Long-gage optical fiber extensometers for dynamic evaluation of structures

International audienceThis paper deals with the study of the capacity of continuously attached long-gage fiber optic sensors for a new use: dynamic evaluation of structures. The optical system is first presented, followed by the development of the precise formulation of the measurement data obtained by this sensor when applied to the dynamic analysis of beams, especially under bending oscillations. This sensor allows us to find the curvature mode shapes. Numerical simulations are then performed to estimate the dynamic characteristics of the beam by means of the continuous wavelet transform, using the data obtained with this sensor. Finally, the fiber optic sensors are bonded on a real cantilever beam and experimental data are collected from the optical measurement system, in the case of aftershock free oscillations of the instrumented beam. A similar modal identification procedure as that proposed for numerical simulations is used and the results are compared to those obtained with accelerometers and long strain gauges. This type of sensor, allowing us to find the curvature mode shapes, will be a good candidate for damage detection

Extensomètres à fibre optique Longue Base pour l'évaluation dynamique des structures

Divers traitements et études réalisés sur les réponses dynamiques, numériques et expérimentales, d'Extensomètres à fibre optique de Longue Base de mesure ont permis de dégager quelques caractéristiques de ces nouveaux capteurs. Certaines sont spécifiques à la base de mesure du capteur (filtrage modal, détection de défauts). D'autres, comme la sensibilité aux non-linéarités géométriques ou l'obtention de formes modales différentes, sont liées au type de mesure réalisée et peuvent s'appliquer à tous les extensomètres

Detection of Structural Modifications of an Euler-Bernoulli Beam through Modal Parameters Variation

International audienceThis research deals with a class of identification problems mainly concerning the localization of structural modifications in elastic beams with or without tension by dynamic analysis. Variations of tension, mass density and/or bending stiffness induce variations of the beam natural frequencies. For each natural frequency, a first order estimate of this modification is then established. It depends on the variations of tension, density and bending stiffness and also on the corresponding mode shape and curvature mode shape of the initial state. When the variations of density and flexural rigidity are localized along the beam (as for a notch in a beam or a crack in a cable), this estimate is used to propose a procedure permitting detection, localization and, eventually, quantification of these variations knowing the modifications of the first natural frequencies and the variation of tension. This procedure is applied successfully to experimental data found in literature concerning beams without tension and only bending stiffness modifications

Influence de la mesure sur les méthodes de détection d'endommagement basée sur la courbure modale

Au cours des dernières décennies, la détection d'endommagement basée sur les changements des propriétés dynamiques des structures a fait l'objet de nombreuses recherches. L'idée générale est que les paramètres modaux de la structure sont fonction de ses propriétés physiques (rigidité, masse, amortissement) et que leur modification correspond à un changement structurel. Des méthodes utilisant la courbure modale, la matrice de flexibilité, la courbure de flexibilité et l'énergie de déformation obtenues à partir des paramètres modaux de la structure peuvent, par exemple, être utilisées pour détecter des endommagements. Afin d'évaluer la performance de ces méthodes, des simulations numériques ont été réalisées sur une poutre en aluminium encastrée-encastrée similaire à celle qui sera utilisée dans des travaux expérimentaux futurs. Dans la présente étude, le défaut est modélisé par une variation de la rigidité c-à-d. la réduction de section d'un élément fini (symétriquement de part et d'autre de l'axe neutre). La sensibilité des méthodes vis-à-vis du type de capteur, du nombre de capteurs, de la sévérité du défaut ainsi que de la dispersion des paramètres modaux (ajouté numériquement) est étudiée

Experimental Tuned Mass Damper Based on Eddy Currents Damping Effect and Adjustable Stiffness

International audience— An experimental Tuned Mass Damper (TMD) is proposed in order to damp vibrations induced by external excitations. This TMD is based on the Eddy Currents damping effect and is designed in such a way as to allow a manually adjustment of its own stiffness and inherent damping. The TMD's modal parameters estimation is therefore carried out by applying the Continuous Wavelet Transform to the signals obtained experimentally. The influence of the manual adjustment of the TMD's components on its dynamical properties is then studied

Analyse modale d'une poutre par corrélation d'images numériques

Les outils de métrologie actuels concernant la mesure des vibrations sont principalement basés sur l'utilisation d'accéléromètres ou de vibromètres laser. Cependant, lorsque l'on souhaite instrumenter une structure avec un nombre important de capteurs afin d'obtenir une description des déformées modales suffisamment précise, l'utilisation d'accéléromètres introduit un amortissement supplémentaire, en raison des câbles les reliant aux systèmes d'acquisition, mais également un ajout de masses additionnelles dû aux capteurs eux-mêmes. Les vibromètres laser nécessitent quant à eux des surfaces dont la direction de réflexion doit rester relativement invariante durant l'essai et indemne d'effet de bord, conditions qui sont difficiles à garantir dans certains cas. Pour réaliser des mesures de champs (de vitesse ou de déplacement), les vibromètres par balayage exigent de plus l'usage d'une excitation stationnaire périodique, ce qui est limitant. Depuis une décennie, la corrélation d'images numériques (CIN) est de plus en plus employée en mécanique des matériaux et des structures afin, notamment, de déterminer des champs de déformation en 2D comme en 3D. En effet, lorsque les conditions expérimentales sont optimales, il est possible d'obtenir des résolutions en déplacement inférieures au dixième voire au centième de pixel. La technique peut être mise en ?uvre pour l'analyse de sollicitations dynamiques grâce au recours à des caméras rapides. Toutefois, ces dernières sont souvent limitées en terme de résolution d'image, ce qui restreint la résolution spatiale de l'analyse et est pénalisant sur des structures élancées telles que celles rencontrées en génie civil. De nouvelles générations de caméras, récemment proposées à coût raisonnable et présentant une grande variété de combinaisons de résolution d'image et de fréquence d'acquisition, permettent de repousser ces limites, et constituent ainsi des alternatives potentielles aux systèmes classiques d'analyse modale. Nous présentons ici la mise en ?uvre de cette technique pour l'analyse modale d'une poutre. Des images de la vibration transversale d'une poutre suite à une excitation par choc sont obtenues à l'aide d'une caméra rapide haute résolution pouvant acquérir des images avec une fréquence de l'ordre de 4,5 kHz. Des poutres de différentes dimensions, de plusieurs dizaines de centimètres à quelques mètres, seront étudiées. Dans un premier temps, les paramètres optimaux permettant de réaliser une mesure de champs précise seront exposés et discutés, notamment la qualité des images et du mouchetis, ainsi que la fréquence d'acquisition adéquat pour diminuer l'impact du repliement spectral. Puis, dans un second temps, l'analyse modale réalisée à l'aide d'une méthode utilisant la transformée en ondelettes continues à partir des mesures obtenues par CIN sera présentée. Les paramètres modaux extraits à l'aide des images seront comparés à ceux obtenus avec des accéléromètres. Les deux principaux intérêts d'utiliser les techniques d'imageries sont, d'une part, une densité d'information plus importante, plusieurs centaines de points le long de la poutre contre quelques dizaines pour les accéléromètres et, d'autre part, le caractère non intrusif de l'instrumentation. La mesure de champs par CIN semble donc, a priori, plus adaptée pour l'observation de phénomènes locaux tels que des endommagements pouvant entraîner une variation de rigidité locale de la poutre

Damage assessment of pre-stressed structures: A SVD-based approach to deal with time-varying loading

International audienceVibration-based methods are well-established and effective tools to assess the health state of civil, mechanical and aerospace engineering structures. However, their reliability is still affected by the variability of the features commonly used for damage detection. Environmental effects and changes in operational conditions are the main sources of variability in the structural response. As a consequence, the modal identification used to extract damage sensitive features has to face constricting requirements in terms of signals stationarity and performance accuracy. Moreover, with reference to the damage assessment, large variations of monitored features mask subtle effects due to damage, which remain undetected. This study is conceived to address both these issues by focusing, in particular, on the non-stationarity of the loading conditions of tensioned structures, such as cables and pre-stressed beams. The capability of spectral methods to deal with the modal identification of non-stationary systems is enhanced by a curve-fitting procedure based on nonlinear least squares optimization. Wavelet analysis is applied for comparison and validation of the FFT-based technique. Identified natural frequencies are then used for the damage detection, exploiting the capacity of singular values decomposition to discriminate between damage-related events and the intrinsic non-stationary nature of the structural response. A reduced-order realization of the features set is performed to amplify changes not belonging to measurement variability but deriving from exogenous events, such as damage. The proposed methodology is validated by experimental analyses carried out on beams subjected to time-varying loading conditions in order to simulate the health monitoring of quasi and non-stationary systems

Extensomètres à fibre optique Longue Base (ELB) pour l'évaluation dynamique des structures

The thesis falls under a new set of themes born from a new sensor's appearance : Continuously Attached Long-Gage fiber optic Extensometer (CA-LGE). The manuscript draws up a first panorama of CA-LGE capacities for dynamic structural monitoring. A complete analytical model of the sensors measurement is determined and applied to the case of Euler-Bernoulli beams. The various numerical and experimental studies then undertaken (for example signal processing with wavelet transform), make it possible to establish some characteristics of the CA-LGE. Some are specific to the sensor measurement base length : modes' filtering for structural control and damage detection from modal curvature. Others, like geometrical nonlinearities detection or ways for obtaining different modal forms, are related to the measurement type carried out, which is extensometric, and can thus be applied to other extensometers. This work's prospects are numerous, as well experimental as calculative.La thèse s'inscrit dans le développement de systèmes d'instrumentation pour les structures intelligentes du génie civil. Elle dresse un panorama des capacités d'un nouveau capteur pour l'évaluation dynamique des ouvrages : l'Extensomètre à fibre optique de Longue Base de mesure Continûment Attaché (ELB-CA). Un modèle analytique complet de la mesure des capteurs est déterminé et appliqué au cas des poutres d'Euler-Bernoulli. Les divers traitements et études (par exemple par analyse en ondelettes) réalisés sur les réponses numériques et expérimentales de l'ELB-CA ont permis de dégager quelques caractéristiques des ELB-CA. Certaines sont spécifiques à la base de mesure du capteur : filtrage de modes pour le contrôle des structures et détection de défauts à partir de la courbure modale. D'autres, comme la détection de non-linéarités géométriques ou l'obtention de formes modales différentes, sont liées au type de mesure réalisée et peuvent s'appliquer à tous les extensomètres

Active vibration isolation with a MEMS device. Effects of nonlinearities on control efficiency

International audienceThis paper investigates piezoelectric and geometrical nonlinear effects on an active vibration isolation MEMS device. The objective is to study the impact of these nonlinearities on the vibration control efficiency. By confirming the importance of an accurate modeling of the microstructure, which is a laminated piezocomposite clamped–clamped beam in our example, we aim to develop high-performance active vibration isolation control. In this paper, the control law is an integral force feedback. The co-location condition is assumed because of the low device dimensions. First, a mathematical modeling is described and implemented into COMSOL Multiphysics software, with the governing equations of the beam taking into account geometric nonlinearities as well as piezoelectric nonlinearities. Then, active vibration control architecture is introduced. The active vibration control of the MEMS device is numerically implemented for different types of nonlinearity. The control performances of the classical linear structure are presented as a reference result. The impact of these nonlinearities on the control efficiency is presented and discussed