The structural integrity of vehicles has always been a fundamental key point, for safety and economic reasons. The most common approach to face this issue is the Preventive Maintenace (PM), that consists in assessing the structural health by means of Non-Destructive Testing (NDT) techniques during scheduled inspections. The approach requires to stop the vehicle, allowing skilled operators to check for any structural anomaly. The main drawbacks associated to this approach are the high costs related to the unavailability of the machine and to the skilled manpower. Moreover, the structural condition is known only when inspections are performed with a lack of vehicle health state awareness between two consecutive scheduled maintenance periods. For these reasons, in the last decades a different approach is becoming more and more popular: the Condition-based Maintenance (CBM). This maintenance philosophy is applied by means of Structural Health Monitoring (SHM) systems, which allow to monitor structures in real-time thanks to the continuous acquisition of embedded sensors. In this way, the maintenance procedures are applied only when the structure actually needs them, saving time and money. This philosophy has great relevance especially for the applications where the people safety is involved, such as in the aeronautical and civil fields. A relevant application is the Impact Monitoring (IM) of composite structures, which are increasingly used in the aeronautical field, mostly because of their high strength to weight ratio. In fact, these structures are very susceptible to Barely Visible Impact Damages (BVID), such as delamination, that cannot be observed by visual inspection, and propagates hidden in the structure, leading to unexpected catastrophic failures. The work of this thesis deals with the development and application of a Passive Impact Monitoring (PIM) system on a composite wing, where some Piezoelectric sensors are surface bonded. Indeed, impact events generate strain waves in the structure, that can be detected by strain sensors. For the development and the training of the PIM system several experiments have been performed using a dynamometric hammer, while for validating the monitoring methodology both hammer impacts and ballistic impacts have been performed. To investigate more real conditions, a part of the validation activities has been dedicated to hammer impacts conditions with the wing under constant and cycling loads. The developed PIM system first is able to detect the impact occurrence observing if the signal exceeds a fixed threshold. Then the Times Of Arrival (TOAs) of the strain waves to the sensors are computed, testing two different methods: the first one based on the signal baseline, while the other based on the detection of a specific wave oscillation for all the sensors. In the second step of the system, the impact localization is performed with two different methods: a Triangulation-based method and an ANN-based method. Both exploit the Time Differences of Arrival (TDOAs) of the sensors, that can be calculated using the TOAs previously computed. The third step of the system is the reconstruction of the contact force time history, exerted on the wing by the impacting object. The Force Reconstruction (FR) is based on the training of the sensors Frequency Response Function (FRF), and the application of the frequency deconvolution method. Finally, the impact event is characterized analyzing the impact force peak and the impact period. This allows to distinguish between High Velocity Impacts (HVI), low energy Low Velocity Impacts (LVI) and high energy LVI. This classification allows to state if a damage is expected or not on the structure, also foreseeing the kind of damage(i.e. delamination or perforation). The structure of the thesis follows the PIM phases just mentioned, discussing its design, training, validation and showing the main results obtained during the activities, together with the aspects that requires further investigations.
L'integrità strutturale di veicoli è sempre stata un fattore fondamentale per ragioni di sicurezza ed economiche. L'approccio più comunemente usato per affrontare questo aspetto è la "Manutenzione Preventiva". Essa consiste nella valutazione dello stato strutturale tramite ispezioni non distruttive (NDT) programmate. Questo approccio richiede il fermo macchina per permettere ad operatori specializzati di controllare la presenza di potenziali anomalie strutturali. I principali svantaggi di questo metodo sono gli alti costi di indisponibilità del veicolo e della manodopera specializzata necessaria. Inoltre, le condizioni strutturali sono note solo al momento dell'ispezione non potendo così conoscerle nel periodo che intercorre tra due ispezioni consecutive. Per questi motivi, negli ultimi decenni un approccio differente sta divenendo sempre più popolare: la "Manutenzione Secondo Condizione". Questa filosofia di manutenzione viene applicata tramite sistemi di monitoraggio strutturale, in grado di valutare le condizioni della struttura in tempo reale, grazie a continue acquisizioni di sensori integrati nella stessa. In questo modo la manutenzione viene effettuata solo quando la struttura la necessita, aumentando la disponibilità della macchina e riducendo i costi. Questo tipo di manutenzione risulta molto importante specialmente per applicazioni in cui è coinvolta la sicurezza di persone, ad esempio in campo aeronautico o civile. Un'applicazione rilevante è il monitoraggio di impatti su materiali compositi, i quali sono sempre più utilizzati nel campo aeronautico, principalmente per il loro alto rapporto resistenza-peso. Infatti, questi materiali sono molto soggetti a danneggiamenti nascosti, come la delaminazione, che non possono essere identificati tramite ispezioni visive, ma che si propagano in modo latente fino a provocare improvvisi cedimenti catastrofici. Questa tesi riguarda lo sviluppo e l'applicatione di un sistema di monitoraggio passivo di impatti per un ala in fibra di carbonio, sulla cui superficie sono integrati alcuni sensori piezoelettrici. Infatti, quando avviene un impatto, nel materiale vengono generate delle onde di deformazione, che possono essere rilevate da sensori di deformazione. Per l'implementazione e il training del sistema di monitoraggio passivo