شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. [69]
در شكل(1-1) ساختار سیستم SHM به تصویر کشیده شد(بخش(1-2-3)). این سیستم مربوط به تابع مانیتورینگ سراسری سازه[6] می‌باشد. انواع پدیده‌های فیزیکی در بحث مانیتورینگ باید مطالعه شوند در ذیل ارائه شده‌اند.
الف) نوع پدیده فیزیكی مربوط به آسیب كه توسط حسگرها مانیتوره شده است.
ب) نوع پدیده فیزیكی كه بوسیله حسگرها برای تولید، دریافت، ارسال و ذخیره‌سازی سیگنال(معمولا الكتریكی) در زیر سیستم‌ها استفاده می‌شود. چند نوع حسگر مشابه كه داده‌ها را همزمان برای یك سیستم ارسال می‌كنند، یك شبكه حسگری[7] را تشکیل داده كه در نهایت داده‌های آنها با دیگر حسگرها ادغام شده و حسگرهای دیگر نیز با استفاده از سیستم مانیتورینگ وظیفه نظارت بر شرایط محیطی را انجام می‌دهند. سیگنال‌های تحویل داده شده بوسیله زیر سیستم یكپارچه مانیتورینگ ثبت شده و توسط كنترلر استفاده می‌شوند. در نهایت کلیه این عوامل منجر به ایجاد یك سیستم تشخیص عیب کامل سازه‌ای می‌شوند. [6,14,15]

1-2       آشنایی با انواع آسیب‌

هدف اصلی این پروژه ارائه روش‌هایی نوین برای کشف آسیب‌های سازه‌ای می‌باشد. در ابتدا مفاهیم پایه‌ای آسیب ارائه می‌شود.

1-2-1     مفاهیم پایه‌ای آسیب

نزدیک به سه دهه است که تلاش‌های فراوانی برای کشف آسیب صورت گرفته است. در ده سال گذشته با ورود سیستم‌های مانیتورینگ سلامت سازه‌ای رشد چشمگیری در تکنولوژی کشف آسیب صورت گرفته است. تاکنون تعریف‌های گوناگونی از آسیب ارائه شده است. در این جا سعی بر این است که ساده‌ترین و جامع‌ترین تعریف آسیب ارائه شود. آسیب تغییر در خواص هندسی یا خواص ماده شامل تغییر در شرایط مرزی، اتصالات و… می‌باشد که تاثیر نامطلوبی بر عملکرد سازه می‌گذارد. به بیان دیگر آسیب، تغییر در عملکرد مطلوب سازه می‌باشد. مفهوم آسیب زمانی که با شرایط حالت سالم(بدون آسیب) مقایسه شود، معنا پیدا می‌کند. بدلیل اینکه این پروژه بر روی آسیب‌های مکانیکی و سازه‌ای تمرکز دارد، آسیب به تغییر در خواص هندسی و خواص ماده محدود می‌شود.[15]
شروع همه آسیب‌ها از سطح ماده است. البته ذکر این نکته ضروری است که آسیب لزوما به معنای از دست رفتن عملکرد کل سیستم نمی‌باشد اما اگر آسیب در مراحل اولیه کشف نشود، عملکرد کل سیستم کوتاه شده و در نهایت سیستم بین می‌رود(شکست کل سازه). امروزه تلاش پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های کشف آسیب این است که آسیب را در همان مراحل اولیه شناسایی کنند. در ادامه انواع آسیب و دلایل بروز آنها شرح داده می‌شود.

1-2-2     عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و عمران

1. خوردگی[8]: بیشتر در سازه‌های فلزی و بتنی رخ می‌دهد.
2. ارتعاشات: در سازه بال هواپیما و پل‌ها.
3. ضربه: این آسیب در سازه‌های کامپوزیتی چشمگیر است.
4. فرود دشوار[9]: در سازه‌های هوایی رایج است.
5. بارگذاری بیش از حد[10]: بیشتر در سازه‌های هوایی، عمرانی و دریایی رایج است.
6. تصادف[11].
7. سقوط[12].
8. تورق[13]: در سازه‌های کامپوزیتی رواج دارد.

