Kompozit malzemeler için yapı izleme ve bakım sistemi
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2014
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Mühendislik yapılarında gerçekleşen teknolojik gelişmelere bağlı olarak, bu yapılarda oluşabilecek hasarları tespit etmek hayatî derecede zaruridîr. İleri mühendislik yapıları, canlı organizmaların yapılarında bulunan sinir sistemlerine benzer olarak, sensör sinir ağlarıyla donatılarak sağlık durum değerlendirmesi yapılmaktadır. Otomatik kontrol sistemlerinde yapılan ilerlemeler, yapı sağlığı izleme (YSİ) uygulama alanlarına da yansıyıp, insanın yapılardaki sağlık teşhisi için gerekli olan bilişsel motor kabiliyetleri azaltılarak, yerine otomatik olarak hasarı anlık teşhis edebilen matematiksel proseslere bırakmıştır. Son 20 yıldır, bu tekniğin kullanılması otomatik olarak hasarı belirleyebilen birçok algoritmanın geliştirilmesine olanak tanımıştır. Hâlihazırda, YSİ tekniklerinde uygulanan model tabanlı YSİ algoritmalarında, fiziksel kuramlara bağlı olarak model geliştirilip, daha sonra ölçüm verilerinin, modelde değerlendirilmesiyle tanılama yapılır. Veri tabanlı YSİ algoritmalarında ise, yapıya iliştirilen birçok sensörden ölçüm verileri alınarak, daha sonra alınan veriler üzerinde öz nitelik vektörleri çıkartma ve farklı tiplerde istatistiksel, nümerik veya zaman modellerinin uygulanmasıyla tanılama yapılmaktadır. Bu yaklaşımların kullanılmasıyla YSİ uygulamalarında ileri derecede gelişmeler kaydedilmiştir. Nitekim bu araştırmanın başlangıcında, tabakalı kompozit kiriş ve levhadaki hasar, model tabanlı YSİ tekniğiyle değerlendirilerek yapılarındaki delaminasyonlar tespit edilmiştir. Diğer taraftan, YSİ'de, yapılan tüm ilerlemelere rağmen, insanın bilişsel motor kabiliyetini, otomatik olarak hasar belirleyebilen model veya veri tabanlı YSİ araçlarından tamamen devre dışı bırakmak, başka problemlerin oluşmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla, YSİ tekniğinin çözüm performansını artırmak için, bütünleşik olarak sayısal teknolojik araçlarından ve insanın motor bilişsel sistemlerinden yararlanılarak, geleneksel YSİ prosedürlerinden farklı olan yeni konseptlerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Araştırmanın birinci temel hedefi, yapının sağlığını değerlendirmek için inovatif, kooperatif insan-makine ara yüz paradigması geliştirip insan katılımcıları üzerindeki etkinliğini belirlemektir. Geliştirilen kooperatif YSİ paradigmasının en önemli özelliği, tek başına hasar belirleme çözüm prosesine katkı sağlayan tek başına bir makineden veya tek başına katkı sağlayan tek insandan daima ilerdedir. Bütünleşik insan-makine arayüz paradigmasının geliştirilmesinde; insanın sinir sisteminden, YSİ sensör ağlarından, sinyal işleme tekniklerinden, öz nitelik çıkartma metotlarından, çok değişkenli istatistiksel yöntemlerden, psikofizik prosedürlerinden, haptik teknolojilerinden, nöral plastisite teorilerinden ve duyu ikamesi kuramlarından yararlanılmıştır. Duyu ikamede kullanılan tekniğe benzer olarak, yapının hasar durumunu belirten yeni bir duyunun insanlar tarafından kazanılabilme yeterliliğini belirlemek için, bu araştırmada, cıvatalı kafes elemanlarıyla inşa edilen çelik bir kule seçilerek üzerinde uygulanmıştır. Kuledeki hasar senaryoları, kompozit yapılardaki delaminasyon hasarını simule eden, bir veya birden çok cıvatanın gevşetilip gevşetilmemesi durumlarıyla yapılmıştır. Sistemin dinamik tepkilerinin ölçülmesi amacıyla kuleyi