BR112015014246B1 - método para caracterização de uma peça feita de material de compósito - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA CARACTERIZAÇÃO DE UMA PEÇA FEITA DE MATERIAL DE COMPÓSITO A invenção consiste em um método de caracterizar uma peça feita de material de compósito (30), o método comprendendo uma etapa de determinar uma característica de uma onda de ultrassom longitudinal (41) que se desloca ao longo de um trajeto dentro da peça (30) e sendo distinguido em que o tempo de viagem de uma onda de ultrassom longitudinal (42) transmitida pela parte (30) é medido (E4).

Description

Campo técnico e técnica anterior
[001] A invenção está no campo de métodos para caracterização pelas feitas de material de compósito, na indústria da engenharia e, em particular, na indústria da aviação.
[002] Enquanto uma dada peça está sendo desenvolvida, é necessário conhecer o teor de fibra e o teor de resina em uma dada zona da peça. Para realizar isto, é conhecido medir a velocidade de propagação e a atenuação de uma onda de ultrassom longitudinal que passa através da peça.
[003] Um método de medir estar magnitudes é usar um transdutor de ultrassom em modo transmissor/receptor. Atenção é dada a uma zona da peça que é definida por superfícies frontais e traseiras mutualmente paralelas. A onda longitudinal é direcionada a fim de prorrogar ortogonalmente pelas duas superfícies, sendo parcialmente refletido e também sendo atenuado no material da peça. Desta maneira, deve ser observado um primeiro eco, que vem da superfície externa e um segundo eco que vem da superfície traseira e referido como o retro eco. O transdutor recebe a onda refletida, e então é possível observar os dois componentes refletidos para deduzir tanto a velocidade de propagação quanto a atenuação da onda no material.
[004] Entretanto, aquela solução é inadequada para os materiais que absorvem ondas de ultrassom fortemente. Isto aplica-se, por exemplo, a compósitos tecidos 3D tridimensionais de uma estrutura que é não homogênea e anisotrópica. Para peças de espessuras industriais, nenhum retro eco é visível em registros feitos naqueles materiais, por causa da absorção forte.
[005] Desta maneira, é necessário desenvolver um método adequado para a aplicação de peças feitas de materiais de compósitos e permitindo um número grande de peças a serem caracterizadas, de maneira independente de sua espessura ou de sua natureza absorvente.
Definição da invenção e vantagens associadas
[006] A invenção refere-se a um método de caracterizar uma peça feita de material de compósito, o método que compreende uma etapa de determinar uma característica de uma onda de ultrassom longitudinal que vaia ao longo de um trajeto dentro da peça e sendo distinguido em que o tempo de viagem de uma onda transmitida pela peça é medido.
[007] Por meio desta técnica, o problema associado com a ausência de um retro eco em medições de modo de transceptor é superado.
[008] De acordo com uma característica vantajosa, o tempo de viagem da onda transmitida é medido pela observação do início da onda.
[009] Por meio desta característica, é possível ignorar problemas grandemente amplificados de mudança de fase e de deformação do sinal sinusoidal da onda de ultrassom, como causado por materiais espessados ou como causado pela estrutura complexa, não homogênea e anisotrópica de certos materiais de compósito.
[0010] Em uma implementação, a velocidade de propagação da onda de ultrassom longitudinal seguindo um trajeto na peça é determinada.
[0011] Este fornece informação que é útil determinar o teor de fibra e o teor de resina de um material de compósito, cuja informação pode ser usada no desenvolvimento da peça sob estudo.
[0012] Em uma outra implementação, que pode ser combinada com a implementação anterior, a amplitude da onda transmitida também é medido a fim de determinar a atenuação de comprimento total ou unitária ao qual a onda de ultrassom longitudinal é submetida na viagem na peça.
[0013] Isto fornece informação que é útil determinar o teor de poro, que pode ser usado no desenvolvimento da peça sob estudo.
[0014] Preferivelmente, o tempo de propagação de uma onda de ultrassom transmitida na ausência da peça é medido, como são os tempos de propagação de ondas de ultrassom refletidas respectivamente por uma primeira face da peça ou por uma segunda face da peça, a fim de determinar a dimensão da peça passando a onda de ultrassom longitudinal que se desloca ao longo de um trajeto na peça.
