Shape sensing of an aircraft stabilizer wing through the Inverse Finite Element Method

Aircraft are critical structures for what concerns the integrity. Nowadays, to guarantee their safety, they are frequently stopped and inspected, but these controls are expensive and require a long time. Thus, real-time monitoring of the structural condition would allow optimizing the maintenance schedule, reducing costs without compromising safety. Structural Health Monitoring (SHM) is a methodology to assess in real-time the integrity of structures, based on the constant acquisition of data from a sensor network installed on the structure. Within the different SHM methods, many of them are based on the strain field. These methods rely on the reconstruction of the structure deformed shape, also referred to as shape sensing. In this context, the Inverse Finite Element Method (iFEM) is a tool that allows reconstructing the displacement and strain fields from a set of input strain measures. Among the iFEM advantages, no information about the material properties and the external loads are needed, and this makes the method particularly convenient for aeronautical structures. The objective of this work is to perform the shape sensing of an aircraft stabilizer wing through the iFEM. The main challenge to face is that the structure is equipped with a very limited number of strain measures with respect to its dimensions and geometrical complexity. For this reason, the pre-extrapolation of the strain field over the entire structure is necessary, which is done through the Smoothing Element Analysis (SEA). In literature, no applications of the iFEM and SEA to similar case studies are present. To apply this methodology to the stabilizer, two literature gaps must be studied and recovered. The first one is the application of the SEA, which is defined in 2D, to a complex 3D structure with few strain measures. The second is the consideration of the local thickness effect on the strain measures when pre-extrapolating the strain field on a structure with variable thickness. These topics are investigated and solved in this work, proposing a development of the state-of-the-art pre-extrapolation procedure, which in the end allows applying the methodology to the stabilizer case study.

Le strutture aeronautiche sono tra le più critiche dal punto di vista dell’integrità. Al giorno d’oggi, per verificarne lo stato di salute, i velivoli vengono frequentemente sottoposti a controlli. Tuttavia, queste ispezioni sono costose e necessitano di fermare il velivolo per molto tempo. Monitorare in tempo reale l’integrità della struttura permetterebbe quindi di ottimizzare la programmazione degli interventi di manutenzione, riducendo i costi senza compromettere la sicurezza. Il Monitoraggio Strutturale (SHM) è basato sulla costante acquisizione di dati da una rete di sensori installata sulla struttura. Tra i vari metodi SHM, molti di essi si basano su misure del campo di deformazione. In particolare, il Metodo degli Elementi Finiti Inversi (iFEM) permette di ricostruire la deformata della struttura (shape sensing) usando come input alcune misure di deformazione, senza la necessità di conoscere le proprietà del materiale e i carichi applicati. L’obiettivo di questo lavoro è applicare l’iFEM ad un componente aeronautico, precisamente uno stabilizzatore, per ricostruirne i campi di spostamento e deformazione. La maggiore difficoltà sta nel fatto che la struttura è equipaggiata con una rete di sensori molto limitata, soprattutto in relazione alle sue dimensioni e alla sua complessità geometrica. Per questo motivo, prima di applicare l’iFEM, si rende necessaria la pre-estrapolazione del campo di deformazione a partire dalle poche misure disponibili. Per quest’ultima si adotta la tecnica Smoothing Element Analysis (SEA). Tuttavia, in letteratura non esiste alcuna applicazione di queste metodologie a strutture così complesse. In particolare, per poter applicare l’iFEM allo stabilizzatore, due aspetti non trattati in letteratura necessitano di essere studiati e colmati. Il primo è l’applicazione della SEA, la quale è definita in 2D, a una struttura 3D complessa con poche misure. Il secondo consiste nel considerare l’effetto dello spessore locale sulle misure di deformazione durante la pre-estrapolazione su una struttura con spessore variabile. In questo lavoro, entrambi questi aspetti vengono analizzati e risolti, proponendo uno sviluppo della procedura di pre-estrapolazione disponibile allo stato dell’arte, che infine permette l’applicazione dell’iFEM al caso studio dello stabilizzatore.