Monitorización de estructuras finas mediante ultrasonidosGerardo Aranguren1, Josu Etxaniz1,

Federico Martin de la Escalera2 y Yasser Essa2

1Universidad del País Vasco (UPV/EHU). Grupo de Diseño Electrónico. Bilbao. gerardo.aranguren@ehu.es, josu.etxaniz@ehu.es

2Aernnova Engineering Division. Madrid. federico.martindelaescalera@aernnova.com, yasser.essa@aernnova.com

Resumen

Dentro de las técnicas de ensayos no destructivos (Non Destructive Testing, NDT), la técnica de SHM por ultrasonidos tiene grandes expectativas para estructuras finas por su reducido coste y amplio alcance de los defectos que puede detectar. En este artículo se describen los equipos y el procedimiento de operación para detectar defectos en estructuras metálicas y de material compuesto con la tecnología SHM con ultrasonidos. El estudio se avala con resultados empíricos donde se muestra la detección de cambios en estructuras que han sufrido pequeños daños, algunos no visibles: rayados, impactos, descargas eléctricas y corrosión. El objetivo final de estos ensayos es avanzar hacia la implantación de sistemas SHM por ultrasonidos, cuya finalidad es mejorar la calidad de la supervisión de estructuras y reducir el costo de mantenimiento. Estos procedimientos se pueden aplicar para estructuras de aviación o generación eólica de gran tamaño y pequeños espesores.

1. Introducción

Todas las estructuras, ya sean de puentes, torres o aviones, están sometidas a lo largo de su vida a diversos factores que pueden degradarlas. La corrosión, la fatiga, los impactos, el ambiente y otras causas pueden derivar en un fallo crítico en la estructura provocando problemas económicos o incluso de seguridad.

La monitorización de la integridad estructural, más conocida como SHM (Structural Health Monitoring) [1], es un ámbito en auge en el sector industrial que trata de proporcionar tecnología y métodos para controlar de una manera precisa y continua los daños que puedan surgir en una estructura.

La monitorización de estructuras se puede implementar con distintas técnicas: fibras ópticas, galgas extensiométricas, corrientes de Eddy, ondas acústicas, MEMS, etc. La técnica de SHM basada en ondas guiadas ultrasónicas, se está convirtiendo en una de las más prometedoras para monitorizar estructuras. Está técnica utiliza ondas superficiales para obtener información y monitorizar estructuras finas metálicas o de material compuesto. Su campo de aplicación más destacado es la aviación [2]

El proceso SHM con ultrasonidos es una técnica activa. Comienza generando unas señales eléctricas que se convierten en ondas mecánicas superficiales (ondas de Lamb) mediante transductores piezoeléctricos (Piezoelectric Wafer Active Sensor, PWAS) [3]. Estas ondas se distribuyen por la estructura, se reflejan en los bordes o en cualquier cambio estructural (agujeros, refuerzos, o defectos) y se vuelven a adquirir en los PWAS que las convierten en señales eléctricas. Normalmente los PWAS están permanentemente pegados a la estructura. Es necesario utilizar un equipo electrónico (SHM ultrasound systems, SHMUS) [4] para generar las señales de excitación, adquirir las señales reflejadas y procesar las señales para determinar el estado de la estructura.

Desde hace más de diez años el Grupo de Diseño Electrónico de la UPV/EHU colabora con Aernnova en la investigación aplicada de SHM para estructuras de aviación y,

Estructura de aluminio

Phased-Array: PWAS

PAMELA

Software de control

últimamente, para monitorizar generadores eólicos. Esta colaboración ha dado lugar al desarrollo de una serie de equipos SHMUS que se han denominado PAMELA SHM™ [5]. Estos equipos contienen todos los circuitos electrónicos para monitorizar una estructura con la técnica de ultrasonidos. Se podría decir que contienen varios generadores de señal para producir las señales de excitación, varios canales de osciloscopio para adquirir las señales y un sistema procesador y de comunicaciones.

En la segunda sección del artículo se presenta los medios para realizar un ensayo de SHM con ultrasonidos con el equipo PAMELA SHM™. En la sección 3 se muestran los resultados de la utilización de esta técnica para detectar distintos fallos. La sección 4 analiza los resultados. La sección 5 corresponde a las conclusiones.

2. La técnica de SHM con ultrasonidos

Para la realización de ensayos de SHM con ultrasonidos con necesarios los siguientes elementos (ver Figura 1):

Una estructura a monitorizar. Uno o varios generadores de señales arbitrarios y varios circuitos de

adquisición y digitalización de señales. En PAMELA hay hasta 18 canales de generación y adquisición de señales.

