PS 12 2015 WWW 41PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87  12/2015 Bezpośrednia diagnostyka kompozytowych elementów lotniczych z wykorzystaniem struktur inteligentnych Self-diagnostics of composite aerospace structures with use of inteligent materials Dr inż. Krzysztof Dragan, mgr Michał Dziendzikowski, dr hab. inż. Andrzej Leski – Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych. Autor korespondencyjny/Corresponding author: krzysztof.dragan@itwl.pl Streszczenie Zastosowanie fal sprężystych wzbudzonych w bada- nym elemencie za pomocą umieszczonej na nim sieci przetworników piezoelektrycznych jest jednym z obie- cujących kierunków rozwoju technologii bezpośredniej diagnostyki struktur lotniczych (SHM). Możliwości sys- temów SHM są związane z dwoma różnymi ścieżkami rozwoju tej technologii, tj. zastosowanych rozwiązań technicznych, np. rodzaju przetworników PZT czy apa- ratury pomiarowej oraz metod analizy sygnału rejestro- wanego przez przetworniki. Do pierwszej gałęzi rozwoju systemów SHM należy m.in. dobór optymalnego rodzaju przetworników PZT do danego zagadnienia oraz sposób ich związania z monitorowaną strukturą. W przypadku kompozytów, oprócz związania przetworników z bada- ną powierzchnią, możliwe jest również ich wbudowanie w wewnętrzną strukturę materiału. W artykule zapre- zentowano przykład wykorzystania przetworników PZT wbudowanych w strukturę kompozytową do detekcji uszkodzeń udarowych BVID. Zaprezentowano algorytm lokalizacji uszkodzeń BVID oraz wyniki badań laborato- ryjnych weryfikujących zaproponowane metody. Słowa kluczowe: przetworniki PZT, detekcja i lokalizacja uszkodzeń udarowych, materiały kompozytowe Abstract Application of guided waves excited by a network of PZT transducers integrated with a given structure is one of the promising approaches to Structural Health Monitoring (SHM). The per-formance of SHM system based on PZT network is rooted in two distinct areas of the techno-logy development, that is: the hardware and the signal analysis. The first includes is the type of transducers used to built a network and the way of their integration with a monitored structure. For composites, beside the possibility of the transducers attachment to a surface of an element, also embedding of PZTs into their internal structure is available. In the article Barely Vis- ible Impact Damage (BVID) detection capabilitiy of the embedded PZT transducers is presented. An algorithm of damage localization is also proposed and verified in laboratory tests. Keywords: PZT transducers, impact damage detection and localization, composite materials Wstęp Stosowane obecnie systemy eksploatacji statków po- wietrznych mogą w przyszłości okazać się ekonomicznie nieefektywne jak również niewystarczające z punktu widze- nia bezpieczeństwa. Podstawą bezpiecznej eksploatacji statków powietrznych w wymiarze zapewnienia integral- ności struktury są m.in. programy badań nieniszczących (ang. non-destructive.testing – NDT) opracowywane dla kon- kretnych modeli [1]. Ich zakres oraz częstotliwość wykony- wania zależy od zakładanego profilu eksploatacji i stopnia koncentracji naprężeń w elementach strukturalnych, trwało- ści zmęczeniowej użytych materiałów jak również możliwo- ści stosowanych metod NDT. Rzeczywiste widmo obciążeń Krzysztof Dragan, Michał Dziendzikowski, Andrzej Leski danego egzemplarza statku powietrznego może jednakże odbiegać od założeń stosowanych na etapie jego projekto- wania lub może on być długotrwale eksploatowany w wa- runkach sprzyjających przyspieszonej degradacji struktu- ry, natomiast czułość metod NDT ocenia się w warunkach laboratoryjnych w ramach tzw. badań PoD (ang. Probability. of.Detection) [2], co nie pozwala na odwzorowanie rzeczywi- stego badania, a zwłaszcza minimalizuje wpływ czynnika ludzkiego. Od przeszło dwóch dekad prowadzone są bada- nia nad zaimplementowaniem metod NDT w postaci zinte- growanych ze strukturą statków powietrznych systemów SHM (ang. Structural. Health. Monitoring), umożliwiających bieżącą ocenę stanu konstrukcji [3÷6]. Docelowo jako kom- ponenty systemów HUMS (ang. Health.and.Usage.Monitoring. 