Finite elements modeling of guided wave propagation in composite laminates for structural health monitoring applications

The necessity of the aerospace industry to reduce the cost, but to keep good safety standards has brought to the improvement of Structural Health Monitoring (SHM) applications. The objective of a SHM system is to allow an easily an low-cost detection of damages, before critical levels. As the diffusion of composite materials poses relevant problem regarding damage tolerance and damage detectability, SHM is one of the most promising technique for the development of lighter, more efficient and more reliable structures. Guided waves are one of the most interesting instruments for damage identification, basing on in-situ actuation and acquisition and on the possibility to correlate anomalies in wave propagation with internal damage. Modeling this kind of waves with a versatile approach as the Finite Elements (FE) allows great improvements in the SHM field of research, because this approach can reduce the experimental analyses and thus the development costs of a SHM system. Since the complex nature of the guided waves, especially in composite laminates, a validation of these FE models must be provided. This is the objective of this thesis. To accomplish this task the results obtained by the FE models are compared with the ones provided by another numerical technique expressly developed to model waves in plates. Such a technique is known as Semi-Analytical Finite Element (SAFE). This comparison is only possible after a particular post-processing technique, which involve the recursive use of the Fourier transform, of the displacements measured in the FE models. Finally these data are compared with the ones obtained from an experimental analysis of three different type of laminates. Since the results of the FE, of the SAFE and of the experiments are very similar, it is demonstrated that the FE models provided are well-suited to represent wave propagation in composite plates.

La continua necessità dell'industria aerospaziale di ridurre i costi, ma di mantenere alti standard di sicurezza ha portato allo sviluppo di applicazioni di Structural Health Monitoring (SHM). L'obiettivo di un sistema di SHM è quello di permettere una rilevazione facile ed economica dei danni prima che possano raggiungere livelli critici. Siccome la diffusione di materiali compositi pone problemi di tolleranza al danno e osservabilità del danno, lo SHM si presenta come una delle tecniche più promettenti per lo sviluppo di strutture più leggere, più efficienti ed affidabili. Una delle tecniche più interessanti per l'identificazione dei danni è quella che usa le onde guidate, che possono essere prodotte ed osservate in-situ e per la possibilità di correlare le anomalie nella propagazione con i danni della struttura. La possibilità di modellare queste onde attraverso uno strumento versatile come gli Elementi Finiti (EF) permette di migliorare notevolmente la ricerca nel campo dello SHM, perchè si possono ridurre le analisi sperimentali e quindi i costi di sviluppo di un sistema di SHM. Tuttavia, data la natura complessa di queste onde, soprattutto in laminati compositi, bisogna fornire una validazione dei modelli ad EF. Questo è l'obiettivo della tesi. Per raggiungerlo si sono confrontati i risultati dei modelli ad EF con quelli di un'altra tecnica numerica, sviluppata specificatamente per modellare le onde nelle piastre, nota come Semi-Analytical Finite Element (SAFE). Questo confronto è possibile solo dopo aver applicato una particolare tecnica di elaborazione, che implica l'uso ricorsivo della trasformata di Fourier, agli spostamenti ricavati dai modelli ad EF. Infine questi risultati sono confrontati con quelli ottenuti dall'analisi sperimentale di tre diversi tipi di laminato. Siccome i risultati degli EF, del SAFE e quelli sperimentali sono molto simili tra loro, è stato dimostrato che i modelli ad EF analizzati riproducono correttamente la propagazione delle onde in piastre di materiale composito.