Structural Health Monitoring per le applicazioni aerospaziali

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1 Università degli Studi di Roma Sapienza Facoltà di Ingegneria Aeronautica e dello Spazio Corso di Laurea in Ingegneria Aerospaziale Structural Health Monitoring per le applicazioni aerospaziali Relatore Prof. Claudio Scarponi Candidato Roberto Forte Anno Accademico 2009/2010

2 Introduzione Per Structural Health Monitoring (SHM) si intendono quelle tecniche capaci di monitorare in maniera continuativa, o attraverso un sistema on/off, le strutture aerospaziali, civili etc., integrando insieme al componente stesso gli elementi rivelatori senza che, quest ultimi, vadano ad intaccare le capacità resistenziali della struttura. Il target degli SHM è principalmente quello di dare informazioni sull integrità strutturale del componente, sul quale sono installati, durante tutta la sua vita operativa e quindi di identificare e valutare l eventuale nascita e propagazione del danno. In questa tesi si vuole dunque approfondire lo SHM, concentrando l attenzione sul contributo che esso offre al settore aerospaziale dove qualità, economicità, sicurezza ed affidabilità sono gli obbiettivi principi da perseguire. In primo luogo si introdurrà il concetto di structural damage definendo le metodologie associate al problema dell identificazione e valutazione del danno. Successivamente si descriveranno le principali tecniche non-distruttive tradizionali in uso nel settore aerospaziale, radice dello SHM. Nel II capitolo si presenterà una panoramica sulla storia dello SHM e le motivazioni alla base dello sviluppo delle tecnologie SHM, tra le quali emergono le problematiche riferite al risk management e all effettivo ritorno economico nello sviluppo e uso dello SHM nel settore aerospaziale. La fase successiva si concentrerà sulla descrizione delle principali tecniche usate per lo SHM delle strutture aeronautiche e spaziali introducendo il meccanismo di funzionamento dei sensori e lo stato dell arte. Nell ultimo capitolo si analizzeranno alcune applicazioni innovative, attualmente adoperate, dello SHM nel mondo aerospaziale. 1

3 1. Lo structural damage e le principali NDT techniques 1.1 Lo structural damage e la sua identificazione Lo structural damage, in termini generali, può essere inteso come i cambiamenti introdotti in un sistema che influenzano negativamente le sue performance attuali o future; definizione che implicitamente prevede la comparazione tra due differenti stati del sistema, uno dei quali è preso come stato iniziale, spesso privo di difetti. Il danno quindi, in questo contesto, non và inteso come il failure del componente, ovvero il punto al quale il sistema raggiunge il suo livello critico di totale inoperabilità, ma come quei cambiamenti delle proprietà geometriche e/o strutturali, incluse le condizioni al contorno e le giunzioni del sistema, che provocano un funzionamento non ottimale (Farrar,Worden, 2006). L identificazione del danno è ottenuta attraverso cinque discipline molto vicine tra loro: Structural Health Monitoring: tipicamente associata con l identificazione e il monitoraggio del danno, in senso globale, di sistemi complessi, come un velivolo o un edificio. Condition Monitoring (CM): alter ego dello SHM nell identificazione del danno per macchine rotanti. Non-distructive Testing (NDT): tecniche di indagine non distruttive tradizionali, di cui si discuterà più approfonditamente in seguito 1. Statistical Process Control (SPC): si interessa più del processo che della struttura ed usa una serie di sensori per monitorare i cambiamenti che avvengono durante l esecuzione della procedura, dovuti ad esempio ad un danno strutturale. Damage Prognosis (DP): a seguito dell identificazione del danno, DP è utilizzato per valutare la rimanente vita operativa del sistema 1 Cfr. Paragrafo 1.2 2