Una serie de transductores PWAS (Phased-Array), que convierten la señal eléctrica en ondas superficiales y viceversa.

Un ordenador con un software de control y tratamiento de señal.

Figura 1. Banco de pruebas para realizar ensayos de SHM con ultrasonidos.

A través del ordenador se puede configurar un test indicando los canales de generación y adquisición utilizados, las frecuencias generadas, los modos de test y, por último, dar comienzo a un test de SHM.

Uno de los modos más ventajosos de SHM es la técnica beamforming [6]. Consiste en generar señales simultáneamente por varios PWAS de manera que las ondas produzcan interferencias constructivas en distintas direcciones, similar al funcionamiento de los radares sintéticos. En la Figura 2 se muestran varios fotogramas de una simulación de la generación beamforming con 10 PWAS en dirección vertical [7]. Los colores más cálidos

representan una mayor amplitud de la señal generada por interferencias constructivas entre varias señales.

Figura 2. Simulación de la propagación de ondas superficiales por beamforming.

En los ensayos presentados a continuación, se utilizan hasta 37 direcciones diferentes, desde 0º hasta 180º cada 5º, para monitorizar cada estructura. De forma que se obtienen 370 señales (37 ángulos por 10 PWAS) que caracterizan o tienen información acerca del estado de la estructura. Gracias a utilizar tantas señales se consigue recibir información diversa y de todas las partes de la estructura.

En la Figura 3 se muestran, como ejemplo, las 10 señales obtenidas en un ensayo en modo beamforming orientado a la dirección 45º. En esta imagen el eje vertical representa el valor digital de la señal recibida (aprox. 4000 corresponde a 1 voltio). El eje horizontal es el número de muestra adquirida a 60 MHz (16,66 ns. entre muestras).

La parte inicial (primer tercio aproximadamente) de la Figura 3 corresponde a las señales generadas recortadas a 1 voltio por el sistema de adquisición, aunque alcanzan hasta 48 voltios en la generación. La parte final son las señales recibidas por efecto de las reflexiones de las señales en cualquier discontinuidad de la estructura: bordes, agujeros, rayados, etc.

Figura 3. Señales obtenidas en un ensayo beamforming orientado a 45º.

Con estructuras simples y modeladas se pueden aplicar algoritmos complejos para calcular las dimensiones de la estructura, los defectos que puedan producirse, etc. Con estructuras complejas es muy difícil la modelación y la complejidad algorítmica crece en gran medida, por lo que no resulta útil emplear únicamente las señales correspondientes a un estado. Un cálculo algorítmico adecuado es comparar las señales producidas con la estructura en estado prístino o inicial y con la estructura en un estado posterior. Si las señales resultan muy similares no ha habido modificación en la estructura y si las señales cambian ha habido modificaciones en la estructura y se puede medir la magnitud del cambio, la dispersión o la localización.

Repitiendo los ensayos periódicamente se consigue un conocimiento del estado de la estructura en el tiempo. Si el defecto surge progresivamente se pueden producir avisos antes de que el daño alcance un nivel determinado: prognosis. Si el defecto surge repentinamente debido a un golpe se puede detectar en el siguiente ensayo. De cualquier

forma, la monitorización puede facilitar tanto el mantenimiento predictivo como el correctivo.

3. Ejemplos de detección de fallos

En esta sección, se muestran varios ejemplos de detección de fallos con las técnicas descritas.

En todos los casos se muestra el resultado de la monitorización como una matriz de identidad entre la señal en el estado prístino y en el estado actual. El eje vertical de la matriz corresponde a cada uno de los PWAS y el eje horizontal a las direcciones apuntadas por la señal principal generada.

En cada punto de la matriz se representa el grado de identidad para el PWAS y dirección correspondiente obtenida mediante el algoritmo descrito en [8]. El grado de identidad “0” corresponde a una total semejanza y se le asigna un color verde. A medida que el deterioro va causando diferencias entre las señales originales y las recibidas los valores de la matriz van aumentando su valor hasta el límite establecido en “1” al que se asigna el color rojo. De esta manera las matrices donde predomina el verde corresponden a estructuras en buen estado. A medida que cambian de color hacia el rojo mostrarán que existe un cambio respecto del estado original y la gravedad del cambio.

3.1 Rayado de un panel de aluminio

Sobre una estructura de aluminio de 1000 mm x 500 mm se realiza con una herramienta punzante las rayas mostradas en la Figura 4.

Figura 4. Rayas sobre una placa de aluminio.

Tras los ensayos se genera la matriz de identidad (Figura 5).

