Loading...

Structural Health Monitoring Using an Integrated Digital Twin in the Time-Frequency Domain

Mollaei, Sobhan | 2025

0 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 58264 (09)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Civil Engineering
  6. Advisor(s): Bakhshi, Ali
  7. Abstract:
  8. This study presents a novel framework for structural health monitoring (SHM) using a digital twin, capable of early damage detection, localization, and severity assessment. System identification is performed through online operational modal analysis, utilizing frequency response function (FRF) data across different time windows. The monitoring system employs two approaches: a data-driven approach for detecting the presence of damage and a model-based approach for determining its location and severity. In the data-driven approach, a Hankel matrix is constructed from FRF data, and the subspace angle is computed on principal components to identify damage. In the model-based approach, sensitivity analysis of the principal components of FRF data is used to pinpoint the location and quantify the severity of damage. Due to the unavailability of real data, simulated data were used and evaluated via the Monte Carlo method. The proposed algorithms effectively detect damage, locate it, and assess its severity even with up to 20% noise, suggesting potential effectiveness with real-world data. This framework enhances SHM processes and can reduce maintenance costs
  9. Keywords:
  10. Structural Health Monitoring ; Digital Twin ; Operational Modal Analysis ; Principal Component Analysis (PCA) ; Sensitivity Analysis ; Structural Damage Detection (SDD) ; Model-Based Damage Detection ; Data-Driven Damage Detection

