Modal identification based on ambient vibration data has attracted extensive attention in the past few decades. Since the excitation for ambient vibration tests is mainly from the environmental effects such as wind and traffic loading and no artificial excitation is applied, the signal to noise (s/n) ratio of the data acquired plays an important role in mode identifiability. Under ambient vibration conditions, certain modes may not be identifiable due to a low s/n ratio. This paper presents a study on the mode identifiability of an instrumented cable-stayed bridge with the use of acceleration response data measured by a long-term structural health monitoring system. A recently developed fast Bayesian FFT method is utilized to perform output-only modal identification. In addition to identifying the most probable values (MPVs) of modal parameters, the associated posterior uncertainties can be obtained by this method. Likewise, the power spectral density of modal force can be identified, and thus it is possible to obtain the modal s/n ratio. This provides an efficient way to investigate the mode identifiability. Three groups of data are utilized in this study: the first one is 10 data sets including six collected under normal wind conditions and four collected during typhoons; the second one is three data sets with wind speeds of about 7.5 m/s; and the third one is some blind data. The first two groups of data are used to perform ambient modal identification and help to estimate a critical value of the s/n ratio above which the deficient mode is identifiable, while the third group of data is used to perform verification. A couple of fundamental modes are identified, including the ones in the vertical and transverse directions respectively and coupled in both directions. The uncertainty and s/n ratio of the deficient mode are investigated and discussed. A critical value of the modal s/n ratio is suggested to evaluate the mode identifiability of the deficient mode. The work presented in this paper could provide a base for the vibration-based condition assessment in future.
In modal analysis, the mode shape reflects the vibration characteristics of the structure, and thus it is widely performed for finite element model updating and structural health monitoring. Generally, the acceleration-based mode shape is suitable to express the characteristics of structures for the translational vibration; however, it is difficult to represent the rotational mode at boundary conditions. A tilt sensor and gyroscope capable of measuring rotational mode are used to analyze the overall behavior of the structure, but extracting its mode shape is the major challenge under the small vibration always. Herein, we conducted a feasibility study on a multi-mode shape estimating approach utilizing a single physical quantity signal. The basic concept of the proposed method is to receive multi-metric dynamic responses from two sensors and obtain mode shapes through bridge loading test with relatively large deformation. In addition, the linear transformation matrix for estimating two mode shapes is derived, and the mode shape based on the gyro sensor data is obtained by acceleration response using ambient vibration. Because the structure's behavior with respect to translational and rotational mode can be confirmed, the proposed method can obtain the total response of the structure considering boundary conditions. To verify the feasibility of the proposed method, we pre-measured dynamic data acquired from five accelerometers and five gyro sensors in a lab-scale test considering bridge structures, and obtained a linear transformation matrix for estimating the multi-mode shapes. In addition, the mode shapes for two physical quantities could be extracted by using only the acceleration data. Finally, the mode shapes estimated by the proposed method were compared with the mode shapes obtained from the two sensors. This study confirmed the applicability of the multi-mode shape estimation approach for accurate damage assessment using multi-dimensional mode shapes of bridge structures, and can be used to evaluate the behavior of structures under ambient vibration.
A novel concept of transmissibility based on a wavelet transform for structural damage detection is presented in this paper. The main objective of the research was the development of a method for detecting slight damage at the incipient stage. As a vibration-based approach, the concept of transmissibility has attracted considerable interest because of its advantages and effectiveness in damage detection. However, like other vibration-based methods, transmissibility-based approaches suffer from insensitivity to slight local damage because of the regularity of the traditional Fourier transform. Therefore, the powerful signal processing techniques must be found to solve this problem. Wavelet transform that is able to capture subtle information in measured signals has received extensive attention in the field of damage detection in recent decades. In this paper, we first propose a novel transmissibility concept based on the wavelet transform. Outlier analysis was adopted to construct a damage detection algorithm with wavelet-based transmissibility. The feasibility of the proposed method was numerically investigated with a typical six-degrees-of-freedom spring-mass system, and comparative investigations were performed with a conventional transmissibility approach. The results demonstrate that the proposed transmissibility is more sensitive than conventional transmissibility, and the former is a promising tool for structural damage detection at the incipient stage.