42 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 Systems) mają one pozwolić na [7]: – bieżące monitorowanie naprężeń występujących w ele- mentach strukturalnych statków powietrznych; – detekcję powstałych uszkodzeń; – monitorowanie wzrostu uszkodzeń; – prognozę zapasu bezpieczeństwa konstrukcji. Oprócz zwiększenia poziomu bezpieczeństwa szacuje się, że wprowadzenie systemów SHM, wspomagających programy badań nieniszczących poprzez wstępną identy- fikację i oszacowanie wielkości uszkodzeń, pozwoliłoby na zaoszczędzenie do 50% kosztów związanych z przeglą- dami, w zależności od rodzaju statku powietrznego [3]. Wprowadzenie systemów SHM jest szczególnie waż- ne w przypadku materiałów kompozytowych. To właśnie w tym przypadku ogniskują się aspekty bezpieczeństwa oraz te natury ekonomicznej. Materiały kompozytowe są na- rażone na uszkodzenia pochodzące od udarów, powstające w sposób losowy, ponadto mechanizmy ich zmęczeniowej degradacji nie są tak dobrze poznane jak w przypadku me- tali, zatem wyznaczenie bezpiecznego okresu pomiędzy ko- lejnymi przeglądami struktury obarczone jest dodatkowym ryzykiem. Uderzenia, nawet te o niskiej energii mogą spo- wodować pękanie osnowy i rozwarstwienia laminatu kom- pozytowego (rys. 1) oraz znaczne osłabienie wytrzymałości. Uszkodzenia tego typu są niewidoczne lub słabo widoczne (ang. Barely.Visible.Impact.Damages – BVID) na powierzchni elementu w związku z czym ich detekcja jest czasochłonna i wymaga stosowania specjalistycznych urządzeń zwięk- szając koszty utrzymania. Prowadzone w ramach projektu badania ukierunkowane będą w dużej części na opracowa- nie metod detekcji uszkodzeń BVID. Rys. 1. Uszkodzenie BVID w kompozycie CFRP [8] Fig. 1. BVID of CFRP composite structure [8] Monitorowanie stanu konstrukcji lotniczych z wykorzystaniem sieci przetworników pzt Jedną z idei budowy systemów bieżącego monitorowa- nia konstrukcji jest wykorzystanie mechanicznych właści- wości materiałów użytych przy produkcji danego elementu statku powietrznego. Opiera się ona na rejestracji przebiegu fal mechanicznych wzbudzonych w danym ośrodku przez sieć przetworników piezoelektrycznych (PZT), generują- cych w danej konstrukcji fale sprężyste. Propagacja fal sprężystych w elementach cienkościennych o małej krzy- wiźnie, charakterystycznych dla konstrukcji lotniczych, jest zjawiskiem stosunkowo złożonym. Dla danej częstotliwości sygnału wymuszającego współistnieć mogą różne mody falowe o różnych prędkościach propagacji, które zależą m.in. od grubości danego elementu d, częstotliwości wy- muszenia f, oraz modułów sprężystości danego materiału. Mody te mogą ulegać rozproszeniu i konwersji na natural- nych elementach konstrukcji, np. szwy nitowe, krawędzie, utrudniając wizualną ocenę sygnałów stosowaną w przy- padku klasycznych metod badań nieniszczących. Rozwar- stwienia elementów kompozytowych powstałe wskutek uderzeń, poprzez pęknięcia poszczególnych warstw wpły- wają na lokalną zmianę sztywności danego elementu oraz ( )( 1 ) ( ) ( ), 2 if w tSTFT f t de ωτω τ τ τ π −= −∫ (1) grubości materiału, przez który propagują fale sprężyste. Zmiana prędkości propagacji modów falowych w obsza- rze uszkodzenia spowodować może przesunięcie paczek falowych rejestrowanego sygnału, zależnie od powierzchni uszkodzenia i redystrybucję energii fali. Jednym z narzędzi wspomagających ocenę wspomnianych przesunięć jest analiza czasowo – częstotliwościowa z wykorzystaniem krótko-czasowej transformaty Fouriera (STFT). Krótko-cza- sowa transformata Fouriera sygnału (inaczej spektrogram), dana jest następująco: gdzie funkcja w(t) jest tzw. oknem modulującym analizowa- ny sygnał, np. krzywą Gaussa. W krótko-czasowej analizie Fourierowskiej otrzymać można informację o dekompozycji sygnału na poszczególne częstotliwości w kolejnych prze- działach czasu. Pozwala to na filtrację sygnału nie tylko w dziedzinie