The application of PZT sensor networks in degradation monitoring of composite aeronautical structures

• Autorzy: Dragan K. , Dziendzikowski M. , Kurnyta A. , Leski A.

Warianty tytułu

PL

Monitorowanie degradacji kompozytowych konstrukcji lotniczych z wykorzystaniem sieci przetworników PZT

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the ideas to develop structural health monitoring systems is to use piezoelectric transducers generating elastic waves in a monitored structure. In the paper, we present an approach to develop such a system with the use of PZT ceramic (lead zirconium titanate - PZT) sensors embedded into the structure of a composite. Elastic waves actuated in an acoustic medium by a network of PZT transducers can be scattered on the discontinuities of the monitored structure, thus giving a possibility to detect such damages. For composites they can be debondings or delaminations caused by impacts. In that case, PZT transducers can be either bonded to the surface of an element or embedded in the internal structure of a composite. Both methods have their own advantages and drawbacks. Apart from increased sensor durability and lower energy consumption when actuating elastic waves, there are also other, more important reasons for sensor embedding. First, when considering structure repairs with composite patches, it can be hard to use PZT transducers attached to the surface due to their exposure to external conditions. Embedding may also increase the damage detection capabilities of the approach. For multilayered structures like Fiber Metal Laminates (FML), it may allow one to assess the state of each layer separately and to distinguish between inner layers delaminations and debondings between layers made of different materials. In the paper, we present an approach to detecting impact damages of composite structures which are barely visible on the surface (Barely Visible Impact Damage - BVID). The results of impact tests, signal analysis algorithms and the influence of the composite manufacturing process on chosen transducer properties are presented.

PL

Jednym z rozwijanych sposobów monitorowania stanu konstrukcji jest zastosowanie przetworników piezoelektrycznych wzbudzających w diagnozowanym elemencie fale sprężyste. W artykule zaprezentowano propozycję budowy takiego systemu z wykorzystaniem ceramicznych przetworników PZT (cyrkonia-tytanian ołowiu - PZT) wbudowanych w strukturę kompozytu. Fale sprężyste wzbudzone w elemencie kompozytowym poprzez sieć czujników są rozpraszane na nieciągłościach struktury, np. rozwarstwieniach lub odklejeniach, spowodowanych udarami, dając możliwość detekcji tego rodzaju uszkodzeń. Przetworniki PZT mogą być trwale związane z powierzchnią monitorowanego elementu lub - w przypadku kompozytów - wbudowane w jego strukturę. Obydwie metody mają swoje zalety i wady. W przypadku kompozytów, oprócz większej trwałości czujników i lepszego sprzężenia akustycznego, za ich wbudowaniem w strukturę przemawiają również inne powody. Jednym z nich jest trudność w zastosowaniu przetworników umocowanych na powierzchni kompozytowych napraw poszycia samolotów ze względu na bezpośrednie narażenie na czynniki zewnętrzne. Wbudowanie czujników w wewnętrzną strukturę kompozytu może również zwiększyć możliwości diagnostyczne tej metody. W przypadku struktur wielowarstwowych o różnorodnej budowie, np. laminatów metalowo-włóknistych FML, może to umożliwić ocenę stopnia uszkodzeń poszczególnych warstw lub rozróżnienie pomiędzy uszkodzeniami wewnątrz- i międzywarstwowymi. W artykule zaprezentowano wyniki monitorowania uszkodzeń udarowych, stosowane metody analizy sygnału oraz wpływ procesu wytwarzania kompozytów na wybrane parametry przetworników PZT.

Słowa kluczowe

EN

composites; impact damage detection; structure integrated sensors

PL

kompozyty; detekcja uszkodzeń udarowych; czujniki zintegrowane

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 14, nr 4
• Strony: 208--213
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., rys.

Twórcy

autor

Dragan K.

• Air Force Institute of Technology, ul. ks. Bolesława 6, 01-494 Warsaw, Poland

autor

Dziendzikowski M.

• Air Force Institute of Technology, ul. ks. Bolesława 6, 01-494 Warsaw, Poland

autor

Kurnyta A.

• Air Force Institute of Technology, ul. ks. Bolesława 6, 01-494 Warsaw, Poland

autor

Leski A.

• Air Force Institute of Technology, ul. ks. Bolesława 6, 01-494 Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] United States Department of Defence. MIL-HDBK-1823A: Nondestructive evaluation system: reliability assessment, 2009.
• [2] Boller C., Staszewski W.J., Aircraft structural health and usage monitoring, [In:] W.J. Staszewski, C. Boller, Tomlinson G.R., editors, Health Monitoring of Aerospace Structures, John Wiley and Sons, 2004, 41-45.
• [3] Giurgiutiu V., Structural health monitoring: with piezoelectric wafer active sensors - 2nd ed., Academic Press, 2014.
• [4] Stepinski T., Uhl T., Staszewski W., Advanced Structural Damage Detection: from Theory to Engineering Applications, John Wiley and Sons, 2013.
• [5] Su Z., Ye L., Identification of Damage Using Lamb Waves: from Fundamentals to Applications, Springer, 2009.
• [6] Ostachowicz W., Guemes A., New Trends in Structural Health Monitoring, Springer, 2013.
• [7] Bond R., Adams D., Roach D., Structural Health Monitoring for Impact Damage in Composite Structures, SANDIA report, 2014.
• [8] Dragan K., Dziendzikowski M., Klimaszewski S., Klysz S., Kurnyta A., Energy correlated damage indices in fatigue crack extent quantification, Key Engineering Materials 2013, 569, 1186-1193.