Impact localization and force reconstruction on aeronautical structures

The integrity of engineering structure has always been a crucial element to be guaranteed for safety and economic reasons. Nowadays this is assessed by means of non destructive testing (NDT) techniques which consists in scheduled inspection of the structure, and so it requires the system to be stopped, allowing skilled operators to check for any structural anomaly. The disadvantages of this method are the cost of the machine stops and non-continuous observation of the structural condition, which is only known when inspections are performed. This brings to a change of philosophy : Structural health monitoring (SHM), which allows to monitor structures in real-time thanks to continuous acquisition of embedded sensors, potentially with large savings of the operating costs. The field of application, in which this new methodology is applied, is the one of the aeronautical structures, in particular the impact monitoring. In fact, it is well known that aircraft fuselages are nowadays made up of composite material, which is very good for mechanical and lightweight performance, but, on the other hand, it is affected by low resistance to transversal impacts. In particular impacts lead to the delamination issue. The work of this thesis deals with the application of an impact monitoring system on a composite structure, in which sensors are surface bonded. For this purpose, some tests are carried out using an impulse hammer equipped with different tips. This is done in order to simulate different impacting objects. Specifically, two different kinds of sensors are used : piezoelectric disks (PZT) and optical Fibre Bragg Gratings (FBG). In the first part of thi thesis , the problem is focused on the localization of an impact phenomenon. Two different methods are applied : threshold method and wavelet transform method. The first step is the evaluation of the so called delta time of arrival (or DTOA) by which the velocity of the strain wave can be calculated. The position is then determined by means of a localization algorithms. Two method are tested : a deterministic one exploiting a triangulation technique, and a statistical one using a Monte-Carlo Markov chain approach with Metropolis-Hastings routline. The second part of the work is dedicated to the reconstruction of the time history of the impacting force, based on the strain acquisition at sensor location. A frequency deconvolution method is applied, which assumes the impact position and the FRF of the structure are both known in advance.

L'integrità strutturale di strutture ingegneristiche è da sempre stata un problema cruciale da salvaguardare specialmente per problemi riguardanti la sicurezza e l'aspetto economico. Al giorno d’oggi questa è verificata attraverso metodi non distruttivi che consistono in ispezioni programmate della struttura in oggetto. Di conseguenza richiedono che il sistema sia fermato per permettere agli operatori di controllare la presenza di qualsiasi anomalia. Gli svantaggi di questa metodologia sono i costi di fermo macchina e la possibilità di non osservare continuamente nel tempo le condizioni della struttura, che è nota solamente al momento dell’ispezione. Questo ha portato ad un cambiamento di filosofia: Structural health monitoring (SHM), il quale permette di monitorare la condizione della struttura in tempo reale grazie alle continue acquisizioni dei sensori ottenendo un grande risparmio sui costi operativi. Il campo di applicazione nel quale è applicata questa nuova metodologia è quello delle strutture aerospaziali, in particolare il monitoraggio degli impatti. Infatti, è noto come la fusoliera degli aerei, così come altri componenti, siano fatti in materiale composito, che è molto conveniente per quanto riguarda le performance a livello meccanico e di leggerezza, ma dall’altra parte è affetto da una bassa resistenza agli impatti. In particolare, questi causano il problema noto come delaminazione. Il lavoro di questa tesi si occupa dell’applicazione di sistemi di monitoraggio di impatti su strutture composite, sulla cui superfice sono posizionati i sensori. A questo scopo, sono stati svolti esperimenti usando un martello dinamometrico, con la possibilità di cambiare la punta impattante, simulando in questo modo l’impatto di oggetti di rigidezza diversa. Sono stati usati due tipologie di sensori: dischi piezoelettrici (PZT) e fibre ottiche a reticolo di Bragg (FBG). Nella prima parte della tesi, l’attenzione è posta sulla localizzazione di un fenomeno di impatto. A questo scopo sono stati utilizzati due metodi differenti: il metodo del threshold e il metodo della trasformata wavelet. Il primo passo consiste nella valutazione dei cosiddetti tempi di arrivo (DTOA) dai quali è possibile calcolare la velocità di propagazione dell’onda di pressione. La posizione è quindi trovata grazie ad algoritmi di localizzazione. Sonno stati testati due metodi: uno deterministico che sfrutta la tecnica della triangolazione ed uno statistico che utilizza un metodo Monte-Carlo la cui catena di Markov è trovata con una sequenza Metropolis-Hasting. La seconda parte del lavoro è dedicata alla ricostruzione della storia temporale della forza impattante. Il metodo applicato utilizza una deconvoluzione in frequenza, assumendo noti la posizione dell’impatto e la FRF della struttura.