oluşturan elemanların değişik bölgelerinde ivmeölçerler yerleştirilmiştir. İvmeölçerlerden alınan veriler başlangıçta, ön işleme tekniklerine ve çok değişkenli istatistiksel bir yöntem olan asal değişken analiz tekniğine tabi tutularak haptik kodlar türetilmiş ve bu haptik kodlar, daha sonra katılımcıların üzerinde, fiziksel titreşim uyarısı oluşturacak şekilde üç farklı konfigürasyonla aktifleştirilmişlerdir. Kooperatif insan-makine arayüz paradigması sonuçları incelendiğinde; uyarımlar sırasıyla insanlara iletildiğinde, katılımcıların ortalama % 88±20.21 başarı skoru ve 5.87±2.23 s'de cevapladıkları, uyarıların hepsi aynı anda insanlara iletildiğinde ise, katılımcıların ortalama % 68.98±30.91 başarı skoru ve 8.51±3.22 s'de cevapladıkları görülmüştür. Geliştirilen insan-makine YSİ paradigması katılımcılar üzerinde test edilip, katılımcıların sonuçları araştırıldıktan sonra, destek vektör makineleri (DVM), YSİ ölçüm verileri üzerinde test edilip, DVM'nin çoklu karşılaştırma modülüyle, hasar kombinasyonlarını sınıflandırma kabiliyeti araştırılmıştır. DVM'de kernel olarak lineer, polinom, radyal ve sigmoid fonksiyonları kullanılması durumunda elde edilen sonuçlar ayrıntılı olarak analizleri yapılıp değerlendirilmiştir. Destek vektör makinelerinde, en yüksek doğruluk değerleri, % 60.63±13.53 başarı skoru ve buna karşılık 6.043914 s ortalama işlemci çözüm süresiyle, radyal tabanlı kernelin kullanılması durumunda üretildiği görülmüştür. Sonuç olarak, insan-makine YSİ paradigmasından elde edilen katılımcıların sonuçları incelendiğinde, geliştirilen tekniğin soyutsal kavramların algılanmasında ve özellikle, YSİ sensor ağ uygulamalarında kullanışlı olacağı yönündedir. Araştırmanın ikinci temel hedefi, YSİ'de uygulanan hasar tespit sürecinin yanında, hasara ilişkin bakım prosesinin yapılmasına yönelik bütünleşik YSİ+bakım algoritması geliştirmektir. Bu amaçla, geliştirilen algoritmanın temel konseptleri belirtilmiş ve düzlem dışı yüklemeye maruz, çatlak içeren bir boyutlu tabakalı kompozit bir kiriş üzerinde uygulanmıştır. Hasar teşhisinde, birim şekil değiştirme enerjisinden (BŞDE) yararlanılmıştır. Birim şekil değiştirme enerjisiyle, hasar bölgesi belirlendikten sonra, ortalama hata karelerinin toplam kökünden (OHKTK) elde edilen optimum değere göre, piezoelektrik aktüatör aktifleştirilip yapının emniyetli ve kontrollü bir şekilde çalışması amaçlanmıştır. Başka bir anlamda, piezoelektrik kullanılarak yapıdaki hasarın kısmen de olsa kontrol edilebilme seviyesi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, eğilmeye maruz basit mesnetli bir kompozit kirişteki çatlağın tespitinde, kırılma mekaniği denklemleri ile birlikte BŞDE algoritmasının başarılı bir şekilde kullanılabileceği ve kiriş için optimum bakım voltajının belirlenmesinde OHKTK uygulanarak, piezoelektrik aktüatörün kirişteki çatlağın iyileştirebileceği kanaatine varılmıştır.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Yapı sağlığı izleme, Hasar tanılaması, Hasarın hissedilmesi, İnsan-makine arayüzü, Nosiseptörler, Haptik sistemler, Duyusal ikame, Makine öğrenimi, Fiber takviyeli kompozit yapılar, Piezoelektrik aktüatörler, Hasar kontrolü, YSİ+Bakım sistemi., Structural health monitoring, Damage diagnosis, Damage sensation, Human-machine interface, Nociceptors, Haptics systems, Sensory substitution, Machine learning, Fiber reinforced composite structures, Piezoelectric actuators, Damage control, SHM+Maintenance system., Makina Mühendisliği A.B.D.
