FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

Ensayos de evaluación de sistemas de monitoreo de salud estructural

ELABORADO POR:

GONZÁLEZ, MADERLIN 8-862-1017

PROF.: Carlos Plazaola

Grupo: 1AA-251

Universidad Tecnológica de Panamá

30 de noviembre DEL 2015

Introducción

Demuestra el rendimiento de las tecnologías de detección de daños y OLM(monitoreo de cargas operacional) en las grandes estructuras complejas y dentro de un entorno operativo. Las pruebas se realizan como una mezcla de evaluadores basados en tierra y pruebas de vuelo.

Varias tecnologías de monitoreo se utilizan para detectar y localizar los daños. Estos incluyen: sensores de fibra óptica incorporado, sistema de fibra óptica de rejilla de Bragg, sensores piezocerámicos y sistema de Emisión Acústica.

Las pruebas se realizan como una mezcla de los evaluadores en tierra y pruebas de vuelo. Las tecnologías de detección de daños utilizan los evaluadores en tierra, ya que desde la introducción del daño puede comprometer la integridad estructural, que es tema importante para las pruebas de vuelo.

Evaluador metálico a gran escala:

Las muestras utilizadas fueron tres paneles metálicos rectangulares (750 × 300 × 2 mm) de aluminio con múltiples remaches. Las placas fueron instrumentadas con dos tipos diferentes de transductores piezocerámicos delgadas. El primer conjunto de transductores se unió en una configuración simétrica de 120 mm debajo y por encima del remache medio. El segundo conjunto de transductores se encuentra entre las líneas de remache. La muestra metálica se encuentra rota después de ensayos de fatiga completados.

La carga de fatiga de amplitud constante y una carga aleatoria FALSTAFF se utilizó en las pruebas para introducir y hacer crecer grietas en la muestra.

Falstaff es una carga de prueba de fatiga estándar espectro que representa el menor wing root loading de un avión de combate.

El truncamiento de la secuencia de carga era necesario para evitar el pandeo de las muestras.

La figura de la izquierda es el dibujo esquemático del panel con remaches múltiples y la figura de la derecha es el panel totalmente roto después de los ensayos de fatiga.

Figura que muestra un ejemplo de la curva de propagación de las grietas para las muestras analizadas.

Un modelo numérico bidimensional se ha desarrollado utilizando el código de elementos finitos, ATILA para permitir un análisis modal y armónico del transductor piezoeléctrico.

A partir de este análisis, se encontraron cuatro modos de vibración naturales que van desde 100 kHz a 1 MHz.

Modo de vibración transversal del transductor

Instrumentación utilizada para la técnica de detección de grietas basado en ondas de Lamb

Los estudios presentados muestran la viabilidad de las pruebas de ondas para la detección de grietas y monitoreo en estructuras metálicas complejas. El rendimiento de los sensores piezocerámicos era satisfactorio; no se observó pérdida de acoplamiento.

Resultados de emisión acústica de una completa escala-prueba de fatiga

El BALRUE sistema de emisión acústico modificado es radicalmente diferente al de emisión acústica convencional en que exige un seguimiento continuo.

El sistema contiene filtros fenomenológicas incorporados en el disco. Estos realizan reducción de datos dramáticamente que resulta en la identificación positiva y la ubicación de crecimiento de grietas en las estructuras. El método es adecuado para estructuras diseñadas en los principios de tolerancia al daño.

En los materiales compuestos se detecta el desgaste por rozamiento en la periferia de los daños y situado aunque los sensores tienen que estar más cerca que en las estructuras metálicas.

Aplicaciones del BALRUE:

A340 Landing Gear

Support Structure

El sistema se implementa en el ensayo de fatiga del A340-600. Sensores piezocerámicos miniatura sintonizados a 300 KHz se aplicaron a la ala interna, 24 sensores eran suficientes para inspeccionar el componente que estaba bajo carga de fatiga continua que representa las condiciones de vuelo.

Aproximadamente 50 ciclos de vuelo después de la detección de una grieta estaban obligados a establecer de forma inequívoca la presencia de crecimiento de las grieta y la ubicación de la punta de la grieta.

Pruebas de vuelo

Las pruebas de vuelo extienden los resultados de laboratorio y evaluar el monitoreo de carga y niveles de ruido para sensores de detección de daños en condiciones ambientales altamente representativos.

Se muestra ejemplos de resultados de pruebas de vuelo del monitoreo de cargas de fibra óptica y sistemas de detección de daños de emisión acústica.

Las pruebas de vuelo no fueron utilizados para la detección de daños en las estructuras primaria y secundarias de la propia aeronave, porque esto pondría en peligro la integridad estructural.

