-های اخیرروش¬هاي مختلفي براي شناسايي خرابي مطرح شده، که يكي از اين روش ها استفاده از تكنيك بهينه سازي است. مزيت اين روش بر ساير روش¬ها اين است كه تعيين موقعيت و مقدار خرابي با سرعت و دقت قابل قبولي انجام مي¬پذيرد. مهمترین قسمت در بهینه¬سازی، انتخاب تابع هدف مناسب است. مي بايست تابعي به عنوان تابع هدف براي بهينه¬سازی در نظر گرفته شود، كه در برگيرنده پاسخ سازه بوده و رفتار سازه را در برابر تغييرات به وجود آمده به وضوح نشان دهد. در گذشته پاسخی که در تابع هدف استفاده می¬شد فرکانس¬های طبیعی، شکل مود و ... بود که در این مطالعه شتاب که پاسخ حوزه زمان سازه می¬باشد را به عنوان پاسخ در تابع هدف به عنوان معیاری برای شناسایی خرابی قرار دادیم و از حداقل پاسخ ممکن یعنی تنها دو درجه آزادی استفاده شد و کارایی روش پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفت.
1-2 سابقه تحقیق
درزمینه عیب‌یابی سازه‌ها بر اساس مشخصات دينامیکي، تحقيقات زيادي صورت گرفته است. کاولي و آدامز از اولين کساني بودند که به شناسايي آسیب با استفاده از روش‌های دينامیکي پرداختند [1]. آن‌ها در سال 1979 يک فرمول‌بندی براي پيدا کردن آسیب در مواد کامپوزيت بر اساس اطلاعات فرکانس‌های طبيعي ارائه کردند. يوئننيز در سال 1985 رابطه‌ای بين محل و مقدار آسیب در اثر تغییرات مقادیر و بردارهای ويژه براي يک تير طره‌ای ارائه داد [2]. او در این مطالعه فرض کرده بود که آسیب در سازه فقط روي ماتريس سختي تأثیرگذار است. در سال 1990 توسط ریزوز و همکارانش ، شناسایی بزرگی و محل ترک در یک تیر کنسول بوسیله¬ی مودهای ارتعاشی پیشنهاد شده است. این روش با استفاده از اندازه گیری خصوصیات مودال ترک ها قادر به شناسایی ترک ها در سازه ها می¬باشد [3]. درسال 1998 توسط مسينا و همكارانش،