Stress monitoring of cylindrical structures using guided waves

This thesis presents some approaches for guided wave based stress monitoring as a part of Structural Health Monitoring (SHM). SHM systems include different levels, from damage detection to prognosis, however, this work is focused on detection and on an estimation of the actual stress. The proposed stress monitoring strategies are based on different statistical and signal processing approaches such as Principal Component Analysis and Residuals. These techniques are applied on signals of elastic guided waves generated and sensed via Piezoelectrical (PZT) or Magnetostrictive transducers. Transducer devices are chosen in this work to generate longitudinal, flexural and torsional guided waves in cylindrical specimens, since their high performance, low energy consumption, weight and reasonable price. In order to guarantee the efficacy of the proposed techniques, they are tested in laboratory by emulating real installations and abnormal conditions. Experimental tests revealed that temperature and bonding layer between the PZT and the specimen influence on the performance of the monitoring scheme by changes in the guided wave propagation. Thus, the temperature effect on guided wave propagation was examined by checking the sensitivity of the PCA-based proposed approach. Then, a temperature compensation strategy is applied to improve stability and robustness of the scheme for structures subjected temperature changes. On the other hand, since the acoustoelasticity effect is predominant in the propagation of stressed guided waves, it was observed its incidence on the dispersion curves by using a SAFE method (Semi-Analytical Finite Element) to generate stressed dispersion curves via Effective Elastic Constants (EEC). Finally, as a consequence of some observations in the experimentation stage, it is proposed a scheme for monitoring the supports rigidity in pipelines based on a guided waves energy leakage perspective. The proposed approaches may promise the ability and capability of being implemented in different fields such as aerospace and gas/oil industry.En esta tesis se presentan algunos enfoques para el monitoreo de esfuerzos usando ondas guiadas como parte de un sistema de evaluación de integridad. Estos sistemas incluyen diferentes niveles de monitoreo que van desde la detección de daños hasta su predicción; sin embargo este trabajo se enfoca solo en la detección y estimación de un valor probable de esfuerzo. La estrategia de monitoreo propuesta se basa en diferentes enfoques estadísticos y de procesamiento de señales tales como Análisis de Componentes Principales y Residuos. Estas técnicas se aplican en señales que corresponden a ondas guiadas generadas por transductores piezoelectricos (PZT) o magnetostrictivos. Estos elementos tienen la capacidad de generar ondas guiadas longitudinales, de flexión y torsionales en especímenes cilíndricos, con alto desempeño, bajo consumo de energía, bajo peso y a un costo razonable. Para garantizar la efectividad de las técnicas propuestas, estas se prueban en laboratorio emulando una instalación real y bajo condiciones anormales de esfuerzo. Los resultados experimentales revelaron que la temperatura de los alrededores y la capa adhesiva entre el piezoelectrico y el espécimen influyen en el desempeño del esquema de monitoreo debido a los cambios que se producen en la propagación de onda . Por lo tanto, se estudia el efecto desde una perspectiva analítica el efecto de la temperatura en la propagación de la onda guiada y en consecuencia en el desempeño del enfoque de monitoreo propuesto. Basado en lo anterior, se aplica una estrategia de compensación del efecto de la temperatura para mejorar la estabilidad y la robustez del esquema propuesto ante escenarios de cambios de temperatura. Por otro lado, debido a que el efecto predominante en la propagación de ondas guiadas bajo esfuerzo es el efecto acoustoelastico, se estudia su influencia en las curvas de dispersión usando un método semi-analitico basado en elementos finitos (SAFE del inglés) en combinación con las Constantes Elásticas Efectivas (EEC del inglés) para estimar las curvas de dispersión de ondas guiadas bajo esfuerzo. Finalmente, como un resultados de la experimentación, se propone un esquema de monitoreo de rigidez de soportes de tubería cilíndrica basado en un perspectiva de energía de ultrasonido transferida al entorno vía contacto de superficies. El enfoque propuesto puede ser extendido al monitoreo de rigidez o contacto en otros sistemas en campos tales como el aeroespacial y en la industria del Gas/PetróleoPostprint (published version

