Equivalent loading condition using discrete strain measures

Load monitoring is a key element of Structural Health Monitoring systems aiming at a real-time reconstruction of the loads acting on a structure. In this framework, this thesis proposes a method for the reconstruction of the loads acting on a component through an equivalent lumped set of forces, however representative of the real loading condition, starting from discrete strain measurements. The method is based on a least-squares minimization of an error functional defined as a comparison between discrete strain measures and a mathematical formulation of the same, function of the considered load set. The load prediction is performed assuming a quasi-static external loading condition, which is however representative of the considered situations (e.g. typical aircraft maneuvers) and a linear relation between strain and force. Though the formulation is general for an arbitrary component and loading condition, the method is tested by means of case studies of increasing complexity, starting from a simple cantilever beam up to a realistic wing box. Thanks to incremental approach, the method performances are checked under different conditions. In particular, sensitivities analyses related to the maximum number of unknown forces, force positions and sensors grids are performed. Furthermore, the method robustness against noisy measurements is also positively verified. The method ability to represents the stress state of a structure when the actual load is definitely different from the considered lumped representation, is investigated. In particular, the possibility to represent an aerodynamic distributed load with a lumped set is checked. To this end, a realistic aerodynamic pressure field acting on a wing box is computed through CFD simulations. Exploiting discrete strain measurements caused by the aerodynamic load, the equivalent lumped loads set is computed, and the goodness of the results is verified by a comparison between the reconstructed strain, and displacement fields and those obtained by the CFD simulations. Finally, the robustness against noisy input strain measures is positively verified also in this last situation.

Il monitoraggio dello stato di carico (OLM), una delle componenti fondamentali dell’analisi strutturale (SHM), ha come obiettivo la previsione istantanea del campo di forze agente su una data struttura. In questo scenario, il lavoro di tesi sviluppato propone un metodo per la ricostruzione di tale stato di carico attraverso l’utilizzo di un insieme di forze concentrate calcolate a partire da poche misure di deformazione. Tale stato di carico è rappresentativo del campo di forze agenti sulla struttura. Il metodo è basato sulla minimizzazione dell’errore ottenuto dal confronto tra i valori di deformazione misurati e quelli matematicamente ricostruiti usando il campo di forze equivalenti. La previsione dello stato di carico è sviluppata assumendo un comportamento quasi-statico per il campo di forze imposto e una relazione lineare tra il campo di deformazione e il campo di forze stesso. Dal momento che la formulazione è generica, per un qualsiasi componente e stato di carico, il metodo è testato attraverso l’uso di una serie di simulazioni aventi una complessità che via via va aumentando; partendo da una semplice struttura composta da una trave incastrata si arriva al modello realistico di un’ala di aereo. Grazie a questo percorso di studio, la possibilità di ricostruire un campo di forze equivalente è testata per diverse condizioni. Nello specifico una analisi di sensitività viene compiuta indagando le diverse configurazioni di forze equivalenti e posizione dei sensori rispetto a queste su varie strutture. In aggiunta, una analisi sulla robustezza dei risultati ottenuti è compiuta assumendo come input dei valori di deformazione affetti da rumore. Successivamente alla fase di test del metodo, viene indagata la capacità di calcolare uno stato di forze equivalente assumendo una distribuzione di pressione ottimale. Nello specifico, come carico esterno, viene usato una realistica distribuzione di pressione calcolata attraverso una simulazione fluidodinamica. Misurando il campo di deformazione per un numero contenuto di punti, lo stato di carico equivalente viene predetto è confrontato con quello reale attraverso un paragone del campo degli spostamenti e di deformazione ottenuto per le due diverse simulazioni. In ultimo, viene testata una seconda volta la robustezza dei risultati ottenuti rispetto a una condizione di misure affette da rumore.