ES2202421T3 - Dispositivo para el ensayo de materiales anisotropicos. - Google Patents

Abstract

EL DISPOSITIVO COMPRENDE DOS MORDAZAS (35, 36) QUE TIENEN CADA UNA UNA PRIMERA PARTE (351, 361) CONECTADA A UNA CABEZA DE PROBETA (32, 33) Y UNA SEGUNDA PARTE (352, 362) CONECTADA A UNA MAQUINA DE PRUEBA CON EL FIN DE PODER TRANSMITIR A LA PROBETA (30) UNA SOLICITACION QUE TIENE UNA DIRECCION LONGITUDINAL NO NECESARIAMENTE CONFUNDIDA CON UN EJE DE SIMETRIA DEL MATERIAL. EN CADA MORDAZA, LA PRIMERA Y LA SEGUNDA PARTE ESTAN CONECTADAS UNA A OTRA POR UNA CONEXION QUE PERMITE AL MENOS UN GRADO DE LIBERTADA EN ROTACION CON RODAMIENTO SIN DESLIZAMIENTO ALREDEDOR DE AL MENOS UN EJE DE ROTACION (R) QUE TIENE UNA DIRECCION LONGITUDINAL DE SOLICITACION, DE MANERA QUE PERMITA, A LO LARGO DE UNA PRUEBA, UNA DEFORMACION DE UNA PROBETA POR ROTACION DE CADA CABEZA RESPECTO DEL CUERPO (31) DE LA PROBETA, DE MANERA QUE PUEDAN LIBERARSE TENSIONES PARASITAS DE LA PROBETA DEBIDAS A LA NO COINCIDENCIA ENTRE LA DIRECCION DE SOLICITACION Y UN EJE DE SIMETRIA DEL MATERIAL.

Description

Dispositivo para el ensayo de materiales anisotrópicos.

La presente invención se refiere a un dispositivo para el ensayo de materiales, en particular para el ensayo fuera de ejes de materiales anisotrópicos. Por ensayos fuera de ejes, se entienden aquí unos ensayos durante los cuales un esfuerzo, tal como una tracción o una compresión, es ejercido sobre unos materiales anisotrópicos en unas direcciones diferentes a unos eventuales ejes de simetría de los materiales.

La invención puede ser utilizada por diferentes tipos de materiales anisotrópicos en particular unos materiales compuestos con refuerzos fibrosos y matriz y los materiales compuestos de tipo laminados o
estratificados.

Entre los materiales compuestos constituidos por un refuerzo fibroso densificado por una matriz, los preferidos son más particularmente los materiales en los cuales el refuerzo está formado por fibras orientadas en una o varias direcciones definiendo unos ejes de simetría del material. Este el caso de los refuerzos formados por unas capas de tejido o unas capas de hilos o cables unidireccionales. Ejemplos de materiales compuestos de este tipo utilizados por la realización de piezas estructurales destinadas a ser sometidas a unos esfuerzos mecánicos o termomecánicos elevados son los materiales del tipo C-fenólico (refuerzo de fibras de carbono densificado con una matriz fenólica), los materiales del tipo C-C (refuerzo de fibras de carbono densificado con una matriz de carbono) y los materiales compuestos de matriz cerámica o CMC (refuerzo de fibras refractarias densificada con una matriz cerámica).

Entre los materiales laminados o estratificados, los preferidos son más particularmente los formados por una superposición de capas de materias isotrópicas diferentes unidas entre sí, por ejemplo los laminados metal-caucho, en los cuales pueden ser encontrados unos ejes de simetría en los planos de las capas o perpendicularmente a éstas.

Los materiales compuestos de los que se ha tratado anteriormente, así como ciertos materiales laminados, encuentran aplicaciones en diferentes ámbitos, en particular en el ámbito aeroespacial, en los cuales han sido expuestos a unos esfuerzos mecánicos o termomecánicos intensos. Eso es así, por ejemplo, en el caso de los materiales compuestos destinados a formar elementos de los propulsores (cuerpo de los propulsores, toberas,...) o unos materiales laminados destinados a constituir unos topes de articulación de tobera.

