Optimizacija smještaja osjetnika vibracija

master's thesis

• Title (english): Optimization of vibration sensors placement
• Author: Jurica Rožić
• Mentor: Marko Jokić (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2021-07-15, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering; General Mechanical Engineering (Construction)

Abstract

Praćenje zdravlja konstrukcije je u mnogim slučajevima neophodno za sigurnost korisnika, a bitno je i za radni vijek konstrukcije jer se time oštećenja mogu uočiti prije nego dosegnu kritičnu razinu kod koje dolazi do kolapsa.
Jedan od načina jest praćenje promjene u dinamičkom ponašanje konstrukcije. Ideja je da će se prilikom oštećenja dogoditi promjena npr. krutosti konstrukcije koja će onda biti vidljiva putem promjene dinamike konstrukcije. Očitavanjem razlike od poznatog „dobrog“ ponašanja konstrukcije se dakle može utvrditi da negdje postoji oštećenje ili neki drugi problem.
Dinamika konstrukcije se prati analizom podataka iz osjetnika (tipično piezoelektrični osjetnici vibracija), te se tu javlja komplicirano pitanje određivanja broja i položaja osjetnika na konstrukciji da bi se moglo pratiti dinamičko ponašanje. Problem je dovoljno težak da je jedini realni pristup sistematiziranje problema za optimiranje uz pomoć računala. Specifičan problem jest što je broj osjetnika nezgodan problem za optimiranje jer je to problem kombinatorike kojeg je teško numerički obraditi.
Ovaj rad prikazuje moguće metode za rješavanje tog problema, te objašnjava tipične prepreke kod provedbe. Nadalje, u radu je razvijen algoritam koji rješava zadani problem optimizacije položaja osjetnika. Objašnjen je postupak razvijanja algoritma koji rješava taj problem, te je detaljno opisan tok pripremanja i izvršavanja optimizacije broja i položaja osjetnika na jednostavno oslonjenoj gredi koja je diskretizirana metodom konačnih elemenata. Svaki čvor konačnih elemenata je potencijalno mjesto za osjetnik. Algoritam istovremeno provodi optimizaciju broja i položaja osjetnika, a kritični problem optimizacije broja osjetnika je riješen relaksacijom l0 norme broja osjetnika u l1 normu.
U rezultatima je prikazano kako broj korištenih osjetnika pada porastom faktora koji direktno utječe na težinu te minimizacije, te je prikazan i obrazložen optimirani izbor pozicija osjetnika za nekoliko bitnih iznosa spomenutog faktora

Abstract (english)

Structural health monitoring is often necessary for user safety, as well as the longevity of the structure because it can grant awareness of structural damage before it reaches critical levels that would lead to structure failure.
One method for doing so is monitoring the dynamics of the structure. The concept here is that upon structural damage, dynamics of the structure will change because, for example, the stiffness of the structure changed. Comparing current and “known good” behaviour of the structure dynamics, one can immediately become aware of a problem somewhere on the structure.
Structure dynamics is monitored by analysing sensor data (typically piezoelectric vibration sensors), which raises the complicated question of determining quantity and placement of those sensors. That problem is complicated enough that the only realistic approach is systematisation of the problem and computer aided optimisation. A pronounced problem is the minimisation of the number of sensors because it is a combinatorial problem which is difficult to deal with numerically.
This master thesis presents methods of solving that problem and unfolds typical issues with implementation. Furthermore, a solution algorithm is developed for the sensor placement optimisation. Process of preparing and running the optimisation of the quantity and placement of sensors is shown in detail on an example structure which is a simply supported beam discretized with FEM. Every node is a possible sensor location. Algorithm simultaneously tries to optimise both the number and positions of sensors. The critical issue of sensors quantity is resolved with relaxation of the l0 norm for the number of sensors into the l1 norm.
Results show how the quantity of used sensors decreases as the value of the factor that determines the weight of minimising that quantity increases. Sensor placement for a few noteworthy values of mentioned factor are also shown and explained.

• Keywords: Optimizacija smještaja osjetnika vibracija; Optimizacija broja osjetnika vibracija; Relaksacija l0 norme; Praćenje zdravlja konstrukcije
• Keywords (english): Optimisation of vibration sensor placement; Optimisation of vibration sensor quantity; Relaxation of the l0 norm; Structural health monitoring
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:472525
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2021-07-13 10:17:16