Monitoraggio strutturale con sensori Fibre Bragg Grating = Structural health monitoring with Fibre Bragg Grating sensors

L'obiettivo della presente tesi sperimentale è quello di sviluppare, installare e testare un sistema di monitoraggio strutturale real-time, costituito da fibre ottiche, su un componente di un aeromodello da competizione in materiale composito. Il componente in questione è la trave di coda della fusoliera dell'aeromodello ANUBI, progettato e costruito dal team ICARUS PoliTO, con il quale è stato ottenuto il nono posto alla competizione internazionale Air Cargo Challenge nel 2017. Il sistema è caratterizzato da fibre ottiche dotate di sensori a reticolo di Bragg (Fibre Bragg Grating - FBG), con lo scopo di ottenere una "struttura intelligente" capace di controllare l'integrità e la salute strutturale del componente in tempo reale. Le fibre ottiche installate sulla struttura sono state prodotte presso l'ex Istituto Superiore Mario Boella (ora parte di LINKS Foundation) utilizzando la tecnica di fusion splicing per implementare più sensori su una stessa fibra ottica. Nel presente documento vengono riportati anche i test di caratterizzazione del materiale composito effettuati per poter ottenere un modello FEM accurato da poter confrontare con i dati ottenuti mediante la sperimentazione. Una parte della sperimentazione, riguardante la scelta del miglior metodo di incollaggio dei sensori sulla struttura, è stata svolta in collaborazione con il dott. ing. Cosimo Corsi [3]. Il miglior metodo risulta essere quello dell'incollaggio sotto-vuoto in quanto garantisce al sensore il perfetto contatto con la superficie della struttura. Tale metodo di incollaggio è quindi stato utilizzato per strumentare la fusoliera con 16 sensori FBG, suddivisi in 4 fibre ottiche, 2 sul dorso e 2 sul ventre, in modo da poter monitorare la struttura quando sottoposta a carichi sia flessionali che torsionali. La scelta del numero di sensori e del loro posizionamento sulla struttura è stata svolta mediante i risultati ottenuti con un'analisi agli elementi finiti. Vengono quindi illustrate le procedure di installazione dei sensori sulla fusoliera e le procedure di test svolti. Sono state effettuate numerose prove statiche in laboratorio per validare il sistema, confrontando i dati acquisiti dai sensori FBG con quelli acquisiti dagli Strain Gauge tradizionali e con i valori dell'analisi FEM. Tutti i dati acquisiti sono poi stati processati, filtrati e mediati per poter consentire l'applicazione della teoria di Ko per il calcolo della deflessione della struttura sotto carico. Infine, viene illustrato il setup del sistema real-time e la visualizzazione dei dati a schermo mediante l'impiego di un software di realtà virtuale sviluppato dalla dott.ssa ing. Maria Giulia Canu [2]. Grazie a questo software è infatti possibile monitorare l'andamento nel tempo delle lunghezze d'onda dei vari sensori (e quindi delle deformazioni della struttura). Tutti i test statici sui componenti, così come le prove di caratterizzazione del materiale composito, sono state svolte presso il L.A.Q. del DIMEAS. Il lavoro di tesi è stato realizzato in collaborazione con il team ICARUS PoliTO, il centro Interdipartimentale PhotoNext e con il Dipartimento di Automatica e Informatica (DAUIN) del Politecnico di Torino.