Railway overhead contact wire monitoring system by means of FBG sensors

Safety of infrastructures represents one of the most significant concerns for governments and service providers to preserve people's well-being. One of the main ways to keep in safe facilities (buildings, bridges, railways, etc.) involves the use of monitoring sensor systems in charge of measuring critical operating conditions. Those measurements together with periodical maintenance, contribute to minimize potential risks that the infrastructure faces. The paper aims at designing, developing, and testing a monitoring system for mechanical stresses acting on the overhead contact wire (OCW) to ensure the operational safety of the railway network. In this regard, the paper proposes two Fiber Bragg Grating (FBG) sensors-based solutions, relying on the ability of these sensors to allow real-time and continuous data acquisition. The first one consists in a polyimide-coated sensor bonded on an OCW clamp, the second one is a copper-coated sensor hanging between the two separated halves of an OCW clamp. Significant results have been obtained mechanically testing both solutions, trying to simulate the operative conditions

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to severalepisodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided withmechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components ofsuch systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture andpollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, arelated nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersinkmachined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. Themachined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardeningstainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by themanufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the pistoninside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of thematerial, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples bymeans of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the systemseizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzingthe criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were comparedwith system design and working data

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to several episodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided with mechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components of such systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture and pollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, a related nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersink machined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. The machined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardening stainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by the manufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the piston inside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of the material, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples by means of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the system seizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzing the criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were compared with system design and working data

Wear surface damage of a Stainless Steel EN 3358 aeronautical component subjected to sliding

The present paper describes the failure analysis of an aircraft component subjected to several episodes of in service failure, resulted in loss of the aircraft safety. Modern aircrafts are provided with mechanical systems which have the task to open not pressurized hatches during landing. The components of such systems are subject to considerable mechanical stresses in harsh environment (presence of moisture and pollutants, significant and sudden temperature variations). The system is constituted by a sliding piston, a related nipple and by a locking system consisting of 4 steel spheres which are forced into a countersink machined on the piston when the hatches is open. The whole system is activated by a preloaded spring. The machined parts, nipple and piston, are made of EN3358 steel (X3CrNiMo13-8-2), a precipitation hardening stainless steel with very low content of carbon often used in the aerospace. The samples provided by the manufacturer present different types of damage all referable to phenomena relative to the sliding of the piston inside the nipple. The present paper describes the different damage observed and the microstructure of the material, then are reported the results obtained from the characterization of the material of the samples by means of optical and electronic microscopy, carried out to define the mechanisms involved in the system seizure. In order to define the primary cause of failure and to propose solutions to be adopted, also analyzing the criticality of using this PH stainless steel for this application, the results of different tests were compared with system design and working data

