Buckling monitoring in composite material structures using sensors




==1. Introducción==

El uso de materiales compuestos en estructuras aeronáuticas destaca por su excelente relación peso-resistencia. Sin embargo, el comportamiento frente a cargas críticas, como el pandeo, requiere de técnicas de monitorización y análisis precisas para garantizar la integridad estructural.

Tradicionalmente, esta monitorización ha dependido de sistemas de medición complejos y costosos, cuya aplicación suele limitarse a entornos de laboratorio. Esto dificulta el seguimiento en tiempo real del comportamiento estructural durante la operación. Como alternativa, han surgido tecnologías emergentes como los sensores MEMS (''Micro-Electro-Mechanical Systems'') y la fibra óptica, que permiten replantear el enfoque de monitorización. Ambos tipos de sensores presentan ventajas como su reducido tamaño, bajo peso y alta durabilidad, lo que facilita su integración en estructuras y permite el despliegue de un gran número de unidades. Estas características los convierten en herramientas prometedoras para la detección temprana y en tiempo real de fenómenos como el pandeo.

Este estudio va a presentar los resultados experimentales obtenidos en ensayos realizados sobre un panel isogrid de material compuesto empleando las dos herramientas descritas anteriormente: fibra óptica y MEMS. El uso de la fibra óptica permite mapear de manera detallada el campo de deformaciones. Por otro lado, los sensores MEMS permiten la medición de los giros inducidos durante la aplicación de cargas de compresión, aportando datos de manera dinámica que permita la detección temprana del pandeo. A través de esta doble aproximación, se evalúa la viabilidad y el potencial de estas tecnologías como soluciones innovadoras para la monitorización continua y eficiente de fenómenos críticos.

==2. Metodología==

<span id='_Ref202299120'></span>

===1.1 Espécimen===

El espécimen de estudio corresponde a un panel con nervios dispuestos en configuración isogrid, véase <span id='cite-_Ref199690366'></span>[[#_Ref199690366|Figura 1]].a, fabricado en material compuesto IM7/8552 (Hexcel) [1]. Combina una piel con una celosía triangular equilátera formada por nervios completamente unidireccionales, permitiendo una distribución eficiente de tensiones y una elevada rigidez específica. La piel del panel presenta unas dimensiones de 577 x 343 x 1.5 mm y un laminado de ocho capas con secuencia [0°, +45°, –45°, 90°, 90°, –45°, +45°, 0°].

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 [[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image1.png|408px]] </div>

<div id="_Ref199690366" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 1: a) Panel isogrid estudiado. b) Sección transversal de la configuración isogrid creada por el corte rotacional de las cintas de fibra.</span></div>

Los nervios tienen una altura uniforme de 10 mm, con un ancho de 7 mm en el interior y 10 mm en los bordes. La geometría no es perfectamente simétrica, ya que los nodos de intersección entre los nervios se cruzan uno de cada tres, generando acumulaciones locales de resina que afectan a la homogeneidad del laminado. El diseño se ha obtenido aplicando técnicas de ''steering'', que permite orientar las cintas de fibra en trayectorias curvas adaptándose a la geometría de la celosía [2].

Durante el proceso de fabricación se emplea la técnica de corte de dos de las tres cintas de fibra preimpregnada en cada cruce (<span id='cite-_Ref199690366'></span>[[#_Ref199690366|Figura 1]].b). Esta estrategia mantiene un contenido uniforme de fibra en los nodos, evitando acumulaciones excesivas que podrían comprometer la consolidación del laminado. Esta opción ha demostrado eficazmente la mejor calidad geométrica y las mejores propiedades estructurales de los cruces de los nervios [3].

Con el fin de analizar el comportamiento del panel bajo cargas axiales de compresión inferiores al nivel crítico de estabilidad en el plano medio de la placa [4], se desarrolló un modelo de elementos finitos (FEM). El objetivo de dicho análisis se centró en la detección de los modos de pandeo, prestando especial atención al primer modo, que representa el umbral crítico de inestabilidad estructural.

La <span id='cite-_Ref199688038'></span>[[#_Ref199688038|Figura 2]] muestra los resultados del análisis de pandeo para el primer modo. Se observa que el área crítica se localiza en el centro de la placa, presentando un comportamiento prácticamente simétrico respecto a los nervios.

