SHM system effects on an airplane fleet : a lifecycle cost-benefit analysis

The project of this thesis has been developed to define what economic implications are involved in the installation of SHM systems on aeronautical fleets. The primary objective of this work is to understand whether SHM systems and CBM maintenance logics are sustainable from an economic point of view. The SHM system implies an installation and a management cost, however, its use results in significant benefits. The first chapter of this work resumes some theoretical elements considered fundamental. The following Chapters explain the methodology used to evaluate the costs and benefits caused by the SHM introduction across a complete lifecycle of the fleet. The lifecycle of a fleet is simulated using a custom software developed in Matlab, Simulink, and SimEvents environment. The creation of the software, the DES concept, the logic behind each decision is described in detail. The software has been programmed to manage different scenarios but is not designed based on a specific application. AFIT, an operator of a military fleet, has shown interest in the work and proposed a real scenario suitable to be evaluated with the software. AFIT asked to assess the impact caused by the installation of the SHM on the landing gear of its aircrafts. Within the fleet, some training aircrafts are used to perform many touch and go landings. The impact of these landings on the structures is limited. Without the SHM system it is impossible to take this into account for maintenance purposes. A chapter of this thesis introduces the AFIT problem. The chapter describes how the software has been adapted to the specific scenario and proposes a methodology for the creation of the inputs using the data suggested by AFIT. A further chapter illustrate the simulation, proposes the outputs, and describes their trends. The economic feasibility of SHM is verified using a Cost Benefit Analysis developed in the last chapter of this work. Using the simulation results, the savings due to SHM are estimated in two scenarios: only the training aircrafts equipped with SHM and the complete fleet equipped with SHM. It has proven that the installation of the SHM is economically sustainable in both scenarios but more advantageous in the case of a fully equipped fleet. The thesis is closed with a paragraph of final considerations: specific for the AFIT results and general for the SHM technology. Proposals and possible future developments are suggested at the end of the work.

Il progetto di questa tesi di laurea è stato sviluppato per determinare le implicazioni economiche derivanti dall’installazione di sistemi SHM su flotte aeronautiche. L’obiettivo del lavoro è quello di stabilire se i sistemi SHM e le logiche manutentive CBM siano sostenibili dal punto di vista economico. Vedremo che, nonostante il costo di installazione e di gestione, l’utilizzo del sistema SHM comporta notevoli benefici. Il primo capitolo di questa tesi riassume alcuni punti teorici ritenuti fondamentali. I capitoli successivi contengono la trattazione principale del lavoro. Viene proposta una metodologia per valutare i costi ed i benefici dovuti a SHM per una flotta, nel corso di un ciclo di vita. Il ciclo vita è simulato attraverso un software appositamente sviluppato in ambiente Matlab e Simulink. La simulazione di tipo DES, la creazione del software, le logiche che lo controllano sono descritte in maniera dettagliata. Il software è stato programmato per poter gestire molti scenari differenti e quindi non è pensato sulla base di un’applicazione specifica. AFIT, operatore di una flotta militare, mostrando interesse nel lavoro, ha proposto lo studio di una situazione reale atta ad essere valutata con il software sviluppato. In particolare AFIT ha chiesto di valutare i possibili vantaggi di un sistema SHM nel monitoraggio del carrello d’atterraggio dei suoi velivoli. AFIT utilizza aerei dedicati all’addestramento che eseguono molti atterraggi di tipo touch and go. L’impatto di questi atterraggi sulle strutture è limitato, tuttavia senza sistema SHM è impossibile valutarlo a scopi manutentivi. Un capitolo di questa tesi introduce la problematica e lo scenario di applicazione indicati da AFIT. Viene descritto il software adattato allo specifico caso e viene proposta una metodologia per la creazione dei suoi input sulla base dei dati forniti da AFIT. Il successivo capitolo è dedicato alla descrizione della simulazione, all’analisi degli output ottenuti ed al confronto degli andamenti. La fattibilità economica di SHM per l’applicazione AFIT, è verificata per mezzo di un’analisi costi benefici sviluppata nell’ultimo capitolo di questo lavoro. Sfruttando i risultati delle simulazioni eseguite sono stati stimati i risparmi dovuti a SHM in due casi: sistema installato solo su aeroplani da addestramento e sistema installato su tutta la flotta. E’ stato provato che l’installazione del sistema SHM è sostenibile economicamente in entrambi i casi ma risulta maggiormente vantaggiosa nel caso di flotta totalmente equipaggiata. La tesi si chiude con un paragrafo di considerazioni finali di carattere specifico per il caso AFIT e di carattere generale sulla tecnologia SHM. E’ presente un ulteriore paragrafo con proposte e possibili sviluppi futuri.