Tesis:
Development of elastic wave propagation techniques for Structural Health Monitoring
- Autor: SÁNCHEZ IGLESIAS, Fernando
- Título: Development of elastic wave propagation techniques for Structural Health Monitoring
- Fecha: 2025
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MATERIALES Y PRODUCCION AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/88801/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ LÓPEZ, Antonio
- Resumen: Simulation of elastic wave propagation is crucial for the development of an accurate structural monitoring system. The high cost and complexity of experimental tests and the great causality that exists in the damage that light-weight structures can suffer highlight the importance of simulations, and especially in composite material structures in which certain types of damage such as debondings or delaminations can go unnoticed in routine visual inspections.
This thesis explores the development of a methodology for analyzing the propagation of elastic waves in thin-walled structures. A multipurpose, efficient, and scalable development is proposed, so that it can cover multiple use cases, service conditions, position, and types of damage. With the final objective of being able to limit the experimental task to a few validation cases.
To achieve this objective, an extensive literature review and an evaluation of the most widely used simulation methods have been proposed. Likewise, emphasis has been placed on the analysis of numerical methods such as finite elements and based on this a new methodology based on ray tracing has been designed.
Ray tracing is a method of calculating the propagation of waves through a medium in which regions of different propagation speeds, absorption characteristics, and reflective surfaces may exist. Under these circumstances, wavefronts can bend, change direction, or reflect off surfaces. Currently the method is widely used in problems of electromagnetism, oceanic acoustics, or more recently in computer graphics rendering and, therefore, this thesis considers the use of this methodology for the calculation of wave propagation in thin-walled structures of application aeronautics.
The results obtained demonstrate the effectiveness of this method in calculating wave propagation, considering transmission, reflection, and damping in both metal and composite material structures.
Taking into account representative structural details such as changes in thickness or stiffeners, a series of representative laboratory case studies of metallic and composite aeronautical structures have been analyzed. Likewise, the possibility of predicting the possible effect that the presence of damage or imperfections in the structure may have on the signal was verified using added masses and verified against real damage from impacts.
The developed methodology has been contrasted with other simulation methods such as finite elements. Thus, comparable or even more precise results have been obtained in some cases, which have improved their computing time by several orders of magnitude. Based on the above, this methodology demonstrates its suitability and application possibilities for training artificial intelligence systems.
RESUMEN
La simulación de propagación de ondas elásticas es crucial para el desarrollo de un sistema preciso de monitorización estructural. El alto coste, complejidad de ensayos experimentales y la gran casuística que existe en los daños que pueden sufrir las estructuras ligeras ponen de manifiesto la importancia de realizar simulaciones, principalmente, en estructuras de material compuesto en las que ciertos tipos de daño como despegados o de laminaciones pueden pasar desapercibidos en inspecciones rutinarias.
Por medio de la presente tesis, se plantea el desarrollo de una metodología de análisis de propagación de ondas elásticas en estructuras de pared delgada. Se plantea un desarrollo multipropósito, eficiente y escalable, de modo que pueda cubrir múltiples casos de uso, condiciones de servicio y posición y tipo de daños. Con el objetivo final de poder limitar la tarea experimental a unos pocos casos de validación.
Para lograr dicho objetivo, se ha planteado una extensa revisión literaria y una evaluación de los métodos de simulación más usados. Asimismo, se ha hecho énfasis, en el análisis de métodos numéricos tales como los elementos finitos y en base a esto, se ha diseñado una metodología nueva basada en el trazado de rayos.
El trazado de rayos es un método para calcular la propagación de ondas a través de un medio en el que pueden existir regiones de diferentes velocidades de propagación, características de absorción y superficies reflectantes. En estas circunstancias, los frentes de onda pueden curvarse, cambiar de dirección o reflejarse en las superficies. Actualmente el método es ampliamente utilizado en problemas de electromagnetismo, acústica oceánica o más recientemente en renderizado de gráficos por ordenador y por ello, esta tesis se plantea el uso de esta metodología para el cálculo de la propagación de ondas en estructuras de pared delgada de aplicación aeronáutica.
Los resultados obtenidos demuestran la eficacia de este método en el cálculo de propagación de ondas, considerando transmisión, reflexión y amortiguamiento tanto en estructuras metálicas como de material compuesto.
Teniendo en cuenta detalles estructurales representativos como cambios de espesor o rigidizadores, se han analizado una serie de casos de estudio de laboratorio representativos de estructuras aeronáuticas metálicas y de material compuesto. Del mismo modo, se verificó la posibilidad de predicción del posible efecto que pueda tener en la señal la presencia de daños o imperfecciones en la estructura usando masas añadidas y verificando contra daños reales de impactos.
La metodología desarrollada se ha contrastado con otros métodos de simulación como los elementos finitos. Así, se ha obtenido resultados comparables o incluso más precisos en algunos casos mejorando en varios órdenes de magnitud su tiempo de computación. Por lo expuesto, esta metodología demuestra su idoneidad y sus posibilidades de aplicación para entrenamiento de sistemas de inteligencia artificial.