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 [[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image2.png|222px]] </div>

<div id="_Ref199688038" class="center" style="width: auto; margin-left: auto; margin-right: auto;">
<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 2: Modelo FEM del espécimen que muestra el primer modo de pandeo. </span></div>

===2.1. Sensores===

Para la detección del pandeo se emplearon dos tipos de sensores: sensores de fibra óptica de medida distribuida  [5] y sensores MEMS (''Micro-Electro-Mechanical Systems'').

Un sensor de fibra óptica de media distribuida consiste en un segmento de fibra a través del cual se propaga luz monocromática en ambas direcciones: hacia adelante (transmisión) y hacia atrás (retrodispersión) [6]. Las variaciones locales de temperatura y deformación modifican las propiedades ópticas del núcleo de la fibra, afectando a la señal retrodispersada. Esta señal permite obtener las deformaciones que ocurren a lo largo de la fibra, lo que la hace útil para la monitorización estructural.

Por otro lado, el sensor MEMS empleado en este estudio es el modelo MPU6050 [7], el cual integra un acelerómetro y un giróscopo triaxial, permitiendo la medición simultánea de aceleraciones y velocidades angulares en los tres ejes. La elección de este dispositivo responde a su tamaño compacto, bajo coste y amplia compatibilidad con distintos sistemas electrónicos.

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|  style="text-align: center;width: 100%;"|[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image3-c.jpeg|192px]] 
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|  style="text-align: center;vertical-align: top;"|<span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 3: Sensor MPU-6050 ''[7]''.</span>
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La adquisición de datos mediante los sensores MEMS es gestionada por un microcontrolador ESP32 [8], que actúa como nodo central del sistema. La comunicación entre los sensores y el microcontrolador se realiza mediante el multiplexor TCA9548A [9] utilizando el protocolo I2C. Esta configuración permite la lectura secuencial y sincronizada de múltiples sensores., en el que los datos adquiridos son transmitidos en tiempo real a una unidad de almacenamiento y visualizados a través de una interfaz gráfica.

===2.2. Instrumentación===

A continuación, se detalla la instrumentación para cada tipo de sensor en el espécimen de material compuesto.

<span id='_Ref202344693'></span>

====2.2.1. Instrumentación de la fibra óptica ====

La fibra óptica se encuentra montada sobre la superficie posterior del panel isogrid empleando cianocrilato como adhesivo. Se dispuso en una configuración en zigzag sobre los nervios posteriores del panel, lo que permite obtener mediciones de deformación en líneas verticales (<span id='cite-_Ref202289135'></span>[[#_Ref202289135|Figura 4]]).

La longitud de fibra total empleada es de 16 metros, fijada únicamente en los puntos de medición. Las secciones intermedias de fibra se dejaron sin adherir, con el fin de evitar que se vean afectadas por alargamientos no deseados durante la aplicación de carga. Se debe evitar la formación de bucles con radios de curvatura reducidos, pues pueden ocasionar pérdidas significativas de señal por debajo del umbral de detección de retrodispersión.

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[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-picture-Grupo 54.svg|center|600px]]

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|  style="text-align: center;vertical-align: top;"|<span id='_Ref202289135'></span><span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 4: Instrumentación del panel isogrid con la fibra óptica.</span>
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====2.2.2. Instrumentación de los MEMS====

Los sensores MEMS se fijaron en la parte frontal del panel isogrid mediante adhesivo estructural, asegurando una buena transmisión del movimiento desde la estructura al sensor (<span id='cite-_Ref202289939'></span>[[#_Ref202289939|Figura 5]]). La ubicación de los mismos se determinó en función del resultado del modelo FEM descrito en el Apartado <span id='cite-_Ref202299120'></span>[[#_Ref202299120|1.1]]. La conexión de los sensores al microcontrolador ESP32 se realizó mediante cableado adecuado que garantiza una señal estable y continua.

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|  style="text-align: center;width: 100%;"|[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image6-c.jpeg|168px]] 
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|  style="text-align: center;"|<span id='_Ref202289939'></span>Figura 5:  Instrumentación de la probeta isogrid con los MEMS.
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===2.3. Descripción del ensayo===

Para la realización de las mediciones con ambos sensores se empleó una máquina de ensayos mecánicos capaz de aplicar carga de compresión de forma progresiva hasta un máximo de 50 kN. En ambos casos, la estructura fue sometida a ensayos de compresión uniaxial.

