Structural integrity assessment of aerostructures using innovative non-destructive evaluation techniques

Abstract

Advanced fibrous composite materials have been widely used by the aircraft industry over the last years due to their excellent specific properties. Aircraft industries are focusing on stretching the properties of advanced composite materials to their limits. The increased aging of the aircraft fleet has brought the need of novel repair methodologies that will assure and secure safe flights. It is therefore obvious, that efficient and effective non-destructive techniques are of primary importance in aerospace structures in order to provide full scale structural integrity assessment.Within the scope of this work, innovative Non-Destructive Evaluation (NDE) techniques have been examined in this study. Quality assessment of materials and structures has been achieved via various modes of electrical, thermal and acoustic methods in both off-line (inspection on demand) and on-line conditions (structural health monitoring). More specifically, electrical techniques were employed in monitoring and mapping protocols, both in resistance and potential modes. Thermography was employed in Pulse, Pulse Phase and Lock-in mode. Finally, Acoustic Emission and ultrasonic scanning (B & C-scan) were employed as benchmarking methods. An innovative NDE approach developed within the context of this study involved the combination of electrical and thermal NDE approaches to a novel technique, i.e. the current injection thermography.All techniques either individually or in conjunction were employed to interrogate a variety of specimen configurations, representing model configurations, structural details, or structures exploiting various forms of excitation as well as self sensing material principles. More specifically, at an initial level, the employed techniques were exploited for the characterization of damage in off-line conditions as this is typically the practice in aircraft maintenance. At a system level integration the investigated NDE techniques were applied in real time for structural health monitoring. The evaluation of the performance of the proposed NDE techniques in small scale structures preceded the highlight study of a real composite repaired helicopter wing (SW–4 /PZL-Swidnik /AgustaWestland).

Προηγμένα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται κατά κόρον στην αεροναυπηγική τεχνολογία τα τελευταία χρόνια λόγω των εξαιρετικών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Η αεροναυπηγική βιομηχανία επενδύει στην έρευνα προηγμένων συνθέτων υλικών με σκοπό την περαιτέρω αύξηση των ειδικών μηχανικών τους ιδιοτήτων. Παράλληλα, η ολοένα αυξανόμενη ηλικία του αεροναυπηγικού στόλου έχει ανάγκη από νέες τεχνολογίες επισκευής οι οποίες θα διασφαλίσουν αξιόπιστες κατασκευές στα αεροσκάφη και εν συνεχεία ασφαλείς πτήσεις. Όπως είναι προφανές, καινοτόμοι Μη-Καταστροφικοί Έλεγχοι (ΜΚΕ) κρίνονται ως υψίστης σημασίας σε αεροδιαστημικές κατασκευές, σκοπεύοντας στην αποδοτική και ολοκληρωμένη εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας. Αντικείμενο της διατριβής είναι η αξιολόγηση εσωτερικής βλάβης σε σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας και ινώδους ενίσχυσης αλλά και σε επισκευές με χρήση επικολλώμενων επιθεμάτων ινωδών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας, κάνοντας χρήση πληθώρας καινοτόμων ΜΚΕ. Πιο αναλυτικά, έλαβε χώρα ποιοτική αξιολόγηση κατασκευών και υλικών μέσω ηλεκτρικών, θερμογραφικών αλλά και ακουστικών μεθόδων ΜΚΕ. Οι ηλεκτρικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για καταγραφή αλλά και χαρτογράφηση βλάβης μέσω μέτρησης της ηλεκτρικής αντιστάσεως όπως και του ηλεκτρικού δυναμικού. Η μέθοδοι Θερμογραφίας που μελετήθηκαν ήταν η Θερμογραφίας παλμού, φάσης παλμού όπως και η Θερμογραφία lock-in. Η τεχνική ακουστικής εκπομπής αλλά και η μέθοδος υπερήχων (B /C-scan) χρησιμοποιήθηκαν ως επαληθευτικές /συνδυαστικές τεχνικές σε όλα τα στάδια της διατριβής. Στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκε μια καινοτόμος προσέγγιση ΜΚΕ η οποία συνδυάζει τις τεχνικές Θερμογραφίας και ηλεκτρικών ιδιοτήτων όπου χρησιμοποιείται συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα ως εξωτερική πηγή θερμικής διέγερσης.Οι εξεταζόμενες μεθοδολογίες της διατριβής μη-καταστροφικού ελέγχου μελετήθηκαν ξεχωριστά αλλά και σε συνδυασμό για την ανίχνευση και παρακολούθηση βλάβης σε ποικιλία υλικών και κατασκευών χρησιμοποιώντας διάφορους τύπους εξωτερικής διέγερσης αλλά και αυτό-διάγνωσης. Συγκεκριμένα, η δομική αξιολόγηση των εξεταζόμενων υλικών μελετήθηκε σε δύο επίπεδα: σε εκτός (κατά απαίτηση) λειτουργίας και εν-λειτουργία (σε πραγματικό χρόνο) συνθήκες. Σε πρώτη φάση η έλαβε χώρα η ανίχνευση βλάβης σε κατάσταση εκτός λειτουργίας, όπως είθισται σε περιπτώσεις συντήρησης αεροσκαφών. Στη συνέχεια, οι ΜΚΕ τεχνικές εφαρμόσθηκαν σε πραγματικό χρόνο για την παρακολούθηση της δημιουργίας και εξέλιξης βλάβης σε εν-λειτουργία συνθήκες. Η αποτίμηση της αποδοτικότητας των ΜΚΕ σε κατασκευαστικές λεπτομέρειες, προηγήθηκε του αποκορυφώματος της διατριβής, το οποίο ήταν η χρήση η παρακολούθηση και αποτίμηση βλάβης σε μια πραγματική κατασκευή ενός φτερού ελικοπτέρου (SW–4 /PZL-Swidnik /AgustaWestland).