PT109134B - Equipamento para ensaios de fadiga a frequências ultrassónicas em regime multiaxial direções axial e torcional - Google Patents

Equipamento para ensaios de fadiga a frequências ultrassónicas em regime multiaxial direções axial e torcional Download PDF

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Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A UM EQUIPAMENTO QUE PERMITE A REALIZAÇÃO DE ENSAIOS DE FADIGA A FREQUÊNCIAS ULTRASSÓNICAS EM CARREGAMENTO MULTIAXIAL, MAIS ESPECIFICAMENTE BIAXIAL. O EQUIPAMENTO É FORMADO POR DOIS COMPONENTES, A CORNETA (1) E O PROVETE (5), QUE SE ENCONTRAM ACOPLADOS ENTRE SI. A CORNETA (1) E O PROVETE (5) POSSUEM UMA GEOMETRIA TAL QUE A SUA FREQUÊNCIA DE RESSONÂNCIA QUE É DE RELEVÂNCIA PARA O ENSAIO ESTÁ SINCRONIZADA À FREQUÊNCIA DE EXCITAÇÃO DO EXCITADOR, PARA ASSIM TODO O CONJUNTO VIBRAR EM REGIME LIVRE. ATRAVÉS DO SEU MODO DE VIBRAÇÃO, A CORNETA (1) TRANSFORMA O MOVIMENTO PURO AXIAL CÍCLICO QUE RECEBE DO EXCITADOR NUM MOVIMENTO MISTO COMPOSTO POR MOVIMENTOS AXIAL E TORCIONAL CÍCLICOS E EM FASE. O PROVETE (5) POSSUI, SINCRONIZADOS À MESMA FREQUÊNCIA, O SEU PRIMEIRO MODO AXIAL DE VIBRAÇÃO E O SEU TERCEIRO MODO TORCIONAL DE VIBRAÇÃO.

Description

DESCRIÇÃO
Equipamento para ensaios de fadiga a frequências ultrassónicas em regime multiaxial - direções axial e torcional
Campo da invenção
A presente invenção refere-se a um equipamento que permite a realização de ensaios a frequências ultrassónicas em regime multiaxial - axial e torcional, recorrendo a um excitador ultrassónico axial comercial. A utilização deste tipo de excitadores permite atingir, em pouco tempo, números de ciclos na casa dos milhares de milhões, ou mais. Por exemplo, uma máquina convencional hidráulica de fadiga multiaxial, que poderá trabalhar a 50 Hz, demoraria mais de meio ano a atingir 109 ciclos. Um excitador piezoelétrico de 20 kHz demoraria apenas 14 horas.
Este equipamento permitirá assim, pela primeira vez, estudar e avaliar o comportamento de determinados materiais metálicos na região de muito elevado número de ciclos em regime multiaxial - axial e torcional.
Este tipo de ensaios é particularmente relevante para as indústrias automóvel e aeroespacial, onde diversos componentes são solicitados em carregamentos multiaxiais cíclicos, com números de ciclos que muitas vezes superam os milhares de milhões.
Estado da técnica
Os ensaios de fadiga na região de muito elevado número de ciclos constituem uma área de investigação relativamente recente, notabilizando-se ainda a inexistência de normas que uniformizem este tipo de ensaios. No entanto, por permitirem a compreensão do comportamento mecânico dos materiais em regimes que não tinham sido estudados anteriormente, têm sido alvo de forte atenção por parte de diversos investigadores e centros de investigação em todo o mundo.
primeiro tipo de ensaios relatado diz respeito a ensaios de fadiga uniaxiais, onde um excitador ultrassónico uniaxial excita todo o sistema (excitador, corneta e provete) à sua frequência de ressonância, vibrando em regime livre. Mais recentemente foram relatados ensaios no domínio torcional e em flexão de três pontos. Também há desenvolvimentos na utilização deste tipo de ensaios na fadiga de contacto.
Não existem atualmente equipamentos para a realização de ensaios multiaxiais de fadiga recorrendo a excitadores ultrassónicos. Existem, no entanto, diversos equipamentos no mercado que realizam ensaios multiaxiais recorrendo a excitadores hidráulicos (por exemplo: US7509882, CN103149022B, US2002162400A1, WO2012156606A1, entre muitas outras).
Algumas invenções, baseadas no mesmo princípio conceptual da presente invenção, foram relatadas (EP 2243449 Al, US 6077285 A, US 20010011176 Al) . No entanto, para além de existirem notórias diferenças de projeto, o objetivo destas invenções incide em áreas de investigação diferentes.
Por exemplo, o documento US 6077285 A refere-se a um dispositivo ultrassónico cirúrgico adequado para procedimentos oftalmológicos. Este documento, além de ter um objetivo totalmente diferente do da presente invenção, utiliza dois excitadores piezoelétricos e é desprovido de qualquer provete.
A presente invenção tem, assim, por objeto, a apresentação de um equipamento que contorna as desvantagens do estado da técnica referidas anteriormente, em especial, a apresentação de um equipamento que permita a realização de ensaios de fadiga a frequências ultrassónicas em carregamento multiaxial, mais especificamente biaxial axial e torcional.
Sumário da invenção
A presente invenção refere-se a um equipamento para ensaios de fadiga multiaxiais a frequências ultrassónicas recorrendo a um excitador ultrassónico axial, caracterizado por o dito excitador ultrassónico axial estar acoplado a uma corneta (1), que contém uma pluralidade de rasgos oblíquos (3) na superfície de revolução cónica, inclinados com um determinado ângulo em relação ao eixo da corneta (1), sendo acoplada por sua vez a um provete (5) de formato cilíndrico, por meio de fixação mecânica, em que o provete (5) possui uma garganta superior (7), uma garganta central (8) e uma garganta inferior (9), funcionando o equipamento no regime de ressonância do excitador, corneta (1) e provete (5).
A corneta (1) e o provete (5) possuem uma geometria tal que a sua frequência de ressonância que é de relevância para o ensaio está sincronizada à frequência de excitação do excitador, para assim todo o conjunto vibrar em regime livre.
Através do seu modo de vibração, a corneta (1) transforma o movimento puro axial cíclico que recebe do excitador num movimento misto composto por movimentos axial e torcional cíclicos e em fase. 0 provete (5) possui, sincronizados à mesma frequência, o seu primeiro modo axial de vibração e o seu terceiro modo torcional de vibração.
Descrição detalhada da invenção
A presente invenção refere-se a um equipamento para ensaios de fadiga a frequências ultrassónicas em carregamento multiaxial, mais especificamente biaxial - axial e torcional. 0 equipamento é formado por dois componentes, a corneta (1) e o provete (5), que se encontram acoplados entre si.
equipamento é constituído por uma corneta (1), contendo uma pluralidade de rasgos oblíquos (3) na superfície de revolução cónica, inclinados com um determinado ângulo em relação ao eixo da corneta (1), acoplada a um provete (5) de formato cilíndrico por meio de fixação mecânica, que possui uma garganta superior (7), uma garganta central (8) e uma garganta inferior (9), funcionando no regime de ressonância do excitador, corneta (1) e provete (5) . Os ensaios de fadiga são realizados a frequências ultrassónicas em carregamento multiaxial, mais especificamente biaxial - axial e torcional.
A corneta (1) e o provete (5) possuem uma geometria tal que a sua frequência de ressonância que é de relevância para o ensaio está sincronizada à frequência de excitação do excitador, para assim todo o conjunto vibrar em regime livre.