1-2-3     طبقه‌بندی آسیب‌های سازه‌ای

1. کلاس1: آسیب‌هایی ناچیز[14]: آسیب سطحی و ناچیز بوده تا حدی که می‌توان از آن صرفنظر کرد. آسیب‌هایی مانند فرورفتگی[15] روی سطح خارجی سازه هواپیما از این دست می‌باشند. این نوع آسیب‌ها اگر در هواپیما رخ دهند، هواپیما می‌تواند به پرواز خود ادامه دهد(اصطلاحا نیاز نیست هواپیما گراند شود).
2. کلاس2: آسیب‌های قابل تعمیر[16]: این نوع آسیب‌ها در انواع سازه‌ رایج بوده و در صورتی‌که به سرعت کشف شوند، مشکل ساز نبوده ولی اگر به آنها بی توجهی شود، پییشرفت کرده و سبب از کار افتادن آن ناحیه(قطعه) می‌شوند. آسیب‌هایی از قبیل سوراخ[17] و ترک[18] از این قبیل می‌باشند. در صورت بروز این آسیبها در صنایع هوایی از پرواز هواپیما جلوگیری شده(اصطلاحا هواپیما گراند می‌شود) و بعد از رفع آسیب و تایید واحد کنترل کیفیت[19] هواپیما صلاحیت پرواز را پیدا می‌کند.
3. کلاس3: تعویض: قطعه آسیب دیده از رده خارج است[20] و قابل تعمیر نبوده و باید تعویض شود.

انواع آسیب سازه‌ای:

• خوردگی.
• ترک.
• تورق.
• حفره.
• سوراخ.
• ناپیوستگی اتصالات[21].
• انحراف از موقعیت.
• شل شدگی یا تزلزل اتصالات.
• خروج از مرکزیت.
• تغییر خواص ماده.

سیستم مانیتورینگ سلامت سازه توانایی کشف آسیب در مراحل اولیه و جلوگیری از رشد آسیب(جلوگیری از بارگذاری اضافی در ناحیه آسیب دیده)، ترمیم خودکار آسیب(با استفاده از مواد و حسگرهای هوشمند)، جلوگیری از تجمع آسیب و نمایان کردن عمر باقیمانده ناحیه یا قطعه آسیب دیده را دارد(شکل(1-1)).[14]

1-2-4     الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت

1. تشخیص آسیب.
2. ثبت زمان وقوع آسیب.
3. تعیین محل آسیب.
4. تعیین شدت آسیب(بررسی کیفیت آسیب).
5. اعمال اجرایی(نظیر نوع اخطار).
6. تعیین طول عمر باقیمانده قطعه آسیب دیده و کل سازه.
7. تشخیص نوع تعمیر

شناسایی و تشخیص آسیب بوسیله تجمیع چهار مرحله زیر انجام می‌شود.

1. مانیتورینگ شرایط(CM)[22]: مشابه تکنولوژی مانیتورینگ سلامت سازه است ولی بیشتر در تعیین مکان آسیب استفاده می‌شود.
2. روش ارزیابی غیر‌مخرب(NDE)[23]: بعد از اینکه آسیب وارد شد بصورت خارج از شبکه[24] و موضعی انجام می‌شود و از آن برای تعیین خسارت نیز استفاده می‌شود.[52]
3. کنترل فرآیند آماری(SPC)[25]: متشکل از شبکه حسگری بوده که برای مانیتوره کردن تغییرات فرآیند استفاده می‌شود.
4. پیش‌بینی آسیب(DP)[26]: برای پیش‌بینی عمر مفید باقیمانده آسیب استفاده شده و به سه فاکتور قبل نیز وابسته می‌باشد[48].

