شکل ۱‑۴:طرح شماتیکی از پوست انسان که نمایانگر تنوع حسگرها و عملگرها و سازه کاملا هوشمند آن می‌باشد.[۶۹]
شکل ۱‑۵: مقایسه بین سیستم عصبی انسان و ساختار SHM. [69]
همانطور که بیان شد، تفکر در محیط زیست می‌تواند به پیدایش ایده‌های جدید کمک کند. برای مثال ایده‌های تعبیه حسگرها در بهترین وضعیت، کوچک‌سازی، خود ترمیمی و کاهش پیچیدگی آنها و نیز ساخت مواد هوشمند از جمله مواردی می‌باشد که از محیط زیست الهام گرفته شده است.[۶۵]
مانیتورینگ سلامت سازه‌ها روشی برای ساخت مواد و سازه‌های هوشمند
مقدمه
با پایان دهه۱۹۸۰ مفهوم سازه‌های هوشمند بیشتر و بیشتر در ذهن مهندسان طراح جای گرفت. امروزه پیدایش این مواد کمک بزرگی به پیشرفت صنایع هوافضا و عمران کرده است. مفهوم مواد و سازه‌های هوشمند، گام بزرگی در جهت تکامل اشیای ساخت دست انسان برداشته که در شکل(۱-۶) ارائه شده است. روند پیاپی تولیدات ساخت دست بشر از ساده به پیچیده، با بهره گرفتن از مواد همگن بدست آمده از طبیعت پس از کشف چند نوع ماده(بویژه کامپوزیت) زمینه را برای ساخت سازه‌هایی با خواص تطبیق‌پذیری برای مصارف خاص مهیا کرده است. امروزه مواد کامپوزیت و چند ماده دیگر در قریب باتفاق سازه‌ها جایگزین مواد همگن شده‌اند. [۶۰,۶۲,۶۵]
شکل ۱‑۶ : سیر تکامل مواد.[۶۵].
سازه‌های هوشمند سازه‌هایی هستند که قادر به حس تغییرات، انطباق و واکنش در برابر تغییرات محیط زیست می‌باشند. فلسفه طراحی سازه‌های هوشمند بوسیله ادغام حسگرها، عملگرها، کنترلرها و پردازنده‌های سیگنال ایجاد شده است.[۶۰]
مرحله بعد ساخت مواد و سازه‌های تطبیق‌پذیر با شرایط متغیر محیطی می‌باشد. این امر مستلزم ساخت آنها بطور فعال، حساس، کنترل‌پذیر و تطبیق‌پذیر می‌باشد که در مراحل مختلف ازجمله هوشمند سازی با دو یا سه نوع کیفیت انجام می‌شوند.
در واقع کلیه دستاوردها در این زمینه بوسیله تعبیه حسگرهای خاص میسر می‌شود. گام بعدی حرکت به سوی سازه‌ها و مواد با هوشمندی بیشتر و قابلیت خود ترمیمی می‌باشد[۶۵]. تا به امروز در زمینه سازه‌های خود ترمیم کننده[۳۳] تلاش کمی صورت گرفته است. امروزه در زمینه مهندسی راه و ساختمان نوعی بتن خود ترمیم کننده که شامل الیاف شکننده و پر شده از مواد چسبنده تو خالی می‌باشد, تولید شده است که در زمان وقوع ترک در الیاف(که می‌تواند سبب شکستگی سازه شود)، ماده چسبنده منتشر شده و از رشد ترک جلوگیری می‌کند. مشابه این مورد می‌توان به ماتریس مرکب پلیمری کاربردی اشاره کرد.[۶۵]
تستهای غیر‌مخرب
مقدمه
