Feasibility study of a structural health monitoring approch to the detection of defects in the rail foot by ultrasonic guided waves

Catastrophic failures of rail components reduce the reliability of the railway networks (e.g. derailments, delays, etc.). Some failures cannot be prevented by the classical Non Destructive Testing (NDT) methods for rail inspections. Thus, Structural Health Monitoring (SHM) methods have been studied, to improve the effectiveness and the reliability of rail inspections. Rails are natural waveguides because of the particular geometry of the rail section, therefore numerous SHM methods by ultrasonic Guided Waves (SHMs by GW) have been implemented. The SHMs by GW have obtained reliable results with reference to the rail head and the rail web, while the detection of defects in the rail foot is still unreliable, especially with reference to the part of the rail foot near the edges of the rail. This is a feasibility study of a structural health monitoring approach to the detection of defects in the rail foot by ultrasonic guided waves. The Finite Element Method (FEM) analysis demonstrates that it’s possible to generate a specific Lamb waves mode which can inspect the entire cross-section of the rail foot. Experimental tests are carried out using both free rails and constrained rails and their results validate the proposed FEM model. Then, other experimental tests are carried out to assess if the designed SHM by GW is effective in detecting defects located both in the central part and in the lateral part of the rail foot cross section. A time-domain Damage Index (DI) is designed. Such DI allows to detect defects both in the central part and in the lateral part of the rail foot cross section.

I cedimenti dei componenti ferroviari riducono l’affidabilità delle reti (e.g. deragliamenti, ritardi, etc.) Alcuni cedimenti non possono essere prevenuti dai metodi classici di controllo non distruttivo (CND) usati l’identificazione di difetti nelle rotaie. Quindi, i metodi di monitoraggio strutturale sono oggetto di studio, al fine di migliorare l'efficacia e l'affidabilità del rilevamento dei difetti nell'ispezione ferroviaria. Le rotaie sono delle naturali guide d’onda, per via della particolare geometria della loro sezione e, pertanto, sono stati implementati numerosi metodi di monitoraggio strutturale basati sull’utilizzo di onde guidate ad ultrasuoni. Il monitoraggio strutturale mediante le onde guidate ha raggiunto risultati affidabili con riferimento alla testa della rotaia e all’anima della rotaia, mentre il rilevamento di difetti nel piede della rotaia è ancora inaffidabile, specialmente in relazione ai difetti vicini ai bordi del piede. Questa tesi propone uno studio di fattibilità relativo ad un approccio di monitoraggio strutturale per il rilevamento di difetti nel piede ferroviario, mediante onde guidate ultrasonore. L'analisi mediante elementi finiti dimostra che è possibile generare uno specifico modo di vibrare delle onde di Lamb che può ispezionare l'intera sezione trasversale del piede della rotaia. Sono stati eseguiti esperimenti sia con rotaia libera che con rotaia vincolata e i risultati dei predetti esperimenti convalidano il modello a elementi finiti proposto. Poi sono stati condotti altri esperimenti per valutare se il metodo di monitoraggio strutturale mediante onde guidate ultrasonore proposto è efficace nel individuare difetti posizionati sia nella parte centrale che in quella laterale della sezione trasversale. Quindi, è stato progettato un indice di danno nel dominio del tempo. Tale indice di danno consente di rilevare difetti sia nella parte centrale che nella parte laterale della sezione trasversale del piede della rotaia.