This thesis examines a new method of detecting the presence of structural cracks in wing-like structures at an incipient stage. This method is based on the analysis of the dynamics of damaged structures with bonded piezoelectric strips executing flexural oscillations. Such oscillations can be generated by mechanical loads, piezoelectric actuators, or unsteady aerodynamic loads in certain flight conditions of the aircraft. The proposed method of crack detection uses pairs of piezoelectric strip sensors bonded on the opposite sides of the structure and is based on the fact that the presence of a crack causes a difference between the strains measured by the two sensors of a given pair. The structural analysis presented in this thesis uses a nonlinear model for the cracks and a finite element formulation for the piezoelectric strips coupled with the structure. A 3D panel method is used to determine the unsteady aerodynamic loads acting on the oscillating wing. This study includes the dynamic analysis in time domain of cracked wing-like structures undergoing forced flexural vibrations in a range of frequencies generated by a pair of piezoelectric actuators, as well as the analysis of the oscillating wings with piezoelectric strips subjected to unsteady aerodynamic loads. The numerical simulations have shown that the presence of a crack in wing-like structures can be efficiently detected at an early stage by monitoring the response of the piezoelectric sensor pairs. / Cette thèse étudie une nouvelle méthode de détection de la présence de fissures structurelles à un stade précoce dans une structure de type aile. Cette méthode est basée sur l'analyse des oscillations en flexion des structures endommagées munies de bandes piézoélectriques collées. Ces oscillations peuvent être générées par des charges mécaniques, des actionneurs piézoélectriques, ou des charges aérodynamiques instationnaires dans certaines conditions de vol de l'avion. La méthode de détection des fissures proposée utilise des paires de capteurs piézoélectriques collés sur les côtés opposés de la structure et est basée sur le fait que la présence d'une fissure entraîne une différence entre les déformations mesurées par les deux capteurs d'une paire donnée. L'analyse structurale présentée dans cette thèse utilise un modèle non linéaire pour les fissures et une formulation par éléments finis pour les bandes piézoélectriques couplées avec la structure. Une méthode de panneau tridimensionnelle est utilisée pour déterminer les charges aérodynamiques instationnaires agissant sur l'aile oscillante. Cette étude comprend l'analyse dynamique dans le domaine temporel de structure de type aile fissurée subissant des vibrations en flexion forcées dans une gamme de fréquences générées par une paire d'actionneurs piézoélectriques, ainsi que l'analyse des ailes oscillantes équipées de bandes piézoélectriques soumises à des charges aérodynamiques instationnaires. Les simulations numériques ont montré que la présence d'une fissure dans ces structures peut être efficacement détectée à un stade précoce en surveillant la réponse des capteurs piézoélectriques.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.116892 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Han, Yong |
| Contributors | Arun K Misra (Supervisor2), Dan Mateescu (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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