częstotliwości, lecz również na separację mo- dów falowych dla tych samych częstotliwości centralnych, różniących się prędkością propagacji w badanym elemen- cie. Na poniższych wykresach (rys. 2 i 3) przedstawione są przykładowe sygnały zarejestrowane dla dwóch stanów ba- danego elementu kompozytowego. Widoczne jest rozsepa- rowanie rejestrowanych paczek falowych wskutek lokalnej zmiany prędkości propagacji poszczególnych modów fal sprężystych. Rys. 2. Przykład sygnału odniesienia oraz jego krótko-czasowej transformaty Fouriera Fig. 2. An example of baseline signal and its short-time Fourier transform 43PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87  12/2015 Rys. 3. Przykład sygnału zarejestrowanego dla próbki z rozwar- stwieniami oraz jego krótkoczasowej transformaty Fouriera Fig. 3. An example of signal obtained for damaged specimen and short-time Fourier transform of the signal Automatycznego wnioskowania o stanie badanego obiektu dokonuje się zwykle na podstawie uproszczonych charakterystyk rejestrowanego sygnału, tzw. wskaźników uszkodzeń (ang. damage.indices). Oznaczając przez fgs sy- gnał wygenerowany przez generator g i zarejestrowany przez sensor s dla danego stanu struktury, fgs env jego obwied- nię oraz przez fgs,b, fgs,b env odpowiadający sygnał odniesienia wraz z obwiednią, przykładowe wykorzystywane w literatu- rze wskaźniki uszkodzeń dane są następująco: – charakterystyka L1 – charakterystyka L2 – korelacja Powyższe wskaźniki uszkodzeń są wrażliwe na zmiany sygnału związane z przesunięciami poszczególnych paczek 1 , ( , ) gs gs b f dt L g s f dt = ∫ ∫ 1 , ( , ) env gs e env gs b f dt L g s f dt = ∫ ∫ 2 2 2 , ( ) ( , ) ( ) gs gs b f dt L g s f dt = ∫ ∫ 2 2 2 , ( ) ( , ) ( ) env gs e env gs b f dt L g s f dt = ∫ ∫ , , 2 2 2 2 , ,( ) ( ) ( ) ) ( ( , ) gs gs b gs gs b gs gs gs b gs b f f dt f dt f dt f dt f dt f dt f cor g s dt − − − = ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ (3) (2) (5) (4) (6) , : 1 ( , ), ( 1) g s g s ADI DI g s n n ≠ = − ∑ (7) Rys. 4. Sieć czujników PZT w strukturze demonstratora Fig. 4. PZT network embedded in the structure of a composite specimen falowych sygnału związane z rozwarstwieniami znajdujący- mi się na drodze propagacji sygnału. W celu zmniejszenia zależności wskazań systemu od lokalizacji uszkodzenia proponowane jest również wykorzystanie tzw. uśrednionych wskaźników uszkodzeń [9]. gdzie n jest liczbą sensorów w danej komórce sieci, zaś DI(g,s) oznacza wybrany wskaźnik uszkodzeń. Uśrednione wskaź- niki uszkodzeń są niezmiennicze ze względu na permutacje czujników i mogą być wykorzystane w statystycznych mo- delach klasyfikacyjnych i regresji. Wyniki monitorowania stanu konstrukcji dla panelu kompozytowego z wbudowanymi czujnikami piezoelektrycznymi W celu walidacji opracowanych metod wykrywania uszkodzeń zaprojektowano i wykonano tzw. demonstrator „inteligentej” konstrukcji kompozytowej z czujnikami pie- zoelektrycznymi zabudowanymi w strukturze (pomiędzy warstwami i na strukturze). Demonstrator technologii wyko- nano w technologii pre-preg z wykorzystaniem kompozytu szklanego. Proces technologiczny utwardzania elementów przeprowadzono w autoklawie. Demonstrator wykonano z 16 warstw materiału – pre-pregu szklanego HCS2401-015. Do struktury pełniącej rolę poszycia przymocowano meto- dą klejenia 8-warstwowe podłużnice omegowe wykonane z tego samego materiału. Przed wygrzaniem elementów demonstratora, specjalnie przygotowany zestaw czujników PZT w węzłach po 4 czuj- niki został ułożony w środkowej warstwie struktury kompo- zytowej (rys. 4). W celu sprawdzenia różnych rodzajów defektów przy po- mocy wykonanego demonstratora, przygotowane podłużni- ce zostały przymocowane do głównego elementu w różny sposób, umożliwiające symulowanie wad produkcyjnych (np. wtrącenia materiału) oraz uszkodzeń eksploatacyjnych np. odklejenie kształtowników od poszycia. Takie podejście jest celowe i umożliwia weryfikację algorytmów rozpozna- nia i klasyfikacji uszkodzenia oraz możliwości śledzenia