Structural health monitoring network system with wireless communications inside closed aerospace structures

Structural Health Monitoring (SHM) requires integrated "all in one" electronic devices capable of performing analysis of structural integrity and on-board damage detection in aircraft?s structures. PAMELA III (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment, version III) SHM embedded system is an example of this device type. This equipment is capable of generating excitation signals to be applied to an array of integrated piezoelectric Phased Array (PhA) transducers stuck to aircraft structure, acquiring the response signals, and carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA III is connected with a host computer in order to receive the configuration parameters and sending the obtained SHM maps, alarms and so on. This host can communicate with PAMELA III through an Ethernet interface. To avoid the use of wires where necessary, it is possible to add Wi-Fi capabilities to PAMELA III, connecting a Wi-Fi node working as a bridge, and to establish a wireless communication between PAMELA III and the host. However, in a real aircraft scenario, several PAMELA III devices must work together inside closed structures. In this situation, it is not possible for all PAMELA III devices to establish a wireless communication directly with the host, due to the signal attenuation caused by the different obstacles of the aircraft structure. To provide communication among all PAMELA III devices and the host, a wireless mesh network (WMN) system has been implemented inside a closed aluminum wingbox. In a WMN, as long as a node is connected to at least one other node, it will have full connectivity to the entire network because each mesh node forwards packets to other nodes in the network as required. Mesh protocols automatically determine the best route through the network and can dynamically reconfigure the network if a link drops out. The advantages and disadvantages on the use of a wireless mesh network system inside closed aerospace structures are discussed.

Análisis paramétrico determinista y aleatorio de problemas dinámicos en estructuras aeroespaciales

