Tomografía de estructuras aeronáuticas

La industria aeronáutica reinvierte alrededor de una décima parte de sus recursos en tareas de mantenimiento, por lo que cualquier técnica de monitorizado de estructuras (Structural Health Monitoring o SHM en inglés) es de gran interés. Los métodos de inspección basados en ondas guiadas de Lamb, en los que estamos trabajando en MGEP-MU, cuentan en la actualidad con una base teórica sólida y con unos medios técnicos lo suficientemente competitivos, tanto en calidad como en precio, como para poder suponer una verdadera evolución en la manera en que hoy en día se entienden los métodos de inspección estructural. Uno de los focos que atraen interés hacia estos nuevos métodos de inspección por ondas ultrasónicas reside en la multitud de aplicaciones posibles dentro no sólo del campo aeroespacial sino también en el naval, la automoción o la ingeniería civil, por poner unos ejemplos.

El objetivo principal del proyecto es desarrollar un sistema de inspección basados en ondas de Lamb para estructuras aeroespaciales con placas fabricadas de metal o material compuesto. Para ello se emplearán técnicas de conformado de haz mediante un conjunto de transductores piezoeléctricos colocados sobre la estructura a inspeccionar.

Los nuevos algoritmos que se están desarrollando permiten:

– Maximizar la superficie de la placa inspeccionada, optimizando la disposición de los elementos piezoeléctricos, así como el diseño de los mismos.

– Maximizar la resolución y la precisión espaciales en la inspección. Para ello, además de optimizar la estructura del transductor se emplean métodos de conformado de haz no uniformes, adaptativos o desarrollado ad-hoc para la aplicación aeroespacial aprovechando el potencial y la flexibilidad de la electrónica basada en Software Defined Radio (SDR).

– Desarrollar métodos de tratamiento de la señal, que permitan la autocalibración del sistema, la separación de fuentes y modos de ondas.

A continuación se presentan algunos resultados obtenidos en base a una configuración anular sin contacto, con un único emisor centrado en el anillo. Así, se obtiene una tomografía de una placa de aluminio y se localiza un orificio practicado a 150 mm del emisor de ultrasonidos.

La Figura 1 muestra los resultados de simulación numérica (mediante el Método de los Elementos Finitos) para la propagación de las ondas de Lamb a lo largo de la placa defectuosa analizada. Se trata de una placa de aluminio de 700x700x2 mm con un agujero ubicado a 150 mm del centro de la misma a una dirección de 60 grados. Se puede apreciar que al encontrarse la onda con el defecto, ocurre el fenómeno de la reflexión y se genera un frente de onda que se propaga hacia el centro de la placa (donde se encontraría la topología anular de inspección). El propósito de estas simulaciones es recoger las señales temporales de desplazamiento en los receptores, a las cuales se les aplicarán los algoritmos de inspección desarrollados. Mediante la sintonización adaptativa se ha excitado el sistema a una frecuencia optima en la que se ha conseguido maximizar un único modo de vibración, tal y como se puede observar en la imagen, facilitando así la interpretación de los resultados.

Figura 1: Simulación FEM de la propagación de la onda en la placa con defecto

En la Figura 2 se presenta la tomografía o B-Mode image en inglés de la estructura, obtenida aplicando los algoritmos basados en conformado de haz y las técnicas de tomografía de reflexión pertinentes para conseguir una correcta resolución y precisión en la localización del defecto.

Figura 2: Tomografía de la placa

Por último, en la Figura 3 se puede observar la configuración experimental que se ha realizado para validar los resultados obtenidos en simulación. Se trata del mismo tipo de placa de aluminio analizado en simulación (las mismas dimensiones y el mismo defecto), apoyada sobre unas almohadillas en sus vértices. En la mitad de la misma se ha adherido un disco piezoeléctrico de 7 mm de diámetro y 0,25 mm como transmisor, al que se le ha soldado un cable SMA que está conectado a un generador de señal. Para la recepción de las ondas se ha hecho uso tanto de un micrófono de ultrasonidos como de un vibrómetro láser, conectados éstos a un osciloscopio.

Figura 3: Configuración experimental de la placa analizada