 Digital Object List

 Bookmark

  • فهرست مطالب
  • فهرست جدول‌ها
  • فهرست تصویرها
  • فصل 1 کلیات پژوهش
    • 1-1 مقدمه
      • شکل ‏1-1 فاجعهی پل موراندی در ایتالیا
    • 1-2 تعریف آسیب
    • 1-3 محدودیت روش‌های سنتی و ضرورت استفاده از روش‌های نوین
    • 1-4 مفهوم همزاد دیجیتال
    • 1-5 الگوریتمهای پایش سلامت سازه
      • 1-5-1 الگوریتم مبتنی بر داده
      • 1-5-2 الگوریتم مبتنی بر مدل
      • 1-5-3 الگوریتم ترکیبی
    • 1-6 اهداف تحقیق
      • 1-6-1 اهداف کلی
      • 1-6-2 اهداف جرئی
    • 1-7 فرضیات پژوهش
    • 1-8 ساختار پایاننامه
  • فصل 2 مبانی نظری و پیشینه پژوهش
    • 2-1 مقدمه
    • 2-2 مبانی نظری
      • 2-2-1 پایش سلامت سازه
      • 2-2-2 همزاد دیجیتال
      • 2-2-3 تحلیلهای حوزهی زمان
      • 2-2-4 تحلیلهای حوزهی فرکانس
      • 2-2-5 تحلیلهای حوزهی زمان-فرکانس
    • 2-3 پیشینهی پژوهشی
      • جدول ‏2-1-خلاصه پیشینه پژوهشی
    • 2-4 مقایسه پژوهش حاضر با مطالعات پیشین
  • فصل 3 فرمول بندی تحلیلی و تئوری روشهای مورد استفاده
    • 3-1 مقدمه
    • 3-2 تحلیل مودال عملیاتی
      • 3-2-1 استخراج تابع پاسخ فرکانسی از تحلیل مودال عملیاتی
      • 3-2-2 استخراج تابع پاسخ فرکانسی از تحلیل مودال عملیاتی برخط
    • 3-3 محدودیتها و راهحلهای اتخاذ شده
      • 3-3-1 محدودیتهای پژوهش
      • 3-3-2 راه‌حل‌های اتخاذشده
    • 3-4 روش مبتنی بر داده برای تشخیص آسیب
      • 3-4-1 ماتریس بلوک هنکل
      • 3-4-2 تشخیص آسیب با بهره‌گیری از تحلیل مقادیر اصلی و محاسبه زاویه بین زیر‌فضاها
        • شکل ‏3-1 مفهوم هندسی زاویه زیرفضای
        • شکل ‏3-2 فلوچارت فرآیند پیشنهادی برای تشخیص آسیب دادهمحور
    • 3-5 روش‌ مبتنی بر مدل برای شناسایی مکان و شدت آسیب
      • 3-5-1 فرمولبندی تغییرات سختی سازه بر اساس مدل المان محدود
      • 3-5-2 تحلیل حساسیت معکوس بر پایه تحلیل مؤلفه‌های اصلی
      • 3-5-3 حل معادله حساسیت به روش حداقل مربعات
        • شکل ‏3-3 فلوچارت فرآیند پیشنهادی برای تشخیص آسیب مدلمحور
  • فصل 4 نتایج، راستیآزمایی و تفسیر نتایج روش ارائه شده
    • 4-1 مقدمه
    • 4-2 شاخصهای مورد استفاده در مرحله اعتبار سنجی نتایج
      • 4-2-1 شاخص خطای نسبی (RE)
      • 4-2-2 شاخص نزدیکی (CI)
      • 4-2-3 شاخص متوسط خطای اندازهگیری (MSE)
      • 4-2-4 خطای هشدار اشتباه (FAE)
      • 4-2-5 خطای عدم تشخیص آسیب (DME)
    • 4-3 مطالعه موردی اول
      • 4-3-1 معرفی، هندسه و پارامترهای مکانیکی
        • جدول ‏4-1 سطح مقطع اعضای خرپای فولادی (مطالعهی اول)
        • شکل ‏4-1 هندسه مدل و درجات آزادی مدل خرپایی اول
      • 4-3-2 سناریوهای آسیب در مطالعه موردی اول
        • جدول ‏4-2 جزئیات سناریوهای آسیب در نظر گرفته‌شده در خرپای اول
      • 4-3-3 نتایج حاصل از روش داده‌محور در مطالعه موردی اول
        • جدول ‏4-3 بازه‌های فرکانس (Hz) مورد استفاده در روش مبتنی بر داده (مطالعهی اول)
        • 4-3-3-1 بررسی حالت اول: جرم بدون نویز
          • شکل ‏4-2 زوایای زیرفضا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت اول (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-3 انحراف معیار زوایا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت اول (مطالعهی اول)
        • 4-3-3-2 بررسی حالت دوم: اعمال نویز 5/2 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-4 زوایای زیرفضا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت دوم (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-5 انحراف معیار زوایا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت دوم (مطالعهی اول)
        • 4-3-3-3 بررسی حالت سوم: اعمال نویز 5 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-6 زوایای زیرفضا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت سوم (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-7 انحراف معیار زوایا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت سوم (مطالعهی اول)
        • 4-3-3-4 بررسی حالت چهارم: اعمال نویز 10 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-8 زوایای زیرفضا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت چهارم (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-9 انحراف معیار زوایا برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت چهارم (مطالعهی اول)
