Prognostic methodologies for remaining useful life estimation of aerospace structures utilizing structural health monitoring technologies
Authors: Γαλανόπουλος Γεώργιος 
Published: November 2023

Συνοπτική παρουσίαση και σχολιασμός της διδακτορικής διατριβής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται το θέμα της πρόβλεψης της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής αεροναυπηγικών κατασκευών από σύνθετα υλικά αξιοποιώντας δεδομένα από αισθητήρες παρακολούθησης δομικής ακεραιότητας. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσονται μεθοδολογίες για τη δημιουργία ευαίσθητων και εύρωστων Δεικτών Βλάβης, από δεδομένα παραμορφώσεων και ακουστικής εκπομπής, για την παρακολούθηση της υποβάθμισης των ιδιοτήτων της κατασκευής και στη συνέχεια, οι δείκτες αυτοί χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής όμοιων κατασκευών.Η σημαντικότερη συνεισφορά της παρούσας διατριβής στην επιστημονική γνώση εντοπίζεται στα εξής: •Πραγματοποιούνται πειράματα κόπωσης σε δομές σύνθετων υλικών με νεύρα δυσκαμψίας με διαφορετικά, μεταβαλλόμενα φορτία και η δομική τους ακεραιότητα παρακολουθείτε σε πραγματικό χρόνο από συστήματα SHM. Μέχρι πρότεινως η βιβλιογραφία δεν έχει ασχοληθεί με κόπωση σε σύνθετες υποδομές ιδιαίτερα σε κόπωση μεταβλητού πλάτους. Η συγκεκριμένη εργασία παρέχει χρήσιμη διορατικότητα για την συμπεριφορά σύνθετων υποδομών στην κόπωση καθώς και μία αρκετά πλήρη βάση δεδομένων. •Αξιοποιούνται δεδομένα μη καταστροφικού ελέγχου για την κατασκευή Δεικτών Βλάβης ικανών να αντιπροσωπεύσουν την διαδικασία της υποβάθμισης. Με κατάλληλη επεξεργασία των δεδομένων από αισθητήρες μη καταστροφικού ελέγχου κατασκευάστηκαν απλοί και σύνθετοι δείκτες βλάβης οι οποίοι αξιοποιούνται για την πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής των σύνθετων υποδομών. Οι προβλέψεις ήταν αρκετά εύστοχες καταδεικνύοντας την ικανότητας των προτεινόμενων μεθοδολογιών. •Πραγματοποιήθηκε επίσης μελέτη upscaling των μεθοδολογιών σε πιο σύνθετες δομές, δηλαδή δομές με πολλαπλά νεύρα δυσκαμψίας. Πειράματα κόπωσης σε τόσο σύνθετες υποδομές είναι πρωτόγνωρα καθώς και η αξιοποίηση δεδομένων μη καταστροφικού ελέγχου για την παρακολούθηση της δομικής τους ακεραιότητας. Στόχοι της διδακτορικής διατριβήςΟ στόχος της διατριβής είναι η κατασκευή ευαίσθητων και εύρωστων Δεικτών Βλάβης ικανών να αποτυπώσουν την διαδικασία της υποβάθμισης αεροπορικών υποδομών από σύνθετα υλικά που υποβάλλονται σε κόπωση θλιπτικού φορτίου σταθερού, μεταβαλλόμενου και τυχαίου πλάτους. Για την βελτίωση των προβλέψεων της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής, οι δείκτες αυτοί είναι επιθυμητό να έχουν τα χαρακτηριστικά της μονοτονίας και της προβλεψιμότητας και για αυτό το λόγο πραγματοποιείται βελτιστοποίηση με γνώμονα τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά. Ως τελικός στόχος της παρούσας εργασίας τίθεται η εύστοχη πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής των αεροπορικών υποδομών, το οποίο επιτεύχθηκε με πολύ καλή ακρίβεια παρά τις δυσκολίες λόγω πολυπλοκότητας των πειραμάτων. Ένας δευτερεύων στόχος είναι το upscaling των μεθοδολογιών σε αντιπροσωπευτικές δομές αεροσκαφών. Παρόλο που γίναν κάποιες παραδοχές για τη συσχέτιση των πειραμάτων η προσπάθεια upscaling χαρακτηρίστηκε επιτυχής, αφήνοντας ωστόσο ενδεχόμενα βελτίωσης και βελτιστοποίησης.