سیستم‌های مانیتورینگ دو نوع تكنیك بازرسی سراسری و محلی(در فصل بعد بطور کامل توصیف می‌شوند) را پیشنهاد می‌كنند. تكنیك‌های سراسری برای بازرسی‌ها و مناطق نسبتا بزرگ و بحرانی بوده و با هدف مكان‌یابی آسیب مورد استفاده قرار می‌گیرند.[57]
اپراتورهای هوایی می‌خواهند حداقل عملكردی مشابه سیستم‌های رایج و حتی بهتر از آن‌ها داشته باشند. تكنیك‌های بازرسی محلی با هدف كشف آسیب‌های ویژه به طور طبیعی بر روی روش‌های جهانی بازرسی تمركز كرده‌اند.
تكنیك‌های دینامیكی بمنظور اینكه از انتشار آسیب در صورت وقوع آن جلوگیری كنند، باید بطور مداوم فعال باشند. اپراتورهای هوایی فقط سیستم‌هایی از مانیتورینگ سلامت را كه حجم كار و زمان تعمیر و نگه‌داری را افزایش نمی‌دهند، اختیار می‌كنند[65].

1-3       مقدمه ای بر مواد مرکب

1-3-1     مقدمه

در این بخش توضیحات مختصری درباب تکنولوژی مواد مرکب ارائه می‌شود. مواد مرکب بیانگر ترکیب حداقل دو ماده متفاوت در مقیاس ماکروسکوپی جهت حصول ماده جدید می‌باشند. با ظهور مواد مرکب, توسعه چشمگیری در صنایع هوایی، دریایی، عمرانی، پزشکی و… ایجاد شده است، بگونه‌ای که امروزه در بیشتر علوم مهندسی و پزشکی کاربرد فراوانی دارند[70].
رفتار مکانیکی مواد مرکب: مواد مرکب معمولا ناهمگن بوده و از طرف دیگر خصوصیات آنها ایزوتروپ نیز نمی‌باشد، به عبارت دیگر ارتوتروپ و یا در حالت کلی انیزوتروپ می‌باشند.

