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Vibration-based damage localization in composites structures: integrating CNNs, mode shapes, and digital image correlation

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dc.creator RIBEIRO JUNIOR, Ronny Francis
dc.date.issued 2026-02-19
dc.identifier.citation RIBEIRO JUNIOR, Ronny Francis. Vibration-based damage localization in composites structures: integrating CNNs, mode shapes, and digital image correlation. 2026. 109 f. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2026. pt_BR
dc.identifier.uri https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4393
dc.description.abstract Composite sandwich structures offer high stiffness-to-weight ratios but are highly susceptible to complex internal damage mechanisms that are often difficult to detect using conventional inspection techniques. This work proposes a vibration-based Structural Health Monitoring (SHM) framework that integrates mode shape analysis, image processing techniques, Digital Image Correlation (DIC), and Convolutional Neural Networks (CNNs) for automated damage detection, localization, and sizing in composite sandwich structures. The investigated damage consists of a controlled stiffness-reduction region introduced by inserting a lower-stiffness material within the laminate, simulating internal debonding or delamination-type defects. A simulation-driven methodology is first established, in which mode shapes obtained from finite element models are transformed into image-based representations. These representations are used to train CNN models, demonstrating that image-based modal features outperform traditional approaches relying solely on global modal parameters, achieving detection accuracies above 90% under numerical conditions. The framework is further enhanced through physically informed image transformations, including residual-based representations, curvature enhancement, and multi-modal strategies that combine information from multiple vibration modes, as well as attention mechanisms embedded within the CNN architecture. These improvements lead to consistent performance gains, with accuracy increases of up to 10–15% and reductions of up to 20–30% in damage localization error compared to baseline image representations. Finally, the proposed framework is validated experimentally using mode shapes extracted from DIC measurements. Despite measurement noise, experimental uncertainty, and discrepancies between numerical and experimental domains, the models maintain robust performance, achieving damage detection accuracies above 85%, average localization errors below 10 mm, and reliable estimation of damage size under real testing conditions. The main contribution of this thesis is to demonstrate that vibration mode shapes, interpreted as spatial information, combined with advanced image representations and deep learning architectures, enable accurate localization and sizing of internal stiffness-reduction damage in real composite sandwich structures. These findings highlight the practical feasibility of the proposed methodology for real-world SHM applications. pt_BR
dc.language eng pt_BR
dc.publisher Universidade Federal de Itajubá pt_BR
dc.rights Acesso Aberto pt_BR
dc.subject Sandwich structures pt_BR
dc.subject Mode shapes pt_BR
dc.subject Structural health monitoring pt_BR
dc.subject Machine learning pt_BR
dc.subject Damage detection pt_BR
dc.subject , Damage localization pt_BR
dc.title Vibration-based damage localization in composites structures: integrating CNNs, mode shapes, and digital image correlation pt_BR
dc.type Tese pt_BR
dc.date.available 2026-04-24
dc.date.available 2026-04-24T13:19:47Z
dc.date.accessioned 2026-04-24T13:19:47Z
dc.creator.Lattes http://lattes.cnpq.br/7222317956827988 pt_BR
dc.contributor.advisor1 GOMES, Guilherme Ferreira
dc.contributor.advisor1Lattes http://lattes.cnpq.br/4963257858781799 pt_BR
dc.description.resumo Estruturas sanduíche em materiais compósitos apresentam elevada relação rigidez-peso, porém são altamente suscetíveis a mecanismos complexos de dano interno, que frequentemente são difíceis de detectar por meio de técnicas convencionais de inspeção. Este trabalho propõe um framework de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) baseado em vibrações, que integra análise de formas modais, técnicas de processamento de imagens, Correlação Digital de Imagens (DIC) e Redes Neurais Convolucionais (CNNs) para a detecção, identificação e localização automatizada de danos em estruturas sanduíche compósitas. Inicialmente, é estabelecida uma metodologia orientada por simulação, na qual formas modais obtidas a partir de modelos em elementos finitos são transformadas em representações baseadas em imagens. Essas representações são utilizadas para o treinamento de modelos CNN, demonstrando que características modais baseadas em imagens superam abordagens tradicionais fundamentadas exclusivamente em parâmetros modais globais, alcançando acurácia de identificação superior a 90% em condições numéricas. Em seguida, o framework é aprimorado por meio da introdução de transformações de imagem fisicamente informadas, incluindo representações baseadas em resíduos, realce de curvatura e estratégias multimodais que combinam informações de múltiplos modos de vibração, bem como mecanismos de atenção incorporados à arquitetura das CNNs. Essas melhorias resultam em ganhos consistentes de desempenho, com aumentos de acurácia de até 10–15% e reduções de até 20–30% no erro de localização de danos em comparação com representações de imagem de referência. Por fim, o framework proposto é validado experimentalmente utilizando formas modais extraídas a partir de medições por DIC. Apesar da presença de ruído de medição, incertezas experimentais e discrepâncias entre os domínios numérico e experimental, os modelos mantêm desempenho robusto, atingindo acurácia de identificação de danos superior a 85% e erros médios de localização inferiores a 10 mm. De modo geral, os resultados demonstram que a interpretação de formas modais de vibração como informação espacial e a combinação de representações de imagem com arquiteturas de aprendizado profundo constituem uma solução eficaz e robusta para o SHM automatizado de estruturas sanduíche compósitas, com elevado potencial para aplicações reais. pt_BR
dc.publisher.country Brasil pt_BR
dc.publisher.department IEM - Instituto de Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.program Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica pt_BR
dc.publisher.initials UNIFEI pt_BR
dc.subject.cnpq CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA pt_BR


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