Procedimiento para el pronóstico de una estructura sometida a cargas.

Un método para pronósticos de una estructura sometida a cargas,

en particular una estructura de una aeronave, caracterizado porque comprende las etapas de:

- proporcionar un modelo matemático de la estructura;

- utilizar dicho modelo matemático de la estructura para proporcionar (130) una primera base de datos (DB1) que vincula las posibles cargas (VL) que actúan sobre la estructura en condiciones operativas con un estado modificado (Vε) de la estructura, incluyendo valores de una cantidad indicativa del estado de la estructura según se hayamodificado en presencia de dichas cargas en un número predeterminado de puntos relevantes;

- utilizar dicho modelo matemático de la estructura para proporcionar (220) una segunda base de datos (DB2) que vincula los cambios en el estado de la estructura (ΔVε) inducidos por defectos preestablecidos en un número predeterminado de puntos relevantes de la estructura, con posibles clases de defectos;

y, de una forma iterativa,

- detectar (300) los valores adoptados por dicha cantidad indicativa del estado de la estructura (Vε) en una primera pluralidad de puntos (P1, P2, ..., Pp) de detección principales y en una segunda pluralidad de puntos (Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de detección adicionales;

- determinar (310) a partir de la primera base de datos (DB1) las cargas (VL) que actúan sobre la estructura a partir de los valores detectados de la cantidad de estado (Vε);

- estimar (320), en base a las cargas determinas (VL), los valores de la cantidad de estado (Vε) en los puntos (Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de detección adicionales;

- comparar (330) entre sí los valores estimados (Vε) estimados y los valores (Vεd) detectados de la cantidad de estado en los puntos (Pp+1, Pp+s, ..., Pp+s) de detección adicionales; y

- determinar una condición de integridad de la estructura (340) si los valores detectados (Vεd) y los estimados (Vε) de la cantidad de estado se emparejan sustancialmente salvo en tolerancias predeterminadas, o una condición de zonas con defectos de la estructura (350) si dichos valores (Vεd, Vε) de la cantidad de estado difieren teniendo en cuenta las tolerancias predeterminada.

Procedimiento para el pronóstico de una estructura sometida a cargas.

La presente invención se refiere generalmente a una metodología de pronóstico estructural, y más específicamente a un método y un sistema para el pronóstico de una estructura mecánica, en particular una estructura de aeronave, adaptados para evaluar la presencia, o para monitorizar la aparición de daños o defectos inducidos en una estructura por cargas operativas y/o eventos de servicio.

En las metodologías de mantenimiento de sistemas (partes de productos o productos complejos) , resulta extremadamente interesante la posibilidad de reducir los fallos inesperados mediante la monitorización de algunos indicadores del estado del sistema.

En aeronáutica, la aparición de daños o defectos en una estructura mecánica de una aeronave, tal como una estructura metálica o compuesta, por ejemplo la estructura del fuselaje o de las alas, es pronosticado mediante un registro histórico de los eventos entre cuyos eventos los daños causados debidos a impactos accidentales durante la fabricación (impacto de una herramienta) o el servicio (impacto con pedrisco o cascajo) y las cargas originadas en la estructura, o mediante una estimación de la fatiga a la que ha sido sometida la estructura, a partir del conocimiento de sus características de resistencia mecánica bajo cargas típicas en condiciones de servicio.

En particular, para estructuras compuestas, los impactos accidentales producen efectos apenas visibles desde el exterior, pero pueden causar daños relevantes en el interior de la estructura (por ejemplo, deslaminación) .

Esta técnica es sin embargo cara y no muy precisa, puesto que no indica en tiempo real los cambios y las condiciones físicas y mecánicas de la estructura monitorizada.

El documento US 5195046 divulga un método y un dispositivo para monitorizar elementos estructurales de aeronave y detectar anomalías y fallos de dichos elementos.

La invención tiene como objetivo proporcionar un método mejorado para el pronóstico estructural, que permita estimar continuadamente de una manera fiable las condiciones físicas y mecánicas de una estructura.

Un objeto adicional de la invención consiste en proporcionar un método de pronóstico aplicable sin pesadas cargas de cálculo, y que pueda ser así llevado a cabo a bordo de la aeronave también en condiciones de servicio, por ejemplo durante una misión.

De acuerdo con la presente invención, estos objetos han sido alcanzados mediante un método para el pronóstico de una estructura mecánica que tiene las características divulgadas en la reivindicación 1.

Realizaciones particulares constituyen el objeto de las reivindicaciones dependientes, cuyo contenido ha de ser considerado como parte integral o integrante de la presente descripción.

Otros objetos adicionales de la invención son un sistema y un programa de ordenador para el pronóstico de una estructura mecánica como la reivindicada.

En resumen, la presente invención se basa en la caracterización de una estructura mecánica bajo prueba sometida a cargas operativas capacitadas para producir esfuerzos locales sobre la misma, y en la correlación en tiempo real de los datos de esfuerzos reales y de los datos de esfuerzos teóricos, cuya comparación permite evaluar el estado de sonoridad o el estado defectuoso de la estructura.

