Real-time algorithm for deformed shape reconstruction of a beam applied to helicopter blades

The aim of the presented Master thesis was to develop a real-time algorithm for shape reconstruction of a beam-like structure based on the measurements from strain sensors applied to helicopter blades. This report is written in order to elaborate on the achieved results as well as describe in detail the verification of the algorithm. The first part of the report is devoted to the description of the available shape reconstruction methods and applications of the aforementioned algorithms with special emphasis on applications in the aerospace industry, especially in helicopter rotor-state determination. The following part consists of the description of the formulas used to develop the algorithm, and beam models used for the verification of the algorithm. In addition, this section presents also an algorithm developed for numerical shape determination based on modal analysis of the helicopter blade. The report presents also in a graphical way the implementation of the algorithm into the Matlab script and later into the real-time Simulink model, which has been used in co-simulation with MBDyn software, using which multibody models of the beams has been prepared. Validation of the applied model has been performed using a circular beam model to which various load cases have been applied to check the behavior of the algorithm in different load conditions. In addition, the report consists of the analysis of the algorithm and considerations concerning the number of the sensors per section, the number of the measuring stations, and the number of modal shapes used in the algorithm. The algorithm was also verified using experimental results from the Princeton beam experiment. Lastly, the real-time Simulink model has been applied to a helicopter rotor model developed in MBDyn to present its application to the shape reconstruction of a helicopter blade.

L'obiettivo di questa tesi di Laurea Magistrale è sviluppare un algoritmo in tempo reale per la ricostruzione della forma di una struttura a trave basata sulle misurazioni dei sensori di deformazione applicati alle pale di elicottero. Questo documento elabora i risultati raggiunti e descrive in dettaglio la verifica dell'algoritmo. La prima parte del documento è dedicata alla descrizione dei metodi esistenti per la ricostruzione della forma e alle applicazioni dei suddetti algoritmi, con particolare attenzione ad applicazioni in ambito aerospaziale, in particolare alla ricostruzione dello stato di un rotore di elicottero. La parte successiva descrive le formule utilizzate per sviluppare l'algoritmo e i modelli di trave utilizzati per la verifica dell'algoritmo. Questa sezione presenta inoltre l’algoritmo sviluppato per la determinazione numerica della forma basata sull'analisi modale di una pala di elicottero. Il documento presenta anche in forma grafica l'implementazione dell'algoritmo sotto forma di script Matlab e successivamente di modello Simulink in grado di funzionare in tempo reale, che è stato utilizzato in co-simulazione con il software MBDyn, quest’ultimo utilizzato per simulare modelli multibody di travi. Il modello è stato validato utilizzando un modello di trave a sezione circolare, a cui sono state applicate varie condizioni di carico per verificare il comportamento dell'algoritmo in diverse condizioni di funzionamento. L'analisi dell'algoritmo ha richiesto anche considerazioni sul numero di sensori per sezione, di stazioni di misura e di forme modali necessarie per la ricostruzione della forma della trave. L'algoritmo è stato verificato anche utilizzando i risultati sperimentali della cosiddetta trave di Princeton. Il modello Simulink operante in tempo reale è stato infine applicato a un modello di rotore di elicottero sviluppato in MBDyn per illustrarne l’applicazione alla ricostruzione della forma di una pala di elicottero in condizioni operative.