An adaptive-scale damage detection strategy based on a wavelet finite element model (WFEM) for thin plate structures is established in this study. Equations of motion and corresponding lifting schemes for thin plate structures are derived with the tensor products of cubic Hermite multi-wavelets as the elemental interpolation functions. Sub-element damages are localized by using of the change ratio of modal strain energy. Subsequently, such damages are adaptively quantified by a damage quantification equation deduced from differential equations of plate structure motion. WFEM scales vary spatially and change dynamically according to actual needs. Numerical examples clearly demonstrate that the proposed strategy can progressively locate and quantify plate damages. The strategy can operate efficiently in terms of the degrees-of-freedom in WFEM and sensors in the vibration test.
This study employs a novel beam-type wavelet finite element model (WFEM) to fulfill an adaptive-scale damage detection strategy in which structural modeling scales are not only spatially varying but also dynamically changed according to actual needs. Dynamical equations of beam structures are derived in the context of WFEM by using the second-generation cubic Hermite multiwavelets as interpolation functions. Based on the concept of modal strain energy, damage in beam structures can be detected in a progressive manner: the suspected region is first identified using a low-scale structural model and the more accurate location and severity of the damage can be estimated using a multi-scale model with local refinement in the suspected region. Although this strategy can be implemented using traditional finite element methods, the multi-scale and localization properties of the WFEM considerably facilitate the adaptive change of modeling scales in a multi-stage process. The numerical examples in this study clearly demonstrate that the proposed damage detection strategy can progressively and efficiently locate and quantify damage with minimal computation effort and a limited number of sensors.
In this paper, wavelet finite element model (WFEM) updating technique is employed to detect sub-element damage in thin plate structures progressively. The procedure of WFEM-based detection method, which can detect sub-element damage gradually, is established. This method involves the optimization of an objective function that combines frequencies and modal assurance criteria (MAC). During the damage detection process, the scales of wavelet elements in the concerned regions are adaptively enhanced or reduced to remain compatible with the gradually identified damage scenarios, while the modal properties from the tests remains the same, i.e., no measurement point replacement or addition are needed. Numerical and experimental examples were conducted to examine the effectiveness of the proposed method. A scanning Doppler laser vibrometer system was employed to measure the plate mode shapes in the experimental study. The results indicate that the proposed method can detect structural damage with satisfactory accuracy by using minimal degrees-of-freedoms (DOFs) in the model and minimal updating parameters in optimization.
Del Broccolo, S.;Ouisse, M.;Foltete, E.;Scarpa, F.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.6
no.6
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pp.479-495
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2019
Periodic cellular core structures included in sandwich panels possess good stiffness while saving weight and only lately their potential to act as passive vibration filters is increasingly being studied. Classical homogeneous honeycombs show poor vibracoustic performance and only by varying certain geometrical features, a shift and/or variation in bandgap frequency range occurs. This work aims to investigate the vibration filtering properties of the AUXHEX "hybrid" core, which is a cellular structure containing cells of different shapes. Numerical simulations are carried out using two different approaches. The first technique used is the harmonic analysis with commercially available software, and the second one, which has been proved to be computationally more efficient, consists in the Wave Finite Element Method (WFEM), which still makes use of finite elements (FEM) packages, but instead of working with large models, it exploits the periodicity of the structure by analysing only the unit cell, thanks to the Floquet-Bloch theorem. Both techniques allow to produce graphs such as frequency response plots (FRF's) and dispersion curves, which are powerful tools used to identify the spectral bandgap signature of the considered structure. The hybrid cellular core pattern AUXHEX is analysed and results are discussed, focusing the investigation on the possible spectral bandgap signature heritage that a hybrid core experiences from their "parents" homogeneous cell cores.
The waveguide finite element (WFE) method is a useful numerical technique to investigate wave propagation along waveguide structures which have uniform cross-sections along the length direction ('x' direction). In the present paper, the vibration and radiated noise of the submerged pipe with fluid is investigated numerically by coupling waveguide finite elements and wavenumber boundary elements. The pipe and internal fluid are modelled with waveguide finite elements and the external fluid with wavenumber boundary elements which are fully coupled. In order to examine this model, the point mobility, dispersion curves and radiated power are calculated and compared for several different coupling conditions between the pipe and internal/external fluids.
Vibrations and wave propagations in waveguide structures can be analysed efficiently by using waveguide finite element (WFE) method. The WFE method only models the 2-dimensional cross-section of the waveguide with finite elements so that the size of the model and computing time are much less than those of the 3-dimensional FE models. For cylindrical shells or pipes which have simple cross-sections, the external coupling with fluids can be treated theoretically. For waveguides of complex cross-sectional geometries, however, numerical methods are required to deal with external fluids. In this numerical approach, the external fluid is modelled by the boundary elements (BEs) and connected to WFEs. In order to validate this WFE/BE method, a pipe submerged in water is considered in this study. The dispersion diagrams and point mobilities of the pipe simulated are compared to those that theoretically obtained. Also the acoustic powers radiated from the pipe are predicted and compared in both cases of air and water as an external medium.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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