Através do seu modo de vibração, a corneta (1) transforma o movimento puro axial cíclico que recebe do excitador num movimento misto composto por movimentos axial e torcional cíclicos e em fase.
A corneta (1) tem dimensões dependentes do material do qual a corneta (1) é formada.
provete (5) possui, sincronizados à mesma frequência, o seu primeiro modo axial de vibração e o seu terceiro modo torcional de vibração.
provete (5) tem dimensões globais dependentes do material do qual o provete (5) é formado.
equipamento, representado na Figura 6, é formado por uma corneta (1) e um provete (5), que se encontram acoplados entre si por meio de fixação mecânica. 0 equipamento é fixado ao excitador ultrassónico por meio de fixação mecânica.
A corneta (1) possui um modo de vibração misto à frequência de excitação do excitador ultrassónico. A corneta (1) contém uma pluralidade de rasgos oblíquos (3) em relação ao seu eixo de revolução que são responsáveis pela geração do movimento rotacional na superfície de contacto (4) da corneta (1) com o provete (5), à frequência de excitação.
provete (5) possui dois modos de vibração à frequência de ressonância do excitador ultrassónico. Um modo de vibração axial e um modo de vibração torcional. Ambos os modos são excitados pela corneta (1). A relação entre a magnitude com que cada um dos modos é excitado depende da geometria dos rasgos oblíquos (3) da corneta (1).
A geometria e o modo de vibração misto do provete (5) promovem a concentração de tensões na garganta central (8), aquela que se pretende testar. 0 campo de tensões nessa garganta central (8) é biaxial, com uma tensão normal e uma tensão de corte. Desta forma, é possível a realização de ensaios de fadiga multiaxiais recorrendo a excitadores ultrassónicos, permitindo a obtenção de propriedades de diferentes materiais para números de ciclos muito elevados quando sujeitos a carregamentos multiaxiais.
Descrição das figuras
A Figura 1 representa a corneta (1) formada por uma rosca de conexão ao excitador ultrassónico, uma superfície de contacto (2) da corneta (1) com o excitador, uma pluralidade de rasgos oblíquos (3) e uma superfície de contacto (4) da corneta (1) com o provete (5).
A Figura 2 representa o provete (5) formado por uma superfície de contacto (6) do provete (5) com a corneta (1), uma garganta superior (7), uma garganta central (8) e uma garganta inferior (9)).
A Figura 3 representa o modo de vibração computacional do conjunto da corneta (1) e do provete (5) à frequência de ensaio, onde a cor preta está associada aos maiores deslocamentos e a cor branca está associada aos menores deslocamentos. É possível ainda identificar os rasgos oblíquos (3) da corneta (1) e a garganta superior (7), a garganta central (8) e a garganta inferior (9) do provete (5) .
A Figura 4 representa o modo de vibração computacional de torção do provete (5), onde existe um nó de vibração na garganta superior (7), um nó de vibração na garganta central (8) e um nó de vibração na garganta inferior (9) . Para este modo, o deslocamento axial é nulo em todo o provete (5).
A Figura 5 representa o modo de vibração computacional axial do provete (5), onde existe um nó de vibração na garganta central (8). É possível também identificar a garganta superior (7) e a garganta inferior (9) . Para este modo, o deslocamento rotacional é nulo em todo o provete (5) .
A Figura 6 representa a vista lateral do conjunto da corneta (1) com o provete (5) . É possível identificar a superfície de contacto (2) da corneta (1) com o excitador ultrassónico, os rasgos oblíquos (3), a superfície de contacto (4) da corneta (1) com o provete (5) e a superfície de contacto (6) do provete (5) com a corneta (1), o provete (5) e a garganta superior (7), a garganta central (8) e a garganta inferior (9) do provete (5).
A Figura 7 representa o equipamento da presente invenção, onde se observa a corneta (1) e o provete (5).
A Figura 8 representa os dois sinais temporais adquiridos por dois vibrómetros nas medições de rotação do provete.
A Figura 9 representa os três sinais temporais adquiridos pelo extensómetro do tipo roseta de três canais que se encontra instalado na garganta central.
Exemplo
Um protótipo do equipamento aqui descrito foi construído e testado, sendo constituído por uma corneta (1) e um provete (5) . Os resultados preliminares indicam que o provete (5) possui comportamento rotacional que é confirmado pelos sinais representados na Figura 8. Um extensómetro do tipo roseta de três canais foi instalado na garganta central (8), cujos resultados temporais, que confirmam a existência de um carregamento multiaxial, são apresentados na Figura 9.

Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1 - Equipamento para ensaios de fadiga multiaxiais a frequências ultrassónicas recorrendo a um excitador ultrassónico axial, o dito excitador ultrassónico axial estar acoplado a uma corneta (1), que contém uma pluralidade de rasgos oblíquos (3) na superfície de revolução cónica, inclinados com um determinado ângulo em relação ao eixo da corneta (1), sendo acoplada por sua vez por meio de fixação mecânica a um provete (5) que tem uma garganta central (8); o equipamento opera no modo de ressonância do excitador, corneta (1) e provete (5), caracterizado por o provete (5) ter adicionalmente uma garganta superior (7) e uma garganta inferior (9), de forma a que, na frequência de excitação do excitador, o provete (5) tem o seu primeiro modo axial de vibração e o seu terceiro modo torsional de vibração.
  2. 2 - Método de fabricação do equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as dimensões da corneta (1) serem escolhidas com base no seu material.
  3. 3 - Método de fabricação do equipamento da reivindicação 1, caracterizado por as dimensões do provete (5) serem escolhidas com base no seu material.
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