Tesis:
Development of innovative techniques for Lamb wave-based structural health monitoring systems in aeronautics
- Autor: AZUARA DE PABLO, Guillermo
- Título: Development of innovative techniques for Lamb wave-based structural health monitoring systems in aeronautics
- Fecha: 2021
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: INGENIERIA TELEMATICA Y ELECTRONICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/69525/
- Director/a 1º: BARRERA LÓPEZ DE TURISO, Eduardo
- Resumen: Structural Health Monitoring (SHM) is one of the fields which is getting the most attention within Non-Destructive Testing (NDT). NDT pursues structural evaluation through the identification of damages, location of their position, and analysis of their influence on the operational conditions of the structure. However, limitation in terms of offline evaluation (i.e., out of service) of the data, generally obtained manually by operators, makes it necessary to integrate autonomous systems that generate and process information efficiently. Moreover, the SHM perspective adds a component for evaluating the structure online (i.e., during service), by analyzing the acquired data using actuators and sensors directly embedded in the structure, and their subsequent processing to obtain indicators that determine the structure’s operational status at any time. Physical and geometrical characteristics of certain structures allow the propagation of so-called ultrasonic guided waves (UGW) and, particularly, Lamb waves. These elastic waves propagate through plate-like structures in such a way that their interaction with the possible existing damages modifies the physical characteristics of the wave, making it possible to extract damage indicators to be subsequently evaluated. One of the most extended technologies for the generation and acquisition of UGW is the one based on piezoelectric transducers which, being permanently attached to the structure with an adhesive, propagate the elastic vibration to the structure, as well as record the structural response. Although there are numerous fields where SHM is applied (e.g., rotating machinery, civil engineering, or automotive industry), this thesis has been focused on materials used in the aeronautical field. Traditionally, the use of metallic materials has been the most widespread. However, in recent decades, the utilization of composite materials has increased notably due to their exceptional mechanical properties and lower weight, reaching more than half the percentage by weight of certain commercial aircraft. Besides, the information processing capability has increased dramatically in recent years, thanks to technologies that allow the analysis of large amounts of data in reduced times, allowing the reduction of both operational and maintenance costs due to the fast detection of faults in the structures. The integration of all the above in a single platform, in addition to the consideration of external factors such as changes in operating temperature, would make possible an SHM system that allows the detection, localization, evaluation, and even a repair proposal of the structural damage. Summarizing the above, the main topics addressed in this doctoral thesis are the following: - A study of the physical characteristics of the UGW, which will provide robust indicators of the existence or appearance of damages in aeronautical structures. - Analysis of the existing technologies for the generation and acquisition of electrical signals transmitted by piezoelectric transducers, and definition of the optimal characteristics for obtaining data to perform the extraction of reliable indicators. - Application of compensation techniques for the effects of temperature on the propagation of UGW, through the databases’ analysis that allow extracting the variables to be processed to avoid false indicators in the signals. - Development of damage detection and localization algorithms that allow obtaining, through the processing of the signals acquired by the transducers, images of the structures to be monitored, containing the damage positions (i.e., heatmaps). - Experimental evaluation of the proposed solutions, focusing on plates of aeronautics materials such as aluminum and, mainly, carbon fiber composites, largely used in the aeronautical industry. ----------RESUMEN---------- La monitorización de la salud estructural (Structural Health Monitoring, SHM por sus siglas en inglés), es una de las disciplinas que más atención está recibiendo dentro del campo de los ensayos no destructivos (END). Los END persiguen la evaluación estructural a través de la identificación de daños, localización de su posición y análisis de su influencia en las condiciones operacionales de la estructura. Sin embargo, la limitación en términos de evaluación offline (es decir, fuera de servicio) de los datos, generalmente obtenidos de manera manual por operarios, hacen necesaria la integración de sistemas autónomos que generen y procesen la información de forma eficaz. Así, la perspectiva SHM añade una componente de evaluación de la estructura de manera online (es decir, durante el servicio), mediante el análisis de los datos adquiridos a través de actuadores y sensores directamente embebidos en la estructura, y su posterior procesado para la obtención de indicadores que permitan determinar en cualquier momento su estado operacional. Las cualidades físicas y geométricas de ciertas estructuras permiten la propagación de las llamadas ondas ultrasónicas guiadas (Ultrasonic Guided Waves, UGW por sus siglas en inglés) y, particularmente, de ondas Lamb. Estas ondas elásticas se propagan por las estructuras de tipo placa de manera que su interacción con los posibles daños existentes modifique ciertas características físicas de la onda, haciendo posible la extracción de indicadores de daño que serán evaluados posteriormente. Una de las tecnologías más extendidas para la generación y adquisición de UGW es aquella basada en transductores piezoeléctricos que, acoplados a la estructura permanentemente mediante un adhesivo, transmiten la vibración elástica a la estructura, así como registran la respuesta estructural. Si bien existen numerosos campos donde la SHM es aplicada (por ejemplo, maquinaria rotativa, ingeniería civil o industria automotriz), esta tesis ha sido enfocada a los materiales utilizados en el sector aeronáutico. Tradicionalmente, el uso de materiales metálicos ha sido el más extendido. Sin embargo, en las últimas décadas, la utilización de materiales compuestos se ha incrementado de manera notable debido a sus excepcionales propiedades mecánicas y su menor peso, llegando a suponer más de la mitad del porcentaje en peso de ciertas aeronaves comerciales. Además, la capacidad de procesado de información se ha incrementado extraordinariamente en los últimos años, gracias a tecnologías que permiten el análisis de gran cantidad de datos en tiempos reducidos, lo que permite la reducción de costes tanto de operación como de mantenimiento debido a la rápida detección de fallas en las estructuras. La integración de todo lo anterior en una sola plataforma, además de la consideración de factores externos como los cambios en la temperatura de operación, hacen posible un sistema SHM que permita la detección, localización, evaluación, e incluso la propuesta de reparación de un daño estructural. Reuniendo lo anterior, los principales temas abordados en esta tesis doctoral son los siguientes: - Estudio de las cualidades físicas de las ondas guiadas que permitan extraer indicadores robustos de existencia o aparición de daños en estructuras aeronáuticas. - Análisis de las tecnologías existentes para la generación y adquisición de señales eléctricas transmitidas por transductores piezoeléctricos, y definición de las características electrónicas óptimas para la obtención de datos que permitan una extracción de indicadores fiables. - Aplicación de técnicas de compensación de efectos de la temperatura sobre la propagación de ondas guiadas, a través de análisis de bases de datos que permitan extraer las variables a procesar para evitar falsos indicadores en las señales. - Desarrollo de algoritmos de detección y localización de daños, que permitan obtener, mediante el procesado de señales adquiridas por los transductores, imágenes de las estructuras a monitorizar, conteniendo las posiciones de los daños y su severidad (i.e., mapas de calor). - Evaluación experimental de las soluciones propuestas, focalizando principalmente sobre placas de materiales aeronáuticos, tales como aluminio y, principalmente, compuestos con fibra de carbono, utilizados ampliamente en la industria aeronáutica.