[0015] Por meio desta característica, que é opcional, mas vantajosa, uma medição precisa é obtida da dimensão da peça que passa a onda transmitida, visto que uma tal dimensão é muito variável em peças feitas de material de compósito, de modo que este, portanto, possa ser útil para conhecer um valor exato para uma dada peça, para o trajeto particular seguido pela onda de ultrassom usada.
[0016] Em particular, o método é realizado para uma peça feita de material compósito tecido 3D.
[0017] Tais materiais são particularmente desafiadores de se caracterizar por causa de sua não homogeneidade e por causa de sua anisotropia. Por meio da invenção, é possível estudá-los de maneira rápida e confiável, particularmente enquanto estão sob desenvolvimento.
Breve descrição das figuras
[0018] A Figura 1 mostra uma operação preliminar no contexto da realização de um método da invenção.
[0019] A Figura 2 mostra as três etapas de um estágio de medição de espessura realizado na invenção.
[0020] As Figuras 3 a 5 mostra os sinais registrados durante as três etapas da Figura 2.
[0021] A Figura 6 mostra a etapa de observar uma onda transmitida, durante um método da invenção.
[0022] A Figura 7 mostra o sinal medido durante a etapa da Figura 6.
[0023] As Figuras 8 a 10 mostram os sinais obtidos durante as etapas das Figuras 2 e 6 para um espaçador feito de material de compósito.
Descrição detalhada de uma implementação
[0024] Com referência à Figura 1, dois sensores de ultrassom planos que operam em modo de transmissão são colocados em alinhamento. Esta colocação em alinhamento de uma etapa preliminar E0. Os sensores são separados por um líquido, tal como água. O transdutor 10 opera em modo de emissão e o sensor 20 em modo de recepção. O sinal recebido pelo sensor 20 passa através de um máximo após ajustes sucessivos dos eixos Oy e Oz e também os ângulos θ e 9.
[0025] Na Figura 2, é feita uma medição da espessura do material da peça sob estudo, referido 30. A medição necessita ser precisa para estar dentro de um micrômetro.
[0026] Uma primeira etapa E1 consiste na medição do tempo de viagem da onda emitida através da água entre os dois transdutores 10 e 20, na ausência da peça. Uma segunda etapa consiste na medição do tempo de viagem da onda refletida pela primeira superfície, referido 31, da peça 30, com o transdutor 10 que opera como um transmissor/receptor e que faceia a superfície 31. Uma terceira etapa consiste na medição do tempo de viagem da onda refletida pela segunda superfície, referido 32, da peça 30, como transdutor 20 que opera, por sua vez, como um transmissor/receptor e que faceia a superfície 32.
[0027] O tempo de viagem é medido em cada ocasião pela observação do início do sinal e não um arco do sinal. Isto torna possível para o operador ignorar qualquer fenômeno associado com a mudança de fase possível do sinal. Especificamente, na presença de reflexões múltiplas, as mudanças de fase aparecem. Isto também acontece quando, após uma reflexão, o sinal é invertido. A forma dos arcos do sinal é modificada e é difícil obter um valor preciso para o tempo de viagem. É por isso que é proposto medir o sinal observando-se unicamente o início do sinal.
[0028] Visto que a velocidade de propagação da onda na água Vágua é conhecida, é possível, por subtração, obter a espessura da peça das etapas E1, E2 e E3, usando-se a fórmula X2(tX 1+X2+X3 -tX3 -tX 1)xVágua, onde Xi é a distância entre o transdutor 10 e a superfície 31, X2 é a espessura da peça no ponto de impacto do raio e X3 é a distância entre o transdutor 20 e a superfície 32 e onde tX1 + X2 + X3, tX1 e tX3 são os tempos de viagem medidos durante as etapas E1, E2 e E3 respectivamente.
[0029] As Figuras 3 a 5 mostram as plotagens apresentadas durante as etapas E1, E2 e E3 respectivamente, com água a 22°C, e onda em uma frequência de 5 mega-hertz (MHz) (dando uma velocidade de propagação de 1486,45 metros por segundo (m/s) em água), para um espaçador tendo uma espessura de 76,20 milímetros (mm) e feito de titânio TA6V. O tempo de viagem da onda é medido na base do início da onda, dando as referências respectivas 100, 110 e 120.