در فرایند تعمیرات اساسی [۳۴] هواپیما، تمامی قطعات جداشدنی از یکدیگر جدا شده[۳۵] و کلیه رنگ‌ها برداشته می‌شوند. در صنعت تعمیر و نگه‌داری اصطلاحا می گویند هواپیما لخت شده، بطوریکه بازرس‌ها بتوانند آسیب‌ها را در بدنه و مولفه‌های سازه‌ای تشخیص دهند. به هرحال نه همه نواحی هواپیما برای بازرسی‌های بصری قابل دسترسی بوده، نه همه آسیب‌ها بوسیله روش‌های بصری شناسایی می‌شوند. در این جا [۳۶]NDT، قانون کشف آسیب را به کار می‌گیرد. این روش امکان بازرسی نواحی داخلی هواپیما را بدون جداسازی مهیا می‌کند. روش‌های NDT همچنین امکان کشف آسیب‌های بسیار کوچک که بوسیله روش‌های بصری قابل تشخیص نبوده را فراهم می‌کنند. بطور مثال روش‌های بازرسی مافوق صوت[۳۷] و جریان مخالف متلاطم[۳۸]، بطور گسترده برای تعیین محل ترک‌های نازک سازه هواپیماهای فلزی که بدون این روش امکان کشف آنها مهیا نمی‌باشد، استفاده می‌شوند [۵۱]. تکنیک‌های ماورا صوت نظیر اسکن مافوق صوت C[39] می‌توانند عیب‌هایی نظیر حفره‌ها، تخلخل، جدایش اتصالات، تورق، ترک خوردگی رزین و شکستگی یا آرایش نادرست الیاف را کشف کنند.[۵۱]. همچنین تکنیک‌های دمانگاری[۴۰] تستهای غیر‌مخرب توانایی کشف عیب‌هایی نظیر تورق، جدایی اتصالات، سوراخ‌ها، آسیب‌های ناشی از ضربه، نفوذ رطوبت در سازه‌های لانه زنبوری[۴۱] را دارند [۷۰]. تکنیک‌های اشعه ایکس[۴۲] نیز برای پیدا کردن عیب‌های نهان سازه‌ای و به منظور تعیین محل نفوذ آب در سازه‌های کامپوزیتی ساندویچی[۴۳] استفاده می‌شوند [۳۲].
امروزه برای کشف علائم اولیه شکنندگی کامپوزیت‌ها دیگر کمتر از تکنیک‌های تستهای غیر‌مخرب شامل آکوستوگرافی[۴۴]، ظرفیت کاوش نواحی بزرگتر از مافوق صوت، تکنولوژی ناوبری موقعیت القایی فوتون[۴۵] و… استفاده می‌شود [۵۲]. در حال حاضر از ترکیبی از تکنیک‌های مافوق صوت، پرتونگاری و دمانگاری به عنوان تکنیک‌های اولیه تستهای غیر‌مخرب، در بازرسی سازه‌های کامپوزیتی هواپیما استفاده می‌شود.
مزیت تکنیک‌های NDT رایج برای بازرسی سازه‌های کامپوزیتی غیر قابل بحث می‌باشد. به هرحال محدودیت‌ها و نگرانی‌هایی در رابطه با این روش وجود دارد. طبق تحقیقات گسترده مشخص شده است که ۱۵ درصد از دلایل اصلی سوانح هوایی, خطای انسانی در فرایند تعمیر و نگه‌داری می‌باشد [۶۰]. به منظور افزایش قابلیت اطمینان در کشف آسیب، استفاده همزمان از سیستم SHM وNDT برای مانیتورینگ سلامت و تعمیر و نگه‌داری سازه‌های کامپوزیتی پیشنهاد می‌شود.
تکنیک‌های SHM ،NDE
SHM از ترکیب چند روش بوجود آمده است. که مبنا و اصول آن با NDE مشترک می‌باشد که این امر بوضوح در شکل(۱-۷) نشان داده شده است[۶۵]. در حقیقت تکنیک‌های NDE بوسیله ادغام حسگرها و عملگرهای سیستم مانیتورینگ سازه SHM پوشش داده می‌شوند.
شکل(۱-۸) که از مرجع[۶۵] گرفته شده است، بیانگر موضوع ارزیابی غیر‌مخرب مواد آماده[۴۶] می‌باشد. البته شاید بهتر باشد که آن را ارزیابی غیر‌مخرب سازه آماده[۴۷] یا ارزیابی غیر‌مخرب ساختار مشترک[۴۸] نامید.
