Approaches for usage monitoring of composite subcomponents by optical strain sensing

Health and usage monitoring systems may grow to become a key factor among new strategies for the design and maintenance of modern aerospace structures, particularly when considering the increasing number of composite parts in them. These components are notoriously delicate from the point of view of damage tolerance, so that considerations in this regard drive their design, since technological processes and load events in operative conditions may cause barely visible damages that might compromise the component. Moreover, additional complications come from the usage of hybrid components, in which the load paths can be influenced by the different properties of the materials involved and where thermo-mechanical effects can lead to complex and difficultly predictable stress states. This broad overview may suggest the importance of developing a health and usage monitoring system capable of reconstructing the stress-strain state experienced by the component by integrating the signals acquired by several strain sensors. Such reconstruction can be used to monitor the local and global operative conditions of the subcomponent. Moreover, it can be used as a reference nominal state that represents a baseline for the detection of possible localized anomalies originated by a damage developed in the structure. The work developed in this thesis places itself in this context, with the development of a tool, the load identification algorithm, capable of rapidly identifying a parameterized load set that is representative of the loads actually applied to the structural element. This is done using a FE model of the subcomponent to gather a series of influence coefficients that link the local deformation state to a set of concentrated loads. It is thus possible to use these loads to reconstruct a reference deformation condition starting from the input of a number of sensors placed on the component. The main body of the work is then centered on the interpretation of these loads, together with a study on the importance of local effects on the overall behavior. An analysis on the impact of noise on the identified loads is presented and methods to counter it have been implemented. It is shown that the method here described can reconstruct the local and global deformation state with great accuracy, correctly identifying the main loads acting on the system, even when modeling uncertainties and noise on the inputs are considered. Finally, the algorithm is used in a tool studied to help designers in the choice of the sensors' disposition on the component with a trade-off between accuracy in the reconstruction of the deformation state and number of fiber optic sensors.

I sistemi di monitoraggio dello stato di salute e di utilizzo potrebbero diventare uno dei fattori principali all'interno delle nuove strategie per la progettazione e il mantenimento di moderne strutture aerospaziali, e ciò diventa sempre più valido se si considera il sempre crescente numero delle parti in composito. Questi componenti so notoriamente delicati dal punto di vista della tolleranza ai danni, tanto che considerazioni in questa direzione guidano la loro progettazione: i processi tecnologici e sovraccarichi possono causare danni non visibili (BVD, barely visible damages) che potrebbero compromettere il componente. Ulteriori complicazioni arrivano dall'utilizzo di componenti ibridi, nei quali i percorsi di carico possono essere influenzati dalle differenti proprietà dei materiali in gioco e dove effetti termo-meccanici possono indurre stati di sforzo complessi e difficilmente prevedibili. Questa panoramica suggerisce l'importanza dello sviluppo di un sistema di monitoraggio strutturale e di utilizzo in grado di ricostruire lo stato di sforzo e deformazione del componente utilizzando i segnali di diversi sensori di deformazione. Il risultato così ottenuto può essere utilizzato per monitorare le condizioni locali e globali del componente considerato. Può inoltre essere utilizzato come stato di riferimento nominale per il rilevamento di possibili anomalie indotte da danni nella struttura. Il lavoro sviluppato in questa tesi si colloca in questo contesto, con lo sviluppo di uno strumento, l'algoritmo di identificazione dei carichi, in grado di identificare rapidamente un set di carichi parametrizzati rappresentativo dei carichi veramente applicati all'elemento strutturale preso in considerazione. Questo viene fatto estraendo da un modello ad elementi finiti del sottocomponente una serie di coefficienti di influenza in grado di collegare lo stato di deformazione locale con un set di carichi concentrati. È quindi possibile utilizzare questi carichi per ricostruire una condizione di deformazione di riferimento a partire dagli input dei sensori disposti sul componente. Il corpo principale del lavoro svolto si concentra sull'interpretazione di questi carichi, oltre allo studio dell'importanza degli effetti locali sull'andamento globale dei profili di deformazione. Viene inoltre presentata un'analisi sull'impatto del rumore sui carichi identificati, applicando dei metodi per ridurlo. Viene dimostrato come il metodo descritto in seguito sia in grado di ricostruire lo stato di deformazione locale e globale con grande precisione, identificando i carichi principali che agiscono sul sistema anche nel caso di incertezze di modellazione e rumore sugli input. Infine, l'algoritmo viene implementato in uno strumento studiato per aiutare i progettisti nella scelta della disposizione dei sensori sul componente con un trade-off tra accuratezza nella ricostruzione dello stato di deformazione e numero di sensori in fibra ottica.