Identificazione robusta della forza d’impatto su strutture composite mediante un singolo sensore FBG utilizzando la decomposizione modale variazionale

Lo studio affronta una problematica critica nell'ingegneria strutturale: l'identificazione affidabile della forza d'impatto su strutture composite in ambienti operativi complessi caratterizzati da rumore e carichi dinamici interferenti. La metodologia proposta rappresenta un significativo avanzamento tecnico nel campo del Structural Health Monitoring (SHM), poiché tradizionalmente richiede multiple sensori per garantire accuratezza. L'innovazione principale risiede nell'applicazione della Variational Mode Decomposition, una tecnica di decomposizione adattiva che surclassa metodi precedenti come l'Empirical Mode Decomposition nell'isolamento di componenti di segnale complesse senza necessità di parametri predefiniti. Nello specifico, VMD decompone il segnale di deformazione misurato dal sensore FBG in modi intrinsechi, ciascuno caratterizzato da una banda di frequenza specifica, permettendo l'eliminazione efficace delle contaminazioni rumorose. Il framework utilizza il vettore delle costanti modali non corrette come fingerprint univoco per ogni punto d'impatto potenziale, sfruttando la metrica di similarità coseno per la classificazione. Questa rappresentazione fingerprint è intrinsecamente robusta alle variazioni delle condizioni operative poiché cattura le caratteristiche modali strutturali fondamentali. Nella seconda fase, la ricostruzione della storia temporale della forza impiega un modello di deconvoluzione sparsa risolto mediante l'Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM), algoritmo noto per convergenza garantita e efficienza computazionale. La validazione sperimentale su una piastra composita con geometria di profilo alare semplificato, sottoposta a due scenari di rumore (eccitazione armonica e rumore bianco), ha dimostrato un tasso di successo della localizzazione superiore al 90% su dieci potenziali punti d'impatto, con accurata ricostruzione della forza. Questo risultato è particolarmente significativo considerando che gli ambienti operativi reali presentano condizioni di rumore ancora più severe. Nel contesto della letteratura esistente, questo approccio si distingue per l'utilizzo di un singolo sensore, riducendo drasticamente complessità di installazione e costi, mantenendo performance comparabili o superiori a sistemi multi-sensore. Le implicazioni pratiche riguardano il monitoraggio di strutture critiche nel settore aeronautico, navale e automotive, dove la capacità di rilevare e localizzare impatti in tempo reale è essenziale per la sicurezza.