Studio sperimentale finalizzato al monitoraggio di difettosità interne in laminati CFRP per utilizzo aeronautico, mediante approccio ultrasonoro con onde di Lamb

This work has developed a process of structural health monitoring non-destructive testing of composite panels in carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) using, specifically, the guided ultrasonic waves or Lamb waves, the order to identify the position of defects in the structure, using a calculation algorithm to analyze the signal from the sensors piezoelectric appropriately positioned. The work program has provided a preliminary phase to the understanding the propagation waves phenomenon in the material throughout the frequency range of excitation up to the cut-off identified around 300 kHz, until there are only the first fundamental modes A0 S0 and SH0. This was possible with the validation of numerical data already available from the previous study "Analisi e progettazione sperimentale applicata al monitoraggio strutturale di pannelli fibro rinforzati mediante onde di Lamb", with the implementation of a massive campaign of experimental tests of measurement. The first step of the program work has also demonstrated the negligible presence of propagation S0 mode to below the critical frequency of 50kHz, to obtain this result, we served of coupled measures propagation modes A0 and S0 through the flight times between sensor actuator and sensor receiver. It is therefore implemented a model FEM for the calculation of the speed A0 and that found validation in the experiments carried out on laminates. After understanding the propagation phenomenon, it is focused on the identification of defects caused artificially with teflon patch inserted within the laminate to simulate a delamination, to facilitate the identification of a valid method of working. The characterization of the approach with the technique Pulse -Echo has found a solid comparison with the NDT techniques more traditional. RT radiographic control, the C -Scan control, and Phased Array technique, were able to give incontrovertible proof of correct identification of the position of the defects. Featuring good behavior of the Pulse -Echo technique, we moved to the study of the interaction phenomenon of Lamb waves using Pitch Catch approach to artificial delaminations. The study has therefore shifted its focus on the interaction of the wave with natural defects, which were obtained on intact panels through impact tests at different energy they caused in the structure of delaminations in the inner layers of the composite. From emphasize at this stage, the fundamental importance of the results obtained with traditional NDT tests that have allowed the characterization of damage after the impact, and allowed the comparison with the experimental results Pulse Echo and Pitch Catch, allowing validation. Finally, there are factors that characterize separately the type of artificial and natural damages. To artificial damage the factor are dimension, position in the thickness in laminate and wave frequency diagnostic use, for the natural damage instead you add the energy used in the impact to get the delamination. The final chapter has been involved in analyzing the syntetic parameters to characterize these factors by statistical analysis DOE through the corresponding 2k factorial plan. This has allowed us to identify each parameter in each approach, which factors above has greater influence in the interaction with the diagnostic wave.

La presente tesi di laurea ha sviluppato un processo di monitoraggio strutturale non distruttivo di pannelli compositi fibro-rinforzati in carbonio (CFRP) utilizzando, nello specifico, le onde ultrasonore guidate o onde di Lamb, allo scopo di individuare la posizione dei difetti nella struttura, mediante un algoritmo di calcolo in grado di analizzare il segnale proveniente dai sensori piezoelettrici opportunamente posizionati. Il programma di lavoro ha previsto una fase preliminare rivolta alla comprensione del fenomeno di propagazione del moto ondoso all’interno del materiale in tutto il campo di frequenze di eccitazione fino a quella di cut-off identificata attorno a 300 kHz, fino alla quale sono presenti solo i primi modi fondamentali A0 S0 e SH0. Ciò è stato possibile attraverso la validazione dei dati numerici già disponibili, provenienti dal precedente studio svolto nel precedente lavoro di tesi “Analisi e progettazione sperimentale applicata al monitoraggio strutturale di pannelli fibro rinforzati mediante onde di Lamb”, grazie all’implementazione di una massiccia campagna di prove sperimentali di misura. Il primo punto del programma di lavoro, ha inoltre dimostrato la presenza trascurabile del modo propagativo S0 al disotto della frequenza critica di 50kHz; per ottenere questo risultato, ci si è serviti di misure accoppiate dei modi propagativi A0 e S0 tramite i tempi di volo tra sensore attuatore e sensore ricevitore. Si è quindi implementato un modello FEM per il calcolo della velocità propagativa A0, che ha trovato validazione negli esperimenti svolti sui laminati. Dopo la comprensione del fenomeno di propagazione, si è focalizzata l’attenzione sull’individuazione di difetti provocati artificialmente con patch di teflon inserite all’interno del laminato a simulare una delaminazione, questo per facilitare l’individuazione di un valido metodo di lavoro. La caratterizzazione dell’approccio con la tecnica Pulse-Echo ha trovato un solido riscontro con le tecniche NDT più tradizionali. Il controllo radiografico RT, il controllo C-Scan, e la tecnica Phased Array, hanno potuto così dare prova incontrovertibile della corretta individuazione della posizione dei difetti. Caratterizzato il buon comportamento della tecnica Pulse-Echo, si è passati allo studio del fenomeno di interazione delle onde di Lamb utilizzando l’approccio Pitch Catch unito anch’esso alle delaminazioni artificiali. Lo studio, ha quindi spostato la sua attenzione dedicando un capitolo all’interazione dell’onda con i difetti naturali, i quali sono stati ottenuti sui pannelli integri attraverso prove di impatto a differente energia che hanno provocato nella struttura delle delaminazioni negli strati interni di composito. Da sottolineare in questa fase, la fondamentale importanza dei risultati ottenuti con prove NDT tradizionali che hanno permesso la caratterizzazione del danno a seguito dell’impatto e hanno permesso il confronto con i risultati sperimentali Pulse Echo e Pitch Catch, permettendone la validazione. Vi sono infine dei fattori che caratterizzano distintamente la tipologia di difetti artificiali e naturali. Per i primi troviamo dimensione, posizione nello spessore all’interno del laminato e frequenza dell’onda diagnostica utilizzata; per i secondi invece si aggiunge l’energia utilizzata nell’impatto per ottenere la delaminazione. Il capitolo conclusivo si è occupato di analizzare i parametri sintetici che caratterizzano questi fattori mediante analisi statistica DOE attraverso i corrispondente piano fattoriale 2k. Ciò ha permesso di individuare per ogni parametro sintetico calcolato in ogni approccio, quale dei fattori soprariportati caratterizzanti le anomalie ha maggior influenza nell’interazione con l’onda diagnostica.