0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.01 0.01 0.03 0.01 0.00 0.00 0.01 0.10 0.00 0.00 0.01 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.06 0.06 0.03 0.03 0.01 0.01 0.03 0.01 0.01 0.03 0.03 0.01 0.06 0.10 0.03 0.06 0.03 0.03 0.03 0.07 0.01 0.00 0.03 0.10 0.10 0.06 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03 0.01 0.03 0.03 0.00 0.01 0.10 0.01 0.01 0.01 0.03 0.16 0.03 0.01 0.03 0.01 0.13 0.01 0.03 0.03 0.06 0.03 0.03 0.01 0.03 0.01 0.03 0.03 0.03 0.03 0.030.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.01 0.01 0.03 0.01 0.00 0.06 0.06 0.00 0.01 0.01 0.03 0.01 0.00 0.01 0.16 0.00 0.01 0.01 0.01 0.03 0.00 0.00 0.01 0.03 0.10 0.01 0.01 0.00 0.00 0.01 0.000.01 0.01 0.01 0.01 0.03 0.03 0.03 0.00 0.06 0.01 0.00 0.01 0.03 0.00 0.10 0.01 0.01 0.10 0.06 0.03 0.06 0.01 0.01 0.01 0.01 0.02 0.00 0.00 0.03 0.06 0.06 0.06 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03 0.01 0.00 0.01 0.06 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00 0.04 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.00 0.00 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00 0.00 0.000.01 0.03 0.01 0.01 0.05 0.03 0.06 0.03 0.10 0.10 0.01 0.01 0.03 0.03 0.03 0.01 0.03 0.01 0.03 0.01 0.10 0.01 0.01 0.01 0.06 0.16 0.02 0.01 0.01 0.01 0.06 0.06 0.06 0.03 0.03 0.03 0.030.01 0.01 0.00 0.01 0.03 0.03 0.03 0.01 0.06 0.10 0.01 0.03 0.35 0.01 0.09 0.01 0.01 0.10 0.16 0.03 0.03 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.03 0.00 0.03 0.03 0.06 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.03 0.00 0.03 0.01 0.03 0.03 0.01 0.06 0.00 0.00 0.01 0.06 0.01 0.06 0.01 0.06 0.03 0.10 0.01 0.01 0.03 0.00 0.01 0.03 0.01 0.01 0.03 0.01 0.01 0.01 0.03 0.000.01 0.01 0.01 0.03 0.03 0.10 0.01 0.01 0.16 0.03 0.03 0.03 0.16 0.68 0.05 0.01 0.04 0.01 0.10 0.01 0.03 0.03 0.01 0.03 0.01 0.06 0.16 0.00 0.03 0.03 0.16 0.10 0.03 0.01 0.01 0.00 0.01

Figura 5. Matriz de identidad para la placa de aluminio rayada.

3.2 Impacto en material compuesto

Sobre una placa de material compuesto se deja caer un martillo para iniciar un proceso de delaminación (Figura 6).

El material compuesto utilizado en los ensayos tiene un comportamiento anisotrópico respecto de las ondas superficiales transmitidas debido a que su composición no es uniforme en todas las direcciones. Por esa razón se utiliza una escala horizontal entre 50º y 130º, lo que da lugar a una matriz de 160 términos (10 PWAS x 16 ángulos).

Figura 6. Inicio de una delaminación sobre una placa de material compuesto.

0.05 0.10 0.01 0.06 0.16 0.35 0.57 0.66 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.01 0.16 0.44 0.50 0.24 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.57 0.97 0.00 0.16 0.00 0.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.10 0.03 0.000.01 0.00 0.00 0.00 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.06 0.03 0.00 0.00 0.00 0.000.43 0.65 0.50 0.50 0.10 0.04 0.00 0.00 0.06 0.22 0.43 0.16 0.01 0.00 0.00 0.000.01 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.06 0.02 0.06 0.02 0.43 0.02 0.03 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.05 0.05 0.00 0.43 0.66 0.94 1.00 1.00 0.75 1.00 0.780.97 0.58 0.22 0.03 0.03 0.00 0.00 0.00 0.70 1.00 0.74 0.70 0.65 0.59 0.66 0.44

Figura 7. Matriz de identidad para la placa de compuesto con delaminación iniciada.

3.3 Descarga eléctrica sobre material compuesto

Con el fin de probar defectos sobrevenidos por acciones distintas de las mecánicas, se probó la descarga de un condensador de 22 mF y 60 voltios sobre una placa de material compuesto (Figura 8).

Figura 8. Descarga eléctrica sobre una placa de material compuesto.

