RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Applicazioni di Metodi per Diagnostica Elettromagnetica (AMDE)

Università di riferimento

Università degli Studi di CASSINO - AUTOMAZIONE, ELETTROMAGNETISMO, INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE E MATEMATICA INDUSTRIALE - CASSINO(FR)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Antonello TAMBURRINO

Descrizione

Il programma di ricerca nasce in continuità con i risultati conseguiti nel corso del progetto PRIN di durata biennale dal titolo "Metodi e Applicazioni di Diagnostica Elettromagnetica Non Distruttiva (MADEND)" finanziato nel 2001. In particolare, esso prevede lo studio di aspetti metodologici e numerici, nonché di alcuni aspetti sperimentali, relativi alla ricostruzione della resistività di un materiale conduttore mediante tecniche basate sull'utilizzo di campi elettromagnetici in condizioni stazionarie e quasi-stazionarie. La ricerca sarà finalizzata all'ispezione di strutture conduttrici nell'ambito del settore dei controlli non distruttivi per aeromobili. In particolare, la ricerca verterà sulle problematiche relative all'identificazione dell'andamento spaziale della resistività all'interno del volume di un conduttore e all'identificazione di difetti mediante la tecnica delle correnti indotte (ECT) e delle correnti iniettate (tomografia a resistenza elettrica, ERT). Obiettivo della ricerca è di consolidare gli aspetti metodologici ed applicativi al fine di progettare propriamente il sistema di misura e di sviluppare rapide e robuste procedure di simulazione numerica e di ricostruzione nonché di investigare nuove metodologie di imaging. Il programma di ricerca prevede tre attività relative, rispettivamente, allo studio, consolidamento e sviluppo di metodi ed algoritmi per la soluzione del problema inverso e del problema diretto, ed alla verifica sperimentale di parte degli algoritmi proposti. In particolare, esso muoverà a partire dai risultati conseguiti durante il progetto MADEND, consolidando alcuni aspetti e sviluppandone altri, con la finalità di ridurre il divario tra le configurazioni"ideali", per le quali sono sviluppate le metodologie di diagnostica non invasiva, e le configurazioni reali di interesse applicativo. In tale contesto, è opportuno notare che nella maggior parte della letteratura, i metodi quantitativi sono stati affrontati con riferimento a situazioni ideali in cui la geometria è ben definita, il difetto è descritto da forme geometriche e da proprietà elettromagnetiche "elementari" etc. Nelle situazioni di interesse applicativo ci si scontra con problemi dove, ad esempio, la geometria non è definita con certezza, il posizionamento dei sensori è definito nell'ambito di una certa tolleranza, il tempo di ispezione deve essere considerevolmente basso, i risultati devono poter essere facilmente interpretati anche da un operatore non esperto, l'ambiente è rumoroso dal punto di vista elettromagnetico, etc. Pertanto, il presente programma di ricerca, sebbene non intenda risolvere tutti questi problemi di estrema complessità, pone le suddette problematiche come riferimento per orientare le attività di ricerca. ATTIVITA' 1. Consolidamento e sviluppo di metodi e procedure per la soluzione del problema inverso. In questa attività si affronteranno gli aspetti critici che caratterizzano il problema inverso, quali lo studio e sviluppo di metodi di inversione e la realizzazione degli algoritmi numerici di ricostruzione per le applicazioni in oggetto. L'attività 1 è articolata nei seguenti punti: a. analisi e sviluppo di metodi ed algoritmi di ricostruzione non iterativi; b. analisi e sviluppo di metodi ed algoritmi di ricostruzione basati sulla trasformata Q. ATTIVITA' 2. Consolidamento di procedure per la soluzione del problema elettromagnetico diretto e loro adattamento alle esigenze del problema inverso. Questa attività prevede il consolidamento dei modelli e metodi numerici utilizzati per calcolare i campi ai fini della soluzione del problema diretto. Particolare cura è dedicata agli aspetti che risultano essere critici per la soluzione del problema inverso quali il costo computazionale e la precisione di calcolo. L'attività 2 è articolata nei seguenti punti: a. sviluppo ed ottimizzazione di solutori numerici veloci