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INTRODUZIONE
Il monitoraggio dello stato di salute dei componenti strutturali è
diventato una delle principali attività di ricerca nel campo aerospaziale, civile e
meccanico. Il ricorso a tecniche, sempre più sofisticate, per l’individuazione di
eventuali cricche e danneggiamenti nelle strutture, sia aerospaziali che civili, è
via via divenuto sempre più vantaggioso per vari motivi:
1. attualmente, sia in campo aeronautico che spaziale, molti componenti
strutturali stanno lavorando ben oltre la loro vita operativa di progetto;
2. è impossibile progettare un componente utilizzando coefficienti di
sicurezza che diano la completa certezza circa l’affidabilità e la sicurezza
dello stesso;
3. la tolleranza al danno e l’alto valore del rapporto tra resistenza e peso
dei compositi ha indotto i progettisti all’utilizzo di materiali sempre più
avanzati in campo aerospaziale;
4. i processi di lavorazione con compositi permettono sia la riparazione
che il consolidamento di parti delle strutture, seppur introducendo
complicazioni nelle successive ispezioni;
5. le analisi non distruttive prevedono l’utilizzo di tecnologie che non
compromettono negativamente la futura vita operativa dei componenti.
Il controllo dei danni tramite onde Lamb, non distruttivo e basato su
onde ultrasoniche guidate, è la tecnica di rilevazione più ampiamente usata.
Essa si basa sull’analisi di pacchetti di onde ultrasoniche che si propagano
all’interno di solidi con una delle tre dimensioni dell’ordine di una lunghezza
d’onda o poco più. Svariati metodi differenti sono stati sviluppati durante gli
ultimi 20 anni, come segnalato in letteratura. Un sommario dei vari aspetti
relativi alla strategia di controllo, ai trasduttori utilizzati per la rilevazione di
danni, alla modellazione, alle tecniche di elaborazione dei segnali ed agli
esempi di applicazione è fornito nel testo ‘Advances in Smart Technologies in
Structural Engineering’ (Editori: J. Holnicki-szulc e C.A. Mota Soares; Berlin:
Springer) al capitolo, scritto dal professor Staszewski dell’università di
Sheffield, ‘Structural health monitoring using guided ultrasonic waves’.
Anche se le onde Lamb hanno dimostrato un grande potenziale per la
rilevazione di danni strutturali, fin qui lo sfruttamento commerciale delle onde
guidate ultrasoniche è stato praticamente molto limitato. Ciò è collegato con
tre svantaggi connessi con le tecniche di rilevazione dei danni basate su tali
tipi di onde:
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1. le strategie di controllo basate sulle onde Lamb, associate spesso con
complesse interpretazioni di dati, non sono adatte per misure prese
punto per punto da tecnici modestamente qualificati. Anche un singolo
modo di un’onda Lamb, usato per il controllo, può generare una varietà
di altri modi dovuti alle interazioni con contorni strutturali quali
rinforzi, giunti o rivetti, conducendo a segnali di risposta a volte
complessi e difficili da interpretare. Le sottigliezze riguardanti le onde
guidate e la loro fisica eccessivamente complicata possono essere
apprezzati dagli esperti in materia, ma non necessariamente dal
personale di manutenzione tecnico.
2. l'elaborazione dei segnali e le tecniche correnti di interpretazione usate
per la rilevazione di danni utilizzano parametri del segnale che
richiedono misure di partenza, cioè dati che rappresentano la
‘condizione di danno nullo’. Questi parametri possono cambiare a causa
della temperatura o dell'accoppiamento difettoso tra il trasduttore e la
struttura. Tutti gli sviluppi che possono evitare le misure di partenza
sono così molto attraenti per le applicazioni reali di ingegneria;
3. un numero significativo di trasduttori attuatore/sensore è richiesto per
il controllo delle strutture grandi. Ciò non è spesso possibile o
accettabile, indipendentemente dal fatto o no che i trasduttori siano a
buon mercato: dal punto di vista logistico non è pratico che una
struttura sia strumentata con migliaia di trasduttori. Questo problema è
però ovviato dall’utilizzo di tecniche di optometria laser.
Il rilevamento delle onde Lamb tramite laser ha trovato relativamente
meno attenzione, nelle applicazioni pratiche, di quanto abbia fatto la
generazione, sempre tramite laser, delle stesse. Questo è dovuto a
problematiche connesse alla bassa sensibilità, alla alta presenza di rumore ed
agli alti costi. Per quanto riguarda la bassa sensibilità e l’alta presenza di
rumore, questo comporta, come già accennato precedentemente,
un’elaborazione dei dati, acquisiti e memorizzati dall’apparecchiatura, che
necessita di personale specializzato. Riguardo ai costi, effettivamente è
necessario un importante investimento iniziale per l’acquisto della
strumentazione. Investimento comunque vantaggioso, vista la possibilità di
recupero sul lungo periodo.