En una aplicación de este tipo, así como en otras aplicaciones en que se pueden encontrar imperativos similares, es necesario caracterizar con tanta precisión como sea posible el comportamiento de los materiales sometidos a unos esfuerzos, en particular con la finalidad de concebir y dimensionar lo mejor posible las piezas a realizar para limitar tanto como sea posible su masa respecto a las limitaciones de peso, de volumen y de coste.

Un procedimiento clásico de caracterización de un material consiste en realizar una probeta que tiene un cuerpo longitudinal provisto de una cabeza en cada extremo y montar la probeta en una máquina de ensayo mediante unas mordazas unidas cada una a una cabeza de probeta y a la máquina para transmitir a la probeta un esfuerzo en dirección longitudinal, del tipo tracción o compresión.

Con unos materiales anisotrópicos, surge una dificultad cuando la dirección del esfuerzo no coincide con un eje de simetría del material (ensayos fuera de ejes), puesto que las direcciones principales de las tensiones y de las deformaciones no están confundidas. Las figuras 1A y 1B ilustran esta dificultad. La figura 1A muestra la probeta 10 de material compuesto con refuerzos fibrosos en forma de una barra que tiene un cuerpo longitudinal 11 provisto de unas cabezas 12, 13 en sus extremos. La probeta 10 comprende un refuerzo fibroso constituido por unos estratos planos superpuestos paralelos a las caras de la probeta. Los estratos están constituidos por unas capas de fibras unidireccionales orientadas según un eje A que forma un ángulo 0 con la dirección longitudinal L de la probeta. Un esfuerzo de tracción en la dirección L es ejercido sobre la probeta 10 por medio de unas mordazas fijas que aprietan las cabezas 12, 13 y que están unidas a una máquina de ensayo. La no coincidencia entre las direcciones principales A y L de unas tensiones y de unas deformaciones tiene como efecto una heterogeneidad del campo de tensión así como una deformación en torsión en "S" de la probeta en mordazas fijas, como muestra la figura 1B. En esta figura, la forma inicial de la probeta es representada en trazos interrumpidos. Las grandes heterogeneidades que se desarrollan en el momento de los ensayos fuera de ejes llevan a unas interpretaciones erróneas de los datos experimentales y a unas especificaciones no realistas de las leyes de comportamiento de los materiales anisotrópicos.

Para solventar este problema, un montaje del tipo ilustrado en la figura 2 ha sido propuesto por J. P. Boehler y al.. en un artículo titulado "Heterogeneidad de los campos de las tensiones y las deformaciones en los materiales anisotrópicos", Reología de los materiales anisotrópicos, Informe 19º Colloque GFR, Paris, nov. 1984, Ediciones CEPADUES, Toulouse 1986, p.131-150. En este montaje, las cabezas 22, 23 de la probeta 20 están equipadas de cuchillas 22a, 23a, mientras que las mordazas 25, 26 tienen la forma de estribos provistos de portacuchillas 25a, 26a que tienen cada uno una muesca en el fondo de la cual se apoya una cuchilla 22a, 23a.

Cuando tiene lugar el ensayo, el montaje permite una deformación de las cabezas de la probeta en rotación alrededor de los ejes materializados por los filos de las cuchillas y la libertad dada de esta forma a las cabezas de probeta permite conservar unos campos de tensiones y de deformaciones homogéneos sobre la longitud del cuerpo 21 de la probeta.

Esta solución presenta de todas formas un cierto número de inconvenientes.

Primero, es necesario formar unas cuchillas sobre cada probeta, lo que alarga de forma notable la duración de la preparación de los ensayos.

Además, la posición del eje de rotación de la cabezas es fijada por la posición de las cuchillas sobre la probeta. Para cada configuración de ensayo deseada, es por lo tanto necesario prever una geometría particular de la probeta.

