Damage assessment of laminated composite beam structures using damage locating vector (DLV) method

Abstract

In this paper, the damage locating vector (DLV) method using normalized cumulative energy (nce) is employed to locate multiple damage sites in laminated composite beam structures. Numerical simulations of two laminated composite beams are employed to investigate several damage scenarios in which the degradation of elements is modeled by the reduction in the longitudinal Young’s modulus and transverse Young’s modulus of beam layers. The results show that the DLV method gives good performance for this kind of structure.

Keywords

damage locating vector method (DLV) / laminated composite beam structure / normalized cumulative energy / structural health monitoring (SHM)

References

[1] Naderi M, Khonsari M. Real-time fatigue life monitoring based on thermodynamic entropy. Wiley Online Library, 2011, vol. 10

[2] Messina A, Williams E J, Contursi T. Structural damage detection by a sensitivity and statistical-based method. Journal of Sound and Vibration, 1998, 216(5): 791–808

[3] Cawley P, Adams R D. The location of defects in structures from measurements of natural frequencies. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1979, 14(2): 49–57

[4] Salawu O, Williams C. Bridge assessment using forced-vibration testing. Journal of Structural Engineering, 1995, 121(2): 161–173

[5] Pandey A K, Biswas M, Samman M M. Damage detection from changes in curvature mode shapes. Journal of Sound and Vibration, 1991, 145(2): 321–332

[6] Bernal D. Load vectors for damage localization. Journal of Engineering Mechanics, 2002, 128(1): 7–14

[7] Chen X, Yu L. Flexibility-based objective functions for constrained optimization problems on structural damage detection. Advanced Materials Research, 2011, 186: 383–387

[8] Pandey A K, Biswas M. Damage detection in structures using changes in flexibility. Journal of Sound and Vibration, 1994, 169(1): 3–17

[9] Nobahari M, Seyedpoor S M. An efficient method for structural damage localization based on the concepts of flexibility matrix and strain energy of a structure. Structural Engineering and Mechanics, 2013, 46(2): 231–244

[10] Stubbs N, Kim J T, Topole K. An efficient and robust algorithm for damage localization in offshore platforms. Proc ASCE Tenth Struct Congr, 1992, 543–546

[11] Seyedpoor S M. A two stage method for structural damage detection using a modal strain energy based index and particle swarm optimization. International Journal of Non-linear Mechanics, 2012, 47(1): 1–8

[12] Doebling S W, Farrar C R, Prime M B, Shevitz D W. Damage identification and health monitoring of structural and mechanical systems from changes in their vibration characteristics: A literature review. Los Alamos National Laboratory, 1996

[13] Gunes B, Gunes O. Structural health monitoring and damage assessment Part I: A critical review of approaches and methods. International Journal of Physical Sciences, 2013, 8(34): 1694–1702

[14] Markou M, Singh S. Novelty detection: a review—part 2: Neural network based approaches. Signal Processing, 2003, 83(12): 2499–2521

[15] Salawu O S. Detection of structural damage through changes in frequency: A review. Engineering Structures, 1997, 19(9): 718–723

[16] Trendafilova I, Palazzetti R, Zucchelli A. Damage assessment based on general signal correlation. Application for delamination diagnosis in composite structures. European Journal of Mechanics. A, Solids, 2015, 49(0): 197–204

[17] Minak G, Palazzetti R, Trendafilova I, Zucchelli A. Localization of a delamination and estimation of its length in a composite laminate beam by the VSHM and pattern recognition methods. Mechanics of Composite Materials, 2010, 46(4): 387–394

[18] Lee B T, Sun C T, Liu D. An assessment of damping measurement in the evaluation of integrity of composite beams. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 1987, 6(2): 114–125

[19] Dixit A, Hanagud S. Comments on: Curvature mode shape-based damage assessment of carbon/epoxy composite beams. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2010, 21(6): 659–663

[20] Moreno-García P, Araújo dos Santos J V, Lopes H. A new technique to optimize the use of mode shape derivatives to localize damage in laminated composite plates. Composite Structures, 2014, 108(1): 548–554

