BRMU8801488U2 - corpos-de-prova tubulares soldados e respectivo dispositivo para ensaios de fadiga sob esforços co-planares - Google Patents

Abstract

O presente modelo de utilidade refere-se à configuração ou configurações de corpos-de-prova tubulares soldados e um dispositivo desenvolvido para induzir-lhes esforços combinados de tração e flexão a partir dos carregamentos axiais. Os corpos-de-prova são compostos por dois tubos metálicos (1, 2) aos quais são soldados dois tubos diversos (3, 4), posicionados diametralmente opostos e em diversos ângulos, preferencialmente em ângulos múltiplos de 15<198>. Refere-se ainda a um dispositivo para ensaio, ao qual são acoplados corpos-de-prova, de modo a permitir ensaios de resistência à fadiga sob esforços coplanares. Os braços do corpo-de-prova (8) são montados nos braços (9) do dispositivo. Pinos (10) são encaixados nos braços (9) e fixados. Na seqúência, os pinos (10), fixados aos braços (9), são introduzidos um em cada braço do corpo-de-prova (8), num sistema de ajuste com folga.

Description

CORPOS-DE-PROVA TUBULARES SOLDADOS E RESPECTIVODISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOB ESFORÇOS COPLANARES

O presente modelo de utilidade refere-se à configuraçãoou configurações de corpos-de-prova tubulares soldados, não abrangidospor normas técnicas, e um dispositivo desenvolvido para induzir-lhesesforços combinados de tração e flexão a partir dos carregamentosaxiais aplicados por qualquer máquina de ensaios dinâmicos quepossuam tal limitação, de forma a se obterem resultados mais realistasem relação ao comportamento em fadiga de estruturas geometricamentecomplexas. Os corpos-de-prova, confeccionados em materiais ferrososou não, podem ter seção transversal circular, quadrada, ou outra ainda,podendo ser provenientes de processos de conformação como trefilação,extrusão, forja, fundição, soldados ou não, bem como dimensõesvariadas conforme a capacidade do equipamento de ensaios utilizado.

Estruturas tubulares circulares/redondas são comumenteempregadas em plataformas offshore, torres em geral, pontes, "berçosde motores" de aeronaves, entre outros, em função de sua boa rigidez(módulos de resistências à flexão e à torção); boa aparência; superfíciemínima para ataque corrosivo; baixa relação peso/resistência mecânica;baixo coeficiente de arraste; menores forças hidrodinâmicas (estruturassubmersas) etc. No entanto, estruturas tubulares comumente envolvemjunções por soldagem, as quais concentram altas tensões (hot spotstress concentration factor - HSS), difíceis de serem determinadas emdecorrência das variações geométricas do cordão de solda, aliadas àpossível existência de defeitos inerentes ao processo. Em adição, estasestruturas são submetidas a esforços cíclicos combinados, normalmenteaxiais e de flexão, resultando em fratura prematura por fadiga. Destaforma, as curvas a x N (tensão vs. número de ciclos) são amplamenteempregadas na análise da integridade estrutural de estruturas soldadas,principalmente por dispensarem a necessidade de modelagenscomplexas e refinadas, permitindo que o "fator concentração de tensão"e o "fator entalhe de fadiga", induzidos pela geometria da solda, fiquemembutidos na curva. Por outro lado, os resultados dos ensaioslaboratoriais de fadiga em corpos-de-prova planos claramente diferemdaqueles tubulares dificultando, assim, uma análise segura. O dispositivoapresentado aqui, portanto, vem ao encontro desta necessidade e seudesenvolvimento foi motivado pela geometria complexa do componente"berço de motor" de aeronaves, especificamente, o qual é consideradocrítico à segurança de vôo.

Juntas soldadas podem ter sua resistência à fadigaavaliada, como em US2008/0028866. No entanto, o ensaio prevê apenasum modo de esforço.

Em PI0400440-0 é apresentada uma máquina universalde ensaios mecânicos capaz também de realizar ensaios de fadiga. Noentanto, com a configuração apresentada, não é possível a realização deensaios com esforços combinados de tração e flexão.

Resistência à fadiga em torção pode ser determinada nostermos do documento JP2007107955, mas novamente apenas nestemodo de esforço.