Los fenómenos dinámicos pueden poner en peligro la integridad de estructuras aeroespaciales y los ingenieros han desarrollado diferentes estrategias para analizarlos. Uno de los grandes problemas que se plantean en la ingeniería es cómo atacar un problema dinámico estructural. En la presente tesis se plantean distintos fenómenos dinámicos y se proponen métodos para estimar o simular sus comportamientos mediante un análisis paramétrico determinista y aleatorio del problema. Se han propuesto desde problemas sencillos con pocos grados de libertad que sirven para analizar las diferentes estrategias y herramientas a utilizar, hasta fenómenos muy dinámicos que contienen comportamientos no lineales, daños y fallos. Los primeros ejemplos de investigación planteados cubren una amplia gama de los fenómenos dinámicos, como el análisis de vibraciones de elementos másicos, incluyendo impactos y contactos, y el análisis de una viga con carga armónica aplicada a la que también se le añaden parámetros aleatorios que pueden responder a un desconocimiento o incertidumbre de los mismos. Durante el desarrollo de la tesis se introducen conceptos y se aplican distintos métodos, como el método de elementos finitos (FEM) en el que se analiza su resolución tanto por esquemas implícitos como explícitos, y métodos de análisis paramétricos y estadísticos mediante la técnica de Monte Carlo. Más adelante, una vez ya planteadas las herramientas y estrategias de análisis, se estudian fenómenos más complejos, como el impacto a baja velocidad en materiales compuestos, en el que se busca evaluar la resistencia residual y, por lo tanto, la tolerancia al daño de la estructura. Se trata de un suceso que puede producirse por la caída de herramienta, granizo o restos en la pista de aterrizaje. Otro de los fenómenos analizados también se da en un aeropuerto y se trata de la colisión con un dispositivo frangible, el cual tiene que romperse bajo ciertas cargas y, sin embargo, soportar otras. Finalmente, se aplica toda la metodología planteada en simular y analizar un posible incidente en vuelo, el fenómeno de la pérdida de pala de un turbohélice. Se trata de un suceso muy particular en el que la estructura tiene que soportar unas cargas complejas y excepcionales con las que la aeronave debe ser capaz de completar con éxito el vuelo. El análisis incluye comportamientos no lineales, daños, y varios tipos de fallos, y en el que se trata de identificar los parámetros clave en la secuencia del fallo. El suceso se analiza mediante análisis estructurales deterministas más habituales y también mediante otras técnicas como el método de Monte Carlo con el que se logran estudiar distintas incertidumbres en los parámetros con variables aleatorias. Se estudian, entre otros, el tamaño de pala perdida, la velocidad y el momento en el que se produce la rotura, y la rigidez y resistencia de los apoyos del motor. Se tiene en cuenta incluso el amortiguamiento estructural del sistema. Las distintas estrategias de análisis permiten obtener unos resultados valiosos e interesantes que han sido objeto de distintas publicaciones. ABSTRACT Dynamic phenomena can endanger the integrity of aerospace structures and, consequently, engineers have developed different strategies to analyze them. One of the major engineering problems is how to deal with the structural dynamics. In this thesis, different dynamic phenomena are introduced and several methods are proposed to estimate or simulate their behaviors. The analysis is considered through parametric, deterministic and statistical methods. The suggested issues are from simple problems with few degrees of freedom, in order to develop different strategies and tools to solve them, to very dynamic phenomena containing nonlinear behaviors failures, damages. The first examples cover a wide variety of dynamic phenomena such as vibration analysis of mass elements, including impacts and contacts, and beam analysis with harmonic load applied, in which random parameters are included. These parameters can represent the unawareness or uncertainty of certain variables. During the development of the thesis several concepts are introduced and different methods are applied, such as the finite element method (FEM), which is solved through implicit and explicit schemes, and parametrical and statistical methods using the Monte Carlo analysis technique. Next, once the tools and strategies of analysis are set out more complex phenomena are studied. This is the case of a low-speed impact in composite materials, the residual strength of the structure is evaluated, and therefore, its damage tolerance. This incident may occur from a tool dropped, hail or debris throw on the runway. At an airport may also occur, and it is also analyzed, a collision between an airplane and a frangible device. The devise must brake under these loads, however, it must withstand others. Finally, all the considered methodology is applied to simulate and analyze a flight incident, the blade loss phenomenon of a turboprop. In this particular event the structure must support complex and exceptional loads and the aircraft must be able to successfully complete the flight. Nonlinear behavior, damage, and different types of failures are included in the analysis, in which the key parameters in the failure sequence are identified. The incident is analyzed by deterministic structural analysis and also by other techniques such as Monte Carlo method, in which it is possible to include different parametric uncertainties through random variables. Some of the evaluated parameters are, among others, the blade loss size, propeller rotational frequency, speed and angular position where the blade is lost, and the stiffness and strength of the engine mounts. The study does also research on the structural damping of the system. The different strategies of analysis obtain valuable and interesting results that have been already published.

