Com mais de 25 anos de experiência em testes de materiais, metalurgia e engenharia de sistemas, o Dr. Erik Schwarzkopf, cientista da equipe MTS, traz uma experiência única para os clientes. Steve Lemmer, Engenheiro de Projeto Sênior da MTS, vem desenvolvendo soluções de teste inovadoras há mais de 23 anos e desempenhou um papel instrumental no projeto dos quinze sistemas de teste biaxial planar que a MTS instalou em todo o mundo. Nesta seção de P&R, eles discutem as origens, desafios e vantagens dos testes biaxiais planares.
P: O que é um teste biaxial planar? Como se diferencia dos testes uniaxial convencionais?
Schwarzkopf: A ideia de testes biaxiais planares é que no mundo real, a maioria das estruturas e componentes estão sujeitas a carga em mais de uma direção. Para simular as condições do mundo real, os engenheiros de teste precisam da capacidade de puxar o corpo de prova em várias direções enquanto exercem um grande controle sobre o processo. Neste caso, "controle" significa manter o centro do corpo de prova precisamente no centro e remover o risco de stress adicional de deformação. Nosso sistema biaxial planar utiliza quatro atuadores em um plano para realizar isto. Os corpos de prova de teste para testes biaxiais planares são únicos, na medida em que muitas vezes têm uma forma cruciforme com quatro pontos de fixação; e os braços são tipicamente de comprimento igual. Isto é importante porque tudo ao redor do centro do corpo de prova precisa se esticar uniformemente. Caso contrário, o teste não alcançará os resultados corretos.
P: Como foram realizados os testes biaxiais planares? Quais são suas origens?
Schwarzkopf: A necessidade de testes biaxiais planares surgiu nos anos 60 com o advento dos motores a jato. Havia muito interesse entre os fabricantes aeroespaciais sobre os estados de estresse nas estruturas das aeronaves. Outra aplicação precoce foi a análise da estrutura granular da chapa metálica na fabricação de automóveis. Antes dos testes biaxiais planares, os engenheiros realizavam testes uniaxiais múltiplos e separados e previam o comportamento multiaxial do mundo real usando extrapolação.
P: Qual o papel que MTS desempenhou no refinamento da tecnologia de teste biaxial planar?
Schwarzkopf: A MTS se envolveu na década de 1980. Fomos pioneiros no desenvolvimento dos primeiros sistemas de teste biaxial que podiam torcer e puxar ao mesmo tempo, utilizando uma única unidade de carga. Depois adicionamos cargas laterais, para as quais você precisa de quatro atuadores. A capacidade de nossas soluções para controlar vários eixos simultaneamente era vital para tornar este tipo de teste tanto viável quanto preciso. A MTS estava muito familiarizada com o controle da relação de fase entre vários atuadores através de nossa experiência na indústria automotiva. Depois adicionamos uma estrutura de carga para garantir uma relação geométrica específica. Mais tarde, nos anos 90, desenvolvemos o software, os controladores digitais e os esquemas de controle que facilitaram ao cliente a obtenção de um controle centroide adequado. Era possível antes disso, mas era muito difícil e pouco eficiente para muitos laboratórios.
P: Quais necessidades críticas os testes biaxiais planares atendem?
Schwarzkopf: Os engenheiros dependem de dados de teste biaxial planar para tomar decisões importantes sobre a resistência e espessura do material. Há aplicações em muitos segmentos, principalmente para testar metais. O foco tende a ser os testes dinâmicos, ou seja, a mecânica da fratura e o crescimento da fissura por fadiga. Nossos clientes precisam saber a rapidez com que uma fenda crescerá e quando atingirá um tamanho crítico sob várias condições de carga. Outras simulações biaxiais planares são usadas para testar componentes reais do mundo real. Estes testes podem ser verdadeiramente biaxiais, bem como axiais e torcionais, e estas forças podem estar em sincronia ou opostas. Alguns clientes podem querer fazer testes de tolerância a danos para medir o crescimento da fenda de um grande furo no material, depois reparar o dano e ver como o reparo se mantém, ou testar quantas vezes o mesmo furo pode ser reparado. Esta é a beleza do teste biaxial planar: ele pode ser adaptado para controlar as forças de qualquer forma que produza os dados necessários.
P: Como os clientes utilizam os dados dos testes biaxiais planares?
