Shape sensing and damage identification on composite structures with the iFEM

Structural Health Monitoring is more and more applied to evaluate the healthy condition of a structure. In particular, the inverse Finite Element Analysis (iFEM) is becoming a popular application for the shape sensing with random loads and in presence of sparse measured strain data. Very recently it was successfully employed for anomaly identification. Firstly, in the present work, the iFEM algorithm is briefly described, then it has been coupled with the fitting of the input strain by means of the Smoothing Element Analysis (SEA). The latter is described in detail and different case studies are compared and analyzed in order to evaluate strengths and weaknesses of the method. The combination of the two algorithms is exploited for the monitoring of two specimens realized in composite material (CFRP). In particular, the deformed shape computed with the iFEM is compared with some independent displacement measures performed with lasers. Then, from the iFEM nodal displacements, the strain are computed and exploited for anomaly identification by means of an Anomaly Index and the Mahalanobis distance. The damage identification results have been validated by means of external observations with non-destructive techniques.

Il monitoraggio strutturale é sempre piú applicato per la valutazione dello stato di salute delle strutture. In particolare, il metodo degli elementi finiti inversi (iFEM) sta diventando un’applicazione popolare per la ricostruzione della deformata di una struttura sottoposta a carichi random e in presenza di misure di deformazioni molto rade. Molto recentemente questa tecnica é stata applicata con successo per l’identificazione di anomalie. Nel presente lavoro, per prima cosa l’algoritmo dell’iFEM é descritto brevemente, in seguito é stato accoppiato con la Smoothing Element Analysis (SEA) per l’interpolazione delle misure di deformazione. Quest’ultima é descritta in dettaglio e diversi casi di studio sono stati comparati e analizzati per ottenere i punti di forza e di debolezza di questo metodo. La combinazione dei due algoritmi é stata sfruttata per il monitoraggio di due provini in materiale composito (fibra di carbonio con matrice polimerica). In particolare, la deformata della struttura calcolata con l’iFEM é stata comparata con delle misure indipendenti ottenute con i laser. Poi, dagli spostamenti nodali dell’iFEM, le deformazioni sono state calcolate e sfruttate per l’identificazione di anomalie con un indice di danneggiamento e la distanza di Mahalanobis. I risultati riguardanti l’identificazione del danneggiamento sono stati validati con osservazioni terze effettuate con dei controlli non distruttivi.