      • 4-3-4 نتایج حاصل از روش مدل‌محور در مطالعه موردی اول
        • جدول ‏4-4 بازه‌های فرکانس (Hz) مورد استفاده در روش مبتنی بر مدل (مطالعهی اول)
        • 4-3-4-1 بررسی حالت اول: جرم بدون نویز
          • شکل ‏4-10 تخمین آسیب حاصل از به‌روزرسانی مدل خرپایی برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت اول (مطالعهی اول)
          • جدول ‏4-5 مقادیر شاخصهای اعتبارسنجی در حالت اول (بدون خطا) (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-11 مقادیر ضریب تغییرات آسیب‌های برآورد شده برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت اول (مطالعهی اول)
        • 4-3-4-2 بررسی حالت دوم: اعمال نویز 5/2 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-12 تخمین آسیب حاصل از به‌روزرسانی مدل خرپایی برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت دوم (مطالعهی اول)
          • جدول ‏4-6 مقادیر شاخصهای در حالت دوم (%5/2 خطا) (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-13 مقادیر ضریب تغییرات آسیب‌های برآورد شده برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت دوم (مطالعهی اول)
        • 4-3-4-3 بررسی حالت سوم: اعمال نویز 5 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-14 تخمین آسیب حاصل از به‌روزرسانی مدل خرپایی برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت سوم (مطالعهی اول)
          • جدول ‏4-7 مقادیر شاخصهای اعتبارسنجی در حالت سوم (%5 خطا) (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-15 مقادیر ضریب تغییرات آسیب‌های برآورد شده برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت سوم (مطالعهی اول)
        • 4-3-4-4 بررسی حالت چهارم: اعمال نویز 10 درصد بر جرم
          • شکل ‏4-16 تخمین آسیب حاصل از به‌روزرسانی مدل خرپایی برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت چهارم (مطالعهی اول)
          • جدول ‏4-8 مقادیر شاخصهای اعتبارسنجی در حالت چهارم (%10 خطا) (مطالعهی اول)
          • شکل ‏4-17 مقادیر ضریب تغییرات آسیب‌های برآورد شده برای تمامی سناریوهای خرابی در حالت چهارم (مطالعهی اول)
    • 4-4 مطالعه موردی دوم
      • 4-4-1 معرفی، هندسه و پارامترهای مکانیکی
        • جدول ‏4-9 سطح مقطع اعضای خرپای فولادی (مطالعهی دوم)
        • شکل ‏4-18 هندسه مدل و درجات آزادی مدل خرپایی دوم
      • 4-4-2 سناریوهای آسیب در مطالعه موردی دوم
        • جدول ‏4-10 جزئیات سناریوهای آسیب در نظر گرفته‌شده در خرپای دوم
      • 4-4-3 نتایج حاصل از روش داده‌محور در مطالعه موردی دوم
        • جدول ‏4-11 بازه‌های فرکانس مورد استفاده (Hz) در روش مبتنی بر داده (مطالعهی دوم)
        • شکل ‏4-19 زوایای زیرفضا برای تمامی سناریوهای خرابی در خرپای دوم
        • شکل ‏4-20 انحراف معیار زوایا برای تمامی سناریوهای خرابی در خرپای دوم
      • 4-4-4 نتایج حاصل از روش مدل‌محور در مطالعه موردی دوم
        • جدول ‏4-12 بازه‌های فرکانس (Hz) مورد استفاده در روش مبتنی بر مدل (مطالعهی دوم)
        • شکل ‏4-21 تخمین آسیب حاصل از به‌روزرسانی مدل خرپایی برای تمامی سناریوهای خرابی در خرپای دوم
        • شکل ‏4-22 مقادیر ضریب تغییرات آسیب‌های برآورد شده برای تمامی سناریوهای خرابی در خرپای دوم
        • جدول ‏4-13 مقادیر شاخصهای اعتبارسنجی در خرپای دوم
    • 4-5 بحث نتایج
      • 4-5-1 مقدمه
      • 4-5-2 ارزیابی نتایج خرپای اول
      • 4-5-3 ارزیابی نتایج خرپای دوم
      • 4-5-4 تحلیل تطبیقی نتایج بین مطالعهی اول و دوم
        • 4-5-4-1 مقایسه نتایج حاصل از دو مدل خرپا
        • 4-5-4-2 تحلیل نتایج حاصل از دو مدل خرپا
  • فصل 5 جمعبندی و ارائه پیشنهاد
    • 5-1 مقدمه
    • 5-2 تشریح روش پیاده‌سازی چارچوب پیشنهادی
    • 5-3 جمعبندی نتایج و دستآوردهای تحقیق
    • 5-4 محدودیتهای پژوهش
    • 5-5 پیشنهادهایی برای تحقیقات آینده
  • پیوست - أ‌ جزئیات شبیهسازی تابع پاسخ فرکانسی
    • 1. مقدمه
    • 2. رابطهی اصلی محاسبهی تابع پاسخ فرکانسی
    • 3. روش ترکیبی برای محاسبه تابع پاسخ فرکانسی
    • 4. روش‌های جایگزین برای تخمین تابع پاسخ فرکانسی
    • 5. جمع‌بندی
      • مراجع
  • Structural Health Monitoring Using an Integrated Digital Twin in the Time-Frequency Domain
...see more