ES2345548T3 - Procedimiento de monitorizacion de aparicion y progresion de daño estructural en estructuras monoliticas de material compuesto empleando redes de difraccion de bragg. - Google Patents
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Abstract
Un método de monitorización estructural en estructuras de material compuesto fabricadas mediante co-curado, co-encolado o encolado secundario de varios sub-componentes (7, 8), mediante el empleo de redes de difracción de Bragg pegadas o embebidas a ó entre (en la línea de unión) dichos sub-componentes, caracterizado porque comprende los siguientes pasos: a) medir el espectro de longitud de onda (31, 33, 40) de dichas redes de difracción de Bragg al término del proceso de fabricación de la estructura, y en un estado de carga conocido, considerado como referencia; b) identificar la aparición de un fallo estructural y la progresión de dicho fallo mediante la detección de la liberación de esfuerzos/deformaciones locales residuales originados durante el proceso de curado midiendo cambios (31 a 32, 33 a 34, 40 a 41) con respecto a los espectros de referencia.
Description
Procedimiento de monitorización de aparición y
progresión de daño estructural en estructuras monolíticas de
material compuesto empleando redes de difracción de Bragg.
Monitorización estructural en servicio y gestión
de daño de estructuras de material compuesto.
La introducción intensiva de los materiales
compuestos avanzados en estructuras primarias se ha convertido en
un procedimiento fundamental de optimización estructural (basado en
el ahorro de peso y la mejora de propiedades mecánicas), uno de los
objetivos prioritarios en el diseño y la fabricación de una nueva
generación de aeronaves. La introducción de un sistema de
monitorización estructural efectivo, capaz de predecir el fallo de
caminos de carga en una estructura diseñada según criterios de
tolerancia al daño permitiría optimizar su diseño y,
consecuentemente, reducir su peso. Las redes de difracción de Bragg
(FBGs) tienen la capacidad de medir deformación mecánica con
numerosas ventajas sobre los extensímetros eléctricos
convencionales, siendo actualmente consideradas como los candidatos
más cualificados para incorporarse a una nueva generación de cargas
en vuelo. Sin embargo, la capacidad de predicción de la vida de una
estructura a partir de la monitorización de deformación y cargas es
muy limitada, y el carácter distribuido de las FBGs dificulta la
detección de daño local, dado que este solo tiene efecto sobre los
campos de esfuerzos y deformaciones locales, por lo que estos
dispositivos solo han sido considerados como sensores de daño de
manera anecdótica.
Sin embargo, hay casos en los que las FBGs
pueden ser empleadas de manera efectiva como sensores de daño: en
estructuras de material compuesto obtenidas a partir de una piel con
larguerillos o rigidizadores integrados; el fallo de uno de estos
elementos (por desencolado, delaminación de la piel o del pie del
elemento de refuerzo -rigidizador o larguerillo-, o incluso su
rotura) causa una completa redistribución de cargas que puede ser
fácilmente detectada por una red sensora no excesivamente compleja,
ya que los puntos a cubrir son limitados. Es más, la habitual
diferencia de rigidez entre piel entre piel y rigidizador suele
asociarse a la aparición de esfuerzos/deformaciones residuales, que
se liberan cuando la estructura falla. Este efecto permitiría la
detección de eventos de daño en un caso de carga conocido (condición
de referencia), analizando la liberación de esfuerzos/deformaciones
residuales midiendo su efecto sobre una FBG cercana. Esta técnica
podría ser extendida a la monitorización de fallos de parches de
material compuesto integrados en estructuras de material compuesto
o metálicas.
Las ideas anteriormente resumidas permiten
establecer las bases para un procedimiento de monitorización
estructural, basado en una análisis completo del comportamiento
espectral de FBGs integradas en una estructura, de acuerdo con los
siguientes principios:
- 1.
- Detección de la liberación de esfuerzos/deformaciones tras la aparición de daño, lo que provoca desplazamientos espectrales de FBGs próximas.