Modal identification of civil engineering structures based on ambient vibration measurement has been widely investigated in the past decades, and a variety of output-only operational modal identification methods have been proposed. However, vibration modes, even fundamental low-order modes, are not always identifiable for large-scale structures under ambient vibration excitation. The identifiability of vibration modes, deficiency in modal identification, and criteria to evaluate robustness of the identified modes when applying output-only modal identification techniques to ambient vibration responses were scarcely studied. In this study, the mode identifiability of the cable-stayed Ting Kau Bridge using ambient vibration measurements and the influence of the excitation intensity on the deficiency and robustness in modal identification are investigated with long-term monitoring data of acceleration responses acquired from the bridge under different excitation conditions. It is observed that a few low-order modes, including the second global mode, are not identifiable by common output-only modal identification algorithms under normal ambient excitations due to traffic and monsoon. The deficient modes can be activated and identified only when the excitation intensity attains a certain level (e.g., during strong typhoons). The reason why a few low-order modes fail to be reliably identified under weak ambient vibration excitations and the relation between the mode identifiability and the excitation intensity are addressed through comparing the frequency-domain responses under normal ambient vibration excitations and under typhoon excitations and analyzing the wind speeds corresponding to different response data samples used in modal identification. The threshold value of wind speed (generalized excitation intensity) that makes the deficient modes identifiable is determined.
The dynamic characteristics of wind turbine blades are usually monitored by contact sensors with the disadvantages of high cost, difficult installation, easy damage to the structure, and difficult signal transmission. In view of the above problems, based on computer vision technology and the improved YOLOv5 (You Only Look Once v5) deep learning model, a non-contact dynamic characteristic monitoring method for wind turbine blade is proposed. First, the original YOLOv5l model of the CSP (Cross Stage Partial) structure is improved by introducing the CSP2_2 structure, which reduce the number of residual components to better the network training speed. On this basis, combined with the Deep sort algorithm, the accuracy of structural displacement monitoring is mended. Secondly, for the disadvantage that the deep learning sample dataset is difficult to collect, the blender software is used to model the wind turbine structure with conditions, illuminations and other practical engineering similar environments changed. In addition, incorporated with the image expansion technology, a modeling-based dataset augmentation method is proposed. Finally, the feasibility of the proposed algorithm is verified by experiments followed by the analytical procedure about the influence of YOLOv5 models, lighting conditions and angles on the recognition results. The results show that the improved YOLOv5 deep learning model not only perform well compared with many other YOLOv5 models, but also has high accuracy in vibration monitoring in different environments. The method can accurately identify the dynamic characteristics of wind turbine blades, and therefore can provide a reference for evaluating the condition of wind turbine blades.
Vibration-based Structural Health Monitoring (SHM) systems use field measurements of operational signals, which are distorted by noise from many sources. Reducing this noise allows a more accurate assessment of the original "clean" signal and improves analysis results. The implementation of a noise reduction methodology for the Modal Distribution Method (MDM) is reported here. The spectral subtraction method is a popular broadband noise reduction technique used in speech signal processing. Its basic principle is to subtract the magnitude of the noise from the total noisy signal in the frequency domain. The underlying assumption of the method is that noise is additive and uncorrelated with the signal. In speech signal processing, noise can be measured when there is no signal. In the MDM, however, the magnitude of the noise profile can be estimated only from the magnitude of the Power Spectral Density (PSD) at higher frequencies than the frequency range of the true signal associated with structural vibrations under the additional assumption of white noise. The implementation of the spectral subtraction method to MDM may decrease the energy of the individual mode. In this work, a modification of the spectral subtraction method is introduced that enables the conservation of the energies of individual modes. The main difference is that any (negative) bars with a height below zero after subtraction are set to the absolute value of their height. Both noise reduction methods are implemented in the MDM, and an application example is presented that demonstrates its effectiveness when used with a signal corrupted by noise.