1-3-2     سازه‌های كامپوزیتی

تلاش برای بدست مواد ممتاز، فرآیندهای ابتكاری و اصلاح ایمنی از مهمترین اهداف همه سازنده‌های هواپیما و سازه‌های عمرانی می‌باشد. هدف نهایی ارضا كردن نیازهای مشتری(خطوط هوایی و کاربران نهایی)، كمینه‌سازی هزینه‌ها و افزایش ایمنی در طول عمر سازه می‌باشد[60,70]. همچنین كامپوزیت‌ها اشكالات ذاتی نظیر آسیب‌پذیری ناشی از ضربه، تورق و دسترسی مشكل به اجزاء آن در طی عملیات تعمیر و نگه‌داری دارند. [14,60]
ایرباس A380 نمونه بارزی از تمركز این صنعت بر استفاده از تكنولوژی مواد مرکب و سیستم‌های جدید و می‌باشد. نوآوری در افزایش استفاده از الیاف كربن تقویت شده با پلاستیك‌ها(CFRP[27]) در ساخت سازه‌های اصلی و اولیه برای بخش پرفشار باكهلد و مركز جعبه بال و استفاده از الیاف لایه‌های آلومینیوم شیشه(GLARE) در بدنه تحت فشار, گوشه‌های از آن می‌باشد[2,51,67]. ایرباس380(A380F) با بهره‌گیری از مواد كامپوزیت 50 درصد بار بیشتر(نسبت به خانواده مشابه ایرباس) را جابجا می‌کند و مصرف سوخت بر تن آن نسبت به نزدیكترین رقیب خود، 18درصد كمتر می‌باشد(بیش از 25 درصد از سازه‌ایرباس380 از مواد كامپوزیت تشكیل شده است). [1,52]
B787 نیز از بهترین نمونه‌های هواپیماهای تجاری می‌باشد كه بیش از 50 درصد سازه آن از كامپوزیت تشكیل شده است. سازه اولیه شامل بدنه و بال آن نیز از مواد كامپوزیت ساخته شده است(شكل(1-2)) [7]. نتایج استفاده از مواد مرکب در این هواپیما، صرفه‌جویی در وزن، عملكرد ممتاز و صرفه‌جویی در زمان و هزینه تعمیر و نگه‌داری می‌باشد. سازندگان این وسیله تخمین زده‌اند كه در طی تنها 8 سال اول عمر هواپیما نزدیك به 8 میلیون دلار صرفه‌جویی شود.[7]
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787.[7]
دستیابی به عملکرد بالاتر، تولید ارزان‌تر، عمر طولانی‌تر و هواپیمایی مساعد با محیط، چالش بزرگی می‌باشد، كه صنعت برای روبرویی با آن و بهره‌گیری از مواد كامپوزیتی پیشرفته و فرآیندهای ساخت ابتكاری ذاتی این راه را انتخاب كرده است. به هرحال باید متقاعد شد كه صرفه‌جویی در هزینه‌، وزن، زمان و تعمیر و نگه‌داری ناشی از مواد كامپوزیتی، هزینه‌های ایمنی و یكپارچه‌سازی حسگرها را جبران می‌كند. آسیب وارده اغلب در لایه‌های كامپوزیتی واقع شده که تكنیك‌های غیر‌مخرب برای كشف آسیب نیازهای متفاوت و پیچیده‌ای دارند. افزایش استفاده از مواد مركب در سازه‌های اصلی هواپیماها منجر به تعبیه سیستم‌های SHM به جای استفاده از روش‌های سنتی تست‌های غیر‌مخرب در طی زمان‌های تعمیر و نگه‌داری شده است.[65]
[1] Structural Health Monitoring
[2] Condition Based Maintenance
[3] Time Based Maintenance
[4] بعد از سپری شدن تعداد ساعات پروازی هر بخشی كه توسط سازنده معین می شود, نیاز به تعمیر یا تعویض پیدا می كند. كلیه كارها توسط سازنده مشخص شده است.
[5] NDE: Nondestructive Evaluation.
[6] Structural Integrity Monitoring
[7] Sensor Network
[8] Corrosion
[9] Hard Landing
[10] Excessive Load
[11] Collision
[12] Crash
[13]ِ Delaminate
[14] Negligible
[15] Dent
[16] Repairable
[17] Hole
[18] Crack
[19] QC: Qualification Control
[20] Scrap
[21]Debonding
[22] Condition Monitoring
[23] Non Destructure Evaluation
[24] Offline
[25] Statistical Process Control
[26] Damage Prognosis
[27] Carbon Fiber Reinforced Plastic
فهرست مطالب
1   مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1   مقدمه 1
1-1-1    مفهوم مانیتورینگ سلامت سازه 1
1-1-2    مقدمه‌ای بر مانیتورینگ سلامت سازه 2
1-2   آشنایی با انواع آسیب‌ 4
1-2-1    مفاهیم پایه‌ای آسیب 4
1-2-2    عوامل وقوع آسیب در صنایع هوافضا و  عمران 5
1-2-3    طبقه‌بندی آسیب‌های  سازه‌ای 5
1-2-4    الگوریتم‌ کشف آسیب توسط سیستم مانتیتورینگ سلامت 7
1-3   مقدمه ای بر مواد مرکب 8
1-3-1    مقدمه 8

1-3-2    سازه‌های كامپوزیتی 8
1-4   انگیزه ایجاد مانیتورینگ سلامت سازه 10
1-4-1    ساختار سنتی تعمیر و نگه‌داری 11
1-4-2    تغییرات موثر در ساختار تعمیر و نگه‌داری 12
1-5   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها و الهام از محیط زیست 14
1-6   مانیتورینگ سلامت سازه‌ها روشی برای ساخت مواد و سازه‌های هوشمند 17
1-6-1    مقدمه 17
1-7   تست‌های غیر‌مخرب 18
1-7-1    مقدمه 18
1-7-2    تكنیك‌های SHM ،NDE 20
1-8   تکنیک‌های مانیتورینگ سلامت سازه 21
1-8-1    انواع تکنیک‌های موجود 21
1-9   حسگرهای رایج در مانیتورینگ سلامت سازه‌ 23
1-9-1    مقدمه 23
1-9-2    تنوع حسگرها SHM بر اساس نوع سازه 24
1-9-3    انواع حسگرهای مانیتورینگ سلامت سازه‌ها 25
1-9-4    مانیتورینگ خلا نسبی 26
1-10   مدیریت سلامت 27
1-10-1   نیازمندی‌های كاربران نهایی 28
1-11   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 28
2   عملکرد مانیتورینگ سلامت سازه 30
2-1   مفاهیم پایه‌ای، نیازها و فواید 30
2-1-1    مقدمه 30
2-1-2    مفاهیم پایه ای 31
2-1-3    فواید و نیازهای مانیتورینگ 33
2-1-4    مانیتورینگ دائمی طول عمر 34
2-2   فرآیندهای مانیتورینگ سلامت سازه 35
2-2-1    عملیات مركزی 35