- 2.
- Detección de la liberación de esfuerzos/deformaciones no uniformes, que provocan distorsiones espectrales en FBGs cercanas.
- 3.
- Detección de la liberación de esfuerzos/deformaciones transversales, que provocan efectos de birrefringencia en FBGs cercanas, con el subsecuente desdoblamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
La medida de deformación uniforme es una técnica
sencilla y bien conocida, de manera que la mayor parte de los
esfuerzos deben ir orientados a la caracterización de las
distorsiones espectrales de las FBGs provocados por distorsiones en
los campos de esfuerzos y deformaciones (discriminación de
fenómenos, repetitividad de la correspondencia severidad del
daño/nivel de señal, detección de falsas alarmas, etc.).
Una aproximación inicial y simple al método
requiere solo del registro y el análisis de la evolución del
espectro de las FBGs en condiciones de carga equivalente (o en una
condición de carga de referencia), tras el servicio de la
estructura. Dependiendo de la técnica de demodulación empleada,
podrán variar el tipo y cantidad de datos adquiridos, por lo que
será necesario emplear diferentes métodos de análisis, con la
correspondiente variación en la calidad de la información final
obtenida. Por ejemplo, la adquisición de un espectro completa
facilita la discriminación del fenómeno, mientras que un sistema
basado en la detección de picos solo permite la detección de
grandes variaciones en amplitud/longitud de onda de pico.
En vista de lo anterior, es objeto amplio de la
invención la integración de una red de sensores de fibra óptica
formada por FBGs distribuidas adecuadamente, integradas (pegadas o
embebidas) en una estructura monolítica de material compuesto, con
el fin de detectar el fallo de la misma.
La parte monitorizada es una estructura de
material compuesto fabricada mediante co-curado,
co-encolado o encolado secundario de varios
sub-componentes, y una red de sensores de fibra
óptica integrada.
La red sensora de fibra óptica está integrada
por una o varias fibras ópticas, cada una con uno o varios sensores
de fibra óptica, pegados o embebidos en la estructura de material
compuesto.
El fallo de la estructura de material compuesto
provoca una perturbación en los campos de esfuerzos/deformaciones
residuales medidos por las FBGs en una condición de carga conocida
(considerada como condición de referencia), perturbación que es
analizada e identificada como consecuencia de la aparición del
daño.
Se incluyen una serie de dibujos que facilitan
la comprensión del invento, donde:
Fig.1 es un esquema de una FBG, con una
representación de la modulación del índice de refracción de su
núcleo.
Fig. 2 es una representación del espectro de
reflexión de una FBG, y el desplazamiento provocado por una
deformación longitudinal uniforme.
Fig. 3 es una representación de una estructura
monolítica de material compuesto formada por una piel y un elemento
de refuerzo o rigidizador, y un detalle de la misma, que será
empleada como ejemplo para explicar los principios de
funcionamiento de la invención.
Fig. 4 es una ampliación del ejemplo de la Fig.
3, mostrando fibras ópticas integradas en varias posiciones
factibles en la estructura: pegadas superficialmente o embebidas en
la piel o el refuerzo/rigidizador, embebidas en la piel o el
refuerzo/rigidizador, y/o embebidas en la línea de encolado (en
cualquiera de las dos caras de la línea de adhesivo, si la hay). La
geometría del elemento de refuerzo/rigidizador representado en el
ejemplo es una sección en T típica, pero el invento es aplicable
para cualquier geometría (secciones en I, J, U, en omega, omega
invertida, etc.).
Fig. 5 es la misma vista de la Fig. 4 antes del
inicio del proceso de curado/encolado. Piel y refuerzo/rigidizador
son elementos separados con la geometría y dimensiones
correspondientes a la temperatura ambiente. La sección A muestra la
posición de la fibra óptica embebida en la entrecara entre la piel y
el refuerzo/rigidizador.
