Sensing systems for monitoring of aerospace structures during manufacturing and operational conditions

In recent decades, the aviation industry has embraced the use of composite materials in various aircraft components. However, these materials face challenges in extreme environmental conditions during the operational life of aircraft. One prominent issue contributing to safety concerns is the potential failure of composite components due to the degradation of mechanical properties caused by moisture absorption. Numerous aviation accidents have been linked to this phenomenon, underscoring the critical need for robust monitoring systems to ensure the continued performance and structural integrity of composite structures. To address this challenge, this research focuses on the integration of Fiber Bragg Grating (FBG) sensors within composite laminated structures. These sensors, produced through a specialized manufacturing process, offer a solution for monitoring thermal expansion, moisture swelling and mechanical strains. The characterization of FBG sensors involves identifying Bragg wavelengths corresponding to varying temperature and humidity values, forming the basis for understanding their sensitivities to these parameters. This characterization contributes to the formulation and validation of a novel photo-thermal elastic law, emphasizing the relationship between the photo-elastic coefficient and stresses. A key innovation of this research lies in the design of a sensor system able to measure and decouple thermal expansion, moisture swelling and mechanical strain. By continuously monitoring these components, the sensors offer timely detection of moisture-related issues, allowing a proactive approach to maintain and mitigate the risks associated to moisture-induced degradation.

Negli ultimi decenni, l'industria aeronautica ha introdotto l'uso di materiali compositi in vari componenti dei velivoli, portandoli a dover affrontare sfide in condizioni ambientali estreme durante la loro vita operativa. Un tema importante che contribuisce a creare problemi di sicurezza è il potenziale cedimento dei componenti in composito dovuto al degrado delle proprietà meccaniche causato dall'assorbimento di umidità. Numerosi incidenti aerei sono stati collegati a questo fenomeno, sottolineando la necessità critica di sistemi di monitoraggio robusti per garantire la continuità delle prestazioni e l'integrità strutturale dei componenti in composito. Per affrontare questa sfida, la presente ricerca si concentra sull'integrazione di sensori a fibra di Bragg (FBG) all'interno di strutture laminate composite. Questi sensori, prodotti attraverso un processo di fabbricazione specializzato, offrono una soluzione per monitorare l'espansione termica, lo swelling da umidità e le deformazioni meccaniche.La caratterizzazione dei sensori FBG prevede l'identificazione delle lunghezze d'onda di Bragg corrispondenti a valori variabili di temperatura e umidità, costituendo la base per la comprensione della loro sensibilità a questi parametri. Questa caratterizzazione contribuisce alla formulazione e alla validazione di una nuova legge fototermica elastica, che enfatizza la relazione tra il coefficiente fotoelastico e le sollecitazioni. Un'innovazione fondamentale di questa ricerca consiste nella progettazione di un sistema di sensori in grado di misurare e disaccoppiare l'espansione termica, lo swelling da umidità e la deformazione meccanica. Monitorando continuamente questi componenti, i sensori offrono un rilevamento tempestivo dei problemi legati all'umidità, consentendo un approccio proattivo per mantenere e mitigare i rischi associati al degrado delle proprietà meccaniche.