Methodology for innovative health monitoring of aerospace structures using dynamic response measurements and advanced signal processing techniques

Abstract

The main purpose of the present work is to develop an innovative system for Structural Health Monitoring (SHM) of aerospace composite structures based on dynamic strain measurements in order to identify in an exhaustive way the structural state condition. Fiber Bragg Grating (FBG) optical sensors will be used for the recording of dynamic strain measurements from a composite structure. The methodology that will be developed for structural damage detection will use the collected dynamic response data and will analyze them through a statistical data driven learning model i.e. an artificial neural network coupled with wavelet multi resolution analysis. This methodology will be the core of the SHM system. Structural damage will be initially simulated by slightly varying the mass properties of the structure. As a second step actual damage was introduced to the structure. The structural dynamic behavior has been numerically simulated and experimentally verified by means of vibration testing. The analysis of operational dynamic responses will be employed to identify both the damage and its position. The experimental validation was designed and tested initially on a flat composite stiffened panel representing a section of a typical aeronautical structure composed of frames and stringers (manufactured and tested in the Applied Mechanics Laboratory University of Patras). The testing continued on a scaled up space oriented structure i.e. a composite honeycomb plate tested at European Space Agency (ESA/ESTEC). Finally the system was successfully applied on real space hardware i.e. a lightweight antenna sub reflector from SPAINSAT manufactured and tested at EADS CASA ESPACIO. An integrated FBG sensor network based on the advantage of sensor multiplexing was mounted on the antenna with optimum topology. The analysis of operational dynamic responses was employed to identify both the damage and its position. Finite Element analysis of the all structures has been utilized to simulate the dynamic behavior. The numerical model was calibrated against experimental results and it was used for the optimal placement of the FBG sensors. FBG sensors were bonded on the surface of the composite structures FBG sensors have been chosen because they present several advantages if compared with other fiber optic monitoring systems in particular they are slightly invasive and allow multiplexing of several sensors in a single optical fiber. The proposed damage detection methodology utilizes the collected dynamic response data and through various levels of data processing and an expert system identifies the damage size and location. Feature extraction is the first step of the algorithm. Multi sensor data fusion in a feature level approach is followed. State of the art digital signal processing techniques such as the Discrete Wavelet Transform (DWT) are used for feature extraction Wavelet Transform capability of separating the different frequency components in the time domain without losing frequency information makes it a powerful tool for Structural Health Monitoring systems. A set of extracted features are proven effective indices of damage location and its size. The classification step comprises of a feed forward back propagation. Artificial Neural Network (ANN) whose output determines the simulated damage location. Finally dedicated training and validation activities are carried out by means of numerical simulations and experimental procedures. The outcome of the proposed SHM system is a classifier that has the ability to recognize the presence of the damage and its position on the structure. In addition experimental modal analysis based on the FBG strain responses is conducted and the strain mode shapes and Eigen frequencies are extracted. Strain frequency response function data are acquired from the FBGs which are used for the experimental modal analysis. The strain mode shapes consist the new features input to the neural network scheme.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος παρακολούθησης βλάβης γιααεροδιαστημικές κατασκευές με αισθητήρες οπτικών ινών (Fiber Bragg Grating FBG) με χρήση μετρήσεων δυναμικής απόκρισης και τεχνικών επεξεργασίας σήματος. Οι αισθητήρες οπτικών ινών FBG χρησιμοποιούνται ως αισθητήρες ανίχνευσης παραμόρφωσης εκμεταλλευόμενοι την μεταβολή του μήκους κύματος του φωτός που διέρχεται από αυτούς κατά την διαστολή η τη συστολή τους. Η απλή μονότροπη τηλεπικοινωνιακή οπτική ίνα εκτίθεται σε συγκλίνουσες δέσμες UV laser light. Οι δέσμες αυτές όταν διασταυρώνονται παρεμβάλλει η μια την άλλη, μεταβάλλουν μέρος της δομής της οπτικής ίνας και αλλάζουν περιοδικά τον δείκτη διάθλασης δημιουργώντας διαφορετικές περιοχές υψηλού και χαμηλού δείκτη διαθλάσεως στον πυρήνα της ίνας. Η τροποποιημένη ζώνη της ίνας λειτουργεί σαν οπτικό φίλτρο αντανακλώντας μια ελάχιστη ποσότητα του ευρυζωνικού σήματος επιτρέποντας παράλληλα στο υπόλοιπο φως να συνεχίσει την πορεία του μέσα στην ίνα. Αυτή η τροποποιημένη περιοχή είναι ευαίσθητη στην τάση εφελκυσμού και στις μεταβολές θερμοκρασίας. Πλεονεκτήματα των αισθητήρων FBG είναι τα ακόλουθα. Απρόσβλητοι στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία απαιτούν μηδενική ενέργεια, προσφέρουν μακροχρόνια σταθερότητα, προσφέρουν ευκολία και χαμηλό κόστος εγκατάστασης, έχουν πολύ μικρές διαστάσεις, μεγάλη ακρίβεια και σχεδόν μηδενικό βάρος, μπορούν να σχηματίσουν συστοιχίες πολλαπλών οπτικών αισθητήρων σε μια μόνο οπτική ίνα (multiplexing) και μπορεί να γίνει ενσωμάτωσή τους σε σύνθετα υλικά. Οι αισθητήρες οπτικών ινών FBG μέχρι σήμερα χρησιμοποιούνται μόνο για στατικές μετρήσεις. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής είναι οι ακόλουθοι. Χρήση αισθητήρων οπτικών ινών FBG γιαμετρήσεις δυναμικής απόκρισης με σκοπό την παρακολούθηση καλής λειτουργίας και την εύρεση βλάβης κατασκευών από σύνθετα υλικά. Εκτέλεση ειδικά επιλεγμένων μηχανικών δοκιμών σε τρία είδη κατασκευών αεροναυπηγικών και αεροδιαστημικών από lab scale κατασκευή σε πραγματική αεροδιαστημική κατασκευή. Διερεύνηση της καταλληλότερης τοπολογίας αισθητήρων οπτικών ινών στη συνθέτη κατασκευή και διερεύνηση του καταλληλότερου τρόπου τοποθέτησής τους. Ανάπτυξη του συστήματος παρακολούθησης βλάβης των κατασκευών με βάση αρχικά προσομοιωμένη βλάβη (μεταβάλλοντας το μητρώο μάζας της κατασκευής) και στα τελευταία στάδια πειραμάτων με βάση πραγματική βλάβη (ρωγμή) στις στρώσεις του συνθέτου υλικού. Ανάπτυξη και εφαρμογή καινοτόμων τεχνικών επεξεργασίας για τα σήματα παραμόρφωσης βασιζόμενες στο μετασχηματισμό κυματιδίων. Ανάπτυξη στατιστικών δεικτών ευαίσθητων στην παρουσία βλάβης από την επεξεργασία των σημάτων των αισθητήρων FBG. Εκπαίδευση και επαλήθευση τεχνητού νευρωνικού δικτύου με βάση επιλεγμένους δείκτες για εύρεση βλάβης (μέγεθος βλάβης και τοποθεσία). Διερεύνηση και ανάπτυξη μεθόδου διάγνωσης βλάβης βασισμένο σε πειραματική modal ανάλυση μέσω των σημάτων παραμόρφωσης από τους αισθητήρες οπτικών ινών Fiber Bragg Gratings. Πειραματική modal ανάλυση μέσω των σημάτων παραμόρφωσης και υπολογισμός των ιδιομορφών παραμόρφωσης της κατασκευής μέσω των FBG σημάτων.