Robust damage detection in smart structures

This thesis is devoted to present some novel techniques in Structural Health Monitoring (SHM). SHM is a developing field that tries to monitor structures to make sure that they remain in their desired condition to avoid any catastrophe. SHM includes different levels from damage detection area to prognosis field. This work is dedicated to the first level, which might be considered the main and most important level. New techniques presented in this work are based on different statistical and signal processing methods such as Principal Component Analysis and its robust counterpart, Wavelet Transform, Fuzzy similarity, Andrew plots, etc. These techniques are applied on the propagated waves that are activated and captured in the structure using appropriate transducers. Piezoceramic (PZT) devices are chosen in this work to capture the signals due to their special characteristics such as high performance, low energy consumption and reasonable price. To guarantee the efficiency of the suggested techniques, they are tested on different laboratory and real scale test benchmarks, such as aluminum and composite plates, fuselage, wing skeleton, tube, etc. Because of the variety of tested benchmarks, this thesis is called damage detection in smart structures. This variety may promise the ability and capability of the proposed methods on different fields such as aerospace and gas/oil industry. In addition to the normal laboratory conditions, it is shown in this work that environmental changes can affect the performance of the damage detection and wave propagation significantly. As such, there is a vital need to consider their effect. In this work, temperature change is chosen as it is one of the main environmental fluctuation factors. To scrutinize its effect on damage detection, first, the effect of temperature is considered on wave propagation and then all the proposed methods are tested to check whether they are sensitive to temperature change or not. Finally, a temperature compensation method is applied to ensure that the proposed methods are stable and robust even when structures are subjected to variant environmental conditions. La presente tesis doctoral se dedica a la exploración y presentación de técnicas novedosas para la Monitorización y detección de defectos en estructuras (Structural Health Monitoring -SHM-) SHM es un campo actualmente en desarrollo que pretende asegurarse que las estructuras permanecen en su condición deseada para evitar cualquier catástrofe. En SHM se presentan diferentes niveles de diagnóstico, Este trabajo se concentra en el primer nivel, que se considera el más importante, la detección de los defectos. Las nuevas técnicas presentadas en esta tesis se basan en diferentes métodos estadísticos y de procesamiento de señales tales como el Análisis de Componentes Princpales (PCA) y sus variaciones robustas, Transformada wavelets, lógica difusa, gráficas de Andrew, etc. Estas técnicas de aplican sobre las ondas de vibración que se generan y se miden en la estructura utilizando trasductores apropiados. Dispositivos piezocerámicos (PZT's) se han escogido para este trabajo ya que presentan características especiales tales como: alto rendimiento, bajo consumo de energia y bajo costo. Para garantizar la eficacia de la metodología propuesta,se ha validado en diferentes laboratorios y estructuras a escala real: placas de aluminio y de material compuesto, fuselage de un avión, revestimiento del ala de un avóin, tubería, etc. Debido a la gran variedad de estructuras utilizadas, su aplicación en la industria aeroespacial y/o petrolera es prometedora. Por otra parte, los cambios ambientales pueden afectar al rendimiento de la detección de daños y propagación de la onda significativamente . En este trabajo , se estudia el efecto de las variaciones de temperatura ya que es uno de los principales factores de fluctuación del medio ambiente . Para examinar su efecto en la detección de daños, en primer lugar, todos los métodos propuestos se prueban para comprobar si son sensibles a los cambios de temperatura o no. Finalmente , se aplica un método de compensación de temperatura para garantizar que los métodos propuestos son estables y robustos incluso cuando las estructuras se someten a condiciones ambientales variantes