Strategies for small-footprint devices in structural health monitoring
结构健康监测中小型设备的策略
基本信息
- 批准号:RGPIN-2015-06295
- 负责人:
- 金额:$ 3.13万
- 依托单位:
- 依托单位国家:加拿大
- 项目类别:Discovery Grants Program - Individual
- 财政年份:2016
- 资助国家:加拿大
- 起止时间:2016-01-01 至 2017-12-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Structural Health Monitoring (SHM) has been proposed to allow the aerospace industry transitioning from scheduled-based maintenance, conducted using Non-Destructive Testing (NDT) techniques, to condition-based maintenance. The most promising approach uses in situ piezoceramic (PZT) transducers mounted on metallic or composite structures to generate and receive ultrasonic guided waves propagating and interacting with defects. Although a number of SHM technologies have been proposed, and despite the potential reduction of aircraft maintenance costs and increased aircraft availability, the civil aerospace industry has not implemented the approach yet. This program intends to achieve a major breakthrough on the requirements still to be addressed: damage quantification (resolution below 1 mm), smaller footprint, and demonstrated durability of SHM technologies, by developing strategies for small-footprint arrays of PZT transducers (in the order of 1 cm2) in damage quantification at high frequency. Damage quantification will come from smaller wavelengths at high frequency, and better resolved generation and measurement locations with a compact array. This research program will be conducted along three distinct research thrusts. 1) The discrimination of the guided wave mode propagating is critical in damage quantification. Thus, high-frequency mode-selective transducers will be designed to generate target stress profile at the interface between the PZT and the host structure, obtained from systematic optimization of modal power flow. Combined shear and normal stresses will be exploited through innovative 3D configurations to overcome the reduced wave power generated in the structure because of the transducer size reduction, potentially leading to reduced sensitivity to damage. 2) As high resolution damage imaging is required to transition from detection and localization to quantification, super-resolution tools will be integrated into the correlation-based damage imaging algorithms already validated for larger arrays. The dynamic model of the PZTs, as well as their mechanical and electrical interactions within the array will be integrated in the analysis atoms used in the correlation for higher resolution. 3) 3D microfabrication of the PZT arrays will combine ablation from a bulk piece of PZT for high power density, using laser micro-machining techniques, sol-gel deposition with photolithography techniques for through-the-thickness and multi-layer features, and assembly of components such as inertial masses. Velocity field measured with a 3D Laser Doppler Vibrometer and damage imaging will be used to validate the fabricated PZT arrays. Strategies for small-footprint arrays of PZT will allow damage quantification through higher resolution and such systems are expected to achieve the required durability by being less intrusive and less sensitive to environment.
结构健康监测(SHM)已经提出,允许航空航天工业从使用无损检测(NDT)技术进行的基于计划的维护过渡到基于状态的维护。最有希望的方法是使用安装在金属或复合结构上的原位压电陶瓷(PZT)换能器来产生和接收与缺陷传播和相互作用的超声波导波。尽管已经提出了许多SHM技术,并且尽管可能降低飞机维护成本和增加飞机可用性,民用航空航天工业尚未实施该方法。该项目旨在通过开发高频损伤量化的PZT传感器小足迹阵列(约为1平方厘米)策略,在仍有待解决的需求上取得重大突破:损伤量化(分辨率低于1毫米)、更小的占地面积和SHM技术的耐久性。损伤量化将来自于高频下更小的波长,以及具有紧凑阵列的更好分辨的产生和测量位置。这项研究计划将沿着三个不同的研究重点进行。1)导波模式传播的识别是损伤量化的关键。因此,高频模式选择换能器将被设计用于在PZT和主体结构之间的界面上产生目标应力分布,通过系统优化功率流获得目标应力分布。由于换能器尺寸减小,结构中产生的波浪能降低,从而降低了对损伤的敏感性,因此将通过创新的3D配置来利用剪切和正应力组合。2)由于高分辨率损伤成像需要从检测和定位过渡到量化,超分辨率工具将集成到基于相关的损伤成像算法中,这些算法已经在更大的阵列中得到了验证。pzt的动态模型,以及它们在阵列内的机械和电子相互作用将被整合到分析原子中,用于更高的分辨率。3) PZT阵列的3D微制造将结合PZT块的烧蚀以获得高功率密度,使用激光微加工技术,溶胶-凝胶沉积与光刻技术以获得贯穿厚度和多层特征,以及惯性质量等组件的组装。三维激光多普勒测振仪测量的速度场和损伤成像将用于验证制备的PZT阵列。小尺寸PZT阵列的策略将允许通过更高的分辨率进行损伤量化,并且这种系统有望通过减少侵入性和对环境的不敏感来达到所需的耐用性。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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