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

Procedimiento de monitorización de aparición y progresión de daño estructural en estructuras monolíticas de material compuesto empleando redes de difracción de Bragg.

Campo de la invención

Monitorización estructural en servicio y gestión de daño de estructuras de material compuesto.

Antecedentes de la invención

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.

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.

Breve descripción de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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...

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: