Structural health monitoring in aeronautical structures by means of distributed fibre optic sensing networks
- Autores: Patricia Fernández Díaz Maroto
- Directores de la Tesis: Alfredo Güemes Gordo (dir. tes.), Antonio Fernández López (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2018
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Joaquin Rams Ramos (presid.), Jose Manuel Menendez Martin (secret.), Zahra Sharif Khodaei (voc.), Wieslaw Ostachowicz (voc.), José María Pintado Sanjuanbenito (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Aeroespacial por la Universidad Politécnica de Madrid
- Materias:
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- Resumen
Ensuring the reliability of the aeronautical structures throughout its entire operating life has always been one of the most important challenges achieved by complex and thorough aircraft maintenance tasks. Therefore, the development of monitoring techniques to ensure the structural integrity and the ability to predict the structural failure at an early stage would help to improve its reliability. Furthermore, a maintenance plan based on the real aircraft usage leads to significant savings in terms of cost and time.
The major subject of this thesis focuses on the exploitation of the data from distributed measurements of fibre optic sensing networks to detect damage in aeronautical structures. Rayleigh scattering-based sensing technique has been selected to obtain strain and/or temperature distributed measurements. This technique, unlike the rest of the distributed sensing techniques by fibre optic sensors, is the one which enables the best spatial resolution regarding the strain and temperature accuracy. This recent and thriving technique has opened up to new possibilities for structural health monitoring, especially due to its performances in the aerospace field.
In this thesis, the detection of damage through distributed strain measurements has been addressed from two aspects: local and global damage approaches. On the one hand, the local damage detection approach has been demonstrated in different laboratory tests in order to develop and validate all the algorithms necessary to detect and locate damage from the strain measurements. On the other hand, the global damage detection approach has been evidenced for two composite stiffened panels representative of a cockpit fuselage skin for a regional aircraft cabin. Artificial damages have been induced in both panels in order to analyse its growth throughout a fatigue experimental test. Moreover, panels have also been tested under shear loads to carry out the buckling detection and location by means of distributed strain measurements in comparison to conventional sensing techniques.
For this purpose, a novel methodology has been developed based on a non-linear events detection by means of a second derivative analysis of the distributed strain measurements. The application of a Savitzky-Golay filter based on the signal conditioning parameters has become a key to reduce the signal noise generated by the derivatives of the distributed strain measurements. Furthermore, this methodology has also been compared with the so-called “Bifurcation” classic method to detect the buckling onset by comparing discrete strain measurements on both sides of the structure.
Finally, this thesis concludes that this technique offers extensive possibilities for structural health monitoring with very high resolution and allowing the data exploitation in a simple and efficient manner.
Asegurar la fiabilidad de las estructuras aeronáuticas durante toda su vida operativa ha sido siempre uno de los principales retos que se ha ido cumpliendo a través de complejas y minuciosas operaciones de mantenimiento en la aeronave. Por ello, el desarrollo de técnicas de monitorización que aseguren la integridad estructural y sean capaces de predecir un fallo temprano en la estructura, aportaría una mayor fiabilidad de las estructuras basada en el estado real de la misma, a la vez que significaría un importante ahorro en los planes y tareas de mantenimiento de la aeronave.
El tema principal de esta tesis se centra en la explotación de los datos de medida distribuida a través de sensores de fibra óptica para la detección de daño en estructuras aeronáuticas. La técnica de medida distribuida seleccionada ha sido aquella que permite la extracción de datos en deformaciones y/o temperatura a través de la medida de la dispersión de Rayleigh en la fibra óptica. Esta técnica, a diferencia del resto de técnicas de medida distribuida, presenta la mayor resolución espacial con relación a la precisión en la medida de deformaciones y temperatura. Por estos motivos, esta reciente y próspera técnica ha abierto nuevas posibilidades en la monitorización de la salud estructural, y especialmente, debido a sus altas prestaciones, en el campo aeronáutico.
En esta tesis, la detección de daño a través de la medida distribuida en deformaciones se ha llevado a cabo desde dos puntos de vista: detección de daño local y detección de daño global. Por un lado, la detección de daño local se ha demostrado en diferentes ensayos de laboratorio para servir como base de aprendizaje y validar los algoritmos desarrollados para la detección y localización de daño a través de la medida en deformaciones. Por otro lado, la detección de daño global se ha probado sobre dos paneles de material compuesto rigidizado representativo del fuselaje de una cabina de avión regional. Sobre estas estructuras se ha analizado el crecimiento de daños inducidos artificialmente durante un ensayo a fatiga. A continuación, los paneles han sido ensayados a cortadura para llevar a cabo la detección y localización de pandeo a través de la medida distribuida en deformación y comparándolo a su vez con técnicas convencionales de sensorización.
Con esta finalidad se ha desarrollado una nueva metodología basada en la detección de no linealidades a través de la segunda derivada del campo de deformaciones obtenido mediante la técnica de medida distribuida. De igual importancia ha sido la aplicación de un filtro Savitzky-Golay adecuado a los parámetros de condicionamiento de la señal con el objetivo de reducir el ruido generado al obtener las derivadas de la medida. A su vez, esta técnica ha sido comparada con el método clásico de “Bifurcación” para detectar el inicio del pandeo a través de la comparación de medidas de deformación discretas en ambos lados de la estructura.
A través de esta tesis se puede concluir que la medida distribuida ofrece múltiples posibilidades para la monitorización de la salud estructural con muy alta resolución y permitiendo explotar los datos de una manera sencilla y eficiente.
