Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators

In the context of a rapidly changing and fiercely competitive global economy, aeronautical engineering endeavors towards enhancing aircraft safety, reliability and extending its operational lifetime have become of vital importance. To this end, Prognostic and health management (PHM) is deemed as key...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Φυτσιλής, Ευθύμιος
Άλλοι συγγραφείς: Fytsilis, Efthymios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/24484
id nemertes-10889-24484
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Composite structures
Remaining useful life estimation
Health indicators
Ensemble learning
Uncertainty quantification
Δομές από σύνθετα υλικά
Πρόβλεψη υπολειπόμενου ωφέλιμου χρόνου ζωής
Δείκτες βλάβης
Μάθηση συνόλου
Ποσοτικοποίηση αβεβαιότητας
spellingShingle Composite structures
Remaining useful life estimation
Health indicators
Ensemble learning
Uncertainty quantification
Δομές από σύνθετα υλικά
Πρόβλεψη υπολειπόμενου ωφέλιμου χρόνου ζωής
Δείκτες βλάβης
Μάθηση συνόλου
Ποσοτικοποίηση αβεβαιότητας
Φυτσιλής, Ευθύμιος
Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
description In the context of a rapidly changing and fiercely competitive global economy, aeronautical engineering endeavors towards enhancing aircraft safety, reliability and extending its operational lifetime have become of vital importance. To this end, Prognostic and health management (PHM) is deemed as key to revolutionize the maintenance paradigm in this sector. The most critical step in PHM is the remaining useful life (RUL) prognosis; a challenging task that demands special attention. In this work, a novel two-stage data-driven framework for direct RUL prediction of complex aeronautical elements is proposed, combining advanced health indicators and ensemble learning (EL). Multi-stiffener composite panels (MSPs), subjected to variable amplitude compression-compression fatigue, provide the necessary condition monitoring data, in the form of strain measurements. The latter are utilized to construct several damage sensitive features, i.e., health indicators (HIs) that properly capture the degradation process of the MSPs. A feature-level fusion of the aforementioned HIs is performed, utilizing Genetic Algorithms to create an enhanced HI, in terms of monotonicity and prognosability attributes. An upscaling methodology is attempted, by exploiting data from single-stiffener panel (SSP) histories, in order to estimate the advanced HI and eventually the RUL of the MSPs. The proposed framework involves the formulation of an ensemble approach capable of aggregating the RUL predictions in an adaptive way. The latter is obtained by training diverse sub-models built upon each SSP, and then combining the RUL predictions with a dynamic weighting strategy, based on Fuzzy Similarity Analysis (FSA). Two data-driven models, namely Support Vector Regression (SVR) and Long Short-Term Memory Network (LSTMN) are considered as the regression technique to map the input data to its corresponding RUL output. A comparison between the aforementioned machine learning (ML) and deep learning (DL) ensembles demonstrates the capabilities of the proposed framework. Ultimately, prognosis depends heavily on the HI behavior and trend, while confidence intervals get narrower as more condition monitoring data is incorporated, an essential trait of a robust prognostic algorithm. However, it is observed that no regression model significantly outperforms the other, since both SVR and LSTMN achieved better performance for different MSPs.
author2 Fytsilis, Efthymios
author_facet Fytsilis, Efthymios
Φυτσιλής, Ευθύμιος
author Φυτσιλής, Ευθύμιος
author_sort Φυτσιλής, Ευθύμιος
title Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
title_short Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
title_full Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
title_fullStr Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
title_full_unstemmed Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
title_sort remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/24484
work_keys_str_mv AT phytsilēseuthymios remainingusefullifepredictionofcompositepanelsutilizingadvancedhealthindicators
AT phytsilēseuthymios problepsēenapomenousaschrēsimēszōēssepanelaposynthetaylikametēchrēsēexeligmenōndeiktōnblabēs
_version_ 1771297293560971264
spelling nemertes-10889-244842023-02-21T04:37:22Z Remaining useful life prediction of composite panels utilizing advanced health indicators Πρόβλεψη εναπομένουσας χρήσιμης ζωής σε πάνελ από σύνθετα υλικά με τη χρήση εξελιγμένων δεικτών βλάβης Φυτσιλής, Ευθύμιος Fytsilis, Efthymios Composite structures Remaining useful life estimation Health indicators Ensemble learning Uncertainty quantification Δομές από σύνθετα υλικά Πρόβλεψη υπολειπόμενου ωφέλιμου χρόνου ζωής Δείκτες βλάβης Μάθηση συνόλου Ποσοτικοποίηση αβεβαιότητας In the context of a rapidly changing and fiercely competitive global economy, aeronautical engineering endeavors towards enhancing aircraft safety, reliability and extending its operational lifetime have become of vital importance. To this end, Prognostic and