Numerical and experimental analysis of wave propagation in damaged composite plates

In recent years the research in the aerospace field is focusing its attention on the development of advanced systems for damage detection. This field of research is called structural health monitoring (SHM). Among the various schemes being considered for this discipline, guided waves (GWs) testing, and Lamb waves in particular, has shown great promise, even if these techniques still are in their formative years. GWs offer an attractive solution for SHM due to their tunable sensitivity to dif- ferent defects and their ability to interrogate large structural surfaces. When dealing with composite structures, the complications associated with the material anisotropy and directionality result in an increased need for accurate and efficient simulation tools to characterize the wave propagation. Few results are available on the modeling of these waves by means of finite elements (FE), and this is particularly true for com- posite materials. In this thesis work an assessment of the FE models for wave propagation purposes is addressed. The attention is focused on mesh-driven wave directional propagation, and on numerical excitation techniques capable of single and multi-mode excitation. Secondly, a new method for predicting wave attenuation is presented. In order to do so, a particular filtering technique in the frequency-wavenumber domain is successfully developed. Eventually, the response in presence of structural damage is investigated. Beside the numerical analyses, an experimental investigation by means of a laser vibrometer is carried out. The achieved results are very promising, and let open various patterns for future investigations on the subject.

Negli ultimi anni la ricerca in campo aerospaziale sta concentrando la propria attenzione sullo sviluppo di sistemi avanzati atti a rilevare eventuali danneggiamenti presenti nella struttura. Questa branca della ricerca è nota con il nome di Structural Health Monitoring (SHM). Tra le tecniche in via di sviluppo, quella basata sulle onde guidate (guided waves, GWs), e in particolare sulle onde di Lamb, sta mostrando ottime potenzialità, anche se si trova ancora in una fase preliminare del suo sviluppo. L’interesse per questo tipo di onde deriva dal fatto che esse sono sensibili a varie tipologie di danno e sono in grado di “interrogare” larghe porzioni della struttura. Nel caso particolare delle strutture in composito, le complicazioni associate all’anisotropia del materiale sfociano direttamente nella necessità di strumenti di analisi sofisticati, al fine di caratterizzare in modo preciso il campo di propagazione delle onde. La scarsa disponibilità in letteratura di dati sulla modellazione delle onde guidate mediante l’utilizzo degli elementi finiti (finite elements, FE), specialmente per il caso dei materiali compositi, rende l’argomento molto interessante da un punto di vista della ricerca. Lo scopo primario di questo lavoro di tesi è quello fornire indicazioni quantitative precise su come modellare in modo corretto la propagazione delle onde in strutture in parete sottile. L’attenzione del lavoro è focalizzata sul capire come e quanto la mesh ad elementi finiti, i parametri di integrazione utilizzati durante l’analisisi, e le tecniche numeriche di eccitazione influiscono sulla direzionalità del campo di propagazione dell’onda. Il punto di partenza per effettuare questo tipo di analisi è dato dall’utilizzo di una tecnica particolare di filtraggio, nota con il nome di frequency-wavenumber domain filtering, per mezzo della quale è possibile separare i vari modi che si propagano nella struttura ed isolare il segnale di inter- esse. Fatto ciò, una nuova tecnica capace di valutare la direzionalità del campo di moto dovuto a parametri legati all’analisi ad elementi finiti è presentata. La medesima tecnica è utilizzata anche per analizzare il campo di moto generato dalla presenza di un difetto all’interno della struttura, mentre una variante della stessa è proposta come strumento di misura dell’attenuazione delle onde. I risultati ottenuti sono molto promettenti.