Application of Volterra series in nonlinear mechanical system identification and in structural health monitoring problems

Abstract

Nonlinear structures are frequent in structural dynamics, specially considering screwed components, with joints, clearance or flexible components presenting large displacements. In this sense the monitoring of systems based on classical linear methods, as the ones based on modal parameters, can drastically fail to characterize nonlinear effects. This thesis proposed the use of Volterra series for nonlinear system identification aiming applications in damage detection and parameter quantification. The property of this model of representing the linear and nonlinear components of the response of a system was used to formulate damage features to make clear the need of nonlinear modeling. Also metrics based on the linear and nonlinear residues of the terms of the Volterra model were employed to identify parametric models of the structure. The proposed methodologies are illustrated in experimental setups to show the relevance of nonlinear phenomena in the structural health monitoring.

Estruturas com comportamento não-linear são frequentes em dinâmica estrutural, principalmente considerando componentes parafusados, com juntas, folgas ou estruturas flexíveis sujeitas à grandes deslocamentos. Desse modo, o monitoramento de estruturas com métodos lineares clássicos, como os baseados em parâmetros modais, podem falhar drasticamente em caracterizar efeitos não-lineares. Neste trabalho foi proposta a utilização de séries de Volterra para identificação de sistemas mecânicos não-lineares em aplicações de detecção de danos e quantificação de parâmetros. A propriedade deste modelo de representar separadamente os componentes de resposta linear e não-linear do sistema foi aplicada para se construir índices de dano que evidenciam a necessidade de modelagem não-linear. Além disso métricas de resíduo linear e não-linear dos termos do modelo de Volterra são empregadas para identificar modelos paramétricos da estrutura. As metodologias propostas são ilustradas em bancadas experimentais de modo a evidenciar a importância de fenômenos não-lineares para o monitoramento de estruturas.