Schwarzkopf: Os dados ajudam nossos clientes a desenvolver novas técnicas de fabricação, compreender o comportamento de novos materiais como compósitos e desenvolver melhores modelos. Há numerosas aplicações práticas, normalmente realizadas em grandes instalações de pesquisa e desenvolvimento. Os fabricantes aeroespaciais estão examinando estruturas e componentes de aeronaves. Os fabricantes de turbinas a gás estão testando componentes utilizados em motores a jato de aeronaves e unidades de geração de energia. Os grandes laboratórios tendem a estar muito interessados em testes biaxiais planares. Eles proporcionam um grau de realismo que está significativamente mais próximo do ambiente operacional real do que pode ser alcançado com testes uniaxiais. Mas em casos onde falhas estruturais ou de componentes podem ter resultados desastrosos, o que certamente é o caso da geração aeroespacial e de energia, os testes biaxiais planares são muito populares.
P: Quais são alguns dos principais desafios técnicos dos testes biaxiais planares?
Lemmer: Os aspectos mais desafiadores dos testes biaxiais planares incluem: obter um controle centroide preciso; assegurar o alinhamento adequado do sistema; e realizar a repetibilidade dos testes.
P: O que é controle centroide?
Lemmer: Controle centroide refere-se à capacidade de manter o centro do corpo de prova precisamente onde o pesquisador quer; geralmente, mas nem sempre, no centro do espaço de teste. Os sistemas biaxiais planares MTS podem controlar a localização do centroide dentro de mícrons. Na maioria das aplicações, o cliente quer mover as bordas para fora ou para dentro, apertando e puxando, em um teste cíclico. Mas o centro tem que permanecer estacionário. Estes testes duram dias. Nossos sistemas biaxiais planares são otimizados para testes de fadiga de baixo ciclo, que normalmente são de dez mil ciclos. Uma frequência típica para estes testes é de 1 Hz.
P: Por que garantir o alinhamento do sistema é importante?
Lemmer: Se o teste empurrar e puxar o corpo de prova em duas direções, a aplicação dessas forças deve ocorrer no mesmo plano. Caso contrário, ele introduz uma força de deformação não intencional ou tensão de cisalhamento que não pode ser devidamente controlada e que não é contabilizada na análise. Isso compromete os dados porque o estresse não intencional pode levar à falha precoce do corpo de prova. Se você estiver contando ciclos até o fracasso, esse número não será exato. A tensão não intencional também coloca o corpo de prova em risco de deformar. Em muitas indústrias, especialmente a aeroespacial, o corpo de prova pode ser muito caro para substituir. A MTS garante um alinhamento adequado com um dispositivo de alinhamento que proporciona um ajuste de alinhamento grip-to-grip para garantir que tudo seja coplanar, concêntrico e angularmente ajustado. A MTS usina precisamente os atuadores e seus locais de montagem para minimizar as deformações por flexão, mas mesmo pequenos desalinhamentos podem afetar o teste; pequenos ajustes devem ser feitos e a fixação do alinhamento facilita a realização desses ajustes.
P: O dispositivo de alinhamento garante a repetibilidade do teste?
Lemmer: Depois de obter o alinhamento perfeito da estrutura, você tem que colocar o corpo de prova real no lugar e então garantir que o alinhamento ainda esteja correto. Utilizamos garras hidráulica em cunha padrão que se prendem ao corpo de prova da mesma forma todas as vezes. Eles aplicam a mesma força a cada extremidade do corpo de prova. Em outras palavras, eles são muito repetíveis. E eles são projetados para acomodar muitos corpos de prova de diferentes tamanhos. A outra opção é usar um dispositivo mecânico com parafusos que não é tão flexível e não oferece o mesmo tipo de repetibilidade de alinhamento induzido pela aderência. Com a MTS, você pode ter certeza de que o corpo de prova estará alinhado em minutos. Outros sistemas podem levar até meio dia para conseguir o mesmo.
P: Como esses desafios moldaram a oferta biaxial planar da MTS?