نرم افزار هوشمند
سنسورها /عملگرها
محاسبات
مانیتورینگ سلامت
سازه
سازه‌ها
پردازش سیگنال
مواد
ارزیابی
غیر مخرب
شکل ۱‑۷: اجزای اصلی سیستم SHM.[65]
به هرحال امروزه تست‌ها و ارزیابی‌های غیر‌مخرب کارایی‌های فراوانی دارند. سیستمSHM با بهره‌گیری از ارزیابی‌های غیر‌مخرب، مانیتورینگ سراسری و دائمی سازه, قابلیت اطمینان بسیار بالاتری نسبت به تستهای غیر‌مخرب فراهم کرده است.
تکنیک‌های مانیتورینگ سلامت سازه
انواع تکنیک‌های موجود
تکنیک‌هایی بر اساس حس[۴۹] تغییرات کرنش در مسیر بارگذاری: زمانی که سازه تحت بارگذاری‌های عملیاتی می‌باشد، کرنش با بهره گرفتن از حسگرهای الکتریکی نظیر کرنش‌سنج الکتریکی، حسگرهای نوری(تمرکز این پروژه بر روی این روش می‌باشد که توضیحات کاملی از نحوه عملکرد و مدل‌سازی عددی آن در فصل‌های آتی ارائه می‌شود) نظیر حسگرهای فیبرنوری و یا مبدل‌های پیزو الکتریک[۵۰] اندازه‌گیری می‌شود. حسگرهای فیبرنوری نظیرFBG[51] در سیستم مانیتورینگ سلامت سازه‌های کامپوزیتی به عنوان کرنش‌سنج استفاده می‌شوند [۱۳,۲۲,۳۰,۴۲]. در فیبرهای نوری شبکه‌های فولادی براگ(براگ گریتینگ)[۵۲] بوسیله روشن کردن هسته فیبرنوری و الگوی سه‌بعدی(فضایی) نور لیزر اشعه ماورای بنفش[۵۳]، ساخته شده‌اند. تغییرات سه‌بعدی و پریودیک شدت نور لیزر موجب تغییر پریودیک متناظر با ضریب شکست[۵۴] الیاف(فیبر) می‌شود. سرورهای فیبر به عنوان آینه(انعکاس دهنده) طول‌موج انتخابی عمل کرده و سبب انعکاس حرکت نور در محور الیاف می‌شوند. آسیب‌ها در مجاورت فیبرنوری بوسیله مقایسه بین طول‌موج منعکس شده ناشی از ساختار آسیب و حالت کالیبره(طول‌موج سازه سالم و بدون آسیب) کشف می‌شوند [۱۳]. FBG ها پایدار، کوچک و حساس بوده و به همراه حسگرهای روبوست[۵۵] برای کشف تغییرات کرنش و درجه‌حرارت سازه‌های کامپوزیتی استفاده می‌شوند.
تکنیک‌های موج تنش[۵۶]: نمونه دیگری از روش‌های متداول SHM برای هواپیماهای مجهز به سازه کامپوزیتی می‌باشند(طرز عملکر آن مشابه گزینه بعدی می‌باشد).
تکنیک‌هایی بر اساس حس تغییرات امواج صوتی: روش‌های امواج مافوق صوت(AU)[57] و انتشار امواج صوتی(AE) [۵۸] از این قبیل می‌باشند. فلسفه ایجاد این روش این است که هر آسیب یک سیگنال صوتی منتشر می‌کند. سیگنال‌های صوتی تولیدی با ترک دادن ماتریس، شکستگی الیاف یا تورق و… برای تعیین نوع، محل و شدت آسیب شناسایی می‌شوند. امواج صوتی مافوق صوت، موج‌های تنش را از یک منبع که با انعکاس موج ناشی از آسیب اثر می‌کند، تولید می‌کنند. بدین‌ترتیب تغییر در موج‌های تنش پردازش شده و آسیب‌های سازه‌ای کشف می‌شوند. هر دو تکنیک(موج تنش و صوتی) برای شناسایی ویژگی‌های آسیب به آنالیز سیگنالی پیچیده‌ای نیاز دارند[۶۰] .