agli elementi finiti per il calcolo del campo; b. sviluppo di modelli di simulazione per i sensori di misura. ATTIVITA' 3. Sviluppo di tecniche e sistemi di diagnostica elettromagnetica non distruttiva nel settore aeronautico. Questa attività prevede la realizzazione di sistemi sperimentali per l'identificazione dei difetti in applicazioni di interesse aeronautico. L'attività 3 è articolata nei seguenti punti: a. sviluppo di metodologie e sensori per la misura delle grandezze di interesse per le applicazioni in esame; b. caratterizzazione ed ottimizzazione dei sistemi per la misura delle grandezze di interesse per le applicazioni in esame. La prima attività, che sarà svolta in stretta collaborazione con l'unità di Reggio Calabria e della Seconda Università di Napoli, prevede lo sviluppo, consolidamento ed ottimizzazione dei metodi ed algoritmi di inversione. L'attività 1.a sarà finalizzata allo studio dei metodi di inversione non iterativi che richiedono la soluzione di un numero di problemi diretti che cresce linearmente con il numero di pixel (voxel) utilizzati per rappresentare l'incognita. Tali metodi, che saranno studiati sia nel contesto della ERT che della ECT, sono basati su una proprietà di monotonicità dell'operatore resistività-dati. La proprietà di monotonicità, dimostrata nel corso del progetto MADEND [9-12] per particolari configurazioni (difetti volumetrici etc.) sarà approfondita ed estesa con riferimento alle configurazioni di interesse del progetto (difetti di spessore trascurabile, materiali magnetici, etc.), saranno messi a punti metodi numerici per stimare la massima risoluzione ottenibile e metodi di regolarizzazione da integrare nell'algoritmo di inversione basato sulla monotonicità. Con riferimento a questo ultimo punto (regolarizzazione) è opportuno menzionare che l'algoritmo di inversione si basa su un modello incognite-dati non lineare e che esso non è equivalente ad una riformulazione del problema inverso in termini di minimizzazione. Obiettivo dell'attività 1.b è lo sviluppo di metodi di inversione in ambito ECT basati sull'utilizzo della trasformata Q. In particolare, saranno consolidati e sviluppati metodi di inversione basati sulla misura di grandezze che possono essere interpretate come il tempo di volo associato ad un opportuno problema di propagazione. Dualmente, saranno sviluppati metodi basati sulla misura di grandezze che possono essere interpretate come fasori associati ad un opportuno problema di propagazione. In tale modo, sarà possibile risolvere problemi di imaging mediante misure ECT con metodi di inversione nati per problemi di propagazione. Nel corso del progetto MADEND il problema è stato affrontato con riferimento a localizzazione di difetti in un materiale omogeneo infinitamente esteso nelle tre direzioni [15, 17]. Nel corso dell'attività 1.b saranno trattate situazioni più realistiche relative a difetti in conduttori confinati come piastre e cilindri. La presenza di superfici di interfaccia aria-conduttore rende il problema considerevolmente più complesso. L'attività 1.b rientra nel contesto più generale della fusione dati tra sensori eterogenei. Il completamento dell'attività 1.b consentirà, sebbene ciò non rientra tra gli scopi del progetto, di effettuare la fusione dati tra misure di tipo diffusivo (ECT) e misure di tipo propagativo (ultrasonic testing). La seconda attività, che sarà svolta in stretta collaborazione con le unità di Reggio Calabria e di Udine, prevede il consolidamento e lo sviluppo di modelli numerici, per la soluzione del problema diretto, ottimizzati per essere impiegati negli algoritmi di soluzione del problema inverso proposti per l'attività 1. In particolare, saranno curati, per le applicazioni in oggetto, aspetti quali l'accuratezza ed il costo computazionale per la soluzione del problema diretto. Nell'attività 2.a saranno sviluppati e/o consolidati metodi iterativi di tipo Fast Multipole Methods e Precorrected FFT, per lo sviluppo di solutori iterativi veloci. Successivamente, tali metodi saranno integrati con i metodi, sviluppati anche nel corso del progetto MADEND [21], [27-33], [41], che sfruttano la localizzazione spaziale dei difetti per ridurre drasticamente il costo computazionale. In questo modo si prevede di sviluppare un solutore