La prueba de fatiga es una forma especializada de prueba mecánica que se realiza aplicando cargas cíclicas a un cupón o estructura. Estas pruebas se utilizan para generar datos de resistencia a la fatiga y crecimiento de grietas, identificar ubicaciones críticas o demostrar la seguridad de una estructura que puede ser susceptible a la fatiga. Las pruebas de fatiga se utilizan en una variedad de componentes, desde cupones hasta artículos de prueba de tamaño completo, como automóviles y aviones .
Las pruebas de fatiga en cupones se realizan típicamente utilizando máquinas de prueba servohidráulicas que son capaces de aplicar cargas cíclicas de gran amplitud variable . [2] La prueba de amplitud constante también se puede aplicar mediante máquinas oscilantes más simples. La vida útil de un cupón es la cantidad de ciclos que se necesitan para romper el cupón. Estos datos se pueden utilizar para crear curvas de duración de tensión o de duración de deformación. La tasa de crecimiento de grietas en un cupón también se puede medir, ya sea durante la prueba o después mediante fractografía . Las pruebas de cupones también se pueden llevar a cabo dentro de cámaras ambientales donde se puede controlar la temperatura, la humedad y el ambiente que puede afectar la tasa de crecimiento de grietas.
Debido al tamaño y la forma única de los artículos de prueba de tamaño completo, se construyen bancos de prueba especiales para aplicar cargas a través de una serie de actuadores hidráulicos o eléctricos . Los actuadores tienen como objetivo reproducir las cargas significativas que experimenta una estructura, que en el caso de una aeronave, pueden consistir en maniobras, ráfagas, golpes y carga tierra-aire-tierra (GAG). Una muestra representativa o bloque de carga se aplica repetidamente hasta que se haya demostrado la vida útil segura de la estructura o se produzcan fallas que necesiten ser reparadas. La instrumentación como celdas de carga , galgas extensométricas y galgas de desplazamiento se instalan en la estructura para asegurar que se haya aplicado la carga correcta. Se realizan inspecciones periódicas de la estructura alrededor de concentraciones críticas de tensión , como orificios y accesorios, para determinar el momento en que se encontraron grietas detectables y para garantizar que cualquier agrietamiento que ocurra no afecte otras áreas del artículo de prueba. Debido a que no se pueden aplicar todas las cargas, cualquier carga estructural desequilibrada generalmente reacciona al piso de prueba a través de una estructura no crítica, como el tren de aterrizaje.
Los estándares de aeronavegabilidad generalmente requieren que se lleve a cabo una prueba de fatiga para aeronaves grandes antes de la certificación para determinar su vida segura . [3] Las aeronaves pequeñas pueden demostrar seguridad a través de cálculos, aunque normalmente se utilizan factores de dispersión o seguridad más grandes debido a la incertidumbre adicional involucrada.
Pruebas de cupones
Las pruebas de fatiga se utilizan para obtener datos de materiales como la tasa de crecimiento de una grieta por fatiga que se pueden utilizar con ecuaciones de crecimiento de grietas para predecir la vida a fatiga. Estas pruebas generalmente determinan la tasa de crecimiento de grietas por ciclo.versus el rango del factor de intensidad del estrés, donde el factor de intensidad de estrés mínimo corresponde a la carga mínima para y se toma como cero para , y es la relación de estrés . Se han desarrollado pruebas estandarizadas para garantizar la repetibilidad y permitir que el factor de intensidad de la tensión se determine fácilmente, pero se pueden usar otras formas siempre que el cupón sea lo suficientemente grande como para ser principalmente elástico. [4]
Forma de cupón
Se puede usar una variedad de cupones, pero algunos de los más comunes son:
- cupón de tensión compacto (CT). La muestra compacta usa la menor cantidad de material para una muestra que se usa para medir el crecimiento de grietas. [4] Las muestras de tensión compactas suelen utilizar pasadores que son ligeramente más pequeños que los orificios del cupón para aplicar las cargas. Sin embargo, este método evita la aplicación precisa de cargas cercanas a cero y, por lo tanto, no se recomienda el cupón cuando es necesario aplicar cargas negativas. [4]
- Panel de tensión central agrietado (CCT). La muestra de tensión central o de tensión media agrietada está hecha de una hoja o barra plana que contiene dos orificios para sujetarla a las empuñaduras.
- Cupón de tensión de muesca de un solo borde (ENVIADO). [5] El cupón de un solo borde es una versión alargada del cupón de tensión compacto.