La estructura bajo prueba está equipada con un número limitado de sensores de esfuerzo situados en puntos relevantes y de tal modo que se proporciona un modelo matemático que simula la estructura, siendo el modelo analítico o numérico dependiente de la complejidad morfológica de la estructura (típicamente un modelo de elemento finito de dos dimensiones o de tres dimensiones) .

Se obtiene una deformación estimada de la estructura bajo prueba como una función de una carga dada por medio del modelo de estructura, interpolando o extrapolando la estructura completa a partir de un número limitado de valores reales de esfuerzo (u otro parámetro indicativo del estado) , medidos por medio de los sensores proporcionados.

El cálculo de los datos de esfuerzo estimados a partir de los datos de esfuerzo medidos se lleva a cabo en la práctica mediante argumentación a partir de la última carga momentánea que actúe sobre la estructura, y fijando de ese modo la deformación global de la estructura en cada punto del modelo no coincidente con los puntos relevantes de medición en base a la carga estimada.

Otras características y ventajas de la invención van a ser descritas con mayor detalle en la descripción detallada que sigue, dada a título de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos anexos, en los que:

la figura 1 muestra un ejemplo de sistema de pronóstico aplicado a una aeronave;

la figura 2 muestra un ejemplo de una estructura y un sistema de fuerza que actúa sobre la misma;

la figura 3 es un diagrama de flujo del método de pronóstico que constituye el objeto de la invención; y las figuras 4a y 4b muestran un panel de fuselaje de una aeronave, en el que se han especificado los puntos relevantes de colocación de los sensores de esfuerzo, específicamente 14 puntos de detección principales y 40 puntos de detección para comparación, respectivamente en un condición de estructura de ruido y estructura con defecto.

Un ejemplo de sistema de pronóstico estructural en la aplicación preferida a una aeronave ha sido representado esquemáticamente en la figura 1.

En la aeronave, indicada en general con A, se han especificado algunas partes estructurales en las que se pretende monitorizar las condiciones de ruido o de defecto, por ejemplo el fuselaje S1, la estructura S2 del ala, y la cola S3. En cada parte se han colocado dos conjuntos de sensores, respectivamente una pluralidad de sensores principales P' y una pluralidad de sensores adicionales P", indicados por motivos de simplicidad como un único par de elementos, adaptados para detectar una cantidad representativa del estado de las estructuras de aeronave, por ejemplo el esfuerzo estático local (posiblemente en más de una dirección) .

Los sensores P', P" están conectados a una unidad U de procesamiento electrónico, a la que éstos envían señales respectivas representativas de las cantidades detectadas. Las bases de datos DB1, DB2 están asociadas a la unidad de procesamiento, las cuales tienen almacenadas en las mismas relaciones asociativas entre los valores que pueden ser adoptados por cantidades físicas predeterminadas importantes para las estructuras, actuando las cargas sobre tales estructurales y la morfología de estas estructuras.

Además, la unidad de procesamiento está conectada a una unidad D de envío de señales, adaptada para informar a un operador, tal como el piloto de la aeronave o un operador de mantenimiento, visualmente por medio de escritura y de gráficos en una pantalla o electrónicamente a través de la emisión de un informe, sobre el estado de sonoridad o de estado de defectos de las estructuras monitorizadas.

Un ejemplo de estructura objeto en un sistema de pronóstico ha sido mostrada en la figura 2, con la forma de un panel de fuselaje de aeronave, indicado en su conjunto con 10 y mostrado según una vista en planta superior y lateral, que incluye un primer elemento 20 básico que tiene en la superficie 22 un conjunto de largueros 24 rigidizadores.

Los vectores que representan las fuerzas que actúan sobre la estructura (principalmente bi-dimensionales) en una condición operativa predeterminada, han sido indicados como L1-LK; como ejemplo y por motivos de simplicidad, éstos tienen componentes solamente en el plano de la estructura.

Los puntos relevantes en la superficie de la estructura han sido indicados con P, en particular dos conjuntos de puntos, respectivamente un primer conjunto de puntos de detección principales, indicados como P1-Pp, y un segundo conjunto de puntos de detección adicionales, identificados en lo que sigue como puntos de detección para comparación, indicados como Pp+1-Pp+s.

Con preferencia, los puntos de detección principales son seleccionados de tal modo que para cada estado de la estructura solamente se puede asociar una única condición de carga; mientras que los puntos de detección adicionales se seleccionan con un criterio de periodicidad sustancial, con alguna posible intensificación en las áreas con criticalidad... [Seguir leyendo]

1. Un método para pronósticos de una estructura sometida a cargas, en particular una estructura de una aeronave, caracterizado porque comprende las etapas de:

- proporcionar un modelo matemático de la estructura;

- utilizar dicho modelo matemático de la estructura para proporcionar (130) una primera base de datos (DB1) que vincula las posibles cargas (VL) que actúan sobre la estructura en condiciones operativas con un estado modificado (Vo) de la estructura, incluyendo valores de una cantidad indicativa del estado de la estructura según se haya modificado en presencia de dichas cargas en un número predeterminado de puntos relevantes;