Además incluso, el inevitable endurecimiento de las cuchillas durante el ensayo hace que no sea posible conservar un apoyo lineal y genera unos rozamientos cada vez más importantes. Tanto el mecanizado de las cuchillas como el nivel de rozamientos son

\hbox{imposibles}

de controlar, de tal forma que la repetibilidad de los ensayos no se puede garantizar.

Finalmente, el montaje presenta un riesgo de inestabilidad angular lo que, con los inconvenientes enunciados más arriba, hace el montaje inutilizable para unas caracterizaciones de materiales a escala
industrial.

Se conoce también por el documento DE-C-671 954 un dispositivo de ensayo a tracción en el cual las mordazas están realizadas de manera que permitan una deformación de las probetas por rotación de la cabezas alrededor de los centros situados en el cuerpo de la probeta, con el fin de evitar unos esfuerzos a flexión sobre la probeta. Cada cabeza de probeta está fileteada y atornillada sobre una primera pieza que presenta una superficie curva cilíndrica o esférica que se apoya sobre una superficie de la misma forma formada sobre una segunda pieza unida a la máquina de ensayo.

Con este dispositivo, la facultad de deformación por rotación de las cabezas de probeta es ofrecida por rozamiento entre las superficies curvas de guiado en contacto con las mordazas. Un rozamiento de este tipo es una fuente importante de desgaste que, aquí también, no permite garantizar la repetibilidad de los
ensayos.

La presente invención tiene como objetivo poner remedio a estos inconvenientes proponiendo un dispositivo de ensayo más fiable, simple de ejecutar y apto para un uso industrial, para el ensayo de los materiales anisotrópicos, en particular de materiales
compuestos.

Este objetivo es alcanzado mediante un dispositivo que comprende dos mordazas que tienen cada una, una primera parte destinada a estar unida a una cabeza de probeta y una segunda parte destinada a estar unida a una máquina de ensayo, dispositivo en el cual, en cada mordaza, la primera parte y la segunda parte están unidas la una a la otra mediante una unión que permite al menos un grado de libertad en rotación alrededor de un eje de rotación que tiene una dirección transversal con respecto a la dirección longitudinal del esfuerzo y situado al exterior de la segunda parte, del lado opuesto a la primera parte, de manera que permita, durante el ensayo, una deformación de una probeta por inclinación de cada cabeza con respecto al cuerpo de la probeta, alrededor del eje de rotación correspondiente, de tal manera que pueden ser liberados de tensiones parasitas de la probeta debidas a la no coincidencia entre la dirección del esfuerzo y un eje de simetría del material, comprendiendo la unión entre la primera parte y la segunda parte de cada mordaza un rodillo montado libre en rotación sobre la segunda parte y guiado entre unas superficies cilíndricas de la primera parte.

Así, con un dispositivo de este tipo, las probetas pueden ser realizadas con unas formas estándar, siendo ofrecidos diversos emplazamientos de los ejes de rotación o bien disponiendo unos juegos de mordazas diferentes, o bien colocando la probeta más o menos profundamente en las mordazas. Además, la unión entre una probeta y una mordaza puede ser realizada de forma clásica y no presenta riesgos de inestabilidad y de desgaste por rozamiento que puedan perjudicar la posibilidad de repeticiones de los ensayos.

Se pueden también realizar unas superficies de guiado curvas que tengan una curvatura variable, de tal manera que la posición del eje o centro de rotación de una cabeza de probeta varía durante la rotación de la misma. Esta disposición permite optimizar la eliminación de las tensiones parasitas.

La invención se entenderá mejor con la lectura de la siguiente descripción, a título indicativo pero no
limitativo.

En los dibujos anexos:

- las figuras 1A y 1B, ya descritas, muestran respectivamente una probeta de material anisotrópico respectivamente fuera de esfuerzo y bajo esfuerzos fuera de ejes por medio de mordazas fijas;

- la figura 2, ya descrita, muestra un montaje de ensayo fuera de ejes de materiales anisotrópicos según la técnica anterior;

- la figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de un primer modo de realización de un dispositivo de ensayo de acuerdo con la invención;

- la figura 4 es una vista explosionada en perspectiva que muestra los diferentes componentes de una mordaza del dispositivo de la figura 3;

- las figuras 5A y 5B muestran unas probetas de material anisotrópico respectivamente fuera de esfuerzo y bajo esfuerzo fuera de ejes mediante el dispositivo de la figura 3.

