R.E.News future Technology-Structural Health Monitoring with Inverse Crack-Tip Elements

26/12/24-FR-English-NL-footer

Surveillance de l'état de santé des structures avec des éléments de pointe de fissure inversés

Image-R.E.News

La surveillance de l'état de santé des structures (SHM) est depuis longtemps l'épine dorsale de la maintenance des infrastructures critiques. Des ponts imposants aux fuselages d'avion, il n'est pas négociable de garantir l'intégrité structurelle.

Pourtant, les techniques SHM traditionnelles ne parviennent souvent pas à identifier les concentrations de contraintes, en particulier aux extrémités des fissures, où le risque de défaillance catastrophique est le plus élevé. Pour combler cette lacune, les chercheurs ont proposé une solution révolutionnaire : un élément de pointe de fissure inversé triangulaire bidimensionnel à six nœuds. Cette innovation constitue une avancée significative dans les évaluations de l'état de santé en temps réel des structures pré-fissurées, offrant à la fois précision et efficacité.

Cette recherche de pointe, fruit d'une collaboration entre la National University of Sciences & Technology (Islamabad) et l'Université de Strathclyde (Glasgow), a été publiée en novembre 2024 dans l'International Journal of Mechanical System Dynamics.

L'étude présente un nouvel élément qui s'intègre parfaitement à la méthode des éléments finis inverses (iFEM), permettant d'obtenir des informations inégalées sur les régions à forte contrainte sans compromettre les performances de calcul.

L'élément inverse de pointe de fissure triangulaire à six nœuds proposé en deux dimensions est conçu pour relever un défi critique en mécanique de la rupture : maintenir les singularités de déformation aux pointes de fissure. En repositionnant stratégiquement les nœuds médians, les chercheurs ont assuré la précision du modèle dans la capture des facteurs d'intensité de contrainte (SIF) sous diverses géométries et conditions de chargement.

Contrairement aux méthodes d'éléments finis conventionnelles, cet élément s'adapte aux discrétisations de maillage structurées et non structurées, ce qui le rend polyvalent pour la modélisation de géométries complexes. Qu'il soit appliqué à des structures d'ingénierie avec ou sans fissures préexistantes, son utilité est transformatrice. De plus, une validation rigoureuse a démontré son efficacité à la fois dans la détection de forme et dans l'analyse des contraintes, ouvrant la voie à une meilleure surveillance en temps réel.

Le professeur Erkan Oterkus, directeur de recherche, souligne l'importance de cette approche : « La formulation de l'élément de pointe de fissure inverse représente une avancée dans la surveillance de l'état des structures et l'évaluation des structures d'ingénierie présentant des fissures préexistantes. Cette approche permet des capacités de détection de forme précises et une reconstruction précise des paramètres de fracture critiques, qui sont essentiels pour une prise de décision rapide et éclairée concernant la maintenance et la sécurité des infrastructures critiques. »

Les défaillances structurelles proviennent souvent de concentrations de contraintes non détectées, en particulier dans les zones présentant des fissures préexistantes. Les systèmes SHM traditionnels, bien qu'efficaces jusqu'à un certain point, ont du mal à fournir des données précises et en temps réel sur ces régions critiques.

Cette lacune peut entraîner des défaillances inattendues, des réparations coûteuses et même des pertes de vie. L'élément de pointe de fissure inverse comble cette lacune en offrant :

Précision améliorée : en capturant avec précision les SIF et les singularités de déformation, le modèle fournit une image détaillée de la distribution des contraintes.

Polyvalence : sa compatibilité avec différents types de maillage permet une large applicabilité à diverses structures.

Efficacité : les capacités en temps réel permettent des évaluations plus rapides et des décisions de maintenance proactives.

Les applications potentielles de cette technologie sont vastes, en particulier dans les secteurs où l'intégrité structurelle est essentielle. Les industries aérospatiale et marine devraient en bénéficier considérablement, tout comme les domaines de l'énergie et du génie civil.

Les structures des avions subissent des niveaux de contrainte élevés et sont souvent sujettes à l'initiation de fissures. Une détection précoce et une analyse précise des contraintes peuvent prévenir les catastrophes et réduire les coûts de maintenance. L'élément de pointe de fissure inversée rationalise ce processus, offrant des données fiables pour des interventions ciblées.