Lemmer: Para garantir a integridade dos dados de teste nossos sistemas são projetados para o máximo controle e alinhamento. Eles proporcionam uma rigidez lateral excepcional. Os atuadores incluem mancais hidrostáticos e são aninhados juntos para minimizar a distância entre o atuador e o espaço de teste. Um dispositivo de proteção contra o excesso de demanda ajuda a suportar cada atuador no caso de um evento fora do avião. Estes apanharão a flexão no trem de carga e levarão as forças de volta ao solo em vez de danificar as células de carga ou os atuadores. Porque não importa quão cuidadoso você seja, as pernas dos corpos de prova podem quebrar inesperadamente. Nosso projeto de sistema evita que a estrutura seja danificada. É um projeto muito robusto com quase nenhum atrito nos atuadores, o que também é importante para a fidelidade à forma de onda e ao software de controle.
P: Qual é a gama de ofertas da MTS para testes biaxial planar?
Lemmer: Temos capacidades de força que variam de 25 a 500 kN. Temos também um sistema que pode fornecer 250 kN em uma direção e 500 kN em outra. Muitos desses sistemas também têm capacidade de torção. Cada solução inclui os acessórios necessários, software, tecnologia de controle digital e interface de usuário para atender às exigências específicas de cada aplicação de teste do cliente. É uma solução completa, para que o cliente desfrute de uma experiência "one-stop" e possa estar confiante de que todos os componentes são projetados para interagir perfeitamente. Instalamos quinze desses sistemas em todo o mundo desde 1990 e compreendemos muito bem tanto o equipamento de teste quanto os testes.
P: Quais são alguns exemplos de melhorias que a MTS pode incorporar em sistemas biaxiais planares?
Lemmer: O projeto dos sistemas biaxiais planares MTS pode ser prontamente modificado para atender às exigências exatas de testes dos clientes. Muitos clientes querem manter as cargas iguais em ambas as direções. Mas alguns não o fazem. Por exemplo, um cliente biaxial planar estava mais interessado em controlar a relação das cargas, e mudar a relação para ver como afetava a propagação e orientação da fissura. Isto também é conhecido como a saída do círculo de Mohr. As tensões principais criam tensão de cisalhamento em um ângulo. Os estados de estresse e as taxas de crescimento da fissura podem ser completamente diferentes nestes casos, o que, naturalmente, tem implicações no projeto. Como mencionado, também podemos adicionar rotação a uma configuração de sistema de teste biaxial planar, o que permite aos pesquisadores investigar uma porção muito maior do tensor de tensão. Ao longo dos anos integramos uma variedade de sistemas de simulação ambiental em soluções biaxiais planares para aplicar temperaturas extremas, vácuo e umidade aos corpos de prova em teste. Mais recentemente, projetamos um sistema compacto de baixa massa de 25 kN que permite aos pesquisadores se integrarem e se articularem dentro de uma linha estacionária de feixes de partículas.
Entre em contato com a MTS hoje para saber mais sobre soluções para testes biaxiais planares.
P: O que é um teste biaxial planar? Como se diferencia dos testes uniaxial convencionais?
Schwarzkopf: A ideia de testes biaxiais planares é que no mundo real, a maioria das estruturas e componentes estão sujeitas a carga em mais de uma direção. Para simular as condições do mundo real, os engenheiros de teste precisam da capacidade de puxar o corpo de prova em várias direções enquanto exercem um grande controle sobre o processo. Neste caso, "controle" significa manter o centro do corpo de prova precisamente no centro e remover o risco de stress adicional de deformação. Nosso sistema biaxial planar utiliza quatro atuadores em um plano para realizar isto. Os corpos de prova de teste para testes biaxiais planares são únicos, na medida em que muitas vezes têm uma forma cruciforme com quatro pontos de fixação; e os braços são tipicamente de comprimento igual. Isto é importante porque tudo ao redor do centro do corpo de prova precisa se esticar uniformemente. Caso contrário, o teste não alcançará os resultados corretos.
P: Como foram realizados os testes biaxiais planares? Quais são suas origens?
Schwarzkopf: A necessidade de testes biaxiais planares surgiu nos anos 60 com o advento dos motores a jato. Havia muito interesse entre os fabricantes aeroespaciais sobre os estados de estresse nas estruturas das aeronaves. Outra aplicação precoce foi a análise da estrutura granular da chapa metálica na fabricação de automóveis. Antes dos testes biaxiais planares, os engenheiros realizavam testes uniaxiais múltiplos e separados e previam o comportamento multiaxial do mundo real usando extrapolação.
P: Qual o papel que MTS desempenhou no refinamento da tecnologia de teste biaxial planar?