Stress monitoring of cylindrical structures using guided waves

This thesis presents some approaches for guided wave based stress monitoring as a part of Structural Health Monitoring (SHM). SHM systems include different levels, from damage detection to prognosis, however, this work is focused on detection and on an estimation of the actual stress. The proposed stress monitoring strategies are based on different statistical and signal processing approaches such as Principal Component Analysis and Residuals. These techniques are applied on signals of elastic guided waves generated and sensed via Piezoelectrical (PZT) or Magnetostrictive transducers. Transducer devices are chosen in this work to generate longitudinal, flexural and torsional guided waves in cylindrical specimens, since their high performance, low energy consumption, weight and reasonable price. In order to guarantee the efficacy of the proposed techniques, they are tested in laboratory by emulating real installations and abnormal conditions. Experimental tests revealed that temperature and bonding layer between the PZT and the specimen influence on the performance of the monitoring scheme by changes in the guided wave propagation. Thus, the temperature effect on guided wave propagation was examined by checking the sensitivity of the PCA-based proposed approach. Then, a temperature compensation strategy is applied to improve stability and robustness of the scheme for structures subjected temperature changes. On the other hand, since the acoustoelasticity effect is predominant in the propagation of stressed guided waves, it was observed its incidence on the dispersion curves by using a SAFE method (Semi-Analytical Finite Element) to generate stressed dispersion curves via Effective Elastic Constants (EEC). Finally, as a consequence of some observations in the experimentation stage, it is proposed a scheme for monitoring the supports rigidity in pipelines based on a guided waves energy leakage perspective. The proposed approaches may promise the ability and capability of being implemented in different fields such as aerospace and gas/oil industry.En esta tesis se presentan algunos enfoques para el monitoreo de esfuerzos usando ondas guiadas como parte de un sistema de evaluación de integridad. Estos sistemas incluyen diferentes niveles de monitoreo que van desde la detección de daños hasta su predicción; sin embargo este trabajo se enfoca solo en la detección y estimación de un valor probable de esfuerzo. La estrategia de monitoreo propuesta se basa en diferentes enfoques estadísticos y de procesamiento de señales tales como Análisis de Componentes Principales y Residuos. Estas técnicas se aplican en señales que corresponden a ondas guiadas generadas por transductores piezoelectricos (PZT) o magnetostrictivos. Estos elementos tienen la capacidad de generar ondas guiadas longitudinales, de flexión y torsionales en especímenes cilíndricos, con alto desempeño, bajo consumo de energía, bajo peso y a un costo razonable. Para garantizar la efectividad de las técnicas propuestas, estas se prueban en laboratorio emulando una instalación real y bajo condiciones anormales de esfuerzo. Los resultados experimentales revelaron que la temperatura de los alrededores y la capa adhesiva entre el piezoelectrico y el espécimen influyen en el desempeño del esquema de monitoreo debido a los cambios que se producen en la propagación de onda . Por lo tanto, se estudia el efecto desde una perspectiva analítica el efecto de la temperatura en la propagación de la onda guiada y en consecuencia en el desempeño del enfoque de monitoreo propuesto. Basado en lo anterior, se aplica una estrategia de compensación del efecto de la temperatura para mejorar la estabilidad y la robustez del esquema propuesto ante escenarios de cambios de temperatura. Por otro lado, debido a que el efecto predominante en la propagación de ondas guiadas bajo esfuerzo es el efecto acoustoelastico, se estudia su influencia en las curvas de dispersión usando un método semi-analitico basado en elementos finitos (SAFE del inglés) en combinación con las Constantes Elásticas Efectivas (EEC del inglés) para estimar las curvas de dispersión de ondas guiadas bajo esfuerzo. Finalmente, como un resultados de la experimentación, se propone un esquema de monitoreo de rigidez de soportes de tubería cilíndrica basado en un perspectiva de energía de ultrasonido transferida al entorno vía contacto de superficies. El enfoque propuesto puede ser extendido al monitoreo de rigidez o contacto en otros sistemas en campos tales como el aeroespacial y en la industria del Gas/Petróle