====2.3.1. Ensayos con fibra óptica====

Para la medición de deformaciones se empleó la técnica OBR (''Optical Backscatter Reflectometry''), la cual permite registrar deformaciones distribuidas a lo largo de toda la longitud de la fibra óptica adherida a la estructura.

Dado que la técnica OBR presenta una baja relación señal-ruido en condiciones dinámicas, los ensayos fueron realizados de forma estática. Se aplicó una rampa de carga de compresión entre 16 kN y 36 kN, y se registraron los campos de deformación en los puntos de fijación de la fibra. Esta configuración permitió identificar las zonas críticas del panel asociadas a fenómenos de pandeo local.

====2.3.2. Ensayos con sensores MEMS====

En el caso de los sensores MEMS, se realizó previamente una calibración estática en posición horizontal, con el objetivo de corregir desviaciones y alinear las lecturas de los sensores respecto al sistema estructural de referencia.

El procedimiento de carga consistió en una rampa de compresión y descarga (0 – 6 – 0 kN), con incrementos de 1 kN por paso. En cada paso se esperó a la estabilización de las lecturas antes de realizar las mediciones estáticas. Como resultado del ensayo, se obtuvieron los valores de rotación angular registrados por los sensores MEMS.

==3. Resultados==

Esta sección presenta los resultados obtenidos en los ensayos realizados para la detección del pandeo en el espécimen, utilizando sensores de fibra óptica y MEMS, tal como se ha descrito en apartados anteriores.

===3.1. Campo de deformaciones de la piel medido con los sensores de fibra óptica===

La <span id='cite-_Ref202298096'></span>[[#_Ref202298096|Figura 6]] muestra el campo de deformaciones obtenido con la fibra óptica en la piel de la estructura comparándolo con la simulación del modelo FEM para tres niveles de carga progresivos: 20, 26 y 36 kN.

Los resultados evidencian que, para 20 kN y 26 kN, las deformaciones medidas se mantienen dentro de un rango similar, indicando un comportamiento estructural estable. Sin embargo, al alcanzar 36 kN, se observa una reducción localizada de deformación en las zonas marcadas con X, coincidiendo con la iniciación del fenómeno de pandeo. En ese punto, la compresión se reduce ligeramente con el aumento de carga, mientras que las zonas circundantes experimentan una compresión creciente.

Además, la distribución simétrica de las deformaciones respecto al centro del panel y la identificación de los nervios valida la correcta instrumentación y el análisis del comportamiento estructural.

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| [[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-picture-Cuadro de texto 25.svg|center|70px]]
| [[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-picture-Cuadro de texto 24.svg|center|25px]]
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 [[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image7.png|402px]] 
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| <span id='_Ref202298096'></span><span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 6: Campo de deformaciones del revestimiento del panel isogrid medido con fibra óptica.</span>
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===3.2. Giros de la piel medidos de forma puntual por los MEMS===

Las <span id='cite-_Ref202299756'></span>[[#_Ref202299756|Figura 7]], 8 y 9 muestran la evolución de los giros medidos por los sensores MEMS en cada escalón de carga entre diferentes sensores, donde se comparan las respuestas entre los sensores MPU1-MPU4, MPU2-MPU3, y MPU1- MPU2.

En los tres casos se observa una relación no lineal entre la carga aplicada y el ángulo de giro, la cual se acentúa a medida que la carga aumenta. Este comportamiento es indicativo de la aparición de fenómenos de inestabilidad estructural, como el pandeo, reflejando la sensibilidad de los MEMS para detectar cambios sutiles en la estructura.

Al comparar los sensores MPU1 y MPU4 (<span id='cite-_Ref202299756'></span>[[#_Ref202299756|Figura 7]]), ubicados simétricamente respecto al centro del panel, las respuestas son muy similares durante todo el ensayo. Esta simetría confirma que los giros que se producen en ambos puntos son prácticamente equivalentes debido a la geometría y las condiciones de carga.

De manera similar, los sensores MPU2 y MPU3 (<span id='cite-_Ref202300335'></span>[[#_Ref202300335|Figura 8]]), situados en posiciones simétricas pero próximas entre sí, presentan respuestas similares y un comportamiento no lineal en carga y descarga. La coincidencia de estas curvas sugiere que la estructura responde de forma homogénea en estas regiones y que los sensores captan adecuadamente las variaciones del sistema.