Schwarzkopf: A MTS se envolveu na década de 1980. Fomos pioneiros no desenvolvimento dos primeiros sistemas de teste biaxial que podiam torcer e puxar ao mesmo tempo, utilizando uma única unidade de carga. Depois adicionamos cargas laterais, para as quais você precisa de quatro atuadores. A capacidade de nossas soluções para controlar vários eixos simultaneamente era vital para tornar este tipo de teste tanto viável quanto preciso. A MTS estava muito familiarizada com o controle da relação de fase entre vários atuadores através de nossa experiência na indústria automotiva. Depois adicionamos uma estrutura de carga para garantir uma relação geométrica específica. Mais tarde, nos anos 90, desenvolvemos o software, os controladores digitais e os esquemas de controle que facilitaram ao cliente a obtenção de um controle centroide adequado. Era possível antes disso, mas era muito difícil e pouco eficiente para muitos laboratórios.
P: Quais necessidades críticas os testes biaxiais planares atendem?
Schwarzkopf: Os engenheiros dependem de dados de teste biaxial planar para tomar decisões importantes sobre a resistência e espessura do material. Há aplicações em muitos segmentos, principalmente para testar metais. O foco tende a ser os testes dinâmicos, ou seja, a mecânica da fratura e o crescimento da fissura por fadiga. Nossos clientes precisam saber a rapidez com que uma fenda crescerá e quando atingirá um tamanho crítico sob várias condições de carga. Outras simulações biaxiais planares são usadas para testar componentes reais do mundo real. Estes testes podem ser verdadeiramente biaxiais, bem como axiais e torcionais, e estas forças podem estar em sincronia ou opostas. Alguns clientes podem querer fazer testes de tolerância a danos para medir o crescimento da fenda de um grande furo no material, depois reparar o dano e ver como o reparo se mantém, ou testar quantas vezes o mesmo furo pode ser reparado. Esta é a beleza do teste biaxial planar: ele pode ser adaptado para controlar as forças de qualquer forma que produza os dados necessários.
P: Como os clientes utilizam os dados dos testes biaxiais planares?
Schwarzkopf: Os dados ajudam nossos clientes a desenvolver novas técnicas de fabricação, compreender o comportamento de novos materiais como compósitos e desenvolver melhores modelos. Há numerosas aplicações práticas, normalmente realizadas em grandes instalações de pesquisa e desenvolvimento. Os fabricantes aeroespaciais estão examinando estruturas e componentes de aeronaves. Os fabricantes de turbinas a gás estão testando componentes utilizados em motores a jato de aeronaves e unidades de geração de energia. Os grandes laboratórios tendem a estar muito interessados em testes biaxiais planares. Eles proporcionam um grau de realismo que está significativamente mais próximo do ambiente operacional real do que pode ser alcançado com testes uniaxiais. Mas em casos onde falhas estruturais ou de componentes podem ter resultados desastrosos, o que certamente é o caso da geração aeroespacial e de energia, os testes biaxiais planares são muito populares.
P: Quais são alguns dos principais desafios técnicos dos testes biaxiais planares?
Lemmer: Os aspectos mais desafiadores dos testes biaxiais planares incluem: obter um controle centroide preciso; assegurar o alinhamento adequado do sistema; e realizar a repetibilidade dos testes.
P: O que é controle centroide?
Lemmer: Controle centroide refere-se à capacidade de manter o centro do corpo de prova precisamente onde o pesquisador quer; geralmente, mas nem sempre, no centro do espaço de teste. Os sistemas biaxiais planares MTS podem controlar a localização do centroide dentro de mícrons. Na maioria das aplicações, o cliente quer mover as bordas para fora ou para dentro, apertando e puxando, em um teste cíclico. Mas o centro tem que permanecer estacionário. Estes testes duram dias. Nossos sistemas biaxiais planares são otimizados para testes de fadiga de baixo ciclo, que normalmente são de dez mil ciclos. Uma frequência típica para estes testes é de 1 Hz.
P: Por que garantir o alinhamento do sistema é importante?
