Development of novel methodologies for the damage detection in mechanical systems

Abstract

The present study examines the capability of various optimization algorithms and proposes novel hybrid algorithms for the more precise prediction of open-edge cracks in mechanical systems. The natural frequencies of the beam with crack are obtained by modal analysis and experimentally validated from impact testing. In the first part of the thesis, the performance of novel HHO, ESDA, PFA, and HGSO algorithms from literature are evaluated to determine the location and depth of an open-edge crack for an Euler–Bernoulli beam. Subsequently, hybrid algorithms such as HHO-NM, ESDA-NM, and PF-NM are proposed for improving the results. Optimization parameters are tuned systematically using the Taguchi design of experiments (DOE) method. Simulation results show that the proposed hybrid algorithms yield much more precise results with fewer function evaluations compared to previously introduced algorithms and, therefore, have a superior crack detection capability. Furthermore, the statistical post hoc analysis has shown that the proposed hybrid algorithm can be considered as a high performance algorithm, which can significantly improve the performance of algorithms. In the second part of this thesis we study the static deflection, natural frequency, primary resonance of electrostatically actuated cracked gas sensor. Besides, a novel hybrid metaheuristic algorithm is proposed to detect the location and depth of possible crack on the systems. The gas sensor configuration consists of a microcantilever with a rigid plate attached to its end. In the first part, the effect of crack on the static and dynamic pull-in instability are studied. The equations of motion are solved by the application of the perturbation method. Next, an inverse problem is formulated to predict the location and depth of the crack in the gas sensor.Bu çalışmanın amacı çeşitli optimizasyon algoritmalarının özelliklerini incelemek ve mekanik sistemlerde bulunan çatlak parameterelerinin daha doğru tahminine olanak sağlayacak yeni hibrit algoritmalar önermektedir. Üzerinde bir çatlak bulunan kirişin doğal frekansları modal analiz ile elde edilmektedir ve modal testler ile deneysel olarak doğrulanmaktadır. Makalenin ilk bölümünde, bir Euler-Bernoulli kirişi için bir açık kenar çatlağının yerini ve derinliğini belirlemek için literatürde kullanılmakta olan HHO, ESDA, PFA ve HGSO algoritmalarının performansı değerlendirilmiştir. Daha sonra, sonuçların iyileştirilmesi için HHO-NM, ESDA-NM ve PF-NM gibi hibrit algoritmalar önerilmiştir. Optimizasyon parametreleri, Taguchi deney tasarımı (DOE) yöntemi kullanılarak sistematik olarak belirlenir. Simülasyon sonuçları, önerilen hibrit algoritmaların, daha önce tanıtılan algoritmalara kıyasla daha az sayıda fonksiyon hesabı ile çok daha güvenilir sonuçlar verdiğini göstermektedir. Bu tezin ikinci bölümünde üzerinde bir çatlak bulunan elektrostatik tabanlı bir sensörün statik sapması, doğal frekansı ve birinci rezonansı incelenmektedir. Ayrıca, sistemlerdeki olası çatlağın yerini ve derinliğini tespit etmek için yeni bir hibrit algoritma önerilmiştir. Gaz sensörü konfigürasyonu, serbest ucuna rijit bir plaka takılmış mikro kirişten oluşmaktadır.. İlk bölümde, çatlağın statik ve dinamik içeri çekme (pull-in) kararsızlığı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Hareket denklemleri pertürbasyon yönteminin uygulanmasıyla çözülür. Ardından, gaz sensöründeki çatlağın yerini ve derinliğini tahmin etmek için tersine bir problem tanımlanır.