w czasie jego rozwoju. Demonstrator poddano testom udarowym w celu weryfi- kacji możliwości wykrywania i lokalizowania uszkodzeń oraz kwantyfikacji wielkości energii z wykorzystaniem geometrii zaprojektowanej sieci czujników i metod analizy sygnałów. Dla sieci wbudowanej w strukturę demonstratora doko- nano pomiarów sygnału dla następujących parametrów: – częstotliwość wymuszenia: 150, 200, 250, 300 kHz; 44 PRZEGLĄD SPAWALNICTWA Vol. 87 12/2015 – długość wymuszenia: 3 lub 8 okresów; – modulacja sygnału sterującego: okno Hamminga. W celu wizualizacji uszkodzenia wyznaczono znormali- zowaną postać funkcji intensywności uszkodzeń w postaci (rys. 7): gdzie DI(g,s) jest wybranym wskaźnikiem uszkodzeń, Rgs. opisuje obszar efektywnego monitorowania struktury dla danej pary przetworników g,s, zaś N jest pewną funkcją cha- rakteryzującą geometrię sieci przetworników. Po zrealizowanych badaniach ultradźwiękowych wyko- nano ultradźwiękowe badania nieniszczące w celu weryfi- kacji wskazań uzyskanych przez system czujników pomia- rowych. Badania ultradźwiękowe umożliwiły wymiarowanie uszkodzenia w zależności od uszkodzenia co pozwoliło na korelowanie uzyskanych wyników z sygnałem pomiaro- wym rejestrowanym przez sieć czujników w fazie testowej a w dalszej części eksperymentu na weryfikację działania systemu. W chwili obecnej trwają intensywne prace ekspe- rymentalne polegające na symulowaniu zachowań struktury od obciążeń eksploatacyjnych i monitorowaniu integralności konstrukcji. Eksperyment ten jest weryfikowany z wykorzy- staniem metod badań nieniszczących. Uzyskane dane będą w dalszej kolejności wykorzystywane do optymalizacji algo- rytmów analizujących sygnał jak również metodologii projek- towania struktur kompozytowych oraz sieci czujników. Rys. 5. Widok demonstratora z układem czujników i lokalizacją udaru Fig. 5. General view of the specimen with deployed PZT network and true localization of impact damage 1 ( , ) ( ), ( ) ( ) gs g s DI g s R p N p I p → = ∑ (8) Rys. 6. Zobrazowanie badań UT Fig. 6. Ultrasonic scan of the structure Rys. 7. Funkcja intensywności uszkodzeń z zaznaczeniem lokaliza- cji uszkodzenia Fig. 7. Damage intensity function with indication of true damage localization Podsumowanie W artykule przedstawiono przykład struktury kompozytowej z wbudowanymi przetwornikami PZT, umożliwiającymi bieżącą diagnostykę jej stanu. W pracy zaprezentowano wybrane algorytmy analizy sygnału rejestrowanego przez przetworniki PZT. Dzięki wykorzystaniu zaproponowanych rozwiązań przetworniki PZT wbudowane w strukturę kom- pozytu umożliwiają min. detekcję i lokalizację udarowych uszkodzeń konstrukcji, co potwierdzono w badaniach labo- ratoryjnych. Dalsze prace będą związane z optymalizacją kształtu budowy sieci czujników oraz metod analizy sygnału. Literatura [1] Y. Kim, S. Sheehy, D. Lenhardt: A survey of Aircraft Structural-Li- fe Management Programs in the U.S. Navy, the Canadian Forces, and the U.S. Air Force, RAND Corporation monograph series, 2006. [2] United States Department of Defence. MIL-HDBK-1823A: Nondestruc- tive evaluation system: reliability assessment, 2009. [3] C. Boller, W.J Staszewski: Aircraft structural health and usage monito- ring. John Wiley and Sons, Ltd, 2004. [4] V. Giurgiutiu: Structural health monitoring: with piezoelectric wafer active sensors. Academic Press, 2007. [5] Z. Su, L. Ye: Identification of damage using lamb waves: from funda- mentals to applications. Springer, 2009. [6] D. Adams: Health Monitoring of Structural Materials and Compo- nents: Methods with Applications. John Wiley and Sons, Ltd, 2007. [7] D. Roach: Industry survey of structural health monitoring technology and usage. Sandia National Laboratories, 2012. [8] L. Ilcewicz: CS&TA Federal Aviation Administration, 2006. [9] M. Dziendzikowski, K. Dragan, A. Kurnyta, S. Klysz, A. Leski: Damage Size Estimation of the Aircraft Structure with use of Embedded Sen- sor Network Generating Elastic Waves. Key Engineering Materials, 598: 57-62, 2014.