Ensaios laboratoriais de fadiga revelam essencialmente osefeitos dos processos de fabricação e da microestrutura do material, darazão e do modo de carregamento (tração-tração, tração-compressão,flexão, torção etc), particularmente do tamanho e da geometria do corpo-de-prova, nos resultados experimentais obtidos, tornando-se umaquestão em aberto no que tange a transferência de tais resultadoslaboratoriais para o comportamento de um componente real. Nestecontexto, as normas nacionais e internacionais existentes nãocontemplam os efeitos da geometria de componentes estruturaistubulares e da superposição dos carregamentos nas metodologiasempregadas nos ensaios de fadiga, limitando os corpos-de-provalaboratoriais a carregamentos uniaxiais, de flexão pura ou rotativa etorção, tratados isoladamente, bem como a formas geométricas simples,longe de serem representativas de componentes reais. Por um lado, osequipamentos de ensaios biaxiais existentes, além de serem de custoelevado, se restringem à aplicação de carregamentos axiais(tração/compressão) nos eixos X e Y, não incorporando a sobreposiçãode carregamentos no plano (co-planares) que resultem na combinaçãodos esforços axiais com momento fletor em um ponto discretizado {hotspot stress concentration). Por outro lado, no intuito de suprir estanecessidade, especial ênfase tem sido destinada ao Método porElementos Finitos na simulação e análise dos carregamentos aplicadosem estruturas geometricamente complexas, obtendo-se resultadospromissores e de grande aplicação prática. Todavia, não obstante seucrescente desenvolvimento e sua indiscutível contribuição no campo daengenharia, constata-se sua limitação no que tange às alteraçõesgeométricas e particularmente microestruturais decorrentes, porexemplo, dos processos de soldagem e re-soldagem (reparos).Conseqüentemente, torna-se necessário o desenvolvimento demetodologias preditivas para a avaliação realista dos efeitos geométricose microestruturais no comportamento em fadiga de estruturas queincorporem procedimentos adequados, no sentido de transferir osresultados obtidos nos ensaios laboratoriais para um componenteestrutural real, de geometria diversa e adversa, operando sob condiçõesoutras de carregamento.

Assim, o sistema proposto aqui vem ao encontro destanecessidade, possibilitando a análise de tais esforços a partir de umequipamento de ensaios de configuração básica. Suas diversasaplicações exploratórias demonstram a habilidade do dispositivo emfornecer resultados robustos e soluções às dificuldades na análise deuma estrutura de geometria complexa, constituída de tubos soldados emvariados ângulos e sob esforços combinados.

Os corpos-de-prova e o dispositivo simulam os esforçosatuantes em estruturas tubulares soldadas de geometrias complexas,com mínimo grau de liberdade, cujos comportamentos em fadiga diferemclaramente de corpos-de-prova planos, ou mesmo tubulares semrestrições.

O presente modelo de utilidade é mais bem descrito pelasfiguras anexadas.

A Figura 1 são desenhos das configurações simples doscorpos-de-prova tubulares soldados, com braços posicionados nasangulações de 45°, 60° e 90°, os quais podem ser posicionados emângulos outros, múltiplos de 15°, combinados entre si, gerando outrasconfigurações.

A Figura 2 evidencia desenhos de configurações duplasdos corpos-de-prova, nos quais são soldados quatro tubos emangulações diversas.

A Figura 3 mostra um corpo-de-prova simples, nos quaissão inseridos tarugos em suas extremidades longitudinais para seremencaixadas em máquinas de ensaio. Estes tarugos são utilizados tantoem corpos-de-prova simples quanto duplos.

A Figura 4 é uma imagem digital de um corpo-de-prova deconfiguração simples encaixado nos braços que são acoplados àmáquina de ensaio.

A Figura 5 é uma imagem digital da montagem do corpo-de-prova no dispositivo-padrão de ensaio, o qual encontra-se acopladoem uma máquina de ensaios universal.

A Figura 6 é um desenho da montagem do dispositivo-múltiplo para ensaios de fadiga co-planares, o qual admite variadasconfigurações de corpos-de-prova, como os apresentados na Figura 2..

A Figura 7 é um desenho da montagem do corpo-de-provatubular soldado, com braços a 90°, no dispositivo-múltiplo para ensaiosde fadiga co-planares.

A Figura 8 é um desenho da montagem do corpo-de-provatubular soldado, com braços a 15°, no dispositivo-múltiplo para ensaiosde fadiga co-planares.

A Figura 9 é um desenho da montagem do corpo-de-provatubular soldado, com braços a 30°, no dispositivo-múltiplo para ensaiosde fadiga co-planares.

A Figura 10 é um desenho da montagem do corpo-de-prova tubular soldado, com braços a 45°, no dispositivo-múltiplo paraensaios de fadiga co-planares.