Fig. 6 es la misma vista de la Fig. 4 durante la
fase de calentamiento del ciclo de curado/encolado. Los coeficientes
de dilatación del piel, el refuerzo/rigidizador y la fibra embebida
son diferentes y, hasta la vitrificación del adhesivo y las resina
de los elementos no curados, hay un desplazamiento relativo entre
todos los elementos. Aunque solo aparecen representados los
desplazamientos longitudinales, el fenómeno es tridimensional.
Fig. 7 es la misma vista de la Fig. 4 durante la
fase de enfriamiento del ciclo de curado/encolado. Como la piel, el
rigidizador y la fibra embebidas han consolidado a alta temperatura,
el desplazamiento relativo se ha convertido en una desviación
permanente en la posición relativa entre todos los elementos, y su
contracción diferencial tiene como consecuencia la aparición de
esfuerzos/deformaciones residuales. Aunque solo aparecen
representados los desplazamientos longitudinales, el fenómeno es
tridimensional.
Fig. 8 muestra la evolución del espectro de
reflectividad de una FBG embebida en un elemento de material
compuesto durante el proceso de curado/encolado. Los
esfuerzos/deformaciones longitudinales generados durante el curado
da lugar a un desplazamiento del espectro de reflexión, y los
esfuerzos transversales, a un desdoblamiento del mismo.
Fig. 9 es la misma vista de la Fig. 5,
representando un desencolado entre piel y refuerzo/rigidizador. En
este caso, una FBG embebida en la línea de adhesivo podría
permanecer adherida a la piel o separarse de ella, permaneciendo
unida al refuerzo/rigidizador desencolado.
Fig. 10 es la misma vista de la Fig. 4,
representando una delaminación del refuerzo/rigidizador. En este
caso, una FBG embebida en la línea de adhesivo permanecería
adherida a la piel.
Fig. 11 es la misma vista de la Fig. 4,
representando una delaminación de la piel. En este caso, una FBG
embebida en la línea de adhesivo se separaría de la piel,
permaneciendo unida al refuerzo/rigidizador desencolado.
Fig. 12 muestra una representación de la
evolución del espectro de reflexión de una FBG embebida en una
estructura de material compuesto debida a la liberación de
esfuerzos/deformaciones residuales en dirección longitudinal.
Fig. 13 muestra una representación de la
evolución del espectro de reflexión de una FBG embebida en una
estructura de material compuesto, asociada a la liberación de
esfuerzos/deformaciones residuales en dirección transversal.
Fig. 14 muestra la sección de la Fig. 8 con un
daño local (representado esquemáticamente como una delaminación)
afectando parcialmente a una FBG.
Fig. 15 muestra una representación de la
evolución del espectro de reflexión de una FBG embebida en una
estructura de material compuesto asociada a la liberación de
esfuerzos/deformaciones residuales longitudinales no uniforme
debida a un fallo similar al representado en la Fig. 14.
Como aparece representado en la Fig. 1, una red
de difracción de Bragg (FBG)1 es un patrón periódico 2
inducido en el índice de refracción del núcleo 3 de una fibra
óptica 4 mediante un haz intenso de luz ultravioleta.
La estructura periódica de índice de refracción
de una FBG se comporta como un filtro óptico muy estrecho cuyo
espectro de reflexión 5, mostrado en la Fig. 2, está centrado en una
longitud de onda dado por la condición de Bragg, l = 2 nL, donde l
es la longitud de onda de la señal espectral de la red (conocida
como longitud de onda de Bragg), n es el índice de refracción medio
efectivo del núcleo de la fibra a lo largo de la red, y L es el
espaciado de la estructura difractiva de la red.
Si una FBG es sometida a una deformación
mecánica longitudinal uniforme, el espaciado y el índice de
refracción de la red cambia, y el espectro se desplaza a una nueva
posición 6 dada por la nueva condición de Bragg. La relación entre
la deformación longitudinal aplicada y el desplazamiento del
espectro es completamente lineal. Algo similar ocurre con las
deformaciones de origen térmico. Este singular comportamiento
fotoelástico y termo-óptico y sus reducidas dimensiones, permite
que las redes de difracción de Bragg (FBGs) puedan ser empleadas
como extensímetros ópticos en multitud de aplicaciones, incluso
embebidas como sensores internos en estructuras de materiales
compuestos avanzados.