Οι ανωτέρω γενικοί στόχοι τμηματοποιούνται στα επιμέρους: •Εξαγωγή δεδομένων μη καταστροφικού ελέγχου από πειράματα κόπωσης σταθερού, μεταβαλλόμενου και τυχαίου πλάτους •Κατασκευή Δεικτών Βλάβης, από δεδομένα παραμορφώσεων και ακουστικής εκπομπής, ικανών να αναπαραστήσουν την διαδικασία της υποβάθμισης •Συγχώνευση/ ένωση των Δεικτών Βλάβης από δεδομένα παραμόρφωσης για την δημιουργία ενός ανώτερου Δείκτη Βλάβης για βελτίωση των προβλέψεων εναπομένουσας χρήσιμης ζωής. •Εξερεύνηση χρονικού και συχνοτικού πεδίου για εύρεση χαρακτηριστικών υποβάθμισής από τα δεδομένα ακουστικής εκπομπής. •Συσχέτιση των Δεικτών Βλάβης με την αυξανόμενη βλάβη. •Πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής με τη χρήση μοντέλων μηχανικής μάθησης. •Μελέτη upscaling των μεθοδολογιών με χρήση έξυπνων μεθόδων προ-επεξεργασίας και εφαρμογή μεθόδων συνόλου (ensemble learning) και ομοιότητας (similarity learning) για την εύστοχη πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής. Περίληψη των κεφαλαίων της διδακτορικής διατριβής. Η παρούσα διατριβή οργανώνεται σε 7 κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 1 είναι εισαγωγικό κεφάλαιο και εισάγει τον αναγνώστη στο θέμα της διατριβής. Τα Κεφάλαια 2 – 5 πραγματεύονται το πλαίσιο και τις μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν και τα αναλύουν, ξεκινώντας από τα πειράματα κόπωσης και καταλήγοντας στην πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται και συζητάται η προσπάθεια για upscaling και σχολιάζονται τα ευρήματά της. Τέλος στο Κεφάλαιο 7, συνοψίζεται η εργασία και καταδεικνύονται η συνεισφορά στον επιστημονικό κλάδο και τα κύρια ευρήματα που επιτεύχθηκαν, και προτείνονται ιδέες για μελλοντική έρευνα. Ακολούθως παρουσιάζουμε μια σύνοψη κάθε κεφαλαίου. Στο Κεφάλαιο 1 παρουσιάζονται ο σκοπός και το κίνητρο της συγκεκριμένης εργασίας και γίνεται η ανασκόπηση της βιβλιογραφίας. Αναφέρονται οι προκλήσεις και οι ανάγκες που αντιμετωπίζει η σύγχρονη αεροναυπηγική βιομηχανία και υπογραμμίζεται η σημασία για τον εκσυγχρονισμό των μεθοδολογιών παρακολούθησης δομικής ακεραιότητάς. Στη συνέχεια πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση, επικεντρώνοντας στις σύγχρονες τεχνολογίες παρακολούθησης δομικής ακεραιότητας, στις μεθοδολογίες πρόβλεψης της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής, καθώς και στην σημασία των Δεικτών Βλάβης για την εύστοχη πρόβλεψη. Τέλος το κεφάλαιο κλείνει παρουσιάζοντας τον σκοπό της εργασίας καθώς και το προτεινόμενο πλαίσιο αντιμετώπισης του προβλήματος. Το Κεφάλαιο 2 παρουσιάζει δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν, τα πειράματα, τον εξοπλισμό και μεθοδολογίες συλλογής δεδομένων. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζει την γεωμετρία, διαστασιολογία και διαστρωμάτωση των δοκιμίων. Συζητάται επίσης η πειραματική διαδικασία, αναφέροντας τον τύπο των φορτίσεων, τα φορτία, η αρχική βλάβη και οι κύκλοι αστοχίας. Επίσης παρουσιάζονται οι μεθοδολογίες παρακολούθησης, η συχνότητα καταγραφής των δεδομένων και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε. Το Κεφάλαιο 3 πραγματεύεται τις μεθοδολογίες επεξεργασίας των δεδομένων. Παρουσιάζει την προ-επεξεργασία των δεδομένων που συλλέχθηκαν από τα αισθητήρια, για τον καθαρισμό και την αντιμετώπιση των μεταβλητών συνθηκών φόρτισης. Σχολιάζει επίσης τις δυσκολίες που συναντήθηκαν και πως αντιμετωπίστηκαν. Στην συνέχεια αναφέρονται οι μεθοδολογίες για την κατασκευή των Δεικτών Βλάβης και συζητάται η μέθοδος που ακολουθήθηκε για την διερεύνηση του ενισχυμένου Δείκτη Βλάβης. Ακόμα παραθέτουμε τη μελέτη στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας για την εξαγωγή χαρακτηριστικών υποβάθμισης από τα δεδομένα της ακουστικής εκπομπής. Στο Κεφάλαιο 4 συζητόνται οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής. Συγκεκριμένα αναφερόμαστε στα χαρακτηριστικά και τις μαθηματικές εξισώσεις που διέπουν τα Gaussian Processes, τα Non Homogeneous Hidden Semi Markov μοντέλα και τα νευρωνικά δίκτυα. Στο Κεφάλαιο 5 συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα της διατριβής. Αρχικά παρουσιάζονται τα επεξεργασμένα δεδομένα και οι απλοί δείκτες βλάβης για αντιπροσωπευτικά δοκίμια από κάθε τύπο φόρτισης και σχολιάζεται η συμπεριφορά τους. Ακολουθεί συζήτηση σχετικά με την σύγκριση των Δεικτών Βλάβης, τόσο από δεδομένα παραμορφώσεων όσο και από δεδομένα ακουστικής εκπομπής, για όλα τα δοκίμια που υποβλήθηκαν σε κόπωση. Όσον αφορά τους Δείκτες Βλάβης από δεδομένα παραμόρφωσης, η σύγκριση έδειξε την υπεροχή του ενισχυμένου Δείκτη Βλάβης σε σχέση με τους απλούς δείκτες. Για την ακουστική εκπομπή, τα ανακαλυφθέντα χαρακτηριστικά ταξινομούνται με βάση το άθροισμα της μονοτονίας, προβλεψιμότητας και τάσης. Τα 10 καλύτερα επιλέγονται για χρήση ως χαρακτηριστικά πρόβλεψης. Σχετικά με τις προβλέψεις εναπομένουσας χρήσιμης ζωής, επιλέγονται τυχαία κάποια δοκίμια τα οποία «κρύβονται» από τις μεθοδολογίες μας κατά την εκπαίδευση, για να δοκιμαστεί η ικανότητα τους για πρόβλεψη με άγνωστα δεδομένα. Καταδεικνύεται η ανάγκη για τον ενισχυμένο δείκτη βλάβης που παρέχει πολύ ανώτερη ευστοχία στις προβλέψεις συγκριτικά με τους απλούς δείκτες βλάβης. Ομοίως, δικαιολογείται η χρήση των 10 καλύτερων χαρακτηριστικών της ακουστικής εκπομπής έναντι μόνο του καλύτερου. Τα αποτελέσματα υπογράμμισαν την ικανότητα των μεθοδολογιών να προβλέψουν την εναπομένουσας χρήσιμης ζωής, καθώς επέτυχαν πού καλές προβλέψεις. Το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει την μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την διερεύνηση του upscaling. Αρχικά συζητόνται η δυσκολία και οι προκλήσεις που υπάρχουν για την εφαρμογή του upscaling. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι διαστάσεις, γεωμετρία και διαστρωμάτωση από τα νέα δοκίμια, δηλαδή τα πάνελ πολλαπλών νεύρων δυσκαμψίας. Παραθέτονται επίσης τα πειράματα και οι φορτίσεις που εφαρμόστηκαν και καταγράφονται οι κύκλοι κόπωσης για αστοχία. Συζητόνται οι μεθοδολογίες επεξεργασίας των δεδομένων, η κατασκευή των Δεικτών βλάβης και οι μεθοδολογίες που εξερευνήθηκαν για την πρόβλεψη της εναπομένουσας χρήσιμης ζωής. Συγκεκριμένα, για τις μεθοδολογίες πρόβλεψης, ερευνήσαμε τα μοντέλα συνόλου και μεθόδους προσδιορισμού ομοιότητας. Στο τέλος παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των προβλέψεων. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι αλγόριθμοι πρόβλεψης είχαν εκπαιδευτεί μόνο με δεδομένα από τα δοκίμια με ένα νεύρο δυσκαμψίας. Το Κεφάλαιο 7 αποτελεί το τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής. Το κεφάλαιο αυτό χωρίζεται σε τρία υπο-κεφάλαια. Το πρώτο κάνει μια ανασκόπηση της εργασίας υπογραμμίζοντας τα κυριότερα σημεία. Το δεύτερο υπο-κεφάλαιο απαριθμεί τα καινοτόμα στοιχεία της διατριβής και παραθέτει τις συνεισφορές της ίδιας στην επιστημονική γνώση. Τέλος, το τρίτο υπο-κεφάλαιο παραθέτεις προτάσεις και ιδέες για μελλοντική έρευνα.Τέλος, περιλαμβάνεται μια συλλογή από παραθέματα (appendices), στα οποία συγκεντρώνονται συμπληρωματικά κομμάτια της διατριβής, σχετικά με τη θέση των βλαβών και των αισθητηρίων.