A Figura 11 é um desenho da montagem do corpo-de-prova tubular soldado assimétrico, com braços a 30° e 90°, nodispositivo-múltiplo.

A Figura 12 é um desenho da montagem do corpo-de-prova tubular soldado duplo, com braços simétricos a 45°, no dispositivo-múltiplo.

A Figura 13 é um desenho da montagem do corpo-de-prova tubular soldado duplo, com braços inferiores a 45° e braçossuperiores a 30° no dispositivo-múltiplo.

A Figura 14 é um desenho com o diagrama das forçasatuantes no corpo-de-prova com braços soldados a 45°, resultantes dasrestrições impostas pelo dispositivo (padrão e múltiplo).

A Figura 15 apresenta uma opção para confecção daabraçadeira (17) de fixação do dispositivo-múltiplo na coluna doequipamento de ensaios, e o braço (18) correspondente.

A Figura 16 apresenta outra opção para confecção daabraçadeira (17) de fixação do dispositivo-múltiplo na coluna doequipamento de ensaios, e o braço (18) correspondente.

A Figura 17, A, apresenta detalhe alternativo de usinagemdo terminal do braço (18), tipo catraca, bem como do pino (10), comapenas uma furacão e rasgo em ângulo, específico para esta condição(Figura 17, B).

A Figura 18 apresenta detalhe do pino (18), típico para odispositivo-múltiplo descrito nas Figuras 6 a 13.

A Figura 19 é um gráfico de tensão em função do númerode ciclos, demonstrando os resultados dos ensaios de fadiga em corpos-de-prova tubulares simples com o dispositivo-padrão.

Nas disposições preferidas de corpo-de-prova paraensaios de fadiga sob esforços co-planares (FIG. 1) dois tubos metálicos(1, 2), de mesma seção transversal circular, retangular ou quadrada, comou sem costura, de mesmo comprimento ou não, são soldados entre si,formando um único corpo. A seguir, dois tubos (3, 4), com característicasiguais entre si e posicionados diametralmente opostos, são soldados aocorpo formado pela junção dos tubos (1) e (2). A relação entre ocomprimento do corpo central (5) e o comprimento dos tubos soldados(3, 4) dependerá da distância (abertura) máxima entre os grips doequipamento de ensaios, bem como da configuração do corpo-de-provautilizado (simples ou duplo). Estes (3, 4) podem ser soldados ao tubo (1,2) em diversos ângulos (FIG. 2), iguais entre si ou não, maspreferencialmente em ângulos múltiplos de 15°, como demonstrado naFIG. 1, A (45°), FIG. 1, B (60°) e FIG. 1, C (90°).

Ainda, o corpo-de-prova pode ser duplo, ou seja, terquatro tubos metálicos (FIG. 2, A à H) soldados ao corpo central (5), comangulações diversas, mas preferencialmente em combinações múltiplasde 15°, como ilustrado na FIG. 2, A (45°), FIG. 2, E (60°) e FIG. 2, G(90°).

Nas extremidades do corpo central são introduzidostarugos (FIG. 3, 6 e 7) para permitir a fixação do corpo-de-prova pelosgrips da máquina de ensaios.

O presente modelo de utilidade refere-se ainda aodispositivo-padrão ao qual é acoplado o corpo-de-prova (FIG. 4), demodo a permitir ensaios de resistência à fadiga sob esforços co-planares.Os braços do corpo-de-prova (8) são montados nos braços (9) dodispositivo. Pinos (10) são encaixados nos braços (9) e fixados (15). Naseqüência, os pinos (10), fixados aos braços (9), são introduzidos um emcada braço do corpo-de-prova (8), num sistema de ajuste com folga.

O dispositivo instalado para ensaio, padrão ou múltiplo, écomposto ainda por no mínimo os seguintes itens (FIG. 5):

■ braços ou prolongadores (9), cuja configuração dochanfro será determinada pelo tipo de corpo-de-prova tubular utilizado (e.g. 45°, 60° ou 90°) e com oblongos na extremidade oposta (de fixaçãonas abraçadeiras (11)) para ajuste no posicionamento e fixação docorpo-de-prova (8);

■ pinos (10) para introdução nos tubos laterais do corpo-de-prova (8), num sistema de ajuste com folga, contendo pequenomovimento de articulação (aproximadamente 5o) em torno do parafusode fixação (5) para permitir melhor acomodação de todo o conjunto apóspré-carga de 100 N;

■ abraçadeiras (11) para fixação do conjunto nascolunas do equipamento;

■ parafusos, porcas e arruelas de pressão (12),utilizados na fixação dos braços (9) e das abraçadeiras (11);

■ apoios verticais (13), para melhor direcionamento dosesforços aplicados e alívio nas colunas laterais do equipamento.

O dispositivo-múltiplo ao qual os corpos-de-prova sãoacoplados é explicado adicionalmente pelas Figuras 6a13e15a18. AFigura 6 ilustra a montagem do conjunto corpo-de-prova/dispositivo naestrutura do equipamento de ensaios dinâmicos. Observa-se que oprocesso de montagem é o mesmo utilizado no dispositivo-padrão(protótipo), apresentado anteriormente, porém compreendendo:abraçadeiras (17) para fixação do conjunto, através de parafusos, porcase arruelas de pressão (12) nas colunas do equipamento de ensaios (14);braços (18), presos pelas abraçadeiras (17) por meio de parafusos,porcas e arruelas de pressão (12) e contendo oblongos para ajuste namontagem do corpo-de-prova (8), posicionado na extremidade oposta;pino (10) com ranhura, para encaixe no braço (17) , fixação por meio deparafuso, porca e arruela de pressão (15) e introdução no braço docorpo-de-prova tubular. Neste caso, a maior área de contato dasabraçadeiras (17) nas colunas do equipamento de ensaios dispensa osapoios (13) utilizados no dispositivo-padrão (protótipo).

Os corpos-de-prova podem ser acoplados ao dispositivotendo seus braços dispostos a 90° (FIG. 7), 15° (FIG. 8), 30° (FIG. 9), 45°(FIG. 10), ou ainda com ângulos diversos entre si, como na FIG. 11, aqual demonstra um corpo-de-prova cujos braços estão dispostos a 30° ea 90°, respectivamente.

Caso os corpos-de-prova a serem acoplados sejamduplos, conforme demonstrado na FIG. 2, A à H, a montagem deverá serrealizada através de dois conjuntos de dispositivo, conformedemonstrado nas FIGs. 12 e 13.

O presente modelo de utilidade é ainda explicado pelosexemplos abaixo, que não o restringe.

A Figura 14 apresenta o esquema das forças atuantes nocorpo-de-prova tubular (8) com a utilização dos respectivos dispositivos.Os braços do corpo-de-prova (8) tendem a abrir-se em decorrência dasreações F/2 e F' (força resultante FR) geradas por meio da restriçãoimposta pelo dispositivo à carga axial F aplicada pelo equipamento deensaios. Como resultado, os valores máximos dos momentos fletoresocorrerão nas regiões: superior (ponto A) e inferior (ponto B) da junçãodos tubos. Conseqüentemente, os braços do corpo-de-prova tendem afletir, gerando tensões adicionais trativas no ponto B, e compressivas noponto A.

A Figura 19 apresenta os resultados dos ensaios de fadigarealizados com e sem o dispositivo protótipo desenvolvido. Em adição,foram ensaiados corpos-de-prova tubulares lisos (sem braços), porémcontendo cordão de solda localizado na metade de seu comprimento e,portanto, também submetidos aos concentradores de tensão geométricose microestruturais induzidos pelo processo de soldagem.

A configuração final do corpo-de-prova foi elaborada deforma a fazer com que os cordões de solda ficassem próximos einteragissem, como de fato ocorre, simulando tensões a que ocomponente "berço de motor" de aeronaves, crítico à segurança de vôo,é submetido.

Em princípio, observa-se na Figura 19 que de fato asdiferentes configurações dos corpos-de-prova tubulares resultaram emdistintos comportamentos em fadiga. Isto é, a adição dos braços deuorigem a concentração de tensão na região da solda (crown toe/heel),comprometendo a resistência à fadiga do material. Na seqüência,observa-se que a aplicação do primeiro retrabalho de solda reduziu aindamais a resistência à fadiga do aço ABNT 4130. Com a utilização dodispositivo, observa-se que a redução da resistência à fadiga foi maior,indicando que ocorreu aumento do fator concentração de tensão (hotspot) na região de junção dos tubos, em decorrência dos esforçosadicionais de flexão no plano do carregamento principal (superposiçãodas tensões axiais e de flexão). Comprova-se, portanto, a eficiência dodispositivo apresentado, na indução de esforços de flexão emsuperposição aos esforços axiais aplicados pelo equipamento deensaios. Portanto, pode-se considerar que os esforços de flexãoocorreram no plano dos esforços axiais impostos pelo equipamento deensaios (in-plane bending).

Assim, a configuração do corpo-de-prova tubular (8),associada ao dispositivo desenvolvido, permitiu a aplicação de tensõesaxiais com momento fletor nas regiões das soldas, induzindo altaconcentração de tensão naquele local, ou ponto quente (hot spot) comonormalmente denominado, tornando o ensaio mais severo e próximo deuma situação "real", de forma que a fratura ocorreu em uma região queparece sofrer a influência de todos os cordões de solda, comomencionado. Com isso, todas as três regiões soldadas parecem ter sidosolicitadas, como pretendido.

O presente modelo de utilidade apresenta ditos corpos-de-prova com configurações que simulam o componente "berço de motor" deaeronaves, elaborados no sentido de simular os comportamentos emfadiga de estruturas reais e de geometrias complexas nos ensaioslaboratoriais, bem como de um dispositivo de ensaio desenvolvido com oobjetivo de absorver as várias configurações possíveis de confecção dosditos corpos-de-prova. Adicionalmente, o presente modelo de utilidadepode ser utilizado na análise dos efeitos de reparos, seja por remoção ousobreposição das soldas primárias, seja por aplicação de reforços (patch-plate/Tinger-plate reforcement) nas junções soldadas. Embora o modelo deutilidade tenha sido ilustrado com exemplos nos quais corpos-de-prova sãoespecíficos, tais exemplos destinam-se a serem típicos do método deoperação do aparato, não limitando de maneira alguma o escopo do modelode utilidade.

Claims (8)

1. "CORPOS-DE-PROVA TUBULARES SOLDADOS"caracterizados por serem utilizados em ensaios laboratoriais dedeterminação de resistência à fadiga sob esforços combinados de traçãoe flexão a partir de carregamentos axiais.

2. "CORPOS-DE-PROVA TUBULARES SOLDADOS", deacordo com a reivindicação 1, caracterizados pela geometria que simulao componente "berço de motor" de aeronaves, e compostos no mínimopor:■ dois tubos metálicos (1, 2) de mesma seção transversalcircular, retangular ou quadrada, com ou sem costura, de mesmocomprimento, soldados entre si por suas extremidades, formando umúnico tubo;■ dois tubos metálicos diversos (3, 4), soldadosdiametralmente opostos ao tubo anteriormente composto, em ângulosdiversos, iguais entre si ou não, mas preferencialmente em ângulosmúltiplos de 15° em relação ao tubo central;■ tarugos de reforço (6, 7) nas extremidades para fixaçãonas garras do equipamento de ensaios dinâmicos.

3. "CORPOS-DE-PROVA TUBULARES SOLDADOS", deacordo com a reivindicação 1, caracterizados por apresentaremconfiguração dupla (FIG. 2), sendo composta por quatro tubos metálicossoldados ao corpo central, com angulações diversas, maspreferencialmente em ângulos múltiplos de 15°.

4. "DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOBESFORÇOS CO-PLANARES" caracterizado por ser utilizado em ensaiosde determinação de resistência à fadiga, induzindo a esforçoscombinados de tração e flexão a partir de carregamentos axiais aplicadospor uma máquina de ensaios dinâmicos.

5. "DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOBESFORÇOS CO-PLANARES", de acordo com a reivindicação 4,caracterizado por ser acoplável a máquinas de ensaios dinâmicos.

6. "DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOBESFORÇOS CO-PLANARES", de acordo com as reivindicações 4 e 5,caracterizado por ter disposição própria para ensaiar corpos-de-provadescritos nas reivindicações 1 a 3.

7. "DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOBESFORÇOS CO-PLANARES", de acordo com as reivindicações 4 e 5,caracterizado por ser constituído, no mínimo, pelos seguintes elementos:■ braços ou prolongadores (9), cuja configuração dochanfro será determinada pelo tipo de corpo-de-prova tubular utilizado(45°, 60° ou 90°) e com oblongos na extremidade oposta (de fixação nasabraçadeiras 11) para ajuste no posicionamento e fixação do corpo-de-prova (8);■ pinos (10) para introdução nos tubos laterais do corpo-de-prova (8), contendo pequeno movimento de articulação (entre 5o e 10°) em torno do parafuso de fixação;■ abraçadeiras (11) para fixação do conjunto nas colunasdo equipamento;■ parafusos, porcas e arruelas de pressão (12), utilizadosna fixação dos braços (9) e das abraçadeiras (11).

8. "DISPOSITIVO PARA ENSAIOS DE FADIGA SOBESFORÇOS CO-PLANARES", de acordo com as reivindicações 4 e 6,caracterizado por ter, ou não, como elementos de suporte, apoiosverticais (13).