Des plateformes offshore aux navires de guerre, les structures marines sont confrontées à des conditions environnementales difficiles qui accélèrent l'usure. La technologie SHM proposée permet aux opérateurs de surveiller ces actifs en continu, en identifiant les vulnérabilités avant qu'elles ne dégénèrent en problèmes majeurs.

Au-delà de la sécurité, les avantages économiques et environnementaux de cette innovation ne peuvent être surestimés. En permettant des réparations ciblées, elle réduit le gaspillage de matériaux et prolonge la durée de vie des actifs critiques. De plus, l'automatisation des évaluations minimise les temps d'arrêt opérationnels, ce qui permet d'économiser du temps et des ressources.

Cette innovation s'aligne sur les objectifs mondiaux de durabilité, rendant la gestion des infrastructures non seulement plus efficace mais aussi plus respectueuse de l'environnement. Avec des interventions de maintenance moins fréquentes mais plus efficaces, les organisations peuvent réduire leur empreinte carbone tout en améliorant la fiabilité.

Le développement de l’élément inverse de pointe de fissure marque un nouveau chapitre dans le domaine de la santé des structures, mais ses implications ne s’arrêtent pas là. À mesure que les industries adoptent cette technologie, de nouvelles possibilités d’avancées vont émerger.

L’intégration de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique, par exemple, pourrait améliorer les capacités prédictives, créant un avenir où les défaillances structurelles ne sont pas seulement détectées tôt, mais anticipées bien à l’avance.

Cette innovation est plus qu’une simple prouesse technique ; c’est un pas vers un avenir plus sûr et plus durable. En fournissant aux ingénieurs et aux décideurs politiques un outil fiable pour évaluer la santé structurelle, elle permet une prise de décision éclairée, améliore la sécurité et favorise la confiance dans les infrastructures critiques.

À mesure que les industries commencent à adopter cette technologie, son potentiel pour révolutionner la santé des structures devient de plus en plus évident.
NJC.© Info International Journal of Mechanical System Dynamics.

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

26/12/24-English

Structural Health Monitoring with Inverse Crack-Tip Elements

Image-R.E.News

Structural health monitoring (SHM) has long been the backbone of maintaining critical infrastructure. From towering bridges to aircraft fuselages, ensuring structural integrity is non-negotiable.

Yet, traditional SHM techniques often fall short in pinpointing stress concentrations, particularly at crack tips, where the potential for catastrophic failure looms largest. Addressing this gap, researchers have proposed a ground-breaking solution—a two-dimensional, six-node triangular inverse crack-tip element. This innovation offers a significant advancement in real-time health assessments for pre-cracked structures, providing both precision and efficiency.

This cutting-edge research, a collaboration between the National University of Sciences & Technology (Islamabad) and the University of Strathclyde (Glasgow), was published November 2024, in the International Journal of Mechanical System Dynamics.

The study introduces a novel element that integrates seamlessly with the inverse finite element method (iFEM), enabling unparalleled insights into high-stress regions without compromising computational performance.

The proposed two-dimensional, six-node triangular inverse crack-tip element is designed to address a critical challenge in fracture mechanics: maintaining strain singularities at crack tips. By strategically repositioning mid-side nodes, researchers have ensured the model’s accuracy in capturing stress intensity factors (SIFs) under various geometries and loading conditions.

Unlike conventional finite element methods, this element adapts to both structured and unstructured mesh discretisations, making it versatile for modelling complex geometries. Whether applied to engineering structures with or without pre-existing cracks, its utility is transformative. Moreover, rigorous validation has demonstrated its efficacy in both shape-sensing and stress analysis, paving the way for improved real-time monitoring.

Prof. Dr. Erkan Oterkus, the research supervisor, highlights the significance: “The formulation of the inverse crack-tip element represents a step forward in structural health monitoring and the assessment of engineering structures with pre-existing cracks. This approach enables precise shape-sensing capabilities and accurate reconstruction of critical fracture parameters, which are crucial for timely and informed decision-making regarding the maintenance and safety of critical infrastructure.”

Structural failures often stem from undetected stress concentrations, especially in areas with pre-existing cracks. Traditional SHM systems, while effective to a point, struggle to provide accurate, real-time data on these critical regions.

This gap can lead to unexpected failures, costly repairs, and even loss of life. The inverse crack-tip element bridges this gap by offering:

Enhanced Precision: By accurately capturing SIFs and strain singularities, the model provides a detailed picture of stress distribution.

