Study of Innovative Techniques for Structural Health Monitoring

This thesis aims at developing new methodologies to determine the structural integrity of aeronautical components. The increasing use of composite materials, which present damage initiation and evolution different from the homogeneous ones, requires the development of new techniques to determine the performance of the most critical components. Structural health monitoring (SHM) is a field of research which aims at developing new methods to perform this task. One of the main concerns is given by initially barely visible impact damage (BVID), which can grow during operational time and eventually lead to catastrophic failures. The monitoring can be accomplished both with active and passive methods. In this thesis the part of SHM which concerns the development of algorithms for damage and impact detection is addressed. First a damage detection approach based on the proper orthogonal decomposition (POD) is developed. Analyses on different components are performed, in particular detecting defects without needing any baseline. Particularly important is the application of the proposed approach to a stiffened panel, which has not been deeply analysed in literature. The second part of the thesis concerns impact detection and force reconstruction. In particular the attention is focused on large mass impacts, which can produce geometrical nonlinearities in the dynamics of the system. Finally a novel impact location algorithm, based on the POD is proposed. This represents a novelty in impact location algorithms, which have previously been focused on the triangulation method. In particular the proposed approach is not dependent on the wave velocity, which is a major limitation in the application of the triangulation on composite panels. Remarkable results are obtained in this thesis. In particular experimental verifications are performed on damage detection using only data coming from a damaged system and on force reconstruction on a composite panel.

Numerosi fattori spingono l‟industria aeronautica verso l‟utilizzo di materiali innovativi da impiegare nelle struttutre dei veivoli. In particolare l‟esigenza di contenere il consumo di carburante, con la conseguente riduzione dei costi e delle emissioni, ha portato allo sviluppo di nuovi aerei in cui una parte della struttura è da realizzata in materiali compositi; l‟esempio più recente è rappresentato dal Boeing 787 Dreamliner in cui oltre il 50% della struttura è costituito da materiale composito. Le elevate caratteristiche meccaniche di questi materiali sono tuttavia accompagnate da meccanismi di danneggiamento non ancora del tutto conosciuti. Questo fa sì che il loro utilizzo richieda un programma di manutenzione dedicato, che influisce in maniera considerevole sui costi di gestione del singolo veivolo. Per questo motivo la ricerca scientifica si è concentrata negli ultimi anni sullo sviluppo di nuove metodologie per monitorare l‟integrità strutturale dei principali componenti dei veivoli. L‟obbiettivo finale di questa ricerca è sviluppare un sistema di controllo che funzioni in tempo reale, che possa cioè individuare eventuali danni nella struttura mentre il veivolo è in volo. In questo modo non solo si potrebbero evitare catastrofici incidenti, ma anche limitare le manutenzioni programmate, che spesso risultano essere non necessarie in quanto la struttura potrebbe non presentare alcuna criticità. Il campo ingengeristico che si occupa di questa innovazione è definito structural health monitoring (SHM). Dal punto di vista del rilevamento di un possible danno nella struttura, due differenti approcci possono essere seguiti. Il primo, chiamato attivo, richiede l‟utilizzo di uno stimolo che ecciti la dinamica della struttura. Dalla risposta, raccolta mediante un certo numero di sensori, è possibile determinare se un danno è presente. Il secondo approccio, denominato passivo, non richiede alcuno stimolo, in quanto un‟eventuale forzante esterna è proprio l‟evento che si vuole monitorare; la tipica applicazione di questo metodo riguarda il montoraggio di impatti. La ricerca svolta in questa tesi prevede lo studio di entrambi gli approcci. Nella prima parte, una tecnica attiva, basata sulla proper orthogonal decomposition (POD) e sul gapped smoothing method (GSM), è analizzata con lo scopo di localizzare un possibile danno all‟interno di tipici componenti aeronautici. Diverse posizioni del danno sono analizzate. La principale innovazione consiste nello studio di un pannello rinforzato, che in letteratura non è mai stato trattato in dettaglio con metodi basati su forme modali. Nella seconda parte della tesi è studiato un metodo passivo. Sono trattati due casi: la ricostruzione della forza d‟impatto e la localizzazione dello stesso. Nel primo caso il metodo sviluppato risulta in grado di predire correttamente la forza anche nel caso in cui la risposta del componente sia nonlineare. Nel secondo caso l‟applicazione della POD per localizzare impatti rappresenta una novità nel relativo campo di ricerca. La tesi è articolata nel modo seguente. Il primo capitolo fornisce un panorama generale sul perché il monitoraggio strutturale sia importante in ambito aeronautico. I Capitoli 2 e 3 introducono la formulazione matematica utilizzata per il rileamento del danno. Nel Capitolo 4 vengono presentati i risultati relativi all‟individuazione del danno mediante POD e GSM. Nel Capitolo 5 si illustra la formulazione matematica relativa ai metodi passivi. In particolare sono descritti in dettaglio gli innovativi algoritmi utilizzati. Il Capitolo 6 presenta i risultati relativi al monitoraggio d‟impatti. I miglioramenti rispetto ad approcci classici sono evidenziati in modo particolare . Nelle conclusioni vengono riproposti i principali risultati ottenuti nei capitoli precedenti. Alla fine della tesi numerose appendici approfondiscono alcuni argomenti che vengono parzialmente trattati nel corso dei vari capitoli.