Fórmulas para el rango de intensidad del estrés |
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Muestra de tensión compactaEl espesor recomendado es . [4] El rango de intensidad del estrés para cupones compactos se puede calcular a partir de la carga aplicada para una muestra de ancho usando [4] dónde y es la longitud de la grieta y es la distancia entre la carga aplicada y la cara posterior del cupón. Esta ecuación es válida para. Muestra de tensión agrietada en el centroEste cupón tiene una grieta central de longitud. . Los siguientes criterios empíricos se utilizan para garantizar que la muestra sea lo suficientemente grande como para garantizar que se cumpla la suposición de la mecánica de fractura elástica lineal [4]. dónde es el límite de fluencia compensado del 0,2% y es el grosor del cupón. El rango de intensidad de estrés para el cupón se puede calcular a partir de [4] Muestra de grieta de un solo bordeEste cupón con una grieta lateral de longitud. . El tamaño mínimo de la muestra viene dado por [4] El rango de intensidad de estrés para este cupón es [4] dónde es y es y . |
Instrumentación
La siguiente instrumentación se usa comúnmente para monitorear las pruebas de cupones:
- Las galgas extensométricas se utilizan para controlar la carga aplicada o los campos de tensión alrededor de la punta de la grieta. Pueden colocarse debajo de la trayectoria de la grieta o en la cara posterior de un cupón de tensión compacto. [6]
- Se puede usar un extensómetro o un medidor de desplazamiento para medir el desplazamiento de la abertura de la punta de la grieta en la boca de una grieta. Este valor se puede utilizar para determinar el factor de intensidad de la tensión que cambiará con la longitud de la grieta. Los medidores de desplazamiento también se pueden usar para medir la conformidad de un cupón y la posición durante el ciclo de carga cuando ocurre el contacto entre las caras opuestas de la grieta para medir el cierre de la grieta .
- Las cargas de prueba aplicadas generalmente se monitorean en la máquina de prueba con una celda de carga.
- Se puede utilizar un microscopio óptico móvil para medir la posición de la punta de la grieta.
Ensayos de fatiga a gran escala
Las pruebas a gran escala se pueden utilizar para:
- Validar el programa de mantenimiento de aeronaves propuesto.
- Demuestre la seguridad de una estructura que puede ser susceptible a daños por fatiga generalizados.
- Genere datos de fatiga
- Valide las expectativas de iniciación de grietas y patrón de crecimiento.
- Identificar ubicaciones críticas
- Validar el software utilizado para diseñar y fabricar la aeronave.
Las pruebas de fatiga también se pueden utilizar para determinar hasta qué punto el daño por fatiga generalizado puede ser un problema.
Artículo de prueba
La certificación requiere conocer y contabilizar el historial de carga completo que ha experimentado un artículo de prueba. El uso de artículos de prueba que se han utilizado anteriormente para pruebas de prueba estática ha causado problemas donde se han aplicado sobrecargas y que pueden retrasar la tasa de crecimiento de grietas por fatiga.
Las cargas de prueba generalmente se registran utilizando un sistema de adquisición de datos que adquiere datos de posiblemente miles de entradas de la instrumentación instalada en el artículo de prueba, que incluyen: galgas extensométricas, manómetros, celdas de carga, LVDT, etc.
Las grietas por fatiga generalmente se inician en regiones de alta tensión, como concentraciones de tensión o defectos de material y fabricación. Es importante que el artículo de prueba sea representativo de todas estas características.
Las grietas pueden originarse por las siguientes fuentes:
- Desgaste , típicamente por cargas dinámicas de alto conteo de ciclos.
- Agujeros mal perforados o agujeros de tamaño incorrecto para sujetadores de ajuste de interferencia . [7]
- Tratamiento de materiales y defectos como inclusiones rotas . [8]
- Concentraciones de estrés como agujeros y filetes.
- Arañazos, daños por impacto.
Secuencia de carga
Se aplica repetidamente un bloque de carga representativo hasta que se ha demostrado la vida útil segura de la estructura o se producen fallas que deben repararse. El tamaño de la secuencia se elige de modo que las cargas máximas que pueden causar efectos de retardo se apliquen con suficiente frecuencia, normalmente al menos diez veces durante la prueba, de modo que no haya efectos de secuencia. [9]
La secuencia de carga generalmente se filtra para eliminar la aplicación de pequeños ciclos dañinos sin fatiga que tomarían demasiado tiempo en aplicarse. Normalmente se utilizan dos tipos de filtrado:
- El filtrado de banda muerta elimina los ciclos pequeños que caen completamente dentro de un cierto rango, como +/- 3g.
