Monitoramento estrutural de saúde em ligações estruturais usando strain gauges

Como a condição de um vínculo estrutural pode ser permanentemente monitorada em operação? Os danos podem ser detectados de forma precoce e confiável aplicando o Monitoramento Estrutural de Saúde (SHM)?

Pesquisadores do Instituto de Mecânica Estrutural e Construção Leve da Universidade RWTH Aachen estão investigando essas questões. Com a ajuda de strain gauges específicos do cliente, desvios relacionados à produção na posição calculada do medidor de tensão poderiam ser compensados durante o pós-processamento.

Problema

Para detectar a condição estrutural de uma articulação ligada e garantir uma transmissão de força confiável, foi necessário um strain gauge que pudesse compensar até mesmo pequenos desalinhamentos.

Solução

O desenvolvimento de uma grade de medição de strain gauge personalizada fornece uma distribuição uniforme de tensão em torno da posição de medição para aumentar a precisão.

Resultados

Usando a grade de medição personalizada, até mesmo pequenas alterações de tensão podem ser registradas a uma curta distância de medição. O arranjo exato das grades de medição em relação umas às outras permite que sejam tiradas conclusões sobre o posicionamento incorreto do medidor de tensão, de modo que os valores medidos possam ser corrigidos para a posição desejada.

Monitoramento Permanente da Ligação

As ligações adesivas não podem ser testadas de forma completamente não destrutivas. Isso dá motivação para monitorar permanentemente as articulações ligadas para registrar suas condições estruturais e garantir uma transmissão de força confiável.

Esse monitoramento já pode ser realizado muito facilmente com um único strain gauge, que é ligado ao componente em uma posição, particularmente sensível a danos, o chamado ponto de tensão zero^[1]. Esta posição especial, uma simples sobreposição de ligação na superfície das partes unidas, é caracterizada pelo fato de que não há cepas se a ligação não for danificada. Assim que ocorrem danos, a distribuição de tensão muda e um sinal de medição claro pode ser registrado.

O desafio desta abordagem SHM, que é promissora, é posicionar o Strain Gauge com a maior precisão possível na posição calculada anteriormente. No entanto, tanto pequenos deslocamentos (<200 μm) quanto variações na espessura da ligação causam uma mudança no sinal de medição. A mudança resultante na tensão deve então ser corrigida.

Para medir a distribuição da tensão em vários pontos definidos próximos aos pontos de medição, um strain gauge personalizado foi projetado e fabricado em cooperação com a HBK. As grades de medição foram deslocadas longitudinalmente em 0,5 mm e dispostas umas com as outras na folha de suporte (ver Fig. 2).

Testando

Para avaliar a adequação do uso, os strain gauges desenvolvidos foram aplicados em ambos os lados do vínculo e a ligação de sobreposição foi carregada à falha em um teste de tração. Como esperado, as três grades de medição renderam três curvas de medição deslocadas.

O uso de três grades de medição, deslocadas em relação umas às outras, possibilitou corrigir os valores medidos posteriormente para a posição ideal real (ver Fig. 3).

Para o método particularmente sensível de avaliação de danos, isso proporciona um grande valor agregado, uma vez que já reage sensivelmente aos menores desvios do posicionamento ideal.

Os resultados do primeiro teste mostram claramente que resultados notáveis foram alcançados com osstrain gauges personalizados da HBK e que a tarefa de medição exigente poderia ser completamente cumprida.

Sobre o Instituto de Mecânica Estrutural e Design Leve na RWTH Aachen

A Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Universidade RWTH Aachen) é a maior universidade de estudos técnicos da Alemanha. O Instituto de Estruturas Leves foi fundado em 1955 e coopera estreitamente com o Instituto Alemão de Pesquisa para Aeronáutica e Astronáutica (Deutsche Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.). No passado recente, os focos de ensino e pesquisa foram expandidos para incluir mecânica estrutural e monitoramento estrutural da saúde, o que também se reflete em nome do Instituto de Mecânica Estrutural e Design Leve(SLA).

^{[1] Sadeghi, M. Z.; Weiland, J.; Preisler, A.; Zimmermann, J.; Schiebahn, A.; Reisgen, U.; Schroeder, K.U. Detecção de danos em juntas de volta únicas coladas usando tensão de backface: Propondo uma nova posição para strain gauges de backface. Int. J. Adhes. Adhes. 2020, 97, 102494.}

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