STUDIO E SPERIMENTAZIONE DI MATERIALI E SENSORI INTELLIGENTI BASATI SU TECNOLOGIA FBG

I sensori FBG vengono utilizzati per il monitoraggio dello stato dell’integrità strutturale dei componenti industriali. Essi mostrano diversi vantaggi rispetto ai sensori tradizionali. Il più immediato è la loro possibilità di lavorare in presenza di interferenze elettromagnetiche (per quanto elevate possano essere) ed in altre condizioni avverse, in ambienti particolarmente aggressivi (harsh) in cui si trovino in presenza di temperature elevate (o ancora peggio forti escursioni termiche) pressioni elevate ed elevati valori di umidità relativa (RH%); non mostrano problemi a lavorare in ambienti sporchi, presenza di solventi, grasso o polvere e concentrazioni di specie inquinanti. Sono caratterizzati da una elevata sensibilità nella misura, in particolare di grandezze quali deformazioni e temperatura e l’evoluzione degli strumenti di elaborazione del segnale ottico consentono oggi una straordinaria risoluzione di tali misure. Grazie alle loro dimensioni contenute e al peso ridotto hanno mostrato una ottima affinità all’inglobamento all’interno dei materiali oltre al mero incollaggio superficiale. La possibilità consentita dalla multiplexabilità dei sensori, in serie su una stessa dorsale, permette di realizzare un sistema nervoso dell’oggetto da monitorare. La fibra ottica rappresenta un sistema passivo (non alimentato) di trasporto del segnale, questo le consente l’utilizzo in ambienti infiammabili o a rischio esplosioni. L’ambito dei controlli non distruttivi si arricchisce giorno dopo giorno di nuovi strumenti che migliorano la risoluzione delle verifiche dell’integrità strutturale di un componente operativo. La difficoltà rimane ancora quella di riuscire ad intervenire per tempo in caso di manifestazione di un danno, prima di arrivare alla failure del sistema che potrebbe avere conseguenze catastrofiche. Nasce così l’esigenza di un monitoraggio in tempo reale della salute di una struttura (SHM, Structural health monitoring), uno strumento che consenta: - una sensibilità distribuita (punti sensibili discreti, distribuiti su un array strutturato); - costi ragionevoli; - durata del sistema di monitoraggio pari al tempo di vita operativo della struttura in esame; - deve essere perfettamente integrabile nel componente strutturale. Tale strumento potrebbe diventare, grazie all’impiego di questi sensori, la struttura stessa, in altre parole, potrebbe essere la struttura che monitora autonomamente la propria integrità, lo stato delle proprie caratteristiche meccaniche e che è in grado di comunicarle ad un sistema di gestione centrale dei dati che si attiva per intervenire in caso di necessità. Prendiamo ad esempio un ponte che ha subito gli effetti di un terremoto ed in apparenza è rimasto intato, un sistema integrato sarebbe in grado di verificare lo stato della struttura e comunicarlo alla manutenzione. È straordinario ma è solo il punto di partenza di quelle che oggi vengono definite strutture intelligenti (smart structures), strutture in grado di monitorarsi, raccogliere i dati, analizzarli e quindi intervenire, reagendo a quelle che possono essere variazioni dei parametri ambientali con cui interagisce nella sua vita operativa. Strutture, il discorso è valido in qualsiasi ambito dell’Ingegneria, che devono essere progettate per assumere un comportamento quasi biologico (bio- behavior). Punto di partenza delle strutture intelligenti sono, con ovvia ripetizione dei termini, i materiali intelligenti. La mia ricerca si è rivolta proprio allo studio di materiali intelligenti per quello che rappresenta un primo passo di un sistema che possa portare, in seguito, a strutture reattive, ovvero lo sviluppo di materiali sensibili. Studiando le problematiche relative all’inglobamento dei sensori all’interno dei materiali (in particolare i laminati in composito da impiego strutturale) si è in grado di progettare una rete neurale che, in maniera quasi-distribuita, percorra l’intera struttura, permettendo un controllo in continuo ed in tempo reale, e per tutta la durata della vita operativa del componente in oggetto. Il riferimento ai sensori intelligenti, nel titolo, è legata alla capacità dei sensori FBG di adattarsi a condizioni avverse, impossibili per altre tecnologie, mostrandosi in grado di misurare, simultaneamente ed in tempo reale, grandezze diverse, permettendone, con i dovuti accorgimenti, la perfetta distinzione delle rispettive variazioni. E questo in quanto i sensori FBG sono caratterizzati da un’incredibile versatilità, sono sensibili a qualsiasi cosa sia in grado di variare quella che è la loro grandezza caratteristica, ovvero l’indice di rifrazione che ne permette la trasmissione del segnale e che ne caratterizza il passo delle frange del reticolo La questione principale è l’inglobamento delle fibre ottiche nella struttura in modo che l’integrità della stessa non venga compromessa e assicurando che l’interfaccia tra la fibra ottica e il materiale circostante permetta un’accurata misura degli effetti ambientali di interesse. Il campo dei materiali di interesse comprende il fibre di carbonio in matrice epossidica, i termoplastici, il cemento per quanto riguarda le basse temperature; mentre per temperature molto elevate di usa il titanio e l’acciaio. Il limite pratico per la temperatura di poco inferiore ai 1000°C, oltre la quale la migrazione degli agenti droganti dal core della fibra diventa un problema rilevante. Per inglobare le fibre ottiche efficacemente nei vari materiali, l’importanza del rivestimento è fondamentale. Il primo ruolo del rivestimento è proteggere la fibra dal vapore condensato che, penetrando in una struttura che presenta delle micro cricche sulla superficie della fibra, contribuisce alla loro propagazione. Il secondo ruolo è costituire l’interfaccia appropriata tra la fibra ottica e il materiale ospitante, permettendo una misura adeguata dei parametri ambientali monitorati. Per i materiali non omogenei come i compositi è importante che il coating sia chimicamente compatibile con la resina del materiale ospitante, oltre a tener conto dell’orientazione della fibra di vetro rispetto a quelle di rinforzo e delle sue dimensioni rispetto allo spessore del coating: i risultati migliori generalmente si ottengono al diminuire della dimensione della fibra e facendo correre la fibra parallela alla componente della forza agente sulle fibre del materiale composito. Dopo aver posizionato le fibre ottiche sorge la questione dell’ingresso e dell’uscita della fibra dalla struttura mediante i connettori. Per inglobare i connettori con successo bisogna provvedere ad un alleviamento delle deformazioni e proteggere le fibre nei punti di ingresso e uscita, dove sono più vulnerabili. Bisogna poi scegliere la tecnica di multiplexing adatta a supportare il numero richiesto di sensori lungo una singola linea. Le più utilizzate sono il multiplexing per suddivisione della lunghezza d’onda, dove ogni sensore è individuato da una lunghezza d’onda, e il multiplexing per suddivisione del tempo, che individua i sensori per la posizione occupata al momento del passaggio dell’impulso. Successivamente l’informazione è inviata dai molteplici sensori all’elaborazione, completando la trasformazione da segnali a dati in forma tale da essere poi manipolata da un sistema di controllo centrale. La sfida di trovare vie più convenienti (cost-effective) per ridurre i costi di manutenzione e migliorare la sicurezza strutturale, il bisogno di sistemi di ispezione migliori. La spinta a realizzare sistemi di sensori integrati (built-in sensors system) è quella di migliorare i sistemi per monitorare i carichi operativi. senza necessità di fermare l’azione del sistema monitorato. In molte applicazioni la conoscenza dei carichi operativi è generalmente molto bassa, molti miglioramenti possono essere ottenuti incorporando (inglobando) i sensori nelle strutture. Nel primo capitolo del presente lavoro di tesi, vengono presentati gli argomenti che sono stati trattati nel corso del Dottorato, a cominciare con un’introduzione alle smart structures, partendo da quelle autodiagnosticanti (che necessitano di un sistema di monitoraggio come quello a cui si è accennato) fino ad arrivare alle intelligent structures, le strutture a bio-behavior, che potrebbero essere meglio definite come strutture reattive. Nel secondo capitolo viene introdotta la tecnologia dei sensori a reticolo di Bragg, ovvero lo strumento utilizzato per tutta l’attività di ricerca. Il terzo capitolo affronta l’argomento della compensazione termica, ovvero, dei metodi e tecniche da adottare per disaccoppiare le misure effettuate con i sensori FBG dalle variazioni di temperatura. Nel quarto capitolo viene proposta una piccola introduzione ai materiali compositi, che già intrinsecamente rappresentano il concetto di materiale intelligente in quanto ingegnerizzato (progettato su misura a seconda delle condizioni operative, taylored, abusando di un termine inglese che rende perfettamente l’idea). Nel quinto capitolo si prova a risolvere alcuni dei problemi relativi all’inglobamento dei sensori nei laminati in composito

