Invasivity of a FO based embedded monitoring system on structural composite components

Structural health monitoring systems have been spreading since some decades ago, acquiring a relevant presence in both aeronautical and aerospace industries. In the meantime, the usage of composite materials has increased to such an extent that is one of the most exploited lines of research nowadays. Both trends were meant to meet each other at certain point. One of the outcomes of that encounter was the embeddable monitoring systems based on fiber optics. Taking advantage of their minuscule dimensions to embed them, along with the possibility of placing Fiber Bragg Gratings (FBG) sensors on them, they clearly became the chosen ones to be combined with composites. The purpose of this thesis is to assess the invasivity of a monitoring system embedded in a helicopter tail rotor blade in both the manufacturing process and the fatigue response. In order to evaluate the former, several difficulties had to be overcome. For instance, it was necessary to develop a decoupling technique to separate the effects of mechanical and thermic loads and protecting the fiber optics exiting the laminates during the curing cycles. Regarding the second assessing path of study, a whole fatigue tests campaign, with loads ranging from 30% to 80% of the ultimate load, has been conducted to compare directly and to discuss the obtained results between the empty material and the material with the system embedded. The test campaign had a double aim: assessing the invasivity through the fatigue response and proving that the decoupling technique worked properly by monitoring the wavelength variations during the tests. Finally, the results have provided conclusions about the good functioning of the isolated sensor, meaning that the decoupling technique has been successful; while the tests have produced failures not related to the presence of the embedded monitoring system.

I sistemi Structural Health Monitoring si sono propagati da alcuni decenni, ottenendo un´importante presenza in entrambe le industrie, aeronautica e aeroespaziale. Nel frattempo, anche l´uso di materiale composito è esploso negli ultimi anni, diventando una delle linee di ricerca più sfruttate. Prima o poi, entrambe le tendenze dovevano incontrarsi. Uno dei risultati che è venuto fuori dall´incontro sono i sistemi di monitoraggio inglobati basati su fibre ottiche. Grazie alle loro piccole dimensioni per inglobarle, insieme alla possibilità di mettere sensore FBG su le stesse fibre, sono state scelte per essere combinate con i materiali compositi. Questo lavoro di tesi è orientato alla valutazione dell´invasività di un sistema di monitoraggio, inglobato in una pala del rotore di coda di un elicottero, sul processo di produzione e sulla risposta della pala a fatica. Al fine di ottenere la prima valutazione, si sono dovute superare alcune difficoltà, come per esempio sviluppare una tecnica di disacoppiamento in modo da separare gli effeti meccanici e gli effeti termici; anche progettare il modo in cui proteggere la fibra che fuoriesce dal laminati durante il ciclo di curing. Per quanto riguarda la seconda valutazione, un´intera campagna di prove a fatica è stata programmata e realizzata, in modo da confrontare direttamente i risultati ottenuti tra i provini senza e con inglobamento.I risultati ottenuti permettono dire che l´isolamento del sensor ha funzionato adeguatamente, quindi la tecnica di disacoppiamento è stata un successo; mentre che i tests hanno riportato fallimenti dei provini non direttamente collegati a la presenza del sistema di monitoraggio inglobato.