تکنیک‌هایی بر اساس حس ارتعاشات[۵۹]: شامل تکنیک‌های امپدانس، واکنش‌های دینامیکی سازه، روش کاهش تصادفی[۶۰]، پاسخ‌های فرکانسی[۶۱] می‌باشد. در این روش آسیب‌ها بوسیله مقایسه واکنش‌های ارتعاشی سازه ناقص(آسیب دیده) با سازه سالم(که شرایط آن بطور بین المللی تعریف شده است) کشف می‌شوند. این تکنیک‌ها برای آنالیز سازه‌های پیچیده و بحرانی به آنالیز سیگنال پیچیده‌ای نیاز دارند[۶۰].
تکنیک‌هایی بر اساس حس تغییرات پتانسیل الکتریکی: این روش بوسیله الکترودهایی اندازه‌گیری پتانسیل الکتریکی و حسگرهای الکترومغناطیسی انجام می پذیرد.[۴۸,۶۰]
تکنیک‌هایی بر اساس حس تغییرات فشار: فلسفه این روش اندازه‌گیری تغییرات فشار است. روش مانیتورینگ خلا نسبی(CVM) [۶۲] در سال ۱۹۹۵ بوسیله یک کمپانی استرالیایی سیستم‌های مانیتورینگ سازه‌ای ابداع شده است[۴۸]. این سیستم بر اساس قاعده کلی کشف آسیب بوسیله حس تغییرات در فشار هوا توسط یک سری حسگرهای نصب شده بر روی سطح سازه کار می‌کند. حسگرها شامل حسگرهای خودچسبنده [۶۳] بوده که برای مانیتورینگ ترک سطح و جلوگیری از پخش آن استفاده می‌شوند(توضیحات بیشتر در بخش(۱-۹-۴) ارائه شده است).
تکنیک‌های ترکیبی: شامل ترکیبی از دو یا چند گزینه از موارد بالا و برای نیل اهداف خاص می‌باشد[۴۸].
یک مرحله از عمر سازه وجود دارد که سازه به SHM نیاز پیدا می‌کند که مرحله بین پایان فرایند ساخت و بهره‌برداری از سازه می‌باشد.
حسگرهای رایج در مانیتورینگ سلامت سازه
مقدمه
حسگرها می‌توانند پارامترهای فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی را حس کنند. تمرکز این پروژه بر روی حسگرهای مکانیکی و فیزیکی بخصوص حسگرهای فیبرنوری می‌باشد. حسگرها می‌توانند کرنش‌سنج‌های مقاومتی یا حسگرهای نوری حساس به کرنش و درجه‌حرارت در شبه بارگذاری‌های استاتیکی و یا حسگرهای انتشار امواج صوتی[۶۴] برای شبه بارهای ناشی از ضربه باشند.
تنوع حسگرها SHM بر اساس نوع سازه
تنوع حسگرهای استفاده شده در SHM بشدت به نوع سازه وابسته می‌باشد. شکل(۱-۸) انواع حسگرهای مورد استفاده در دو کاربرد مهم این سیستم، یعنی، مهندسی عمران و هوافضا را نشان می‌دهد. این آمارها بر اساس محاسبات کارگاه‌های بین المللیSHM (1997-2009) ارائه شده است.[۶۵]
شکل ۱‑۸: انواع حسگرهای مورد استفاده سیستم مانیتورینگ: مقایسه بین مهندسی هوافضا
و مهندسی عمران برگرفته از کارگاه‌های بین المللی SHM.[65]
.انواع حسگرهای مانیتورینگ سلامت سازه‌ها
ECFS[65]: برای مانیتورینگ خوردگی سازه‌های فلزی استفاده می‌شود.
CW[66]: برای کشف ترک در کلیه سطوح استفاده می‌شود. [۱۸]
فرم در حال بارگذاری ...