- El filtrado de subida-bajada elimina los ciclos pequeños que son inferiores a un cierto rango, como 1g.
La tasa de prueba de estructuras grandes generalmente se limita a unos pocos Hz y debe evitar la frecuencia de resonancia de la estructura. [10]
Banco de pruebas
Todos los componentes que no forman parte del artículo de prueba o de la instrumentación se denominan banco de pruebas . Los siguientes componentes se encuentran típicamente en pruebas de fatiga a gran escala :
- Whiffletrees . Con el fin de aplicar las cargas correctas a varias partes de la estructura, se utiliza un mecanismo conocido como whiffletree para distribuir las cargas desde un actuador de carga al artículo de prueba. Las cargas aplicadas a un punto central se distribuyen a través de una serie de vigas conectadas unidas por pasadores para producir cargas conocidas en las conexiones finales. Cada conexión de extremo está típicamente unida a una almohadilla que está adherida a la estructura, como el ala de un avión. Generalmente se aplican cientos de almohadillas para reproducir las cargas aerodinámicas e inerciales que se ven en el ala. Debido a que el árbol de ventilación consta de conexiones de tensión, no pueden aplicar cargas de compresión y, por lo tanto, los árboles de ventilación independientes se utilizan típicamente en los lados superior e inferior de las pruebas de fatiga del ala.
- Se utilizan actuadores hidráulicos, electromagnéticos o neumáticos para aplicar cargas a la estructura, ya sea directamente o mediante el uso de un orificio de ventilación para distribuir las cargas. Una celda de carga se coloca en línea con el actuador y es utilizada por el controlador de carga para controlar las cargas en el actuador. Cuando se utilizan muchos actuadores en una estructura de prueba flexible, puede haber interacción cruzada entre los diferentes actuadores. El controlador de carga debe asegurarse de que no se apliquen ciclos de carga espurios a la estructura como resultado de esta interacción.
- Restricciones de reacción. Muchas de las cargas, como las fuerzas aerodinámicas e internas, reaccionan mediante fuerzas internas que no están presentes durante una prueba de fatiga. Por lo tanto, las cargas reaccionan fuera de la estructura en puntos no críticos como el tren de aterrizaje o mediante restricciones en el fuselaje.
- El transformador diferencial variable lineal se puede utilizar para medir el desplazamiento de ubicaciones críticas en la estructura. Los límites de estos desplazamientos se pueden utilizar para señalar cuando una estructura ha fallado y para apagar automáticamente la prueba.
- Estructura no representativa. Algunas estructuras de prueba pueden ser costosas o no estar disponibles y normalmente se reemplazan en la estructura de prueba con una estructura equivalente. La estructura que está cerca de los puntos de conexión del actuador puede ver una carga poco realista que hace que estas áreas no sean representativas.
Instrumentación
La siguiente instrumentación se utiliza normalmente en una prueba de fatiga:
- medidores de deformación
- acelerómetros
- medidores de desplazamiento
- células de carga
- sensor de grietas
- sensores de monitoreo de salud estructural
Es importante instalar cualquier galga extensiométrica en el artículo de prueba que también se utilice para monitorear la flota de aeronaves. Esto permite que se realicen los mismos cálculos de daños en el artículo de prueba que se utilizan para rastrear la vida de fatiga de las aeronaves de la flota. Esta es la forma principal de garantizar que las aeronaves de la flota no superen la vida útil determinada a partir de la prueba de fatiga.
Inspecciones
Las inspecciones forman un componente de una prueba de fatiga. Es importante saber cuándo ocurre una fisura detectable para determinar la vida certificada de cada componente además de minimizar el daño a la estructura circundante y desarrollar reparaciones que tengan un impacto mínimo en la certificación de la estructura adyacente. Se pueden realizar inspecciones no destructivas durante las pruebas y se pueden utilizar pruebas destructivas al final de las pruebas para garantizar que la estructura conserve su capacidad de carga.
