Economic impact assessment of structural health monitoring systems on the life cycle of aeronautical structures

The adoption of Structural Health Monitoring Systems in aeronautical structures was widely investigated in the literature; however, their application to the industrial field is still limited. One of the reasons lies the lack of case studies regarding their economic impact on the life cycle of structural elements. This thesis work was aimed at defining a method for the evaluation of the economic impact of FBG-based Structural Health Monitoring Systems on composite aeronautical structures. A case study of a composite helicopter tail rotor blade was considered. In the first stage, the performances of the Structural Health Monitoring Systems were investigated. A Finite Element model of the blade root was developed and validated with experimental data, and it was parameterized with a Matlab script, which allowed introducing damages having different dimensions and locations to train the damage detection algorithms. The latter was developed in such a way to decouple the effects of the load variability and the effects of the damage. The performances of the algorithm were evaluated in terms of Probability Of Detection, Probability of False Alarm, and capability to estimate the damage size and location, introducing different levels of Gaussian noise. The modelling of the life cycle of the helicopter blade was carried out using the Life Cycle Costing methodology, comparing two alternative scenarios: the first related to the current status and the second involving the adoption of Structural Health Monitoring Systems. Two different life cycle stages were studied: Beginning Of Life and Middle Of Life, corresponding to the production and usage phase of the blade respectively. The IDEF0 formalism was adopted to model all the processes involved in the two scenarios, allowing for a better identification of input, output, resources and constraints to which each process was subjected. In the Beginning Of Life stage the Structural Health Monitoring System was supposed to be employed in the development of new composite blades, acquiring the temperature distribution and shape distortions for the accurate setup of the curing cycle of the blade, replacing the thermocouples, and acquiring the mechanical strains during the certification tests of the blade, replacing the strain gauges. The cost model was built under the assumption that a number of curing cycles could be saved thanks to a higher quality of the temperature measure of the FBG sensors compared to thermocouples. Due to a higher quality of strain field measured with FBG sensors compared to the strain gauges, a reduced number of tested blades was also assumed. The Structural Health Monitoring System was also supposed to be employed in the load survey activity, replacing the strain gauges acquiring the flight loads and avoiding their periodical maintenance due to the ageing. Regarding the Middle Of Life stage, the potential benefits of the Structural Health Monitoring System were evaluated considering a realistic scenario. In the first years of the life cycle, the scheduled inspections were supposed to be performed with the Structural Health Monitoring System in addition to the traditional scheduled ones. In the last years of the life cycle, the Structural Health Monitoring System was supposed replacing the traditional scheduled inspections. The cost model was implemented in a script performing the Probabilistic Damage Tolerance Analysis: this allowed comparing two scenarios, with and without the Structural Health Monitoring System, having the same blade Probability Of Failure of the blade. Net Present Value was chosen as the performance index, and the cost model was built considering different variables, such as the cost of the blade, the revenue loss due to helicopter downtime and the manpower for maintenance. Results show that, if the Structural Health Monitoring System allows a sufficient reduction in the number of curing cycles, economic benefits could be gained in the Beginning Of Life stage. Analogous results were found considering the certification tests for the blade: if a sufficient reduction in the number of blade tested is achieved, economic benefits could be gained. Considering the Middle Of Life stage, it was found that the scheduled inspection intervals could be extended maintaining the same Probability Of Failure if scheduled inspection with the Structural Health Monitoring System are performed in addition. However, the adoption of the Structural Health Monitoring System led to the execution of a higher number of unscheduled activities, which are costlier than the scheduled ones: this aspect led to evaluate its economic impact as negative on the life cycle of the helicopter. In fact, being the blade a component exposed to impacts with foreign objects, the probability to find a damage during an inspection is higher compared to other internal structural elements, and this aspect leads to perform maintenance operations in any case, with or without the Structural Health Monitoring System. Economic benefits may be achieved sensorizing the internal structural elements, where most of the time the inspections are performed without evidencing any damage, thus saving the disassembling of the surrounding elements if not necessary.