Adaptive feedback feedforward compensation for disturbance rejection in a one DOF flexible structure: comparative analysis

En este artículo se estudia un Control Vibratorio Activo (AVC) para un problema de tres carritos. Se comparan los algoritmos de mínimos cuadrados filtrados (FxLMS) y mínimos cuadrados recurrentes (RLS) en términos de rechazo de perturbaciones, costo computacional y esfuerzo de control cuando se dispone de una medición correlacionada de la perturbación. El compensador RLS propuesto considera un acoplamiento de retroalimentación entre el compensador y la perturbación. La ruta de propagación secundaria de la planta se estimó utilizando el algoritmo LMS normalizado (NLMS). El acoplamiento positivo interno se modela como un filtro FIR estimado por los parámetros reales de la planta. Las simulaciones mostraron un rendimiento superior del algoritmo RLS con un costo informático razonable. El análisis comparativo se realizó comparando la compensación entre el orden del filtro y la magnitud del rechazo. In this paper an Active Vibrational Control (AVC) for a three-cart problem is studied. The Filtered-x Least Mean Square (FxLMS) and Recursive Least Square (RLS) algorithms are compared in terms of disturbance rejection, computational cost and control effort when a correlated measurement of the disturbance is available. The proposed RLS compensator considers a feedback coupling between the compensator and the disturbance. The secondary propagation path of the plant was estimated using normalized LMS (NLMS) algorithm. The internal positive coupling is modeled as a FIR filter estimated by the real plant parameters. Simulations showed a superior performance of RLS algorithm with a reasonable computer cost. The comparative analysis was performed comparing the tradeoff between the filter order and the magnitude of the rejection.&nbsp

PCA based stress monitoring of cylindrical specimens using PZTs and guidedwaves

Since mechanical stress in structures affects issues such as strength, expected operational life and dimensional stability, a continuous stress monitoring scheme is necessary for a complete integrity assessment. Consequently, this paper proposes a stress monitoring scheme for cylindrical specimens, which are widely used in structures such as pipelines, wind turbines or bridges. The approach consists of tracking guided wave variations due to load changes, by comparing wave statistical patterns via Principal Component Analysis (PCA). Each load scenario is projected to the PCA space by means of a baseline model and represented using the Q-statistical indices. Experimental validation of the proposed methodology is conducted on two specimens: (i) a 12.7 mm (1/2”) diameter, 0.4 m length, AISI 1020 steel rod, and (ii) a 25.4 mm (1”) diameter, 6m length, schedule 40, A-106, hollow cylinder. Specimen 1 was subjected to axial loads, meanwhile specimen 2 to flexion. In both cases, simultaneous longitudinal and flexural guided waves were generated via piezoelectric devices (PZTs) in a pitch-catch configuration. Experimental results show the feasibility of the approach and its potential use as in-situ continuous stress monitoring application.Peer ReviewedPostprint (published version

Adaptive feedback feedforward compensation for disturbance rejection in a one DOF flexible structure: comparative analysis

En este artículo se estudia un Control Vibratorio Activo (AVC) para un problema de tres carritos. Se comparan los algoritmos de mínimos cuadrados filtrados (FxLMS) y mínimos cuadrados recurrentes (RLS) en términos de rechazo de perturbaciones, costo computacional y esfuerzo de control cuando se dispone de una medición correlacionada de la perturbación. El compensador RLS propuesto considera un acoplamiento de retroalimentación entre el compensador y la perturbación. La ruta de propagación secundaria de la planta se estimó utilizando el algoritmo LMS normalizado (NLMS). El acoplamiento positivo interno se modela como un filtro FIR estimado por los parámetros reales de la planta. Las simulaciones mostraron un rendimiento superior del algoritmo RLS con un costo informático razonable. El análisis comparativo se realizó comparando la compensación entre el orden del filtro y la magnitud del rechazo. In this paper an Active Vibrational Control (AVC) for a three-cart problem is studied. The Filtered-x Least Mean Square (FxLMS) and Recursive Least Square (RLS) algorithms are compared in terms of disturbance rejection, computational cost and control effort when a correlated measurement of the disturbance is available. The proposed RLS compensator considers a feedback coupling between the compensator and the disturbance. The secondary propagation path of the plant was estimated using normalized LMS (NLMS) algorithm. The internal positive coupling is modeled as a FIR filter estimated by the real plant parameters. Simulations showed a superior performance of RLS algorithm with a reasonable computer cost. The comparative analysis was performed comparing the tradeoff between the filter order and the magnitude of the rejection.&nbsp