Versatility: Its compatibility with different mesh types allows for broad applicability across diverse structures.

Efficiency: Real-time capabilities mean quicker assessments and proactive maintenance decisions.

The potential applications of this technology are vast, particularly in sectors where structural integrity is critical. Aerospace and marine industries stand to benefit significantly, as do energy and civil engineering domains.

Aircraft structures endure high levels of stress and are often prone to crack initiation. Early detection and accurate stress analysis can prevent disasters and reduce maintenance costs. The inverse crack-tip element streamlines this process, offering reliable data for targeted interventions.

From offshore platforms to naval vessels, marine structures face harsh environmental conditions that accelerate wear and tear. The proposed SHM technology allows operators to monitor these assets continuously, identifying vulnerabilities before they escalate into major issues.

Beyond safety, the economic and environmental benefits of this innovation cannot be overstated. By enabling targeted repairs, it reduces material waste and extends the lifespan of critical assets. Moreover, automating assessments minimises operational downtime, saving both time and resources.

This innovation aligns with global sustainability goals, making infrastructure management not only more efficient but also more eco-friendly. With less frequent but more effective maintenance interventions, organisations can reduce their carbon footprint while enhancing reliability.

The development of the inverse crack-tip element marks a new chapter in SHM, but its implications don’t stop there. As industries adopt this technology, opportunities for further advancements will emerge.

Integrating artificial intelligence and machine learning, for instance, could enhance predictive capabilities, creating a future where structural failures are not just detected early but anticipated well in advance.

This innovation is more than just a technical achievement; it’s a step towards a safer, more sustainable future. By providing engineers and policymakers with a reliable tool for assessing structural health, it empowers informed decision-making, enhances safety, and fosters confidence in critical infrastructure.

As industries begin to adopt this technology, its potential to revolutionise SHM becomes increasingly apparent.
NJC.© Info International Journal of Mechanical System Dynamics.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

26/12/24-NL

Structurele gezondheidsmonitoring met inverse crack-tip-elementen

Image-R.E.News

Structurele gezondheidsmonitoring (SHM) is al lang de ruggengraat van het onderhouden van kritieke infrastructuur. Van torenhoge bruggen tot vliegtuigrompen, het waarborgen van structurele integriteit is niet onderhandelbaar.

Toch schieten traditionele SHM-technieken vaak tekort bij het vaststellen van spanningsconcentraties, met name bij crack-tips, waar de kans op catastrofale breuk het grootst is. Om deze kloof te dichten, hebben onderzoekers een baanbrekende oplossing voorgesteld: een tweedimensionaal, zes-knooppunt driehoekig inverse crack-tip-element. Deze innovatie biedt een aanzienlijke vooruitgang in realtime gezondheidsbeoordelingen voor voorgebarsten structuren, en biedt zowel precisie als efficiëntie.

Dit baanbrekende onderzoek, een samenwerking tussen de National University of Sciences & Technology (Islamabad) en de University of Strathclyde (Glasgow), werd in november 2024 gepubliceerd in het International Journal of Mechanical System Dynamics.

De studie introduceert een nieuw element dat naadloos integreert met de inverse finite element methode (iFEM), wat ongeëvenaarde inzichten in gebieden met hoge spanning mogelijk maakt zonder de rekenprestaties in gevaar te brengen.

Het voorgestelde tweedimensionale, zes-knooppunt driehoekige inverse crack-tip element is ontworpen om een ​​kritieke uitdaging in breukmechanica aan te pakken: het behouden van rek singulariteiten bij scheurpunten. Door strategisch mid-side knooppunten te herpositioneren, hebben onderzoekers de nauwkeurigheid van het model bij het vastleggen van stress intensiteitsfactoren (SIF's) onder verschillende geometrieën en belastingsomstandigheden gewaarborgd.

In tegenstelling tot conventionele finite element methoden, past dit element zich aan zowel gestructureerde als ongestructureerde mesh discretisaties aan, waardoor het veelzijdig is voor het modelleren van complexe geometrieën. Of het nu wordt toegepast op technische structuren met of zonder reeds bestaande scheuren, het nut ervan is transformatief. Bovendien heeft rigoureuze validatie zijn doeltreffendheid aangetoond in zowel vormdetectie als spanningsanalyse, wat de weg vrijmaakt voor verbeterde real-time monitoring.