یک مطلب دیگر :

2-3   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 39
3   حسگرهای فیبرنوری 40
3-1   مقدمه‌ای بر حسگرهای فیبرنوری 40
3-2   تكنولوژی حس فیبرنوری 43
3-2-1    حسگرهای تداخل‌سنج SOFO 44
3-2-2    حسگرهای تداخل‌سنجی فابری پروت 46
3-2-3    حسگرهای FBG 48
3-2-4    حسگرهای پراكندگی رامان و بریلویین توزیع شده 48
3-3   بسته‌بندی حسگر 50
3-4   كابل‌های سیستم حس توزیع شده 54
3-4-1    مقدمه 54
3-4-2    كابل حس درجه‌حرارت 55
3-4-3     نوار حس كرنش اسمارتیپ 56
3-4-4    حس درجه‌حرارت و كرنش تركیب شده: پروفایل هوشمند 58
3-5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 58
4   حسگرهای تغییرشکل فیبرنوری, تفسیر و اندازه‌گیری 60
4-1   مولفه‌های کرنش و تکامل زمانی کرنش 60
4-1-1    مفاهیم پایه ای 60
4-1-2    کرنش سازه‌ای 64
4-1-3    کرنش حرارتی 67
4-1-4    خزش 68
4-1-5    افت حجمی 70
4-1-6    زمان و اندازه‌گیری مرجع 71
4-2   اندازه‌گیری و طول گیج حسگر 72
4-2-1    مقدمه 72
4-2-2    حسگر اندازه‌گیری تغییر شکل 73
4-2-3    مانیتورینگ سازه‌ای یکپارچه: مفاهیم پایه‌ای 75
4-2-4    حسگرهای اندازه‌گیری در مواد همگن, حداکثر طول گیج 77
4-2-5    حسگر اندازه‌گیری در مواد ناهمگن: حداقل طول گیج 92
4-2-6    معیار تعیین طول گیج حسگر 97
4-2-7    ارزیابی و اعتبارسنجی معیار تعیین طول گیج 99
4-3   تفسیر اندازه‌گیری کرنش 100
4-3-1    مقدمه 100
4-3-2    منابع خطا و کشف شرایط غیر معمول سازه‌ای 101
4-3-3    تعیین مولفه‌های کرنش و تنش برای اندازه‌گیری کرنش کل 106
4-4   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 111
5   نتیجه‌گیری و جمع‌بندی 114
5-1   نتیجه‌گیری 114
5-2   دستآوردها 116
5-3   پیشنهاداتی برای پروژه‌های آتی 116
فهرست مراجع………………………………………………………………………………………………….117
فهرست شکل‌ها
شکل ‏1‑1: تشكیلات سیستم مانیتورینگ سلامت سازه. 3
شکل ‏1‑2:مواد مورد استفاده در ساخت بوئینگ 787. 10
شکل ‏1‑3: مزایای سیستم SHM برای كاربران نهایی. 13
شکل ‏1‑4:طرح شماتیكی از پوست انسان كه نمایانگر تنوع حسگرها و عملگرها و سازه كاملا هوشمند آن می‌باشد 16
شکل ‏1‑5: مقایسه بین سیستم عصبی انسان و ساختار SHM. 16
شکل ‏1‑6 : سیر تکامل مواد.. 17
شکل ‏1‑7:  اجزای اصلی سیستم SHM. 20
شکل ‏1‑8: انواع حسگرهای مورد استفاده سیستم مانیتورینگ: مقایسه بین مهندسی هوافضا و مهندسی عمران 24