sono stati effettuati numerosi esperimenti impattando l'ala con un martelletto dinamometrico, mentre per validare i metodi utilizzati sono stati effettuati sia impatti con il martelletto, che impatti balistici. Per considerare condizioni operative più simili alle reali, una parte delle attività di validazione è stata svolta impattando con il martelletto ed essendo l'ala sotto carico, sia costante, che ciclico. Per prima cosa, il sistema sviluppato è in grado di rilevare la presenza di un impatto, controllando quando il segnale di deformazione eccede una certa soglia. Successivamente i tempi di arrivo dell'onda di deformazione ai sensori sono calcolati, impiegando due diversi metodi: il primo basato sulla linea di base dei segnali, e il secondo basato sulla cattura di una specifica oscillazione d'onda per tutti i sensori. Nel secondo passaggio del sistema, la posizione di impatto viene localizzata utilizzando due diversi metodi: uno basato sulla triangolazione e l'altro basato su una rete neurale. Entrambi sfruttano i tempi differenziali di arrivo dell'onda (TDOAs) ai sensori, calcolati a partire dai tempi precedentemente estrapolati. Il terzo passo del sistema è la ricostruzione della storia temporale della forza di contatto, che si genera all'interfaccia tra l'ala e l'oggetto impattante. Questo passaggio è basato sulla stima della risposta in frequenza (FRF) dei sensori, e sull'applicazione del metodo di deconvoluzione nel dominio delle frequenze. Infine, l'impatto è classificato, analizzando il picco di forza e il periodo di impatto. Questo permette di distinguere impatti ad alta velocità, impatti a bassa velocità con bassa energia ed impatti a bassa velocità con alta energia. Questa classificazione permette di valutare se un danneggiamento è previsto, anche prevedendo il tipo di danneggiamento (delaminazione o perforazione). La struttura della tesi segue le fasi del sistema di monitoraggio sopra riportate, analizzando il suo sviluppo, training, validazione e mostrando i principali risultati ottenuti durante le attività, insieme agli aspetti che richiedono ulteriori ricerche.
A passive impact monitoring system for an aeronautical composite structure
Libeccio, Giacomo
2019/2020
Abstract
The structural integrity of vehicles has always been a fundamental key point, for safety and economic reasons. The most common approach to face this issue is the Preventive Maintenace (PM), that consists in assessing the structural health by means of Non-Destructive Testing (NDT) techniques during scheduled inspections. The approach requires to stop the vehicle, allowing skilled operators to check for any structural anomaly. The main drawbacks associated to this approach are the high costs related to the unavailability of the machine and to the skilled manpower. Moreover, the structural condition is known only when inspections are performed with a lack of vehicle health state awareness between two consecutive scheduled maintenance periods. For these reasons, in the last decades a different approach is becoming more and more popular: the Condition-based Maintenance (CBM). This maintenance philosophy is applied by means of Structural Health Monitoring (SHM) systems, which allow to monitor structures in real-time thanks to the continuous acquisition of embedded sensors. In this way, the maintenance procedures are applied only when the structure actually needs them, saving time and money. This philosophy has great relevance especially for the applications where the people safety is involved, such as in the aeronautical and civil fields. A relevant application is the Impact Monitoring (IM) of composite structures, which are increasingly used in the aeronautical field, mostly because of their high strength to weight ratio. In fact, these structures are very susceptible to Barely Visible Impact Damages (BVID), such as delamination, that cannot be observed by visual inspection, and propagates hidden in the structure, leading to unexpected catastrophic failures. The work of this thesis deals with the development and application of a Passive Impact Monitoring (PIM) system on a composite wing, where some Piezoelectric sensors are surface bonded. Indeed, impact events generate strain waves in the structure, that can be detected by strain sensors. For the development and the training of the PIM system several experiments have been performed using a dynamometric hammer, while for validating the monitoring methodology both hammer impacts and ballistic impacts have been performed. To investigate more real conditions, a part of the validation activities has been dedicated to hammer impacts conditions with the wing under constant and cycling loads. The developed PIM system first is able to detect the impact occurrence observing if the signal exceeds a fixed threshold. Then the Times Of Arrival (TOAs) of the strain waves to the sensors are computed, testing two different methods: the first one based on the signal baseline, while the other based on the detection of a specific wave oscillation for all the sensors. In the second step of the system, the impact localization is performed with two different methods: a Triangulation-based method and an ANN-based method. Both exploit the Time Differences of Arrival (TDOAs) of the sensors, that can be calculated using the TOAs previously computed. The third step of the system is the reconstruction of the contact force time history, exerted on the wing by the impacting object. The Force Reconstruction (FR) is based on the training of the sensors Frequency Response Function (FRF), and the application of the frequency deconvolution method. Finally, the impact event is characterized analyzing the impact force peak and the impact period. This allows to distinguish between High Velocity Impacts (HVI), low energy Low Velocity Impacts (LVI) and high energy LVI. This classification allows to state if a damage is expected or not on the structure, also foreseeing the kind of damage(i.e. delamination or perforation). The structure of the thesis follows the PIM phases just mentioned, discussing its design, training, validation and showing the main results obtained during the activities, together with the aspects that requires further investigations.File | Dimensione | Formato | |
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