[0030] Os seguintes resultados são obtidos: txi + X2 + X3 = 92,72 microssegundos (μs) tx3 = 52.98/2 = 26.49 μs tX1 = 29,94/2 = 14,97 μs X2 = (txi + X2 + X3-tx3-txi)xVágua X2 = (92,72 x 10-6 - 26,49 x 10-6 - 14,97 x 10-6)x1486,54 x2 = 76,20 mm
[0031] A espessura medida com os paquímetros é, de fato, de 76,20 mm, isto é 3".
[0032] A Figura 6 mostra a etapa E4 durante a qual a onda transmitida pela peça 30 é observada. Desta maneira, o transdutor 10 está operando em modo transmissor, enquanto o transdutor 20 está operando em modo receptor. A onda incidente é referida 40 na figura, a onda propagando na peça 30 é referida 41 e a onda transmitida é referida 42.
[0033] O tempo de viagem da onda na peça 30 é expressado na forma t'X2 = t-(tX1 + tX3). Conhecendo X2 como determinado anteriormente, a velocidade de propagação da onda no material é expressado na forma Vmaterial = X2/t'X2.
[0034] A Figura 7 mostra o sinal observado durante a etapa E4 para o espaçador do espaço de 76,20 mm de espessura de titânio (TA6V), ainda com uma onda em 5 MHz. O tempo de viagem da onda é medido na base do início da onda, referido 130.
[0035] Os valores obtidos são como segue: t = 53,80 μs t'x2 = (53,80x10-6 - 26,49x10—6 - 14,97x10-6) t'X2 = 12,34 μs V=76,20x10-3/12,34x10-6
[0036] E finalmente, o valor numérico da velocidade é V = 6175,04 m/s. Este valor é verificado com uma medição de velocidade de propagação convencional a fim de validar o método.
[0037] As Figuras 8 a 10 mostram as varreduras obtidas para as etapas E2, E3 e E4 para um espaçador em etapas do compósito tendo uma espessura de 47,09 mm, com um transdutor emitindo em 1 MHz. O tempo de viagem da onda é medido na base do inícios da ondas, dando referências respectivas 140, 150 e 160.
[0038] Os valores obtidos são como segue: tX1 + X2 + X3 = 90,22 μs t = 74,90 μs tX3 = 52,42/2 = 26,21 μs tX1 = 64,68/2 = 32,34 μs X2 = (tX1 + X2 + X3-tX3-tX1)xVágua X2 = (90,22x10-6 - 26,21x10-6 - 32,34x10-6)x1486,54 X2 = 31,67x10-6x1488,76 X2 = 47,078 mm t'X2 = t - (tX1 + tX3) t'x2 = (74,90x10-6 - 26,21x10—6 - 32,34x10-6) t'x2 = 16,35 μs Vcompósito = X2/t'X2 Vcompósito = 47,078x10-3/16,35x10-6
[0039] E finalmente, o valor numérico da velocidade é Vcompósito = 2879,4 m/s.
[0040] Atenção é então dada à atenuação da onda longitudinal no material.
[0041] A expressão para a amplitude da onda transmitida a partir do Y = A e-α1.( X1+X 2+X3) transmissor para o receptor é escrito como segue: Y1 = maxe , onde AMax representa a amplitude máxima na superfície do transdutor e α1 é a atenuação da onda em água.
[0042] A expressão para a amplitude da onda transmitida a partir do transmissor ao receptor após a passagem através do material é escrito como Y = A e-α1.(X1+X 3)e-α2X 2t t segue: 2 = maxe e t12t21 , onde α2 é a atenuação da onda no material, t12 é um coeficiente de transmissão de amplitude da água para o material e t21 é um coeficiente de transmissão de amplitude do material para água.
[0043] A expressão do produto t12xt21 é uma função da impedância acústica do material Z2 = P2XV2 e da impedância acústica da água Z1 = P1XV1. Na expressão da impedância acústica, p representa densidade e V representa a velocidade de propagação da onda longitudinal na frequência sob consideração.
