Design and validation of a structural health monitoring system for aeronautical structures.
Authors:   , Tibaduiza Burgos Diego Alexander 
Published: October 2023

Structural Health Monitoring (SHM) is an area where the main objective is the verification of the state or the health of the structures in order to ensure proper performance and maintenance cost savings using a sensor network attached to the structure, continuous monitoring and algorithms. Different benefits are derived from the implementation of SHM, some of them are: knowledge about the behavior of the structure under different loads and different environmental changes, knowledge of the current state in order to verify the integrity of the structure and determine whether a structure can work properly or whether it needs to be maintained or replaced and, therefore, to reduce maintenance costs. The paradigm of damage identification (comparison between the data collected from the structure without damages and the current
structure in orderto determine if there are any changes) can be tackled as a pattern recognition problem. Some statistical techniques as Principal Component Analysis (PCA) or Independent Component Analysis (ICA) are very useful for this purpose because they allow obtaining the most relevant information from a large amount of variables.
This thesis uses an active piezoelectric system to develop statistical data driven approaches for the detection, localization and classification of damages in structures. This active piezoelectric system is permanently attached to the surface of the structure under test in order to apply vibrational excitations and sensing the dynamical responses propagated through the structure at different points. As pattern recognition technique, PCA is used to perform the main task of the proposed methodology: to build a base-line model of the structure without damage and subsequentlyto compare the data from the current structure (under test) with this model. Moreover, different damage indices are calculated to detect abnormalities in the structure under test. Besides, the localization of the damage can be determined by means of the contribution of each sensor to each index. This contribution is calculated by several different methods and their comparison is performed. To classify different damages, the damage detection methodology is extended using a Self-Organizing Map (SOM), which is properly trained and validated to build a pattern baseline model using projections of the data onto the PCAmodel and damage detection indices. This baseline is further used as a reference for blind diagnosis tests of structures. Additionally, PCA is replaced by ICAas pattern recognition technique. A comparison between the two methodologies is performed highlighting advantages and disadvantages. In order to study the performance of the damage classification methodology under different scenarios, the methodology is tested using data from a structure under several different temperatures.
The methodologies developed in this work are tested and validated using different structures, in particular an aircraft turbine blade, an aircraft wing skeleton, an aircraft fuselage,some aluminium plates and some composite matarials plates.
La monitorización de daños en estructuras (SHM por sus siglas en inglés) es un área que tiene como principal objetivo la verificación del estado o la salud de la estructura con el fin de asegurar el correcto funcionamiento de esta y ahorrar costos de mantenimiento.
Para esto se hace uso de sensores que son adheridos a la estructura, monitorización continua y algoritmos. Diferentes beneficios se obtienen de la aplicación de SHM, algunos de ellos son: el conocimiento sobre el desempeño de la estructura cuando esta es sometida a diversas cargas y cambios ambientales, el conocimiento del estado actual de la estructura con el fin de determinar la integridad de la estructura y definir si esta puede trabajar adecuadamente o si por el contrario debe ser reparada o reemplazada con el correspondiente beneficio del ahorro de gastos de mantenimiento. El paradigma de la identificación de daños (comparación entre los datos obtenidos de la estructura sin daños y la estructura en un estado posterior para determinar cambios) puede ser abordado como un problema de reconocimiento de patrones. Algunas técnicas estadísticas tales como Análisis de Componentes Principales (PCA por sus siglas en inglés) o Análisis de Componentes Independientes (ICA por sus siglas en ingles) son muy útiles para este propósito puesto que permiten obtener la información más relevante de una gran cantidad de variables.
Esta tesis hace uso de un sistema piezoeléctrico activo para el desarrollo de algoritmos estadísticos de manejo de datos para la detección, localización y clasificación de daños en estructuras. Este sistema piezoeléctrico activo está permanentemente adherido a la superficie de la estructura bajo prueba con el objeto de aplicar señales vibracionales de excitación y recoger las respuestas dinámicas propagadas a través de la estructura en diferentes puntos.
Como técnica de reconocimiento de patrones se usa Análisis de Componentes Principales para realizar la tarea principal de la metodología propuesta: construir un modelo PCA base de la
estructura sin daño y posteriormente compararlo con los datos de la estructura bajo prueba.
Adicionalmente, algunos índices de daños son calculados para detectar anormalidades en la estructura bajo prueba. Para la localización de daños se usan las contribuciones de cada sensor
a cada índice, las cuales son calculadas mediante varios métodos de contribución y comparadas para mostrar sus ventajas y desventajas.
Para la clasificación de daños, se amplia la metodología de detección añadiendo el uso de Mapas auto-organizados, los cuales son adecuadamente entrenados y validados para construir un modelo patrón base usando proyecciones de los datos sobre el modelo PCA base e índices de detección de daños. Este patrón es usado como referencia para realizar un diagnóstico ciego de la estructura. Adicionalmente, dentro de la metodología propuesta, se utiliza ICA en lugar de PCA como técnica de reconocimiento de patrones. Se incluye también una comparación entre la aplicación de las dos técnicas para mostrar las ventajas y desventajas.
Para estudiar el desempeño de la metodología de clasificación de daños bajo diferentes escenarios, esta se prueba usando datos obtenidos de una estructura sometida a diferentes temperaturas.
Las metodologías desarrolladas en este trabajo fueron probadas y validadas usando diferentes estructuras, en particular un álabe de turbina, un esqueleto de ala y un fuselaje de avión, así como algunas placas de aluminio y de material compuesto