numerico efficiente per il trattamento di difetti piccoli presenti in conduttori di forma arbitraria. Un altro aspetto che sarà curato nel corso dell'attività 2.a è lo sviluppo di metodi numerici per il trattamento di difetti reali in contrasto ai difetti artificiali tipicamente schematizzati come una barriera impermeabile alla densità di corrente. L'attività 2.b è, invece, mirata alla simulazione dei sensori che saranno utilizzati nel corso della attività 3. In particolare, si prevede di utilizzare un sensore costituito da una matrice di bobine avvolte su materiale magnetico. Tale sensore è pensato appositamente per fornire misure che possono essere elaborate con i metodi di imaging trattati nel punto 1.a. In sintesi, obiettivo dell'attività 2 è lo sviluppo di modelli numerici accurati e veloci per la previsione delle misure. Tali modelli saranno in parte validati nel corso dell'attività 3. La terza attività, che sarà svolta in stretta collaborazione con le unità di Reggio Calabria e di Perugia, prevede la realizzazione di sistemi sperimentali innovativi basati sulle tecniche di inversione proposte con riferimento alla identificazione dei difetti per applicazioni di interesse aeronautico. Saranno sviluppati dei benchmark sperimetali e realizzati dei prototipi per dimostrare la fattibilità sperimentale delle tecniche proposte. I metodi, le tecniche ed i sistemi realizzati saranno condivisi con le altre unità. L'attenzione sarà focalizzata principalmente ma non esclusivamente sulla sonda tomografica (matrice di bobine) prototipale proposta nel progetto MADEND [74]. L'attività 3.a prevede di affinare e sviluppare metodi e tecniche di rilievo ed elaborazione dei segnali di misura per incrementare il rapporto segnale/rumore, la sensibilità, la ripetibilità e la velocità di esecuzione. L'attività 3.b ha per obiettivo l'ottimizzazione del progetto della sonda e la caratterizzazione della risposta della sonda al fine di aumentare la capacità diagnostica. In modo particolare, l'ottimizzazione del progetto sarà effettuata sia sperimentalmente che con l'ausilio dei simulatori numerici (in parte già disponibili dal progetto MADEND) che saranno sviluppati nel corso dell'attività 2. Il nuovo progetto della sonda prevede l'utilizzo di opportuni circuiti magnetici per aumentare l'interazione difetto-sensore, l'ottimizzazione della geometria, la scelta delle frequenze di lavoro etc. Infine, tenuto conto che in un ambiente di lavoro reale sono presenti svariate sorgenti di interferenza elettromagnetica, saranno studiati accorgimenti hardware e software tali da garantire il funzionamento del sistema tomografico anche in presenza di ragionevoli livelli di disturbi elettromagnetici. Le sonde e gli algoritmi saranno poi integrati in una stazione automatica di misura gestita da Personal Computer mediante software opportunamente realizzati. Si noti che tutte le varie attività della ricerca sono complementari e strettamente interconnesse. Tali complementarità ed interconnessioni sono già state proficuamente sperimentate in passato come riscontrabile dall'analisi della bibliografia. Si desidera sottolineare nuovamente che le attività di ricerca saranno caratterizzate in base alla specificità delle applicazioni in esame e saranno orientate tenendo conto delle tipiche condizioni reali di utilizzo dei sistemi di diagnostica elettromagnetica non distruttiva. Le attività di ricerca saranno svolte anche utilizzando le risorse a disposizione nei laboratori dell'unità di ricerca di Cassino, in parte acquisite durante il progetto MADEND, quali elaboratori paralleli, sensori e strumenti di misura. Inoltre, si desidera sottolineare che tutte le varie attività e fasi saranno finalizzate con riferimento alle geometrie di interesse per le applicazioni in oggetto. In particolare, il problema canonico di interesse aeronautico consiste nell'identificare difetti inferiori a qualche millimetro in una struttura conduttrice tipicamente planare, stratificata, a contatto con l'aria, che presenta anche fori e rivetti. Con riferimento all'ambito aeronautico, i ricercatori di questa unità provenienti dall'azienda Alenia, contribuiranno a definire i casi di ispezione tipici includendo l'analisi dei vincoli geometrici e di accessibilità alle strutture da esaminare.