4 1.2 Principali tecniche non-distruttive Lo scopo delle NDT techniques è quello di valutare le qualità e lo stato della struttura in termini di difetti interni, superficiali, stato di avanzamento delle cricche di fatica, disomogeneità nella distribuzione del quantitativo di resina nei compositi etc. Nel tempo, in particolare intorno alla metà degli anni 60 e durante i 70, per ottemperare a questi obbiettivi sono state sviluppate tecniche diversificate sia in termini di principio di funzionamento sia in termini applicativi. Le principali, raggruppate in base al tipo di difetto rilevato, sono: Difetti superficiali e sub-superficiali o Ispezione visiva Diretta Coadiuvata da liquidi penetranti fluorescenti o Polveri Magnetiche ed Eddy currents Difetti interni o Radiografia e Termografia o Ispezione ultrasonica o Emissione acustica Di seguito sarà data una breve descrizione delle stesse, con particolare attenzione alle tecniche ultrasoniche e ad emissione acustica, poiché queste possono essere utilizzate anche nello SHM Ispezione visiva L ispezione visiva è il modo naturale e più comune per valutare l integrità di una struttura, in particolare per individuare i difetti superficiali. Questa tecnica prevede, nella sua accezione più semplice, la disamina dell elemento da parte di un operatore esperto riconoscendo eventuali fratture superficiali, innesco delle cricche di fatica. 3

5 L operatore, come accennato, può coadiuvare l occhio nudo attraverso strumenti come il microscopio per avere una visione più particolareggiata, il boroscopio per raggiungere le zone più difficilmente accessibili, oppure attraverso dei liquidi penetranti e fluorescenti che permettono, a seguito di particolari procedure per la distribuzione, di mettere in evidenza tutti quei difetti superficiali invisibili ad occhio nudo. Il limite più importante di queste procedure a basso costo è l inacessibilità o l impossibilità di smontaggio ed esame del componente d interesse Polveri Magnetiche ed Eddy currents La tecnica magnetica si attua disperdendo sulla superficie in esame delle polveri ferromagnetiche le quali, successivamente alla creazione di un campo elettromagnetico all interno del pezzo, si dispongono lungo le linee di flusso del campo stesso evidenziando i disturbi dovuti ad i vuoti o le micro-fratture superficiali o sub superficiali. La tecnica delle Eddy-currents (correnti indotte) è la terza tecnica più comunemente usata in ambito aerospaziale subito dopo l ispezione visiva e la tecnica ultrasonica 2. Il principio fisico sfruttato è il rilevamento del cambiamento dell impedenza elettromagnetica dovuta agli sforzi e ai difetti del materiale. Principio funzionamento Eddy-currents ed un esempio di frattura diagnosticata intorno ad un rivetto aeronautico Gli sviluppi più recenti in questo campo sono le pulse eddy currents techniques le quali, attraverso un sistema che sfrutta eccitazioni sinusoidali e frequenze multiple, garantiscono migliore accuratezza e sensibilità(preda et al, 2002). 2 Cfr. Paragrafo 1.4 4

6 Il limite di queste tecniche, anch esse a basso costo, risiede sia nella richiesta di conduttività elettrica e permeabilità magnetica del materiale, sia nella difficile interpretazione dei dati da parte dell operatore, che deve essere qualificato ed esperto. Inoltre esse non risolvono il problema per ciò che riguarda l esame dei componenti difficilmente accessibili Tecnica Radiografica e Termografica La tecnica radiografica, uno tra i primi metodi introdotti per l indagine dei difetti interni, si basa sul principio che raggi ad alto contenuto energetico, come i raggi-gamma o i raggix, che colpiscono un corpo vengono in parte assorbiti attenuandosi. Il passaggio successivo consiste nella rilevazione su pellicola, o monitor, delle variazioni d attenuazione che il fascio subisce all interno del pezzo, ottenendo così un immagine dei difetti interni chiara e di facile interpretazione, in tempi moderati e per superfici anche abbastanza ampie. Schematizzazione principio di funzionamento della tecnica radiografica Gli stessi vantaggi sono caratteristici anche della tecnica termografica che sfrutta il principio fisico secondo il quale un corpo irradia per lunghezze d onda funzioni della temperatura. Entrambe queste tecniche sono poco utilizzate nel mondo aerospaziale in quanto danno informazioni solo bidimensionali, perdendo quindi la profondità, ed inoltre sono molto dispendiose dati gli accorgimenti da usare a causa della pericolosità per gli operatori. 5