Support stiffness monitoring of cylindrical structures using magnetostrictive transducers and the torsional mode T(0,1)

In this paper, a support stiffness monitoring scheme based on torsional guided waves for detecting loss of rigidity in a support of cylindrical structures is presented. Poor support performance in cylindrical specimens such as a pipeline setup located in a sloping terrain may produce a risky operation condition in terms of the installation integrity and the possibility of human casualties. The effects of changing the contact forces between support and the waveguide have been investigated by considering variations in the load between them. Fundamental torsional T(0,1) mode is produced and launched by a magnetostrictive collar in a pitch-catch configuration to study the support effect in the wavepacket propagation. Several scenarios are studied by emulating an abnormal condition in the support of a dedicated test bench. Numerical results revealed T(0,1) ultrasonic energy leakage in the form of SH0 bulk waves when a mechanical coupling between the cylindrical waveguide and support is yielded. Experimental results showed that the rate of ultrasonic energy leakage depends on the magnitude of the reaction forces between pipe and support; so different levels of attenuation of T(0,1) mode will be produced with different mechanical contact conditions. Thus, it is possible to relate a measured attenuation to variations in the supports condition. Results of each scenarios are presented and discussed demonstrating the feasibility and potential of tracking of the amplitude of the T(0,1) as an indicator of abnormal conditions in simple supports.Peer ReviewedPostprint (published version

Performance comparison between a classic particle swarm optimization and a genetic algorithm in manufacturing cell design

This article studies the performance of two metaheuristics, the Particle Swarm Optimization (PSO) and the Genetic Algorithm (GA), in the manufacturing cell formation problem of a factory that needs to organize three production cases in an efficient way for four, five and six manufacturing cells to produce 30, 40 and 50 different products to be processed in 10, 10 and 20 type machines, respectively. The procedure for adjusting the particular parameters of each algorithm is implemented through a Design of Experiments which includes their own analysis of variance. Both algorithms are implemented in Matlab®. The results obtained by each meta heuristic are compared in terms of the cost of the best solution found and the execution time used to find that solution, so that it is possible to establish which methodology is the most appropriate when solving this optimization problem

Analysis configurations for a ramp pump

In this paper the influence of some parameters in the operation of a ramp pump is studied: delivery valve spring, pressure chamber volume, stroke of the delivery valve and the ratio of the delivery valve area to the waste valve area. Experimental studies are performed in a dedicated test bench for this purpose. Additionally, an analytical model is proposed and validated using experimental data. The developed model allows to extent the study of the ramp pump including a specific analysis of the delivery valve. Based on experimental and theoretical results can be concluded that the delivery valve spring and the ratio of the delivery valve area to the waste valve area affect significantly the ramp pump efficiency. On the other hand, the pressure chamber volume does not represent significant influence on the efficiency of the ramp pump.En este trabajo se estudia la influencia de algunos parámetros en la operación del ariete hidráulico. Las variables analizadas son el resorte de la válvula de impulso, el volumen del acumulador, la carrera de la válvula de impulso y la relación de las áreas de impulso y descarga en la eficiencia del ariete. El análisis experimental se realiza en un prototipo de ariete hidráulico destinado para usos investigativos que permite variar sus parámetros. Adicionalmente, un modelo teórico del ariete es propuesto y validado usando los resultados experimentales. El modelo propuesto permite extender el estudio de los parámetros analizados incluyendo un análisis específico de la carrera de la válvula de impulso. De los resultados obtenidos se concluye que el resorte de la válvula de impulso y la relación de las áreas de las válvulas de impulso y descarga influye significativamente en la eficiencia del ariete. Por otro lado, el acumulador no representa significativa influencia en la eficiencia del ariete. &nbsp

Analysis configurations for a ramp pump

In this paper the influence of some parameters in the operation of a ramp pump is studied: delivery valve spring, pressure chamber volume, stroke of the delivery valve and the ratio of the delivery valve area to the waste valve area. Experimental studies are performed in a dedicated test bench for this purpose. Additionally, an analytical model is proposed and validated using experimental data. The developed model allows to extent the study of the ramp pump including a specific analysis of the delivery valve. Based on experimental and theoretical results can be concluded that the delivery valve spring and the ratio of the delivery valve area to the waste valve area affect significantly the ramp pump efficiency. On the other hand, the pressure chamber volume does not represent significant influence on the efficiency of the ramp pump.En este trabajo se estudia la influencia de algunos parámetros en la operación del ariete hidráulico. Las variables analizadas son el resorte de la válvula de impulso, el volumen del acumulador, la carrera de la válvula de impulso y la relación de las áreas de impulso y descarga en la eficiencia del ariete. El análisis experimental se realiza en un prototipo de ariete hidráulico destinado para usos investigativos que permite variar sus parámetros. Adicionalmente, un modelo teórico del ariete es propuesto y validado usando los resultados experimentales. El modelo propuesto permite extender el estudio de los parámetros analizados incluyendo un análisis específico de la carrera de la válvula de impulso. De los resultados obtenidos se concluye que el resorte de la válvula de impulso y la relación de las áreas de las válvulas de impulso y descarga influye significativamente en la eficiencia del ariete. Por otro lado, el acumulador no representa significativa influencia en la eficiencia del ariete. &nbsp

Experimental study of the strategies of On-Off control and continuous control in a refrigeration system

This paper presents an experimental study, in several scenarios of energy consumption in a vapor compression refrigeration system when it operates using ON-OFF, linear and fuzzy logic control schemes. The proposed study scenarios pretend to emulate real operation conditions in refrigeration systems such as a disturbance produced by the door opening. In the test bench used in this study the ON-OFF, PID and fuzzy logic control strategies were implemented via Labview® and National Instruments® hardware. The system provides the energy consumption in each control strategy for a given set of conditions. In addition, the vapor temperature tuning is observed. The results reveal larger energy savings, near 25% , via linear control and fuzzy logic and a satisfactory tracking of the reference compared with ON-OFF. The results of this study can be used as support information when determining a control scheme for a large refrigeration system.Este artículo presenta un estudio experimental del consumo de energía de un sistema de refrigeración por compresión de vapor operando bajo los esquemas de control  ON-OFF y continuo en varios escenarios de prueba. Los escenarios de estudio propuestos pretenden emular condiciones reales de operación en un sistema de refrigeración como la carga impuesta cuando la puerta de un cuarto frio es abierta. El banco de prueba usado en este estudio permite la implementación del control  ON-OFF,  PID  y lógica difusa usando Labview® y un sistema de adquisición y procesamiento de datos de National Instruments®. El sistema proporciona  el consumo de energía para cada estrategia de control implementada para un escenario de prueba dado. Adicionalmente se observa el ajuste de la temperatura de evaporación del refrigerante con respecto a la temperatura de referencia. Los resultados experimentales obtenidos revelan mayores ahorros energéticos, cercanos al 25% y un comportamiento satisfactorio del control de la temperatura de evaporación en los esquemas de control continuo comparados con el ON-OFF. Los resultados obtenidos pueden utilizarse como información de soporte en la determinación del esquema de control en sistemas de refrigeración de gran tamaño donde los costos de operación son considerables