A study on monitoring fatigue crack propagation by source localization of acoustic emission events

This work concerns the monitoring of fatigue cracks through Structural Health Monitoring (SHM) with the aim of measuring the size of the damage present in a piece. Among the various existing SHM, Acoustic Emission (AE) was the most suitable for this type of problem. The purpose of this thesis is to locate via AE, the position of a fatigue crack tip in a component, exploiting the phenomenon of acoustic emission. When a crack propagates in the piece, the stored energy is released as acoustic waves. Through a network of PZT sensors applied on the surface of the component, these acoustic waves, that propagate in the material, can be recorded. Knowing therefore, the flight times of the signals and the position of the sensors, it is possible to locate the position of the acoustic source. The first phase of the work concerns the research for the best sensor layout, to maximize the accuracy of the location. These preliminary analysis were carried out on an aluminum sheet, artificially simulating acoustic events. Once the specimen was chosen (steel beam with H section), the experimental test setup was designed and the specimen was sensorized and prepared for the fatigue test. The raw data provided by the Vallen Systeme (commercial package used for the AE) were not satisfactory enough and signals were analyzed during post processing. Various algorithms have been implemented to identify the correct arrival time of the acoustic wave. The results of the various methods were analyzed, comparing how the localization of the crack tip improved.

Questo lavoro riguarda il monitoraggio di cricche da fatica tramite Structural Health Monitoring (SHM) con l’obiettivo di misurare la dimensione del danneggiamento presente in un pezzo. Tra i vari SHM esistenti, l’Emissione Acustica (AE) era quello più adatto a questa tipologia di problema. Lo scopo di questa tesi è localizzare tramite AE, la posizione dell’apice di una cricca di fatica in un componente, sfruttando il fenomeno dell’emissione acustica. Quando una cricca propaga nel pezzo, l’energia accumulata viene rilasciata come onde acustiche. Tramite una rete di sensori PZT applicati sulla superficie del componente, queste onde acustiche che propagano nel materiale, possono essere registrate. Sapendo quindi, i tempi di volo dei segnali e la posizione dei sensori, si può risalire alla posizione della sorgente acustica. La prima fase del lavoro riguarda la ricerca del miglior layout dei sensori, per massimizzare la precisione della localizzazione. Queste analisi preliminari sono state svolte su una lamiera di alluminio, simulando artificialmente degli eventi acustici. Una volta scelto il provino (trave in acciaio con sezione ad H), è stato progettato il setup della prova sperimentale e il provino è stato sensorizzato e preparato per il test a fatica. I dati grezzi forniti dal Vallen Systeme (pacchetto commerciale usato per l’AE) non sono stati abbastanza soddisfacenti e i segnali sono stati rielaborati durante il post processing. Sono stati implementati diversi algoritmi per individuare il corretto tempo di arrivo dell’onda acustica. I risultati dei vari metodi sono stati analizzati, confrontando come migliorava la localizzazione dell’apice della cricca.