health management (PHM) is deemed as key to revolutionize the maintenance paradigm in this sector. The most critical step in PHM is the remaining useful life (RUL) prognosis; a challenging task that demands special attention. In this work, a novel two-stage data-driven framework for direct RUL prediction of complex aeronautical elements is proposed, combining advanced health indicators and ensemble learning (EL). Multi-stiffener composite panels (MSPs), subjected to variable amplitude compression-compression fatigue, provide the necessary condition monitoring data, in the form of strain measurements. The latter are utilized to construct several damage sensitive features, i.e., health indicators (HIs) that properly capture the degradation process of the MSPs. A feature-level fusion of the aforementioned HIs is performed, utilizing Genetic Algorithms to create an enhanced HI, in terms of monotonicity and prognosability attributes. An upscaling methodology is attempted, by exploiting data from single-stiffener panel (SSP) histories, in order to estimate the advanced HI and eventually the RUL of the MSPs. The proposed framework involves the formulation of an ensemble approach capable of aggregating the RUL predictions in an adaptive way. The latter is obtained by training diverse sub-models built upon each SSP, and then combining the RUL predictions with a dynamic weighting strategy, based on Fuzzy Similarity Analysis (FSA). Two data-driven models, namely Support Vector Regression (SVR) and Long Short-Term Memory Network (LSTMN) are considered as the regression technique to map the input data to its corresponding RUL output. A comparison between the aforementioned machine learning (ML) and deep learning (DL) ensembles demonstrates the capabilities of the proposed framework. Ultimately, prognosis depends heavily on the HI behavior and trend, while confidence intervals get narrower as more condition monitoring data is incorporated, an essential trait of a robust prognostic algorithm. However, it is observed that no regression model significantly outperforms the other, since both SVR and LSTMN achieved better performance for different MSPs. Στο πλαίσιο μιας ταχέως μεταβαλλόμενης και έντονα ανταγωνιστικής παγκόσμιας οικονομίας, οι προσπάθειες της αεροναυπηγικής βιομηχανίας για τη βελτίωση της ασφάλειας και αξιοπιστίας των αεροσκαφών και την παράταση της επιχειρησιακής τους ζωής έχουν ζωτική σημασία. Για το σκοπό αυτό, η πρόγνωση και διαχείριση υγείας (Prognostics and Health Management, PHM) θεωρείται ως το κλειδί για την αλλαγή του προτύπου συντήρησης στον τομέα αυτόν. Το πιο κρίσιμο βήμα στην PHM είναι η πρόβλεψη της εναπομένουσας ωφέλιμης ζωής (Remaining Useful Life, RUL), ένα δύσκολο έργο που απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή. Στην παρούσα εργασία προτείνεται μία μεθοδολογία δύο σταδίων, βασιζόμενη στα δεδομένα, συνδυάζοντας εξελιγμένους δείκτες βλάβης και μοντέλα συνόλου (Ensemble Learning, EL) για την πρόβλεψη της RUL σε σύνθετες αεροναυπηγικές δομές. Πάνελ πολλαπλών νεύρων δυσκαμψίας (Multi-Stiffener Panels, MSPs) από σύνθετα υλικά, τα οποία υποβάλλονται σε κόπωση μέσω πειραμάτων θλίψης μεταβαλλόμενου πλάτους, παρέχουν τα απαραίτητα δεδομένα παραμόρφωσης. Τα τελευταία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή διαφόρων χαρακτηριστικών ευαίσθητων στην βλάβη, γνωστά και ως δείκτες βλάβης (Health Indicators, HIs) που αποτυπώνουν κατάλληλα τη διαδικασία υποβάθμισης. Τη διπλωματική αυτή χαρακτηρίζει η εφαρμογή μιας ένωσης των προαναφερθέντων HIs χρησιμοποιώντας γενετικούς αλγορίθμους για τη σύνθεση ενός βελτιωμένου δείκτη ως προς τα χαρακτηριστικά της μονοτονίας και προβλεψιμότητας. Δεδομένα από πάνελ με ένα νεύρο δυσκαμψίας (Single-Stiffener Panel, SSP) αξιοποιούνται για την σύνθεση του εν λόγω ανώτερου χαρακτηριστικού υποβάθμισης και την πρόβλεψη τελικά της RUL στα MSPs. Η προτεινόμενη μεθοδολογία περιλαμβάνει μια ensemble προσέγγιση, ικανή να συνδυάσει τις προβλέψεις RUL με τρόπο προσαρμοστικό. Τούτο υλοποιείται μέσω εκπαίδευσης πολλαπλών υπο-μοντέλων, βασισμένα σε κάθε SSP ξεχωριστά, και στη συνέχεια τα αποτελέσματά τους συνδυάζονται με δυναμικά βάρη, βασισμένα σε μια ανάλυση ομοιότητας (Fuzzy Similarity Analysis, FSA). Ως τεχνική παλινδρόμησης για την αντιστοίχιση των τιμών HI και RUL, λαμβάνονται υπόψη δύο μοντέλα: το Support Vector Regression (SVR) και το Long Short-Term Memory Network (LSTMN). Μια σύγκριση μεταξύ των προαναφερθέντων ensemble μηχανικής μάθησης (Machine Learning, ML) και βαθιάς μάθησης (Deep Learning, DL), αντίστοιχα, καταδεικνύει τις δυνατότητες της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Συγκεκριμένα, τα προγνωστικά αποτελέσματα εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συμπεριφορά και την εξέλιξη του HI στο χρόνο, ενώ παράλληλα τα διαστήματα εμπιστοσύνης στενεύουν όσο περισσότερα δεδομένα ενσωματώνονται στον αλγόριθμο, σημειώνοντας την ευρωστία του. Κανένα, ωστόσο, μοντέλο παλινδρόμησης δεν θεωρήθηκε καλύτερο από το άλλο, καθώς τόσο το SVR όσο και το LSTMN πέτυχαν καλύτερες επιδόσεις σε διαφορετικά δοκίμια. 2023-02-20T08:05:42Z 2023-02-20T08:05:42Z 2023-03-07 https://hdl.handle.net/10889/24484 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf