Performance Demonstration of Guided Waves based Structural Health Monitoring system for Aerospace Application
Démonstration de la performance d'un système de contrôle santé des structures par ondes guidées pour une application aérospatiale
Résumé
Guided elastic waves emitted and received by thin piezoelectric transducers are recognized as a promising technology for several applications of Structural Health Monitoring, especially of aerospace components. Demonstration of the performances of such systems, often expressed in terms of Probability Of Detection (POD) curve, is a key enabler of the successful deployment of the technology in industry. POD curve experimental determination requires many instrumented samples making its cost prohibitive. A simulation-based approach, or model-assisted, is an attractive alternative. However, simulation in guided waves-based SHM and POD determination of such systems are so far limited due to a lack of specific methodology, procedures, appropriate statistical methods, and validation. This thesis proposes a general methodology for a model-assisted POD approach of guided waves based SHM, with a demonstration on monitoring of a growing crack from a hole in an aluminum plate. The methodology benefits from the efficient time domain transient spectral finite element simulation tool developed at CEA-List (CIVA SHM module) that allows to run the large simulation campaigns required to determine a POD curve. A new hybrid actuator model has been proposed in this work by considering the transducer frequency dependent behaviour and normal stress in addition to radial stress as a surface loads to enable the use of simulation on a higher range of excitation frequencies, suitable for the targeted application. Two recent suitable statistical methods: length-at-detection and random effects, have then been adapted to estimate and to compare the POD curve from both experimental and simulated datasets. The Bayesian approach is found to be more useful in model parameter estimation of random effects method for comparing the uncertainty bound for each model parameter from experimental and simulated datasets than Maximum Likelihood Estimation. Finally, a sample size determination study has been conducted based on the random effects method to identify how many samples are required to achieve the requirement of a particular SHM application. All these results show great confidence in the model-assisted approach to POD estimation methodology and confirm the potential of this solution as a cost-effective tool for performance demonstration of guided waves-based SHM systems.
Les ondes élastiques guidées émises et reçues par des transducteurs piézoélectriques minces sont reconnues comme une technologie prometteuse pour plusieurs applications de surveillance de l'état de santé des structures (ou Structural Health Monitoring - SHM), en particulier pour les composants aérospatiaux. La démonstration des performances de ces systèmes, souvent exprimées en termes de courbe de probabilité de détection (POD), est un élément clé du déploiement réussi de cette technologie dans l'industrie. La détermination expérimentale de la courbe POD nécessite de nombreux échantillons instrumentés, ce qui rend son coût prohibitif. Une approche basée sur la simulation, ou assistée par un modèle, est une alternative intéressante. Cependant, la simulation de systèmes SHM basés sur les ondes guidées et la détermination de la courbe POD de tels systèmes sont jusqu'à présent limitées en raison d'un manque de méthodologie spécifique, de procédures, de méthodes statistiques appropriées et de validation. Cette thèse propose une méthodologie générale pour une approche POD assistée par la simulation de système SHM par ondes guidées, avec une démonstration sur la surveillance d'une fissure croissante à partir d'un trou dans une plaque d'aluminium. La méthodologie tire parti de l'outil de simulation par éléments finis spectraux transitoires dans le domaine temporel développé au CEA-List (module CIVA SHM) qui permet d'exécuter les grandes campagnes de simulation nécessaires pour déterminer une courbe POD. Un nouveau modèle d'actionneur hybride a été proposé dans ce travail en considérant le comportement dépendant de la fréquence du transducteur et la contrainte normale en plus de la contrainte radiale comme charges surfaciques afin de permettre l’utilisation de la simulation sur une plus grande gamme de fréquences d'excitation, adaptées à l'application visée. Deux méthodes récentes et appropriées d’un point de vue statistique : la « longueur à la détection » et « random effects », ont ensuite été adaptées pour estimer et comparer la courbe POD à partir des ensembles de données expérimentales et simulées. L'approche bayésienne s'est avérée plus utile que l'estimation du maximum de vraisemblance pour l'estimation des paramètres du modèle de la méthode random effects afin de comparer la limite d'incertitude pour chaque paramètre du modèle à partir des ensembles de données expérimentales et simulées. Enfin, une étude de détermination de la taille de l'échantillon a été menée sur la base de la méthode random effects afin d'identifier le nombre d'échantillons nécessaires pour répondre aux exigences d'une application SHM particulière. Tous ces résultats montrent une grande confiance dans l'approche assistée par la simulation pour l’estimation de la POD et confirment le potentiel de cette solution en tant qu'outil compatible avec les exigences industrielles pour la démonstration des performances des systèmes SHM basés sur les ondes guidées.
Origine : Version validée par le jury (STAR)