Certificación
La interpretación y certificación de la prueba implica el uso de los resultados de la prueba de fatiga para justificar la vida útil y el funcionamiento seguros de un artículo. [11] El propósito de la certificación es asegurar que la probabilidad de falla en el servicio sea aceptablemente pequeña. Es posible que sea necesario considerar los siguientes factores:
- número de pruebas
- simetría de la estructura de prueba y la carga aplicada
- instalación y certificación de reparaciones
- factores de dispersión
- variabilidad de materiales y procesos de fabricación
- ambiente
- criticidad
Los estándares de aeronavegabilidad generalmente requieren que una aeronave permanezca segura incluso con la estructura en un estado degradado debido a la presencia de grietas por fatiga. [12]
Ensayos de fatiga notables
- Pruebas de carga a prueba de frío del F-111 . Estas pruebas implicaron la aplicación de cargas límite estáticas a aeronaves que se habían enfriado para reducir el tamaño crítico de la fractura. Pasar la prueba significó que no había grandes grietas por fatiga presentes. Cuando hubo grietas, las alas fallaron catastróficamente. [8]
- El Programa Internacional de Pruebas de Fatiga Estructural de Seguimiento (IFOSTP) fue una empresa conjunta entre Australia, Canadá y los EE. UU. Para probar la fatiga del F / A-18 Hornet . La prueba australiana involucró el uso de agitadores electrodinámicos y bolsas de aire neumáticas para simular cargas de impacto de alto ángulo de ataque sobre el empenaje . [13] [14]
- El de Havilland Comet sufrió una serie de fallas catastróficas que, en última instancia, resultaron ser fatiga a pesar de haber sido sometido a pruebas de fatiga.
- Se llevaron a cabo pruebas de fatiga en 110 conjuntos de alas Mustang para determinar la dispersión en la vida útil a la fatiga. [10]
- La novela No Highway y la película No Highway in the Sky trataban sobre la prueba de fatiga ficticia del fuselaje de un avión de pasajeros.
- Las pruebas de fatiga también se han utilizado para hacer crecer las grietas de fatiga que son demasiado pequeñas para ser detectadas. [15]
Referencias
- ^ "Programa de prueba y certificación" . Consultado el 27 de febrero de 2020 .
- ^ "Sistemas de prueba de alta velocidad" (PDF) . MTS . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ "FAA PART 23 — Normas de aeronavegabilidad: aviones de categoría normal" . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ a b c d e f g h yo Comité ASTM E08.06 (2013). E647 Método de prueba estándar para medir las tasas de crecimiento de grietas por fatiga . ASTM International .
- ^ "Prueba de tensión de muesca de un solo borde" . NIST . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ Newman, JC; Yamada, Y .; James, MA (2011). "Relación de cumplimiento de la deformación de la cara posterior para muestras compactas para una amplia gama de longitudes de fisuras" . Ingeniería Mecánica de Fracturas . 78 (15): 2707–2711. doi : 10.1016 / j.engfracmech.2011.07.001 .
- ^ Clark, G .; Yost, GS; Young, GD "Recuperación de la flota RAAF MB326H; la historia de una flota de entrenadores que envejece" . Fatiga en aeronaves nuevas y envejecidas . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ a b Redmond, Gerard. "De 'Vida segura' a la mecánica de fracturas - Prueba de prueba de temperatura fría de aeronaves F111 en RAAF Amberley" . Consultado el 17 de abril de 2019 .
- ^ Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio (Informe). Reino Unido, Ministerio de Defensa. mil novecientos ochenta y dos.
- ^ a b Molent, L. (2005). La historia de las pruebas de fatiga estructural en Fishermans Bend Australia (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ Requisitos de diseño y aeronavegabilidad para aeronaves de servicio . Reino Unido, Ministerio de Defensa. mil novecientos ochenta y dos.
- ^ "Aeronaves de categoría de transporte de normas de aeronavegabilidad de la FAA, tolerancia al daño y evaluación de la fatiga de la estructura" . Consultado el 2 de febrero de 2021 .
- ^ "Ensayo de fatiga por vibración del empenaje F / A-18" . Grupo de Ciencia y Tecnología de la Defensa . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ Simpson, DL; Landry, N .; Roussel, J .; Molent, L .; Schmidt, N. "Proyecto de prueba estructural de seguimiento internacional canadiense y australiano F / A-18" (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- ^ Molent, L .; Dixon, B .; Trueque, S .; White, P .; Mills, T .; Maxfield, K .; Swanton, G .; Principal, B. (2009). "Desmontaje mejorado de Fuselages de centro ex-servicio F / A-18A / B / C / D". 25º Simposio del ICAF - Rotterdam, 27-29 de mayo de 2009 .
Otras lecturas
- Daños por fatiga generalizados en aviones militares (PDF) . Consultado el 26 de junio de 2019 .
- Boyer, HE "Pruebas de fatiga" . Consultado el 26 de junio de 2019 .
enlaces externos
"Boeing 787 realiza pruebas de fatiga" . Consultado el 18 de julio de 2019 .