La Fig. 3 esquematiza la primera operación para
la realización de la invención propuesta: la integración de una red
de FBGs en una estructura de material compuesta formada a partir de
una piel 7, precurada o no, y un elemento de refuerzo/rigidizador
8, precurado o no. Para simplificar el problema, nos centraremos en
el análisis de un elemento estructural, consistente en un elemento
de piel 9 y el correspondiente elemento de refuerzo/rigidizador
10.
La Fig. 4 representa una vista frontal del
elemento de la Fig. 3, donde se muestran las secciones de las fibras
ópticas embebidas: una fibra óptica pegada superficialmente en
refuerzo/rigidizador 11, embebida próxima a la superficie en el
refuerzo/rigidizador 12, embebida profundamente en el
refuerzo/rigidizador 13, embebida en la línea de encolado, entre la
capa de adhesivo 14 (si la hubiera, ya que en un
co-curado su presencia no es necesaria) y el
refuerzo/rigidizador 15, o entre la capa de adhesivo (si la hubiera)
y la piel 16, embebida profundamente en la piel 17, embebida
superficialmente en la piel 18 o pegada superficialmente a la misma
19.
La estructura consolidará en un proceso de
curado consistente en la aplicación de un ciclo de temperatura y
presión. La Fig. 5 es una ampliación del elemento de la Fig. 3, a
temperatura ambiente, antes de la fase de calentamiento del ciclo
de curado/encolado. Piel, refuerzo/rigidizador y fibras presentan
las dimensiones correspondientes a la temperatura ambiente xio. Una
sección del elemento muestra, como ejemplo, la posición relativa de
una fibra óptica 22 embebida en la línea de encolado entre la piel
20 y el refuerzo/rigidizador 21 (los resultados pueden ser
extendidos a los casos de fibra ópticas pegadas superficialmente o
embebidas en la piel o el refuerzo/rigidizador en un ciclo de
curado previo o durante el proceso final de curado/encolado).
Durante la fase de calentamiento del proceso de
curado/encolado, mostrado en la Fig. 6, si el apilado de la piel y
el refuerzo/rigidizador son diferentes, sus coeficientes de
dilatación longitudinal y transversal, y el coeficiente de
dilatación de la fibra embebida son diferentes y, durante la parte
inicial del ciclo, antes de la consolidación de la estructura, que
tiene lugar a una temperatura superior a la temperatura ambiente,
las deformaciones relativas de la piel 23, el refuerzo/rigidizador
24 y la fibra óptica 25 son independientes.
Después de esta consolidación, y durante la fase
de enfriamiento del proceso, representado en la Fig. 7, la
contracción de la estructura causes provoca una variación del campo
de esfuerzos/deformaciones residuales en el entorno de la FBG
integrada, que puede ser detectada observando la correspondiente
perturbación del espectro de reflexión de la FBG (ver espectro
ejemplo de la Fig. 8), consistente generalmente en:
- -
- Una simple traslación del espectro (mostrado en la Fig. 8, y representado esquemáticamente por la traslación del centro de gravedad del espectro, de 29 a 30), consecuencia fundamentalmente de la deformación longitudinal aplicada sobre la FBG.
- -
- Un desdoblamiento espectral (fácilmente observable en la Fig. 8), con una clara evolución desde el espectro 29 al 30 asociada a un efecto de birrefringencia provocada por los esfuerzos/deformaciones residuales térmicos aplicados sobre la FBG.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención está orientada a la detección de
los siguientes posibles modos de fallo de la entrecara
piel/(refuerzo/ri-
gidizador):
gidizador):
- -
- Desencolado del refuerzo/rigidizador (Fig. 9)
- -
- Delaminación de pié del refuerzo/rigidizador (Fig. 10)
- -
- Delaminación de la piel bajo el rigidizador (Fig. 11).