Prof. Dr. Erkan Oterkus, de onderzoeksleider, benadrukt het belang: "De formulering van het inverse crack-tip element vertegenwoordigt een stap voorwaarts in structurele gezondheidsmonitoring en de beoordeling van technische structuren met reeds bestaande scheuren. Deze aanpak maakt nauwkeurige vormdetectie mogelijk en nauwkeurige reconstructie van kritische breukparameters, die cruciaal zijn voor tijdige en geïnformeerde besluitvorming met betrekking tot het onderhoud en de veiligheid van kritieke infrastructuur."

Structurele fouten zijn vaak het gevolg van onopgemerkte spanningsconcentraties, vooral in gebieden met reeds bestaande scheuren. Traditionele SHM-systemen, hoewel tot op zekere hoogte effectief, hebben moeite om nauwkeurige, realtime gegevens over deze kritieke gebieden te leveren.

Deze kloof kan leiden tot onverwachte fouten, kostbare reparaties en zelfs verlies van mensenlevens. Het inverse crack-tip element overbrugt deze kloof door het volgende te bieden:

Verbeterde precisie: door nauwkeurig SIF's en rek-singulariteiten vast te leggen, biedt het model een gedetailleerd beeld van de spanningsverdeling.

Veelzijdigheid: de compatibiliteit met verschillende mesh-typen zorgt voor brede toepasbaarheid in uiteenlopende structuren.

Efficiëntie: realtime mogelijkheden betekenen snellere beoordelingen en proactieve onderhoudsbeslissingen.

De potentiële toepassingen van deze technologie zijn enorm, met name in sectoren waar structurele integriteit cruciaal is. Luchtvaart- en maritieme industrieën kunnen er aanzienlijk van profiteren, net als energie- en civiele techniekdomeinen.

Vliegtuigconstructies ondergaan hoge niveaus van stress en zijn vaak gevoelig voor het ontstaan ​​van scheuren. Vroegtijdige detectie en nauwkeurige stressanalyse kunnen rampen voorkomen en onderhoudskosten verlagen. Het inverse crack-tip element stroomlijnt dit proces en biedt betrouwbare gegevens voor gerichte interventies.

Van offshoreplatforms tot marineschepen, maritieme constructies worden geconfronteerd met zware omgevingsomstandigheden die slijtage versnellen. De voorgestelde SHM-technologie stelt operators in staat om deze activa continu te bewaken en kwetsbaarheden te identificeren voordat ze escaleren tot grote problemen.

Naast veiligheid kunnen de economische en ecologische voordelen van deze innovatie niet genoeg worden benadrukt. Door gerichte reparaties mogelijk te maken, vermindert het materiaalverspilling en verlengt het de levensduur van kritieke activa. Bovendien minimaliseert het automatiseren van beoordelingen operationele downtime, wat zowel tijd als middelen bespaart.

Deze innovatie is in lijn met wereldwijde duurzaamheidsdoelen, waardoor infrastructuurbeheer niet alleen efficiënter maar ook milieuvriendelijker wordt. Met minder frequente, maar effectievere onderhoudsinterventies kunnen organisaties hun CO2-voetafdruk verkleinen en tegelijkertijd de betrouwbaarheid vergroten.

De ontwikkeling van het inverse crack-tip element markeert een nieuw hoofdstuk in SHM, maar de implicaties stoppen daar niet. Naarmate industrieën deze technologie omarmen, zullen er kansen voor verdere ontwikkelingen ontstaan.

Integratie van kunstmatige intelligentie en machinaal leren kan bijvoorbeeld de voorspellende mogelijkheden verbeteren, waardoor een toekomst ontstaat waarin structurele fouten niet alleen vroegtijdig worden gedetecteerd, maar ook ruim van tevoren worden geanticipeerd.

Deze innovatie is meer dan alleen een technische prestatie; het is een stap naar een veiligere, duurzamere toekomst. Door ingenieurs en beleidsmakers een betrouwbaar hulpmiddel te bieden voor het beoordelen van de structurele gezondheid, maakt het geïnformeerde besluitvorming mogelijk, verbetert het de veiligheid en wekt het vertrouwen in kritieke infrastructuur.

Naarmate industrieën deze technologie beginnen te omarmen, wordt het potentieel ervan om SHM te revolutioneren steeds duidelijker.
NJC.© Info International Journal of Mechanical System Dynamics.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------