Development of a model for the assessment of SHM system influence on a UAV fleet lifecycle

The goal of this thesis has been the development of a method to evaluate the implications of the installation of structural health monitoring (SHM) systems on unmanned aerial vehicle (UAV) fleets. The primary objectives of this work are building a model useful to understand whether SHM systems and condition-based maintenance (CBM) logics are sustainable from an economic point of view and understanding how the system influences various operative parameters of the fleet. The SHM system implies installation and management cost, however, its use results in significant benefits. To reach this conclusion a discrete events simulation has been developed using Matlab, Simulink, and SimEvents environment. The first chapter summarizes some preparatory elements considered fundamental. The second chapter explains the methodology used to build the model and the logics that guided the work. The Matlab model interface is introduced presenting the various Matlab scripts used in the different phases: input generation, simulation set up and output extraction. In the third chapter the case study is presented, with all the given inputs used for the first implementation. Subsequently are presented other parameters that have been introduced to integrate different features of the model used to better emulate the life of the fleet. In the fourth chapter the model implementation to the case study is explained, along with the working logics, the parameters used and the main model subsystems. The model has been developed to be as flexible as possible to be able to extend the application on different scenarios. In the fifth chapter some of the possible outputs are presented. Three different comparison are carried out. The first show the difference of the key performance indicators (KPIs) of the fleet adopting the SHM system. The second presents an evaluation of the influence of the useful life extension of components obtainable thanks to the SHM system and as last the evaluation of the influence of SHM on a possible reduction of the number of aircrafts (ACs). In the sixth chapter an economic analysis has been performed considering only the cost that are influenced by the presence of the SHM system. The thesis is closed with a chapter of final considerations about the SHM implementations. Proposals and suggestion for possible future developments are included.

Il progetto di questa tesi è stato sviluppato col fine di costruire un metodo utile a definire le implicazioni dell'installazione di un sistema SHM su di una flotta di UAV, (unmanned aerial vehicle). Gli obiettivi primari di questo lavoro sono implementare un modello utile a capire se i sistemi SHM e la logica CBM, (condition-based maintenance), siano economicamente sostenibili e come il sistema SHM influenzi vari parametri della flotta. Il sistema SHM implica un'installazione e un costo di gestione, tuttavia il suo utilizzo si traduce in vantaggi significativi. Per raggiungere tale obiettivo è stata sviluppata una simulazione ad eventi discreti utilizzando l'ambiente Matlab, Simulink e SimEvents. Il primo capitolo riprende alcuni elementi propedeutici considerati fondamentali. Il secondo capitolo illustra la metodologia utilizzata per costruire il modello e le logiche che hanno guidato il lavoro. Viene introdotta l'interfaccia del modello Matlab presentando vari script utilizzati nelle diverse fasi, dalla generazione delle missioni, al set-up e lancio della simulazione, all'estrazione dell'output in una forma accessibile. Nel terzo capitolo viene presentato il caso studio, sono poi presentati gli input dati e usati per la prima implementazione del modello ed altri parametri introdotti al fine di integrare diverse caratteristiche del modello atte a emulare al meglio la vita della flotta. Nel quarto capitolo viene presentata l'implementazione del modello al caso studio, le logiche di lavoro, i parametri utilizzati ed i principali sottosistemi del modello. Il modello è stato sviluppato per essere il più flessibile possibile al fine di poter estendere l'applicazione su diversi scenari. Nel quinto capitolo vengono presentati alcuni dei possibili output. Tre diversi confronti vengono illustrati. Il primo mostra la differenza dei KPIs, (key performance indicators), con l'adozione del sistema SHM, la seconda presenta una valutazione dell'influenza dell'estensione della vita utile dei componenti, ottenibile grazie al sistema SHM ed infine viene presentata la valutazione dell'influenza del sistema SHM su una possibile riduzione del numero di ACs (aircrafts). Nel sesto capitolo è stata eseguita un'analisi economica considerando esclusivamente i costi che vengono influenzati dalla presenza del sistema SHM. La tesi si chiude con un capitolo di considerazioni finali sulla implementazione del sistema SHM. Vengono poi suggerite proposte e possibili sviluppi futuri.