\vskip1.000000\baselineskip
En todos los casos, con la estructura sometida a
un caso de carga conocido (considerado como condición de
referencia), en las cercanías del daño estructural, la piel, el
refuerzo/rigidizador y las FBGs integradas, estarán sometidas a un
campo de esfuerzos/deformaciones diferente del campo inicial de la
estructura no dañada, debida a la liberación de los
esfuerzos/deformaciones residuales.
Entonces, las FBGs integradas presentarán una
perturbación en sus espectros de reflexión asociada a éste efecto:
una traslación del espectro (ver Fig. 12, con una evolución desde 31
a 32), correspondiente a la liberación de esfuerzos/deformaciones
residuales longitudinales, y/o una variación de la distancia entre
los dos picos del espectro (ver Fig. 13, con una evolución desde 33
a 34), correspondiente a la liberación de esfuerzos/deformaciones
residuales transversales. Una identificación positiva de estos
efectos permitiría identificar la aparición de daño en la
estructura monitorizada.
La invención estaría también orientado a la
detección de la progresión de daño en las proximidades de las FBGs
integradas. La Fig. 14 muestra el mismo detalle de la sección de la
Fig. 5, con una fibra óptica 35 embebida en la línea de encolado
del piel 36 y el refuerzo/rigidizador 37. La progresión de una daño
representado en 38 como una delaminación o desencolado, en las
proximidades de la FBG 39 daría lugar a la aparición de un campo de
deformaciones no uniforme, variable en el tiempo, con la subsecuente
distorsión del espectro de la FBG integrada (ver espectro ejemplo
de la Fig. 15, en el que se muestra una evolución espectral de 40 a
41). La detección positiva de este efecto permitiría identificar la
aparición y la progresión de daño en la estructura
monitorizada.
Esta invención podría ser realizada de forma
diferente sin que se modifiquen de manera esencial su espíritu y
características esenciales. La descripción recogida en este
documento debe ser considerada por tanto como meramente
ilustrativa, y no restrictiva, estando el objeto de la invención
definido por las reivindicaciones. Cualquier cambio comprendido, en
términos de equivalencia, en las reivindicaciones, se entiende que
también está cubierto por su alcance.
Claims (4)
1. Un método de monitorización estructural en
estructuras de material compuesto fabricadas mediante
co-curado, co-encolado o encolado
secundario de varios sub-componentes (7, 8),
mediante el empleo de redes de difracción de Bragg pegadas o
embebidas a ó entre (en la línea de unión) dichos
sub-componentes, caracterizado porque
comprende los siguientes pasos:
- a)
- medir el espectro de longitud de onda (31, 33, 40) de dichas redes de difracción de Bragg al término del proceso de fabricación de la estructura, y en un estado de carga conocido, considerado como referencia;
- b)
- identificar la aparición de un fallo estructural y la progresión de dicho fallo mediante la detección de la liberación de esfuerzos/deformaciones locales residuales originados durante el proceso de curado midiendo cambios (31 a 32, 33 a 34, 40 a 41) con respecto a los espectros de referencia.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
mediante el cual un cambio del espectro de longitud de onda (31 a
32) consistente en un desplazamiento de los picos de intensidad del
espectro permite la identificación de un fallo que provoca la
liberación de esfuerzos longitudinales.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
mediante el cual un cambio del espectro de longitud de onda (33 a
34) consistente en un cambio en la distancia entre los picos de
intensidad del espectro permite la identificación de un fallo que
provoca la liberación de esfuerzos transversales.
4. Un método de acuerdo con la reivindicación 1,
mediante el cual un cambio del espectro de longitud de onda (40 a
41) consistente en una distorsión general del espectro permite la
detección de un fallo que provoca la liberación de esfuerzos
longitudinales y/o transversales no uniformes.
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