Fatiga en CFRP: Caracterización y Método Óptico para la Estimación del Daño

El desarrollo de nuevas estructuras aeroespaciales optimizadas, utilizan materiales compuestos, para los componentes críticos y subsistemas, principalmente polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP). Un conocimiento profundo del estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP avanzado, es esencial para predecir la vida residual y optimizar los intervalos de inspección estructural, reparaciones y/o sustitución de componentes. Las técnicas actuales se basan principalmente en la medición de cargas estructurales a lo largo de la vida útil de la estructura mediante galgas extensométricas eléctricas. Con esos datos, se estima la vida a fatiga utilizando modelos de acumulación de daño. En la presente tesis, se evalúa la metodología convencional para la estimación de la vida a fatiga de un CFRP aeronáutico. Esta metodología está basada en la regla de acumulación de daño lineal de Palmgren-Miner, y es aplicada para determinar la vida a fatiga de estructuras sometidas a cargas de amplitud variable. Se ha realizado una campaña de ensayos con cargas de amplitud constante para caracterizar un CFRP aeronáutico a fatiga, obteniendo las curvas clásicas S-N, en diferentes relaciones de esfuerzo. Se determinaron los diagramas de vida constante, (CLD), también conocidos como diagramas de Goodman, utilizando redes neuronales artificiales debido a la ausencia de modelos coherentes para materiales compuestos. Se ha caracterizado la degradación de la rigidez debido al daño por fatiga. Se ha ensayado un segundo grupo de probetas con secuencias estandarizadas de cargas de amplitud variable, para obtener la vida a fatiga y la degradación de rigidez en condiciones realistas. Las cargas aplicadas son representativas de misiones de aviones de combate (Falstaff), y de aviones de transporte (Twist). La vida a fatiga de las probetas cicladas con cargas de amplitud variable, se comparó con el índice de daño teórico calculado en base a la regla de acumulación de daño lineal convencional. Los resultados obtenidos muestran predicciones no conservativas. Esta tesis también presenta el estudio y desarrollo, de una nueva técnica de no contacto para evaluar el estado de daño por fatiga de estructuras de CFRP por medio de cambios de los parámetros de rugosidad. La rugosidad superficial se puede medir fácilmente en campo con métodos sin contacto, mediante técnicas ópticas tales como speckle y perfilómetros ópticos. En el presente estudio, se han medido parámetros de rugosidad superficial, y el factor de irregularidad de la superficie, a lo largo de la vida de las probetas cicladas con cargas de amplitud constante y variable, Se ha obtenido una buena tendencia de ajuste al correlacionar la magnitud de la rugosidad y el factor de irregularidad de la superficie con la degradación de la rigidez de las probetas fatigadas. Estos resultados sugieren que los cambios en la rugosidad superficial medida en zonas estratégicas de componentes y estructuras hechas de CFRP, podrían ser indicativas del nivel de daño interno debido a cargas de fatiga. Los resultados también sugieren que el método es independiente del tipo de carga de fatiga que ha causado el daño. Esto último hace que esta técnica de medición sea aplicable como inspección para una amplia gama de estructuras de materiales compuestos, desde tanques presurizados con cargas de amplitud constante, estructuras aeronáuticas como alas y colas de aeronaves cicladas con cargas de amplitud variable, hasta aplicaciones industriales como automoción, entre otros. ABSTRACT New optimized aerospace structures use composite materials, mainly carbon fiber reinforced polymer composite (CFRP), for critical components and subsystems. A strong knowledge of the fatigue state of highly advanced (CFRP) structures is essential to predict the residual life and optimize intervals of structural inspection, repairs, and/or replacements. Current techniques are based mostly on measurement of structural loads throughout the service life by electric strain gauge sensors. These sensors are affected by extreme environmental conditions and by fatigue loads in such a way that the sensors and their systems require exhaustive maintenance throughout system life. In the present thesis, the conventional methodology based on linear damage accumulation rules, applied to determine the fatigue life of structures subjected to variable amplitude loads was evaluated for an aeronautical CFRP. A test program with constant amplitude loads has been performed to obtain the classical S-N curves at different stress ratios. Constant life diagrams, CLDs, where determined by means of Artificial Neural Networks due to the absence of consistent models for composites. The stiffness degradation due to fatigue damage has been characterized for coupons under cyclic tensile loads. A second group of coupons have been tested until failure with a standardized sequence of variable amplitude loads, representative of missions for combat aircraft (Falstaff), and representative of commercial flights (Twist), to obtain the fatigue life and the stiffness degradation under realistic conditions. The fatigue life of the coupons cycled with variable amplitude loads were compared to the theoretical damage index calculated based on the conventional linear damage accumulation rule. The obtained results show non-conservative predictions. This thesis also presents the evaluation of a new non-contact technique to evaluate the fatigue damage state of CFRP structures by means of measuring roughness parameters to evaluate changes in the surface topography. Surface roughness can be measured easily on field with non-contact methods by optical techniques such as speckle and optical perfilometers. In the present study, surface roughness parameters, and the surface irregularity factor, have been measured along the life of the coupons cycled with constant and variable amplitude loads of different magnitude. A good agreement has been obtained when correlating the magnitude of the roughness and the surface irregularity factor with the stiffness degradation. These results suggest that the changes on the surface roughness measured in strategic zones of components and structures made of CFRP, could be indicative of the level of internal damage due to fatigue loads. The results also suggest that the method is independent of the type of fatigue load that have caused the damage. It makes this measurement technique applicable for a wide range of inspections of composite materials structures, from pressurized tanks with constant amplitude loads, to variable amplitude loaded aeronautical structures like wings and empennages, up to automotive and other industrial applications.