Fondamenti di metallurgia per l'ingegneria

Questo testo è rivolto agli studenti dei corsi di ingegneria con l’intento di fornire i fondamenti della metallurgia finalizzati alla conoscenza dei materiali metallici per un loro corretto utilizzo. Vengono trattate nozioni di metallurgia fisica ed argomenti pratici finalizzati all’ingegneria. In particolare reticoli cristallini e i loro difetti. Trasformazioni solido liquido e i diagrammi di stato. Vengono presentate le principali proprietà meccaniche, i fattori che le influenzano e i trattamenti termici volti a conferire determinate proprietà ai metalli. Si affronta inoltre lo studio del comportamento dei materiali metallici in particolari condizioni operative (scorrimento viscoso, comportamento a frattura, fatica). Si analizzano le principali metodologie metallografiche finalizzate allo studio delle strutture dei metalli e loro leghe e vengono presentate sinteticamente le principali leghe metalliche di maggior utilizzo nel settore meccanico. In definitiva il testo si prefigge di dare una cultura di base della metallurgia all’Ingegnere Meccanico e a Ingegneri affini che potranno in seguito sempre approfondire la materia su testi più specialistici e maggiormente impegnativi

Modeling FBG sensors sensitivity from cryogenic temperatures to room temperature as a function of metal coating thickness

Fiber optics with photo-imprinted Bragg grating have been studied in order to be used as temperature sensors in cryogenic applications. The main disadvantage presented by Fiber Bragg Grating (FBG) sensors is the significant drop in sensitivity as temperature decreases, mainly due to the critical lowering of the thermo-optic coefficient of the fiber and the very low thermal expansion coefficient (CTE) of fused silica at cryogenic temperatures. Thus, especially for the latter, it is important to enhance sensitivity to temperature by depositing a metal coating presenting higher CTE. In this work the thermal sensitivity of metal-coated FBG sensors has been evaluated by considering their elongation within temperature variations in the cryogenic range, as compared to bare fiber sensors. To this purpose, a theoretical model simulating elongation of metal-coated sensors has been developed. The model has been used to evaluate the behaviour of different metals which can be used as coating ( Ni,Cu,Al,Zn,Pb and In). The optimal coating thickness has been calculated at different fixed temperature (from 5 K to 100 K) for each metal. It has been found that the metal coating effectiveness depends on thickness and operating temperature in accordance to our previous experimental work and theory suggest

Experimentation of fiber optic FBG sensors in a CFRP aerospace component

This paper describes experimental activities performed on specimens representative of an aerospace component to demonstrate the possibility of monitoring aerospace components using Fiber Bragg Gratings FBG sensors, embedded inside composite materials and to test the survivability of the fibers in an industrial environment. The tests have been carried out in the Alenia Aermacchi factory in Venegono Superiore (Varese), in collaboration with DIAEE and DICMA Departments of Sapienza University of Rome. The specimen used for the tests were realized during internal testing activities performed by Alenia Aermacchi, and were intended to be used for destructive tests after a simulated ‘aging’ (submerged in water at T=70°C for 31 days) of the material. Two specimens carrying 8 embedded FBG sensors each were manufactured. The FBG sensors were also used to monitor the stress of the material after the curing in an autoclave. Non-Destructive Tests (ultrasonic scan, X-rays) were performed to check the positions of the fibers inside the specimens. Three other specimens were monitored with FBG sensors glued on the external surfaces. The FBG sensors were positioned close to Resistive Strain Gages, so that the readings from the two kinds of sensors could be compared. The results are discussed in the paper