La figura 3 muestra un dispositivo de ensayo que comprende dos mordazas 35, 36 que aprietan las cabezas 32, 33 de una probeta 30 de material anisotrópico en forma de una barra plana, mientras que la figura 4 muestra de forma explosionada las piezas que constituyen la mordaza 35, teniendo la mordaza 36 un configuración parecida.

Cada mordaza 35, 36 comprende una primera parte 351, 361 unida rígidamente a una cabeza de la probeta y una segunda parte 352, 362 unida de forma rígida a una plataforma respectiva 41, 42 de una máquina de ensayo , en el ejemplo una máquina de ensayo a tracción (no representada completamente).

Cada una de las primeras partes 351, 361 comprende un camino de leva 353, 363 formado por una lumbrera en arco delimitada por dos superficies en forma de sectores cilíndricos concéntricos de sección circular. Las segundas partes 352, 362 tienen la forma de una articulación de horquilla en las cuales unos rodillos respectivos 354, 364 están montados libres en rotación. Cada rodillo 354, 364 está soportado por unos rodamientos de agujas 355, 365 alojados en unas perforaciones coaxiales formadas en las alas de la articulación de horquilla respectiva 352, 362. El diámetro de los rodillos 354, 364 corresponde sensiblemente a la anchura de los caminos de leva 353, 363 de tal manera que los rodillos pueden rodar por ellos, sin deslizamiento.

Cada primera parte de las mordazas 351, 361 presenta una escotadura 356, 366 en la cual la cabeza de la probeta va a alojarse y es mantenida siendo encerrada entre una cara 356 a, 366 a de la escotadura y un segmento de parada, o contraplaca, 357, 367 por medio de unos pernos 358, 368.

Cada segunda parte 352, 362 comprende una cabeza cilíndrica 359, 369 que forma saliente en el centro del lado de la articulación de horquilla opuesto a las alas de la misma. Un tubo 43, 44 solidario de una plataforma respectiva 41, 42 de la máquina de ensayo es introducido en la cabeza cilíndrica y es bloqueado por un pasador 45, 46.

La probeta 30 es montada sobre la máquina de ensayo apretando sus cabezas 32, 33 entre las primeras partes 351, 361 y los segmentos de parada 357, 367 de las mordazas 35, 36. La figura 5A muestra una probeta 30 de material anisotrópico parecida a la de la figura 1A así como, esquemáticamente, las posiciones relativas de los caminos de leva 353, 363 y de los rodillos 354, 364. El material de la probeta 30 es por ejemplo un material compuesto que tiene un refuerzo fibroso con unas fibras orientadas según un eje de simetría que forma un ángulo \theta con la dirección longitudinal del cuerpo 31 de la probeta, siendo paralelas dichas fibras a las caras de la probeta.

En el momento del esfuerzo a tracción, la facultad del rodillo 354, 364 de rodar en el camino de leva 353, 363 hace que las cabezas 32, 33 puedan deformarse libremente con respecto al cuerpo 31 de la probeta pivotando alrededor de un eje de rotación R que es perpendicular a las caras de la probeta (figura 5B). De ello resulta un campo de tensiones homogéneo en el cuerpo de la probeta y la ausencia de deformación en torsión de éste. El eje de rotación R es definido aquí como siendo el eje de las superficies cilíndricas que define un camino de leva. La figura 5B muestra que, por rodadura de los rodillos 354, 364, las partes 351, 361 de las mordazas siguen las deformaciones de las cabezas de la probeta, liberando las tensiones parasitas a nivel de estas cabezas. En la figura 5B, la forma inicial de la probeta está representada en trazos discontinuos.

