Application of real time structural health monitoring in a particle filtering algorithm for residual useful life estimation of damaged structures

Aim of this thesis is the application of a fully integrated Structural Health Monitoring system in algorithms able to estimate the Residual Useful Life of damaged structures. Especially, the thesis handles the problem of crack growth monitoring in fuselage of rotary wing aircraft. Crack propagation due to dynamic loads is one of the most critical phenomena affecting the aircraft fuselages. Additionally, the corrosion and the impacts due to harsh environmental conditions increase the necessity of advanced methodologies to assess the structural integrity. Structural Health Monitoring has receives considerable attention in the last years. Structural Health Monitoring consists of integrated multi-disciplinary methodologies with the intent to assess the condition of the structures. Especially, real time Structural Health Monitoring (object of this thesis) provides continuous information through embedded sensor networks and algorithms able to evaluate the presence of damage (Diagnosis) and give an estimation of the residual lifetime (Prognosis). It can be considered a useful device capable of reduce the maintenance costs and increase the safety. Prognosis is the field in which this thesis is placed, focusing on real time algorithm to evaluate the residual lifetime. One of the most advanced mathematical techniques based on Bayesian Filters will discuss. These techniques merge the mathematical model of the fatigue crack growth with the Bayesian inference and the Monte Carlo Sampling explained in the thesis. The proposed technique named Particle Filter has the capability to generate the Probability Density Function concerning the length of the present damage, providing a statistical lifetime prediction, too. The problems related to the employment of this advanced technique in a real application are debated. An innovative resampling technique concerning the Bootstrap Particle Filter is proposed, underling advantages and drawbacks.

Scopo di questa tesi è l’applicazione di un sistema di monitoraggio strutturale completamente integrato in algoritmi in grado di stimare la vita utile residua di strutture danneggiate. In particolare, la tesi affronta il problema del monitoraggio di danneggiamenti all’interno delle fusoliere di velivoli ad ala rotante. La propagazione di cricche causata da carichi dinamici è uno dei fenomeni critici che affligge l’integrità delle strutture aeronautiche. Se vengono considerati anche gli agenti esterni come la corrosione e gli impatti, che possono produrre ulteriori danni sulla fusoliera, la possibilità di monitorare e valutare in tempo reale lo stato della struttura diventa ulteriormente interessante. L’ampio campo del monitoraggio strutturale ha ricevuto attenzioni considerevoli negli ultimi anni. In particolare, le metodologie di Structural Health Monitoring consistono in un approccio multidisciplinare completamente integrato in grado di valutare le condizioni della struttura in esame. L’applicazione di questa metodologia in tempo reale (oggetto di questa tesi) dà la possibilità di valutare la serietà del danneggiamento (Diagnosi) e di stimare la vita utile rimanente della struttura (Prognosi) attraverso algoritmi e reti di sensori installate a bordo. Tale metodologia può essere considerata un utile strumento non solo per ridurre i costi di manutenzione, ma anche per incrementare la sicurezza dell’intero velivolo. La presente tesi si concentra sull’applicazione in tempo reale di algoritmi di Prognosi capaci di stimare la vita utile di strutture danneggiate. Verrà affrontata una delle tecniche matematiche più avanzate basata sul tracciamento Bayesiano. Questa tecnica unisce i modelli matematici di propagazione della cricca con l’inferenza statistica Bayesiana e i metodi di estrazione Monte Carlo, che verranno ampiamente descritti durante la tesi. L’algoritmo proposto, chiamato Particle Filter (o Filtro a Particelle), è in grado di generare la densità di probabilità legata alla lunghezza di cricca presente nella struttura e quella relativa alla vita utile rimanente. La tesi affronta le problematiche relative all’applicazione di queste tecniche statistiche in un reale sistema di monitoraggio strutturale, proponendo inoltre una tecnica innovativa di resampling, sottolineando vantaggi e svantaggi.