[21] Bernal D, Gunes B. Flexibility based approach for damage characterization: Benchmark application. Journal of Engineering Mechanics, 2003, 130(1): 61–70

[22] Gao Y, Spencer B Jr, Bernal D. Experimental verification of the flexibility-based damage locating vector method. Journal of Engineering Mechanics, 2007, 133(10): 1043–1049

[23] Qian J, Ji X, Xu Y. Two-stage damage diagnosis approach for steel braced space frame structures. Engineering Structures, 2007, 29(12): 3277–3292

[24] Sim S H, Jang S A, Spencer B F Jr, Song J. Reliability-based evaluation of the performance of the damage locating vector method. Probabilistic Engineering Mechanics, 2008, 23(4): 489–495

[25] Quek S T, Tran V A, Hou X Y, Duan W H. Structural damage detection using enhanced damage locating vector method with limited wireless sensors. Journal of Sound and Vibration, 2009, 328(4): 411–427

[26] Reddy J N. Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells: Theory and Analysis. CRC Press, 2004

[27] Amiri F, Millán D, Shen Y, Rabczuk T, Arroyo M. Phase-field modeling of fracture in linear thin shells. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 69: 102–109

[28] Areias P, Rabczuk T, Dias-da-Costa D. Element-wise fracture algorithm based on rotation of edges. Engineering Fracture Mechanics, 2013, 110: 113–137

[29] Budarapu P R, Gracie R, Yang S W, Zhuang X, Rabczuk T. Efficient coarse graining in multiscale modeling of fracture. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 69: 126–143

[30] Rabczuk T, Belytschko T. A three-dimensional large deformation meshfree method for arbitrary evolving cracks. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2007, 196(29−30): 2777–2799

[31] Rabczuk T, Belytschko T. Cracking particles: A simplified meshfree method for arbitrary evolving cracks. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2004, 61(13): 2316–2343

[32] Nguyen-Thoi T, Rabczuk T, Lam-Phat T, Ho-Huu V, Phung-Van P. Free vibration analysis of cracked Mindlin plate using an extended cell-based smoothed discrete shear gap method (XCS-DSG3). Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 72(0): 150–163

[33] Liu G R, Chen L, Nguyen-Thoi T, Zeng K Y, Zhang G Y. A novel singular node-based smoothed finite element method (NS-FEM) for upper bound solutions of fracture problems. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2010, 83(11): 1466–1497

[34] Zhuang X, Augarde C E, Mathisen K M. Fracture modeling using meshless methods and level sets in 3D: Framework and modeling. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2012, 92(11): 969–998

[35] Friswell M I, Penny J E T. Crack modeling for structural health monitoring. Structural Health Monitoring, 2002, 1(2): 139–148

[36] Sinha J, Friswell M, Edwards S. Simplified models for the location of cracks in beam structures using measured vibration data. Journal of Sound and Vibration, 2002, 251(1): 13–38

[37] Nanthakumar S S, Lahmer T, Rabczuk T. Detection of multiple flaws in piezoelectric structures using XFEM and level sets. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2014, 275: 98–112

[38] Wu W, Zhu H, Zhuang X, Ma G, Cai Y. A multi-shell cover algorithm for contact detection in the three dimensional discontinuous deformation analysis. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2014, 72: 136–149

[39] Della C N, Shu D. Vibration of delaminated composite laminates: A review. Applied Mechanics Reviews, 2007, 60(1): 1–20

[40] Khdeir A A, Reddy J N. Free vibration of cross-ply laminated beams with arbitrary boundary conditions. International Journal of Engineering Science, 1994, 32(12): 1971–1980

[41] Vu-Bac N, Rafiee R, Zhuang X, Lahmer T, Rabczuk T. Uncertainty quantification for multiscale modeling of polymer nanocomposites with correlated parameters. Composites. Part B, Engineering, 2015, 68: 446–464

[42] Vu-Bac N, Silani M, Lahmer T, Zhuang X, Rabczuk T. A unified framework for stochastic predictions of mechanical properties of polymeric nanocomposites. Computational Materials Science, 2015, 96, Part B: 520–535

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg