Study of Innovative Techniques for Structural Health Monitoring

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.