Sebbene oggi sia possibile effettuare misure su aree estese e su griglie di
punti, la maggior parte delle applicazioni recenti coinvolge misure su singolo
punto. I vibrometri laser a scansione su griglia di punti sono stati progettati,
ed ampiamente usati, per le misurazioni delle vibrazioni, l'analisi modale e la
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rilevazione di danni basata sull’analisi vibratoria, in molti campi di
applicazione ingegneristica, principalmente nel dominio di frequenza. Le
applicazioni di analisi di onde Lamb per il monitoraggio dello stato di salute di
una struttura sono state, malgrado le loro potenzialità, molto limitate ed
includono la rilevazione di danni in strutture metalliche e composite.
Importanti lavori in tale ambito sono stati effettuati presso i laboratori
dell’università di Sheffield, in Inghiterra, dal professor Staszewski, che hanno
rappresentato per noi lo “stato dell’arte”. Durante le nostre prove tali lavori ci
sono stati molto utili ed hanno rappresentato per noi una preziosa fonte di
informazioni.
SCOPO DEL PRESENTE LAVORO
Lo scopo di questo lavoro è di verificare la possibilità di rilevazione di
eventuali danni in strutture tipo pannello, nel nostro caso in alluminio, ma in
generale di qualunque materiale liberamente percorribile da onde Lamb,
tramite scansioni multipoint effettuate con vibrometro laser. E’ stato
utilizzato infatti un vibrometro laser della Polytec, il PSV-400, disponibile
presso il Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di questa facoltà. Le onde
Lamb sono state generate attraverso un generatore di segnale HP/Agilent
33120A, accoppiato con un attuatore piezoelettrico.
Il lavoro presentato descrive, nelle sue parti, tutti gli aspetti del
problema affrontato, a partire dai concetti teorici che stanno alla base della
propagazione delle onde Lamb, fino alla realizzazione delle prove e l’analisi
dei dati raccolti. Il lavoro svolto non vuole esaurire gli studi e le prove che
possono essere fatte nell’ambito, ma piuttosto percorrere un tratto iniziale di
una strada che sta presentando sempre più vantaggi.
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I. ELEMENTI DI TEORIA UTILIZZATI
Onde in un mezzo elastico
Applicando una sollecitazione meccanica in un punto o in un’area della
superficie di un solido, andiamo a variare la distanza relativa degli atomi del
materiale in quel punto o in quella zona. Poiché nella loro condizione di
riposo gli atomi sono in una posizione di equilibrio stabile, una volta
perturbati, essi inizieranno ad oscillare, trasferendo questa oscillazione agli
atomi adiacenti. Questi ultimi a loro volta faranno la stessa cosa nei confronti
dei loro “vicini”, e così via, innescando una reazione a catena che permette
così al disturbo di raggiungere tutte le zone del solido. Logicamente l’entità
del disturbo locale, a causa degli inevitabili effetti dissipativi (produzione di
calore), sarà decrescente con la distanza dalla fonte.
Tutto questo si traduce, come effetto macroscopico, in onde smorzate
viaggianti all’interno del materiale, che, interagendo con i bordi, si riflettono
rendendo molto complessa l’operazione di cattura e visualizzazione delle
stesse. I parametri delle onde viaggianti (tipologia dell’onda, smorzamento,
lunghezza d’onda, velocità, contenuto in frequenza) sono legati al tipo di
disturbo esterno, al materiale, alla forma del solido, alle condizioni sui bordi.
Fatta questa premessa, possiamo andare a vedere in dettaglio quali tipi
di onde si presentano nel momento in cui andiamo ad eccitare un solido.
La prima tipologia, presente in tutti i tipi di materiale e di qualunque forma
essi siano, sono le onde longitudinali. La loro caratteristica è di avere
oscillazioni parallele alla direzione di propagazione, coinvolgendo così il
modulo di Young del materiale.
La seconda tipologia sono le onde trasversali, in cui l’oscillazione è
perpendicolare alla direzione di propagazione.
In tutti e due i casi, presi singolarmente, lo spostamento dei singoli
atomi è monodimensionale. Logicamente, nella realtà, è impensabile poter
generare soltanto una di queste due tipologie, risultando quindi presenti
entrambe in tutti i casi. L’effetto reale è di conseguenza un moto
bidimensionale delle particelle, che seguono così una traiettoria ellittica. Il
rapporto dei semiassi dell’ellisse descritta dalle particelle ci rivela l’importanza
relativa, nel singolo caso, delle due tipologie.
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In figura 1 si può osservare un esempio di entrambe.
Queste due tipologie di onde si presentano nella forma visualizzata
nell’immagine soltanto in caso di solido non vincolato in cui le due
dimensioni perpendicolari alla direzione di propagazione sono confrontabili.
Casi particolari di onde si generano in strutture con una delle due dimensioni
molto minore rispetto alle altre, ed in casi di strutture con certi tipi di vincolo.
Nel caso di struttura con una sola parete vincolata si possono generare
due tipologie di onde che si propagano lungo la superficie rimasta libera. Se il
piano contenente l’ellisse descritta dalle particelle è parallelo alla superficie
stessa abbiamo le onde di Love. Nel caso invece in cui tale piano risulta
perpendicolare si presentano le onde di Rayleigh.
Nella figura 2 possiamo osservare le due tipologie.
Figura 1
Figura 2
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