La matriz de identidad obtenida se presenta en la Figura 9. El ensayo se repitió dos veces realizando descargas en dos puntos de la placa.

0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.06 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 1.00 0.57 0.99 0.50 0.02 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.13 0.03 0.430.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.010.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.03 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.06 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.16 0.00 0.02 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.11 0.16 0.72 0.06 0.00 0.02 0.00 0.000.16 0.10 0.03 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.50 1.00 0.00 1.00 0.12 0.03 0.03 0.01

Figura 9. Matriz de identidad para la placa de compuesto tras la descarga eléctrica.

3.4 Corrosión sobre material compuesto por contacto con aluminio

Es conocido que el material compuesto al entrar en contacto con aluminio sufre un deterioro progresivo por corrosión, sobre todo en presencia de agua marina. En el siguiente ensayo se trató de reproducir ese efecto.

En primer lugar, se taladró una placa de aluminio y alrededor del agujero se abrasó la superficie para forzar un deterioro inicial (Figura 10 izquierda arriba). En una placa de material compuesto también se rayó la superficie para inducir un proceso de deterioro (Figura 10 izquierda abajo). A continuación, se pusieron en contacto con agua marina en la zona de contacto (Figura 10 derecha).

Figura 10. Abrasión entre aluminio y compuesto. Izquierda deterioro inicial (arriba aluminio, abajo material compuesto). Derecha banco de ensayo.

El conjunto de las dos placas no se movió durante los cinco días que duró el ensayo. Se realizaron ensayos cada día a la misma hora. Las matrices de identidad de los cuatro días posteriores al comienzo del ensayo se muestran en la para el aluminio y la para el material compuesto.

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,04 0,06 0,00 0,43 0,06 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,16 0,00 0,43 0,57 0,02 0,10 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,37 0,00 0,12 0,37 0,00 0,00 0,02 0,17 0,72 0,23 0,50 0,87 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,28 0,00 0,65 0,72 0,16 0,78 0,43 0,430,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,35 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,03 0,50 0,01 0,16 0,16 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,35 0,03 0,35 0,43 0,16 0,16 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,24 0,06 0,10 0,01 0,01 0,01 0,65 0,10 0,10 0,43 0,86 0,06 0,16 0,01 0,01 0,00 0,00 0,03 0,03 0,01 0,72 0,03 0,57 0,10 0,03 0,16 0,03 0,01 0,010,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,65 0,16 0,03 0,06 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 0,10 0,22 0,16 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,06 0,10 0,06 0,03 0,22 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,10 0,00 0,03 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,16 0,22 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,01 0,00 0,06 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,16 0,28 0,10 0,03 0,03 0,00 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,01 0,01 0,00 0,03 0,03 0,00 0,01 0,57 0,16 0,65 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,35 0,78 0,10 0,22 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,10 0,03 0,06 0,06 0,06 0,06 0,90 0,37 0,28 0,84 0,65 0,57 0,10 0,06 0,06 0,03 0,00 0,00 0,01 0,03 0,22 0,04 0,22 0,06 0,06 0,16 0,03 0,06 0,030,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,22 0,01 0,78 0,10 0,28 0,16 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,01 0,01 0,10 0,10 0,10 0,35 0,06 0,00 0,01 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,16 0,00 0,01 0,06 0,06 0,72 0,03 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,01 0,06 0,00 0,10 0,06 0,03 0,00 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,03 0,01 0,43 0,06 0,03 0,00 0,01 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,03 0,01 0,00 0,06 0,57 0,10 0,03 0,03 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,22 0,03 0,06 0,22 0,01 0,01 0,00 0,16 0,03 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Figura 11. De arriba abajo, matrices de identidad correspondientes al aluminio después de un día (24 h), dos días (48 h), tres días (72 h) y cuatro días (96 h).

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,04 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,01 0,65 0,11 0,03 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,03 0,00 0,06 0,01 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,22 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,90 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,04 0,10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,03 0,03 0,10 0,03 0,03 0,03 0,06 0,00 0,00 0,04 0,00 0,01 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,04 0,00 0,00 0,00 0,16 0,03 0,16 0,01 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,01 0,43 0,280,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,28 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,28 0,28 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

0,00 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,86 0,00 0,00 0,50 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,010,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,03 0,01 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,010,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,35 0,05 0,22 0,01 0,06 0,65 0,65 0,55 0,16 0,350,00 0,16 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,03 0,03 0,010,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,01 0,00 0,00 0,03 0,06 0,01 0,060,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,51 0,72 0,06 0,06 0,01 0,00 0,00 0,030,00 0,35 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,00 0,00 0,99 0,44 0,22 0,10 0,22 0,10 0,03 0,060,00 0,50 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,22 0,01 0,16 0,06 0,28 0,00 0,00 0,000,00 0,06 0,01 0,57 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,05 0,06 0,06 0,22 0,03 0,10 0,00