Banco de pruebas

Un Jetstream 31 son aviones de banco de pruebas de vuelo, se utilizó en los ensayos realizados en Warton Aerodrome durante un período de dos semanas en febrero y marzo de 1999. El Jetstream es un avión impulsado por hélice bimotor. El área de la cabina, donde los pasajeros se realizan con normalidad, fue adaptada para aceptar equipos. Los datos de los sensores se registraron durante los vuelos por los ingenieros que operan los sistemas de monitoreo en la cabina del avión. Los operadores se sentaron en los asientos

de enfrente de los bastidores de equipos. Los datos del sensor se transfirieron a discos ZIP de modo que pudiera ser analizado en un equipo basado en tierra. Los discos ZIP también proporcionaron una copia de seguridad conveniente de los datos de vuelo.

Jetstream 31 y sistema OLM instalado en la cabina

Sistemas de detección de daños de emisión acústica óptica:

Dos mallas de sensores ópticos lineales fueron instaladas en el banco de pruebas. La primera malla lineal (sensores 1 y 2) se colocó en el fuselaje cerca del ala. La distancia entre los sensores fue de aproximadamente 820 mm. La segunda malla lineal (sensores 5 y 6) se colocó en la parte inferior del fuselaje en la unión ala. La distancia entre los sensores era de unos 700 mm. La conexión con los sensores externos se logró a través de un panel de conexión hermética con el fin de garantizar la presurización de la cabina. Los preamplificadores de los sensores externos se encuentran dentro de la aeronave. Los sensores 3 y 4 se encuentran en las mallas 1 y 2, respectivamente y se utilizan como generadores de impulsos con el fin de generar la sensibilidad y la precisión evento de localización de los equipos de Emisión Acústica en vuelo.

El acoplamiento, el rendimiento y la sensibilidad de los sensores de emisión acústica eran muy buenos, El efecto de la temperatura (de -23 ◦C a 0◦C) no parece modificar la sensibilidad de los sensores. Sin embargo, la variación de la aceleración (hasta 2,75 G) disminuye ligeramente la sensibilidad. Las diferentes fases de vuelo ilustran la buena sensibilidad y la precisión de la técnica de Emisión Acústica.

Las pruebas de localización en el fuselaje con la fuente de Hsu-Nilsen (0.5mm 2H plomo) se han realizado en el nivel de vuelo a diferentes alturas con el fin de tomar la temperatura en cuenta. Todos los eventos estaban perfectamente localizados con amplitudes superiores a 90 dB. La precisión media de la localización era de aproximadamente 2% (de 14 mm sobre una malla 690mm). Teniendo en cuenta la complejidad de la estructura en esta malla (ensamblaje remachado, capa de relleno entre los elementos estructurales) esto demuestra una buena sensibilidad del sistema de emisión acústica para la localización de los acontecimientos.

Excepto los eventos artificiales algunos eventos se han localizado en la malla de medición.

La mejor aplicación del sistema podría estar en zonas de la estructura de la aeronave siendo de difícil acceso, donde las operaciones de mantenimiento son específicamente más caras. Las pruebas han demostrado que el sistema, los sensores y el cableado tienen que ser optimizado para un uso a largo plazo en condiciones de vuelo. Además, el procesamiento de datos tiene que ser simplificada para dar solo algunos parámetros importantes.

Una lógica de seguimiento podría ser el monitoreo daños en vuelo en las partes estructurales o en los especímenes de ensayo montados en la estructura con el fin de acoplarse con el medio ambiente vibración.

El OLM tuvo que operar y ser capaz de registrar los datos de vuelo durante la duración de cada vuelo. Vuelos podrían durar hasta dos horas y media. Este entorno proporciona una prueba importante para los componentes de la OLM incluyendo el procesador de señal óptica (OSP) y los conectores FC / PC

Conclusión

El objetivo de este capítulo es demostrar la viabilidad de las tecnologías de carga y monitoreo daños en las pruebas de componentes representativos bajo cargas operativas realistas y las condiciones ambientales.

La siguiente prueba un experimento en tierra y uno vuelo se realizaron:

Prueba de suelo en una placa metálica a gran escala de la estructura remachada para simular vigilancia de daños sobre el envejecimiento de las aeronaves;

Prueba de vuelo que comprende una estructura de material compuesto unido a la estructura del avión junto con un número de sensores conectados al lado.

El uso de sensores piezocerámicos y acústica de emisión también se demostró con éxito. Todos estos sistemas requieren sistemas de procesamiento de señal y de registro de datos que se lleven a la práctica, que es sin duda uno de los elementos clave de cualquier sistema de vigilancia de la salud y su uso estructural.

Referencia:

En la referencia mostrada se muestra con mas detalles los ensayos. Capitulo 6

Health Monitoring of Aerospace Structures Smart Sensor Technologies and Signal Processing

EDITED BY

W.J. Staszewski, C. Boller∗ and G.R. Tomlinson

Department of Mechanical Engineering, Sheffield University, UK