Figure img0001
[0044] A razão de amplitude Y1/Y2 é escrita como segue:
Figure img0002
[0045] A partir do qual é possível deduzir a expressão para a atenuação no material:
Figure img0003
[0046] Uma primeira implementação refere-se ao espaçador do material de compósito tendo espessura de 47,09 mm, usando-se uma onda em 2,25 MHz.
[0047] Os valores numéricos para esta implementação são como segue: p2 = 1525,71 quilogramas por metro cúbico (kg/m3) V2=2946,75 m/s Z2 = 4,39316 megOhms corrente alternada (MQac) Págua = 997,77 kg/m3 Vágua = 1486,54 m/s Zágua= 1,48322 MQac t12Xt21 = 0,75478 x2 = 47,078 mm (medição de ultrassom precisa) Y1 = 643,2 millivolts (mV) Y2 = 15,885 mV aágua2,25MHz = 0,972 Nepers por metro (Np/m) α2 = 73,61 Np/m,
[0048] Uma segunda implementação refere-se ao espaçador de material de compósito tendo espessura de 47,09 mm, usando-se uma onda em 1 MHz. P2 = 1525,71 kg/m3 V2=2879,39 m/s Z2 = 4,39311 MQac Págua = 997,77 kg/m3 Vágua = 1486,54 m/s Zágua= 1,48322 MQac ti2Xt2i=0,75479 x2 = 47,078 mm (medição de ultrassom precisa) Y1 = 370,25 mV Y2 = 16,395 mV aáguaiMHz = 0,682 Np/m α2 = 60,92 Np/m.
[0049] A invenção não é limitada às implementações mas estende-se a qualquer variante dentro do escopo das reivindicações.

Claims (6)

1. Método para caracterização de uma peça feita de material de compósito (30), o método compreende uma etapa de determinar uma característica de uma onda de ultrassom longitudinal (41) que se desloca ao longo de um trajeto dentro da peça (30) e sendo caracterizado pelo fato de que: - o tempo de propagação de uma onda de ultrassom transmitida na ausência da peça é medido (E1), entre um transdutor operando como um transmissor (10), e um transdutor operando como um receptor (20) separados por água; - os tempos de propagação de ondas de ultrassom refletidas respectivamente por uma primeira face (31) da peça e por uma segunda face (32) da peça são medidas (E2, E3), cada um dos transdutores (10, 20) operando como transceptor e de frente para uma das faces (31, 32) a fim de determinar a espessura da peça (30) passada pela onda de ultrassom longitudinal (41) que se desloca ao longo de um trajeto na peça; - o tempo de viagem de uma onda de ultrassom longitudinal (42) transmitida pela peça (30) é medido (E4) pela observação do início da onda (130, 160), um dos transdutores operando como um transmissor (10) e o outro operando como um receptor (20); - a amplitude da onda transmitida (42) também é medida a fim de determinar a atenuação de comprimento total ou unitária ao qual a onda de ultrassom longitudinal (41) é submetida na viagem na peça (30), em que a expressão para atenuação no material é:
Figure img0004
onde X2 é a espessura da peça, Y1 é a amplitude da onda transmitida do transmissor para o receptor, Y2 é a amplitude da onda transmitida do transmissor para o receptor após passar através do material, t12 é o coeficiente de transmissão de amplitude da água para o material e t21 é o coeficiente de transmissão de amplitude do material para água, e α1 é a atenuação da onda em água.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a velocidade de propagação da onda de ultrassom longitudinal (41) na peça (30) seguindo um trajeto na peça (30) é determinada.
3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que é realizado para uma peça feita de material compósito tecido 3D.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a espessura (X2) da peça é calculada de acordo com a seguinte fórmula: X 2( tX 1+X 2+X 3 - tX 3 - tX 1) X Vágua onde tX1+X2+X3 é o tempo de propagação da onda de ultrassom transmitida na ausência da peça, tX1 é o tempo de propagação da onda de ultrassom refletida pela primeira face (31) da peça, tX3 é o tempo de propagação da onda de ultrassom refletida pela segunda face (32) da peça, e Vágua é a velocidade de propagação da onda em água.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o produto t12t21 é calculado de acordo com a seguinte fórmula:
Figure img0005
onde Z1 é a impedância acústica da água e Z2 é a impedância acústica do material.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a razão de amplitude Y1/Y2 é escrita como segue:
Figure img0006
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