0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,28 0,11 0,07 0,22 0,00 0,03 0,03 0,00 0,10 0,00 0,00 0,000,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,10 0,22 0,06 0,03 0,03 0,03 0,03 0,00 0,00 0,06 0,010,00 0,00 0,06 0,00 0,07 0,06 0,06 0,03 0,22 0,10 0,10 0,00 0,01 0,03 0,06 0,10 0,030,06 0,03 0,06 0,00 0,01 0,01 0,10 0,35 0,22 0,03 0,00 0,06 0,01 0,10 0,18 0,50 0,350,00 0,13 0,16 0,10 0,00 0,01 0,01 0,00 0,22 0,00 0,03 0,16 0,06 0,10 0,16 0,22 0,350,03 0,28 0,06 0,10 0,01 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,10 0,06 0,16 0,22 0,10 0,10 0,160,00 0,01 0,00 0,00 0,06 0,00 0,03 0,01 0,00 0,59 0,78 0,22 0,28 0,06 0,50 0,03 0,350,01 0,01 0,03 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,99 0,16 0,10 0,90 0,35 0,10 0,16 0,220,00 0,67 0,01 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,40 0,22 0,65 0,35 0,28 0,01 0,06 0,000,03 0,16 0,11 0,62 0,06 0,03 0,00 0,06 0,00 0,16 0,22 0,16 0,06 0,10 0,37 0,06 0,06

Figura 12. De arriba abajo, matrices de identidad correspondientes al material com-puesto después de un día (24 h), dos días (48 h), tres días (72 h) y cuatro días (96 h).

4. Análisis de los datos

En los ensayos anteriores se observa que las matrices de identidad toman valores distintos de cero delatando un cambio del estado prístino de la estructura al estado presente con daños.

Los tres primeros ensayos corresponden a defectos sobrevenidos súbitamente. Estos ensayos se han repetido a varios niveles, aunque no se han mostrado con todo detalle en el artículo. En los tres casos aumenta el valor de algunas celdas de la matriz a medida que se infligían daños de mayor magnitud. Luego se ha conseguido descubrir la aparición de los defectos súbitos que afectan a estas estructuras, aunque en algunos casos los efectos no son visibles.

En el caso de corrosión por contacto entre aluminio y compuesto se ha mostrado la evolución cada 24 horas. Se observa que a medida que pasa el tiempo algunas celdas de la matriz toman valores mayores. Luego también se puede medir el desarrollo de un deterioro progresivo. Actualmente se está estudiando con esta técnica el avance de la delaminación en material compuesto y la aparición de fatiga en metales.

Si se realiza la monitorización de una estructura a lo largo de su vida, realizando ensayos periódicamente, se podrían determinar distintos síntomas en la aparición de defectos:

Aparición de defectos súbitos debidos a impactos, rayado o doblado. Aparición de defectos progresivos como delaminación, corrosión o fatiga. Distintos niveles de dispersión de los defectos manifestado en el número de

celdas que muestran diversidad respecto del estado prístino. Distintos niveles de gravedad del daño por la magnitud que toman las celdas de

la matriz de identidad.

Todos estos síntomas pueden servir para determinar los umbrales para producir los distintos avisos de mantenimiento: desde avisos preventivos (prognosis), hasta avisos más drásticos.

5. Conclusiones

Se ha presentado un procedimiento para encontrar cambios en estructuras mediante la utilización de ondas de ultrasonidos. El procedimiento se ha mostrado mediante ensayos realizados con piezas de aluminio y material compuesto, donde se comparan las ondas Lamb transmitidas por la estructura antes y después de producirse un daño.

El procedimiento mostrado es capaz de detectar cambios pequeños y en ocasiones no visibles en las estructuras. También se ha mostrado la capacidad para medir daños progresivos.

En la actualidad se está trabajando con piezas de aviación fabricadas por Aernnova. La pretensión futura es conseguir sistemas de SHM para aviones que mejore la revisión de las estructuras y que disminuya los gastos de mantenimiento.

Referencias

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(5) V. Cokonaj, G. Aranguren, L. Casado, “Multi-channel Electronic Architecture for Advanced Monitoring of Structural Integrity Using Ultrasonic Wave or Lamb Wave Technology”, Patente WO2012172124 A1, AERnnova Engineering Solutions Iberica, 2011.

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