Development of methodologies for structural health monitoring of aeronautical structures: application and benefit assessment

Harsh landing occurs when the design conditions are exceeded. Those events lie in the middle between usual operational conditions and a crash event. Is known that an harsh landing may potentially generate localized damage and/ or zones affected by high plasticization of the helicopter structure. Generally, these types of damage are not characterized by the large and catastrophic involvement of the structure in a crash. Nevertheless, such types of localized damage may cause the nucleation and propagation of a crack under further conventional loading of the structure, compromising the airworthiness of the vehicle. The assessment of those events is nowadays performed on the basis of flight crew judgement, thus leading to misclassification errors and consequent avoidable costs and idle times. In this context, this work aims to develop a set of Structural Health Monitoring systems. The idea is to formulate a set of methodologies that may be applied to different monitoring problems. The problem was studied exploiting the usage multi-environment numerical models, allowing for the generation of damage databases. Numerical models were validate through an experimental drop test campaign on a Mi-8 helicopter. The validated virtual environment permits the development and evaluation of different monitoring technologies. Related problems were methodologically faced: sensor positioning, signal conditioning, diagnostic algorithms development for detection, qualification, localization and quantification of damages. Finally, a methodology to evaluate the economical impact of similar systems in the life cycle of the structure was developed merging detailed discrete events modelling and traditional parametric high-level cost computation.

Gli atterraggi bruschi si presentano quando le condizioni di carico eccedono le condizioni operative previste a progetto, senza raggiungere la severità tipica di una condizione di crash. Al verificarsi di questi eventi può essere necessario procedere con manutenzioni non programmate mirate prima alla verifica della presenza di danneggiamenti (in termini di deformazioni permanenti) ed eventualmente alla loro riparazione, con conseguenti costi e tempi morti. L'introduzione di un sistema di monitoraggio strutturale potrebbe alleviarne l'entità, con possibili miglioramenti anche in termini di sicurezza e prestazioni. In tale ambito, il lavoro qui proposto si propone di affrontare metodologicamente l'intero processo di sviluppo e design di detto sistema di monitoraggio. Il fenomeno è stato studiato sviluppando un approccio di modellazione mista multi-body / elementi finiti, in grado di stimare lo stato di sollecitazione e le zone più sensibili ad un eventuale danneggiamento strutturale. La metodologia è stata validata mediante drop sperimentali, condotti su un elicottero Mi-8. L'ambiente virtuale così sviluppato ha permesso l'implementazione e valutazione di svariate tecnologie di monitoraggio. Sono state affrontate problematiche quali scelta e posizionamento dei sensori, condizionamento dei segnali, sviluppo degli algoritmi per identificazione, quantificazione e localizzazione dei danneggiamenti. L'entità economica dell'impatto delle tecnologie proposte è stata parallelamente valutata mediante integrazione tra modellazione di dettaglio ad eventi discreti e la tradizionale modellazione parametrica per la stima dei costi.