Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.3
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pp.603-609
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1990
Detection and non-propagating cracks of small fatigue crack for smooth and pre-cracked specimens were examined in a carbon steel. The fretting oxide induced crack closure triggered by the roughness induced crack closure has an important role in determing the length. The fatigue limit for the with no cracks or with a short pre-crack is lower at R=-1 than that at R=0. A non-propagating crack are quite different between points near the specimen's surface and those of deepest penetration.
This paper develops a wireless sensor for online fatigue crack detection and failure warning based on crack-induced nonlinear ultrasonic modulation. The wireless sensor consists of packaged piezoelectric (PZT) module, an excitation/sensing module, a data acquisition/processing module, a wireless communication module, and a power supply module. The packaged PZT and the excitation/sensing module generate ultrasonic waves on a structure and capture the response. Based on nonlinear ultrasonic modulation created by a crack, the data acquisition/processing module periodically performs fatigue crack diagnosis and provides failure warning if a component failure is imminent. The outcomes are transmitted to a base through the wireless communication module where two-levels duty cycling media access control (MAC) is implemented. The uniqueness of the paper lies in that 1) the proposed wireless sensor is developed specifically for online fatigue crack detection and failure warning, 2) failure warning as well as crack diagnosis are provided based on crack-induced nonlinear ultrasonic modulation, 3) event-driven operation of the sensor, considering rare extreme events such as earthquakes, is made possible with a power minimization strategy, and 4) the applicability of the wireless sensor to steel welded members is examined through field and laboratory tests. A fatigue crack on a steel welded specimen was successfully detected when the overall width of the crack was around $30{\mu}m$, and a failure warnings were provided when about 97.6% of the remaining useful fatigue lives were reached. Four wireless sensors were deployed on Yeongjong Grand Bridge in Souht Korea. The wireless sensor consumed 282.95 J for 3 weeks, and the processed results on the sensor were transmitted up to 20 m with over 90% success rate.
Ta, Quoc-Bao;Dang, Ngoc-Loi;Kim, Yoon-Chul;Kam, Hyeon-Dong;Kim, Jeong-Tae
Smart Structures and Systems
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v.30
no.1
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pp.17-34
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2022
For steel structures, fatigue cracks are critical damage induced by long-term cycle loading and distortion effects. Vision-based crack detection can be a solution to ensure structural integrity and performance by continuous monitoring and non-destructive assessment. A critical issue is to distinguish cracks from other features in captured images which possibly consist of complex backgrounds such as handwritings and marks, which were made to record crack patterns and lengths during periodic visual inspections. This study presents a parametric study on image-based crack identification for orthotropic steel bridge decks using captured images with complicated backgrounds. Firstly, a framework for vision-based crack segmentation using the atrous convolution-based Deeplapv3+ network (ACDN) is designed. Secondly, features on crack images are labeled to build three databanks by consideration of objects in the backgrounds. Thirdly, evaluation metrics computed from the trained ACDN models are utilized to evaluate the effects of obstacles on crack detection results. Finally, various training parameters, including image sizes, hyper-parameters, and the number of training images, are optimized for the ACDN model of crack detection. The result demonstrated that fatigue cracks could be identified by the trained ACDN models, and the accuracy of the crack-detection result was improved by optimizing the training parameters. It enables the applicability of the vision-based technique for early detecting tiny fatigue cracks in steel structures.
Fatigue crack is a fatal problem for steel structures. Early detection and maintenance can help extend the service life and prevent hazards. This paper presents the ultrasonic guided waves-based (UGWs-based) fatigue crack detection of a steel I-beam. The semi-analytical finite element model has been built to obtain the wave propagation characteristics. Damage indices in both time and frequency domains were analyzed by considering the characteristic variations of UGWs including the amplitude, phase angle, and wave packet energy. The pulse-echo and pitch-catch methods were combined in the detection scheme. Lab-scale experiments were conducted on welded steel I-beams to verify the proposed method. Results show that the damage indices based on the characteristic variations in the time domain can identify and localize the fatigue crack before it enters the rapid growth stage. The damage severity can be reasonably evaluated by analyzing the time-domain damage indices. Two nonlinear damage indices in the frequency domain give earlier warnings of the fatigue crack than the time-domain damage indices do. The identification results based on the above two nonlinear indices are found to be less consistent under various excitation frequencies. More robust nonlinear techniques needed to be searched and tested for early crack detection in steel I-beams in further study.