En el ejemplo ilustrado por las figuras 5 A y 5B, los ejes de rotación R están situados en la parte útil de la probeta, es decir el cuerpo 31, cerca de los empalmes con las cabezas 32, 33. Es necesario que estos ejes de rotación se sitúen en el exterior de las primeras partes 351, 361 de las mordazas 35, 36, del lado opuesto a las segundas partes, con el fin de encontrarse en unas zonas no limitadas por la fijación sobre las mordazas. Según la naturaleza particular del ensayo a realizar, por ejemplo ensayo a tracción elástica, ensayo a tracción con dañado del material, las posiciones de los ejes de rotación pueden ser escogidas más o menos profundamente en la parte útil de la probeta. Basta para ello disponer de mordazas adaptadas, es decir con diferentes juegos de caminos de leva o bien embridar más o menos profundamente la probeta en la mordaza, pudiendo ser todas las probetas realizadas de la misma manera. Se observará además que el montaje de la probeta en las mordazas es simple y rápido, y no presenta ninguna inestabilidad angular.

En el ejemplo que precede, el montaje de la probeta ofrece, en cada extremo, un solo grado de libertad en rotación alrededor de un eje perpendicular a las caras de la probeta. Este montaje es conveniente cuando el material presenta, en la probeta, un eje de simetría paralelo a las caras de la misma.

Se observará finalmente que los montajes 3 y 4 son convenientes para realizar no solamente unos ensayos a tracción, sino también unos ensayos a compresión.

En lo que precede, las superficies de guiado sobre las cuales ruedan sin deslizarse los rodillos 354, 364 son cilíndricas de sección circular o esférica , por lo tanto definen, para cada cabeza de probeta, un eje o centro de rotación fijo.

Con el fin de poder liberar lo mejor posible las tensiones parásitas, se podrá preferir hacer evolucionar la posición del centro o del eje de rotación, por ejemplo alejándolo progresivamente del extremo correspondiente de la probeta a medida que tiene lugar la deformación de la cabeza de la probeta situada en
este extremo.

Para ello, se confiere a las superficies de guiado un radio de curvatura variable, por ejemplo creciente, de forma continua o por escalones, a partir de su centro y hacia sus bordes laterales.

Obviamente, si es necesario, el emplazamiento del centro o del eje de rotación podrá variar en una dirección opuesta a la prevista más arriba.

Claims (2)

1. Dispositivo para el ensayo de material anisotrópico, en particular de material compuesto, en forma de una probeta (30) que tiene un cuerpo longitudinal (31) provisto de una cabeza (32, 33) en cada extremo, comprendiendo dicho dispositivo:

dos mordazas (35, 36) que tienen cada una primera parte (351, 361) destinada a estar unida a una cabeza de probeta y una segunda parte (352, 362) destinada a estar unida a una máquina de ensayo con el fin de poder transmitir a una probeta un esfuerzo que tiene una dirección longitudinal no necesariamente confundida con un eje de simetría del material, estando la primera parte (351, 361) y la segunda parte (352, 361) unidas en cada mordaza la una a la otra por una unión que permite al menos un grado de libertad en rotación alrededor de al menos un eje de rotación que tiene una dirección transversal con respecto a la
dirección longitudinal de esfuerzo y situado en el exterior de la segunda parte, del lado opuesto a la primera parte, de manera que permita, durante un ensayo, una deformación de una probeta por rotación de cada cabeza con respecto al cuerpo de la probeta, de forma que pueden ser liberadas unas tensiones parásitas de la probeta debidas a la no coincidencia entre la dirección del esfuerzo y un eje de simetría del material, caracterizado porque la unión entre la primera parte (351, 361) y la segunda parte (352, 362) de cada mordaza comprende un rodillo (354, 364) montado libre en rotación sobre la segunda parte y guiado entre unas superficies cilíndricas de la primera parte.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas superficies de guiado curvas tienen una curvatura variable, de tal manera que la posición del eje o centro de rotación para una cabeza de probeta varía durante la rotación de la misma.