A damage estimation method for support structure of offshore wind turbine using modal parameters is presented for effective structural health monitoring. Natural frequencies and mode shapes for a support structure with monopile of an offshore wind turbine were calculated considering soil condition and added mass. A neural network was learned based on training patterns generated by the changes of natural frequency and mode shape due to various damages. Natural frequencies and mode shapes for 10 prospective damage cases were input to the trained neural network for damage estimation. The identified damage locations and severities agreed reasonably well with the accurate damages. Multi-damage cases could also be successfully estimated. Enhancement of estimation result using another parameters as input to neural network will be carried out by further study. Proposed method could be applied to other type of support structure of offshore wind turbine for structural health monitoring.
Changes in temperature, loads and boundary conditions may have effects on the dynamic properties of large civil structures. Taking the Run Yang Suspension Bridge as an example, modal properties obtained from ambient vibration tests and from the structural health monitoring system of the bridge are used to identify and evaluate the modal parameter variability. Comparisons of these modal parameters reveal that several low-order modes experience a significant change in frequency from the completion of the bridge to its operation. However, the correlation analysis between measured modal parameters and the temperature shows that temperature has a slight influence on the low-order modal frequencies. Therefore, this paper focuses on the effects of the boundary conditions on the dynamic behaviors of the suspension bridge. An analytical model is proposed to perform a sensitivity analysis on modal parameters of the bridge concerning the stiffness of expansion joints located at two ends of bridge girders. It is concluded that the boundary conditions have a significant influence on the low-order modal parameters of the suspension bridge. In addition, the influence of vehicle load on modal parameters is also investigated based on the proposed model.
New motor development requires high-speed load testing using dynamo equipment to calculate the efficiency of the motor. Abnormal noise and vibration may occur in the test equipment rotating at high speed due to misalignment of the connecting shaft or looseness of the fixation, which may lead to safety accidents. In this study, three single-axis vibration sensors for X, Y, and Z axes were attached on the surface of the test motor to measure the vibration value of vibration. Analog data collected from these sensors was used in classification models for anomaly detection. Since the classification accuracy was around only 93%, commonly used hyperparameter optimization techniques such as Grid search, Random search, and Bayesian Optimization were applied to increase accuracy. In addition, Response Surface Method based on Design of Experiment was also used for hyperparameter optimization. However, it was found that there were limits to improving accuracy with these methods. The reason is that the sampling data from an analog signal does not reflect the patterns hidden in the signal. Therefore, in order to find pattern information of the sampling data, we obtained descriptive statistics such as mean, variance, skewness, kurtosis, and percentiles of the analog data, and applied them to the classification models. Classification models using descriptive statistics showed excellent performance improvement. The developed model can be used as a monitoring system that detects abnormal conditions of the motor test.
As rotating machines play an important role in industrial applications such as aeronautical, naval and automotive industries, many researchers have developed various condition monitoring system and fault diagnosis system by applying artificial neural network. Since using obtained signals without preprocessing as inputs of neural network can decrease performance of fault classification, it is very important to extract significant features of captured signals and to apply suitable features into diagnosis system according to the kinds of obtained signals. Therefore, this paper proposes a neural-network-based fault diagnosis system using AR coefficients as feature vectors by LPC(linear predictive coding) and EIV(errors-in variables) analysis. We extracted feature vectors from sound, vibration and current faulty signals and evaluated the suitability of feature vectors depending on the classification results and training error rates by changing AR order and adding noise. From experimental results, we conclude that classification results using feature vectors by EIV analysis indicate more than 90 % stably for less than 10 orders and noise effect comparing to LPC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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