- utilizar dicho modelo matemático de la estructura para proporcionar (220) una segunda base de datos (DB2) que vincula los cambios en el estado de la estructura (LVo) inducidos por defectos preestablecidos en un número predeterminado de puntos relevantes de la estructura, con posibles clases de defectos;

y, de una forma iterativa,

- detectar (300) los valores adoptados por dicha cantidad indicativa del estado de la estructura (Vo) en una primera pluralidad de puntos (P1, P2, ..., Pp) de detección principales y en una segunda pluralidad de puntos (Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de detección adicionales;

- determinar (310) a partir de la primera base de datos (DB1) las cargas (VL) que actúan sobre la estructura a partir de los valores detectados de la cantidad de estado (Vo) ;

- estimar (320) , en base a las cargas determinas (VL) , los valores de la cantidad de estado (Vo) en los puntos (Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de detección adicionales;

- comparar (330) entre sí los valores estimados (Vo) estimados y los valores (Vod) detectados de la cantidad de estado en los puntos (Pp+1, Pp+s, ..., Pp+s) de detección adicionales; y

- determinar una condición de integridad de la estructura (340) si los valores detectados (Vod) y los estimados (Vo) de la cantidad de estado se emparejan sustancialmente salvo en tolerancias predeterminadas, o una condición de zonas con defectos de la estructura (350) si dichos valores (Vod, Vo) de la cantidad de estado difieren teniendo en cuenta las tolerancias predeterminadas.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende identificar un defecto (360) de la estructura asociando los cambios (LVo) entre los valores adoptados por la cantidad de estado con un tipo de defecto en la segunda base de datos (DB2) .

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que dichos puntos (P1, P2, ..., Pp, Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de la estructura se seleccionan a partir de una pluralidad de puntos (Nijk) de identificación de la estructura que se han definido en base a un modelo matemático de dicha estructura.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que dichos puntos (P1, P2, ..., Pp, Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) relevantes de la estructura se eligen entre los puntos que, de acuerdo con dicho modelo, estén capacitados para identificar una condición de estado de la estructura que pueda ser asociada unívocamente con una condición de carga, con una concentración en las proximidades de la regiones de mayor criticalidad.

5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha cantidad indicativa del estado de la estructura (Vo) es el esfuerzo local de la estructura.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la población de la primera base de datos (DB1) comprende la asociación biunívoca entre valores (VLm) de cargas típicas que actúan sobre la estructura en condiciones operativas y valores de esfuerzos (Vom) medidos o simulados de la estructura sometida a dichas cargas.

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la población de la segunda base de datos (DB2) comprende la asociación biunívoca entre los valores medidos de los cambios de esfuerzo (LVo) en la estructura inducidos por el mismo vector (VLm) de carga en presencia de un defecto en la estructura y datos de identificación de un posible defecto en la estructura.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tipo de defectos incluye al menos uno de entre los datos de: la clase de defecto; la dimensión del defecto; la posición del defecto en la estructura.

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye estimar la contribución al cambio de estado de la estructura en dichos puntos de detección debido a cambios en las propiedades del material de la estructura inducidos por la temperatura operativa.

10. Un sistema para pronósticos en una estructura sometida a cargas, en particular una estructura de aeronave, caracterizado porque comprende:

- una primera y una segunda pluralidades de sensores de detección, situados en puntos (P1, P2, ..., Pp) de detección principales y en puntos (Pp+1, Pp+2, ..., Pp+s) de detección de comparación adicionales, respectivamente;

- primeros medios de almacenamiento que comprenden una primera base de datos (DB1) que vincula cargas posibles (VL) que actúan sobre la estructura en condiciones operativas con un estado modificado de la estructura (Vo) , incluyendo valores de una cantidad indicativa del estado de la estructura según se modifica en presencia de dichas cargas en un número predeterminado de puntos relevantes;

- segundos medios de almacenamiento que comprenden una segunda base de datos (DB2) que vincula los cambios de estado de la estructura (LVo) inducidos por defectos preestablecidos en un número predeterminado de puntos relevantes de la estructura, con posibles clases de defectos; y

- medios de procesamiento (U, D) dispuestos para llevar a cabo un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.

11. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10, en el que los citados sensores de detección incluyen sensores del esfuerzo en la estructura.

12. Un sistema de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, que comprende sensores de temperatura posicionados en las proximidades de dichos puntos de detección.

13. Un sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en el que dichos medios de procesamiento (U) están dispuestos para identificar una clase de defectos de la estructura, concentrados o distribuidos, seleccionados en el grupo de las modificaciones superficiales o de volumen que comprenden un agujero, un agujero relleno, la inserción de un miembro de conexión, un daño debido a un golpe, deslaminación, porosidad, y una región de la estructura con una riqueza diferente en resinas o fibras.

14. Un programa de ordenador o un conjunto de programas para ser ejecutados en un sistema de procesamiento (10) , que comprende uno o más módulos de código para llevar a cabo un método para pronósticos en una estructura sometida a cargas de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.