L’utilizzo dei sistemi di monitoraggio strutturale nelle strutture aeronautiche è stato ampiamente studiato in letteratura, nonostante questo, la loro applicazione in campo industriale è ancora limitata. Una delle ragioni risiede nella mancanza di casi di studio riguardanti il loro impatto economico sul ciclo di vita degli elementi strutturali monitorati. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di definire un metodo per la valutazione dell’impatto economico di un sistema di monitoraggio strutturale, basato su sensori FBG, applicato a strutture aeronautiche in composito. Il caso di studio preso in considerazione è rappresentato una pala in composito del rotore di coda di un elicottero. Come primo passo, sono state valutate le prestazioni del sistema di monitoraggio strutturale. E’ stato creato un modello a Elementi Finiti della radice della pala e, successivamente, validato con dati sperimentali. Il modello è stato reso parametrico tramite uno script Matlab, che ha permesso di introdurre danneggiamenti di diverse dimensioni e in diverse posizioni, allo scopo di allenare l’algoritmo di rilevazione dei danni. Quest’ultimo è stato sviluppato in modo tale da disaccoppiare gli effetti della variabilità del carico dagli effetti dovuti alla presenza di un danneggiamento. Le prestazioni dell’algoritmo sono state valutate in termini di probabilità di rilevazione di un danno, probabilità di falso allarme, capacità di stimare la dimensione del danno e la sua posizione, introducendo diversi livelli di rumore Gaussiano. La modellazione del ciclo di vita della pala d’elicottero è stata realizzata utilizzando la metodologia del Life Cycle Costing, comparando due scenari alternativi: il primo relativo alla situazione attuale, il secondo relativo all’applicazione del sistema di monitoraggio strutturale. Sono state considerate due fasi del ciclo di vita: Beginning Of Life e Middle Of Life, relativi alla fase di produzione e alla fase di utilizzo della pala, rispettivamente. Il formalismo IDEF0 è stato utilizzato per modellare i processi coinvolti nei due scenari, permettendo di identificare gli input, gli output, le risorse e i vincoli ai quali i processi sono sottoposti. Nella fase di Beginning Of Life, il sistema di monitoraggio strutturale è stato ipotizzato essere impiegato nello sviluppo di nuove pale in composito, acquisendo la distribuzione di temperatura e le distorsioni di forma per un’accurata definizione del ciclo di polimerizzazione della pala, rimpiazzando le termocoppie utilizzate nello scenario corrente. Un’altra applicazione ipotizzata del sistema di monitoraggio nella fase di Beginning Of Life è stata relativa all’acquisizione delle deformazioni durante i test certificativi della pala, rimpiazzando gli strain gauges attualmente utilizzati. Il modello di costo è stato sviluppato con l’assunzione che l’aumento di qualità nelle misure di temperatura dei sensori FBG, rispetto alle termocoppie, potesse ridurre il numero di cicli di polimerizzazione. Analogamente, si è ipotizzato che un aumento nella qualità della misura del campo di deformazione ottenuto con i sensori FBG, rispetto agli strain gauges attualmente utilizzati, potesse ridurre il numero di test svolti sulla pala. Il sistema di monitoraggio è stato anche ipotizzato essere impiegato nell’attività di load survey, che prevede l’acquisizione dei carichi durante il volo, rimpiazzando gli strain gauges, ed evitando la manutenzione a loro associata dovuta all’ageing. I potenziali benefici derivanti dall’impiego del sistema di monitoraggio nella fase di Middle Of Life sono stati valutati considerando uno scenario realistico. Nei primi anni di vita, le ispezioni programmate sono state ipotizzate essere svolte tramite il sistema di monitoraggio strutturale, alle quali sono state aggiunte le tradizionali ispezioni programmate svolte dall’operatore. Negli ultimi anni di vita della macchina, le ispezioni svolte tramite il sistema di monitoraggio strutturale sono state ipotizzate rimpiazzare completamente le ispezioni tradizionali svolte dall’operatore. Il modello di costo è stato implementato in uno script di Matlab, in cui viene svolta la Probabilistic Damage Tolerance Analysis: questo ha permesso di comparare i due scenari, con e senza il sistema di monitoraggio, aventi la stessa Probability Of Failure della pala. Il Net Present Value è stato utilizzato come indice di merito nella comparazione dei due scenari, e il modello di costo è stato realizzato considerando diverse variabili, come ad esempio il costo della pala, il mancato guadagno dovuto al fermo macchina e la manodopera richiesta per la manutenzione. I risultati hanno mostrato che, se il sistema di monitoraggio strutturale permettesse di ridurre il numero il numero di cicli di polimerizzazione sotto un determinato valore di soglia, si otterrebbe un beneficio economico nella fase di Beginning Of Life. Analogamente, riguardo i test certificativi, se il sistema di monitoraggio strutturale permettesse di ridurre il numero di test sotto un determinato valore di soglia, si otterrebbe un beneficio economico. Riguardo la fase di Middle Of Life, si è dimostrato che è possibile estendere gli intervalli ispettivi di manutenzione tradizionale, mantenendo la stessa Probability Of Failure della pala, se in aggiunta vengono eseguite delle ispezioni automatiche utilizzando il sistema di monitoraggio. L’utilizzo del sistema di monitoraggio ha portato all’esecuzione di un numero elevato di attività non programmate, più costose rispetto a quelle programmate: questo aspetto ha portato a valutare l’impatto economico del sistema di monitoraggio come negativo sul ciclo di vita della pala. Infatti, essendo la pala un componente esposto a impatti accidentali, la probabilità di trovare un danneggiamento durante un’ispezione è più alta rispetto a un componente interno alla struttura del velivolo. Questo aspetto porta a eseguire la manutenzione in ogni caso, con o senza la presenza del sistema di monitoraggio. I componenti aeronautici che potrebbero beneficiare della presenza del sistema di monitoraggio sono quelli interni alla struttura del velivolo, nei quali la maggior parte delle ispezioni non evidenzia alcun danneggiamento: in questo caso, il sistema di monitoraggio può evitare lo smontaggio del componente, e di quelli circostanti, se non necessario per operazioni di riparazione.