Smart aeronautical structures: development and experimental validation of a structural health monitoring system for damage detection

En muchas áreas de la ingeniería, la integridad y confiabilidad de las estructuras son aspectos de extrema importancia. Estos son controlados mediante el adecuado conocimiento de danos existentes. Típicamente, alcanzar el nivel de conocimiento necesario que permita caracterizar la integridad estructural implica el uso de técnicas de ensayos no destructivos. Estas técnicas son a menudo costosas y consumen mucho tiempo. En la actualidad, muchas industrias buscan incrementar la confiabilidad de las estructuras que emplean. Mediante el uso de técnicas de última tecnología es posible monitorizar las estructuras y en algunos casos, es factible detectar daños incipientes que pueden desencadenar en fallos catastróficos. Desafortunadamente, a medida que la complejidad de las estructuras, los componentes y sistemas incrementa, el riesgo de la aparición de daños y fallas también incrementa. Al mismo tiempo, la detección de dichas fallas y defectos se torna más compleja. En años recientes, la industria aeroespacial ha realizado grandes esfuerzos para integrar los sensores dentro de las estructuras, además de desarrollar algoritmos que permitan determinar la integridad estructural en tiempo real. Esta filosofía ha sido llamada “Structural Health Monitoring” (o “Monitorización de Salud Estructural” en español) y este tipo de estructuras han recibido el nombre de “Smart Structures” (o “Estructuras Inteligentes” en español). Este nuevo tipo de estructuras integran materiales, sensores, actuadores y algoritmos para detectar, cuantificar y localizar daños dentro de ellas mismas. Una novedosa metodología para detección de daños en estructuras se propone en este trabajo. La metodología está basada en mediciones de deformación y consiste en desarrollar técnicas de reconocimiento de patrones en el campo de deformaciones. Estas últimas, basadas en PCA (Análisis de Componentes Principales) y otras técnicas de reducción dimensional. Se propone el uso de Redes de difracción de Bragg y medidas distribuidas como sensores de deformación. La metodología se validó mediante pruebas a escala de laboratorio y pruebas a escala real con estructuras complejas. Los efectos de las condiciones de carga variables fueron estudiados y diversos experimentos fueron realizados para condiciones de carga estáticas y dinámicas, demostrando que la metodología es robusta ante condiciones de carga desconocidas. ABSTRACT In many engineering fields, the integrity and reliability of the structures are extremely important aspects. They are controlled by the adequate knowledge of existing damages. Typically, achieving the level of knowledge necessary to characterize the structural integrity involves the usage of nondestructive testing techniques. These are often expensive and time consuming. Nowadays, many industries look to increase the reliability of the structures used. By using leading edge techniques it is possible to monitoring these structures and in some cases, detect incipient damage that could trigger catastrophic failures. Unfortunately, as the complexity of the structures, components and systems increases, the risk of damages and failures also increases. At the same time, the detection of such failures and defects becomes more difficult. In recent years, the aerospace industry has done great efforts to integrate the sensors within the structures and, to develop algorithms for determining the structural integrity in real time. The ‘philosophy’ has being called “Structural Health Monitoring” and these structures have been called “smart structures”. These new types of structures integrate materials, sensors, actuators and algorithms to detect, quantify and locate damage within itself. A novel methodology for damage detection in structures is proposed. The methodology is based on strain measurements and consists in the development of strain field pattern recognition techniques. The aforementioned are based on PCA (Principal Component Analysis) and other dimensional reduction techniques. The use of fiber Bragg gratings and distributed sensing as strain sensors is proposed. The methodology have been validated by using laboratory scale tests and real scale tests with complex structures. The effects of the variable load conditions were studied and several experiments were performed for static and dynamic load conditions, demonstrating that the methodology is robust under unknown load conditions.