In this study, the reliability of nonlinear ultrasonic modulation based fatigue crack detection is improved using a feature-level data fusion approach. When two ultrasonic inputs at two distinct frequencies are applied to a specimen with a fatigue crack, modulation components at the summation and difference of these two input frequencies appear. First, the spectral amplitudes of the modulation components and their spectral correlations are defined as individual features. Then, a 2D feature space is constructed by combining these two features, and the presence of a fatigue crack is identified in the feature space. The effectiveness of the proposed fatigue crack detection technique is experimentally validated through cyclic loading tests of aluminum plates, full-scale steel girders and a rotating shaft component. Subsequently, the improved reliability of the proposed technique is quantitatively investigated using receiver operating characteristic analysis. The uniqueness of this study lies in (1) improvement of nonlinear ultrasonic modulation based fatigue crack detection reliability using feature-level data fusion, (2) reference-free fatigue crack diagnosis without using the baseline data obtained from the intact condition of the structure, (3) application to full-scale steel girders and shaft component, and (4) quantitative investigation of the improved reliability using receiver operating characteristic analysis.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.32
no.6
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pp.686-695
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2012
This paper proposes a noncontact thermography technique for fatigue crack evaluation under a cyclic tensile loading. The proposed technique identifies and localizes an invisible fatigue crack without scanning, thus making it possible to instantaneously evaluate an incipient fatigue crack. Based on a thermoelastic theory, a new fatigue crack evaluation algorithm is proposed for the fatigue crack-tip localization. The performance of the proposed algorithm is experimentally validated. To achieve this, the cyclic tensile loading is applied to a dog-bone shape aluminum specimen using a universal testing machine, and the corresponding thermal responses induced by thermoelastic effects are captured by an infrared camera. The test results confirm that the fatigue crack is well identified and localized by comparing with its microscopic images.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.32
no.4
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pp.355-361
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2012
This paper presents an experimental study on the detection and location of nonlinear scattering source due to the presence of fatigue crack in a laboratory specimen. The proposed technique is based on a combination of nonlinear elastic wave spectroscopy(NEWS) and time reversal(TR) focusing approach. In order to focus on the nonlinear scattering position due to the fatigue crack, we employed only one transmitting transducer and one receiving transducer, taking advantage of long duration of reception signal that includes multiple linear scattering such as mode conversion and boundary reflections. NEWS technique was then used as a pre-treatment of TR for spatial focusing of reemitted second harmonic signal. The robustness of this approach was demonstrated on a cracked specimen and the nonlinear TR focusing behavior is observed on the crack interface from which the second harmonic signal was originated.
Bilge, Habibullah;Doruk, Emre;Findik, Fehim;Pakdil, Murat
Steel and Composite Structures
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v.32
no.3
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pp.305-312
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2019
In this study, we investigated the effect of fatigue crack propagation of the beams which have a vital importance in engineering applications, on the natural frequency of the system. Beams which have a wide range of applications, are used as fundamental structural elements in engineering structures. Therefore, early detection of any damages in these structures is of vital importance for the prevention of possible destructive damages. One of the widely used methods of early detection of damages is the vibration analysis of the structure. Hence, it is of vital importance to detect and monitor any changes in the natural frequencies of the structure. From this standpoint, in this study we experimentally investigated the effect of fatigue crack propagation on beams produced from 4140 steel, of the natural frequency of the beam. A crack was opened on the $8{\times}16{\times}500mm$ beam using a 3 mm long and 0.25 mm wide wire erosion. The beam, then, underwent 3 point bending tests at 10 Hz with a dynamic fatigue device and its natural frequencies were measured in scheduled intervals and any changes taking place on the natural frequencies of the beam were measured. This data allowed us to identify and measure the crack occurring on the beam subjected to dynamic loading, during the propagation phase. This method produced experimental data. The experimental data showed that the natural frequency of the beam decreased with the propagation of the fatigue crack on the beam.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.9
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pp.2145-2152
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1993
The objective of this paper is to examine the detection limit, growth characteristics and notch curvature radius in short crack problem. Measurement techniques such as ultrasonic method and back-face strain compliance method were adopted. The fatigue crack growth rate of the short crack is slower than that of a long crack for a notched specimen. The characteristic of crack growth and crack closure is same as the case of a delay of crack growth caused by constant amplitude load for an ideal crack or single peak overload for a fatigue crack. The short crack is detected effectively by ultrasonic method. A short surface crack occurs in the middle of specimen thickness and is transient to a through crack depth is larger than the notch curvature radius.
This paper presents a method for stochastic modelling of fatigue crack growth and optimising inspection and maintenance strategy for the structural members of steel bridges. The fatigue crack evolution is considered as a stochastic process with uncertainties, and the Gamma process is adopted to simulate the propagation of fatigue crack in steel bridge members. From the stochastic modelling for fatigue crack growth, the probability of failure caused by fatigue is predicted over the service life of steel bridge members. The remaining fatigue life of steel bridge members is determined by comparing the fatigue crack length with its predetermined threshold. Furthermore, the probability of detection is adopted to consider the uncertainties in detecting fatigue crack by using existing damage detection techniques. A multi-objective optimisation problem is proposed and solved by a genetic algorithm to determine the optimised inspection and maintenance strategy for the fatigue affected steel bridge members. The optimised strategy is achieved by minimizing the life-cycle cost, including the inspection, maintenance and failure costs, and maximizing the service life after necessary intervention. The number of intervention during the service life is also taken into account to investigate the relationship between the service life and the cost for maintenance. The results from numerical examples show that the proposed method can provide a useful approach for cost-effective inspection and maintenance strategy for fatigue affected steel bridges.
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