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|  style="text-align: center;vertical-align: top;width: 100%;"|[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image8.png|444px]] 
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|  style="text-align: center;vertical-align: top;"|<span id='_Ref202299756'></span><span style="text-align: center; font-size: 75%;">Figura 7:'' ''Comparación de los resultados experimentales de los sensores MPU1 y MPU4 situados en posiciones simétricas respecto al centro del panel.</span>
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Por último, la comparación entre los sensores MPU1 y MPU2 (<span id='cite-_Ref202300930'></span>[[#_Ref202300930|Figura 9]]), que se encuentran próximos, pero no simétricos, muestran respuestas angulares muy similares. Este comportamiento es de esperar, puesto que ambos sensores se encuentran en la zona donde se inicia el fenómeno de pandeo, lo que sugiere que las rotaciones medidas responden al mismo modo global de inestabilidad.

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|  style="text-align: center;vertical-align: top;width: 100%;"|[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image10.png|510px]] 
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|  style="text-align: center;vertical-align: top;"|<span id='_Ref202300335'></span>Figura 8'': ''Comparación de los resultados experimentales de los sensores MPU2 y MPU3 situados en un simétricamente respecto al eje del panel, pero en diferente posición.
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|  style="text-align: center;vertical-align: top;width: 100%;"|[[Image:Draft_Dominguez Gomez_180094948-image12.png|600px]] 
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|  style="text-align: center;vertical-align: top;"|<span id='_Ref202300930'></span>Figura 9: <span style="text-align: center; font-size: 75%;">Comparación de los resultados experimentales de los sensores MPU1 y MPU2 situados en un mismo lado respecto al eje del panel, pero en diferente posición.</span>
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==4. Discusión==

Los resultados obtenidos con la fibra óptica muestran una alta correlación con las predicciones del modelo FEM, validando su precisión para detectar pandeo en el panel isogrid. La simetría en el campo de deformaciones facilita la identificación de las zonas críticas, donde se observa una reducción local de la carga por compresión y un aumento en áreas adyacentes, coherente con el comportamiento esperado.

Los sensores MEMS han demostrado ser altamente sensibles, captando cambios dinámicos en la estructura durante las fases de carga y descarga. El comportamiento no lineal de los giros sugiere la detección efectiva de fenómenos de inestabilidad estructural. Las similitudes en las lecturas obtenidas por sensores ubicados en posiciones equivalentes o cercanas demuestran que las mediciones son consistentes y fiables, lo que confirma su idoneidad para el monitoreo continuo y en tiempo real de la estructura.

==5. Conclusiones==

Los sensores de fibra óptica han demostrado ser efectivos para medir con precisión el campo de deformaciones y detectar las zonas críticas de pandeo, validando así el modelo FEM desarrollado. Por su parte, los sensores MEMS mostraron alta sensibilidad para captar cambios dinámicos en la estructura, con resultados consistentes entre sensores simétricos y cercanos, lo que confirma su fiabilidad.

El empleo combinado de estos sensores para la monitorización en tiempo real y la detección de fenómenos de inestabilidad estructural, como el pandeo, evidencia su gran potencial para para aplicaciones de control y diagnosis estructural. Estos resultados demuestran el potencial real del uso de estos sensores para mejorar de manera significativa la detección de este tipo de fenómenos.

==Bibliografía==

{| style="width: 100%;" 
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|  style="vertical-align: top;"|[1] 
|  style="vertical-align: top;"|HEXCEL COOPERATION, «HexPly® 8552 Product data,» Noviembre 2011: [http://www.hexcel.com/Resources/DataSheets/Prepreg-Data.../8552 www.hexcel.com/Resources/DataSheets/Prepreg-Data.../8552] _us.pdf.
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|  style="vertical-align: top;"|[2] 
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|  style="vertical-align: top;"|[3] 
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|  style="vertical-align: top;"|[6] 
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|  style="vertical-align: top;"|[7] 
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|  style="vertical-align: top;"|[9] 
|  style="vertical-align: top;"|T. Instruments, «TCA9548A 8-channel I2C multiplexer datasheet.,» 2015: [https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/tca9548a.pdf https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/tca9548a.pdf] .
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|  style="vertical-align: top;"|[10] 
|  style="vertical-align: top;"|Luna Technologys, Optical Backscatter Reflectometer Model 4400, Users Guide, 2007. 
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