Impact location in structures using elastic energy flow estimators with piezoelectric sensors

par Xingjun Wang

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique et automatique

Sous la direction de Daniel Guyomar et de Lionel Petit.

Le jury était composé de Lionel Petit.

  • Titre traduit

    = Localisation d'impacts sur les structures à l'aide d'estimateurs du flux énergétique élastique mesurés à partir d'éléments piézoélectriques


  • Résumé

    Detection and quantification of impacts on elastic structure stays a major preoccupation in many fields, especially for Structural fields, especially for Structural HealthMonitoring (SHM). Aerospace and aeronautic are probably the more applicant industry sectors. Detecting impacts permits to prevent and supervise the risk of structural damage such as deformation, delamination, breakage… This work concerns with the impact detection based on induced elastic energy flow estimators. These quantities are here deduced from voltage of a piezoelements network embedded on the structure. The introduction is a state of the art in impact detection techniques. The pertinence of the present work is then justified by the need of a simplest approach using light mathematical estimators. In chapter 2, a new method is theoretically introduced and experimentally evaluate for a 1D structure (beam), exploiting electric response pf a piezoelectric sensors network. This simple technique,, easy to implement and totally passive. The 3rd chapter is devoted to the impulse response determination of an infinite plate in order to have the theoretical tools useful to estimate the impact force from the piezoelectric sensor voltage. The response from a particular impact is derived from the convolution of this impulse response by the representative impact force. In chapter 4, estimator of the Pounting vector direction is theoretically established from the voltage of piezoelectric elements for a 3D structure. In chapter 5, a new estimator of the Poynting vector is introduced. In addition of the energy flow direction, this estimator gives additional information on the energy flow amplitude in order to fully quantify the impact. In conclusion, these works show that these techniques are simples, easy to implement and do not have a high calculation capacity requirement. They are a new interesting offer for future passive impact detection techniques with moreover the capacity to be self-powered.

  • Titre traduit

    Localisation d'impacts sur les structures à l'aide d'estimateurs du flux énergétique élastique mesurés à partir d'éléments piézoélectriques


  • Résumé

    La détection et la quantification de chocs sur une structure mécanique reste une attente majeure dans de nombreuses thématiques, notamment celle du contrôle de santé structurel (Health monitoring). Les domaines les plus demandeurs sont sans nul doute l'aéronautique et l'aérospatiale où l'utilisation de plus en plus fréquente de structures composites rend leur suivi et leur contrôle de santé indispensables pour d'évidentes raisons de performances et de sécurités de fonctionnement. Savoir détecter et localiser des chocs, c'est avant tout savoir dresser un historique des impacts générés sur la structures et permettre ainsi de gérer au mieux le risque d'apparition d'endommagements structurels (casse, délaminage, déformation…). L'objectif central de ces travaux de thèse a porté sur la détection d'impact par l'estimation du flux d'énergie élastique induit (vecteur de Poynting) lors du choc. Ces estimateurs sont déduits des tensions électriques fournies par des éléments piézoélectriques collés sur la structure. Ces estimateurs sont déduits des tensions électriques fournies par des éléments piézoélectriques collés sur la structure. Il a ainsi été montré qu'il est envisageable de développer des estimateurs du flux d'énergie élastique induit par un choc sur une structure élastique et de pouvoir en tirer des informations concernant sa localisation ,voire son amplitude. L'approche théorique est complexe et nécessite une connaissance globale des divers couplages mis en jeu. Quoi qu'il en soit, ces techniques, de part leur simplicité de mise ne oeuvre et leur faible demande de moyens de calcul, constituent une proposition intéressante pour de futures techniques de détection d'impact passives ayant de plus la faculté d'être autoalimentables ; autrement dit, ayant la faculté de puiser directement dans les vibrations de la structure l'énergie suffisante pour assurer le calcul de l'estimateur et sa transmission par liaison sans fils.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (III-133 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 125-133

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  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc'INSA.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : C.83(3566)
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