Lemmer: Se o teste empurrar e puxar o corpo de prova em duas direções, a aplicação dessas forças deve ocorrer no mesmo plano. Caso contrário, ele introduz uma força de deformação não intencional ou tensão de cisalhamento que não pode ser devidamente controlada e que não é contabilizada na análise. Isso compromete os dados porque o estresse não intencional pode levar à falha precoce do corpo de prova. Se você estiver contando ciclos até o fracasso, esse número não será exato. A tensão não intencional também coloca o corpo de prova em risco de deformar. Em muitas indústrias, especialmente a aeroespacial, o corpo de prova pode ser muito caro para substituir. A MTS garante um alinhamento adequado com um dispositivo de alinhamento que proporciona um ajuste de alinhamento grip-to-grip para garantir que tudo seja coplanar, concêntrico e angularmente ajustado. A MTS usina precisamente os atuadores e seus locais de montagem para minimizar as deformações por flexão, mas mesmo pequenos desalinhamentos podem afetar o teste; pequenos ajustes devem ser feitos e a fixação do alinhamento facilita a realização desses ajustes.
P: O dispositivo de alinhamento garante a repetibilidade do teste?
Lemmer: Depois de obter o alinhamento perfeito da estrutura, você tem que colocar o corpo de prova real no lugar e então garantir que o alinhamento ainda esteja correto. Utilizamos garras hidráulica em cunha padrão que se prendem ao corpo de prova da mesma forma todas as vezes. Eles aplicam a mesma força a cada extremidade do corpo de prova. Em outras palavras, eles são muito repetíveis. E eles são projetados para acomodar muitos corpos de prova de diferentes tamanhos. A outra opção é usar um dispositivo mecânico com parafusos que não é tão flexível e não oferece o mesmo tipo de repetibilidade de alinhamento induzido pela aderência. Com a MTS, você pode ter certeza de que o corpo de prova estará alinhado em minutos. Outros sistemas podem levar até meio dia para conseguir o mesmo.
P: Como esses desafios moldaram a oferta biaxial planar da MTS?
Lemmer: Para garantir a integridade dos dados de teste nossos sistemas são projetados para o máximo controle e alinhamento. Eles proporcionam uma rigidez lateral excepcional. Os atuadores incluem mancais hidrostáticos e são aninhados juntos para minimizar a distância entre o atuador e o espaço de teste. Um dispositivo de proteção contra o excesso de demanda ajuda a suportar cada atuador no caso de um evento fora do avião. Estes apanharão a flexão no trem de carga e levarão as forças de volta ao solo em vez de danificar as células de carga ou os atuadores. Porque não importa quão cuidadoso você seja, as pernas dos corpos de prova podem quebrar inesperadamente. Nosso projeto de sistema evita que a estrutura seja danificada. É um projeto muito robusto com quase nenhum atrito nos atuadores, o que também é importante para a fidelidade à forma de onda e ao software de controle.
P: Qual é a gama de ofertas da MTS para testes biaxial planar?
Lemmer: Temos capacidades de força que variam de 25 a 500 kN. Temos também um sistema que pode fornecer 250 kN em uma direção e 500 kN em outra. Muitos desses sistemas também têm capacidade de torção. Cada solução inclui os acessórios necessários, software, tecnologia de controle digital e interface de usuário para atender às exigências específicas de cada aplicação de teste do cliente. É uma solução completa, para que o cliente desfrute de uma experiência "one-stop" e possa estar confiante de que todos os componentes são projetados para interagir perfeitamente. Instalamos quinze desses sistemas em todo o mundo desde 1990 e compreendemos muito bem tanto o equipamento de teste quanto os testes.
P: Quais são alguns exemplos de melhorias que a MTS pode incorporar em sistemas biaxiais planares?
Lemmer: O projeto dos sistemas biaxiais planares MTS pode ser prontamente modificado para atender às exigências exatas de testes dos clientes. Muitos clientes querem manter as cargas iguais em ambas as direções. Mas alguns não o fazem. Por exemplo, um cliente biaxial planar estava mais interessado em controlar a relação das cargas, e mudar a relação para ver como afetava a propagação e orientação da fissura. Isto também é conhecido como a saída do círculo de Mohr. As tensões principais criam tensão de cisalhamento em um ângulo. Os estados de estresse e as taxas de crescimento da fissura podem ser completamente diferentes nestes casos, o que, naturalmente, tem implicações no projeto. Como mencionado, também podemos adicionar rotação a uma configuração de sistema de teste biaxial planar, o que permite aos pesquisadores investigar uma porção muito maior do tensor de tensão. Ao longo dos anos integramos uma variedade de sistemas de simulação ambiental em soluções biaxiais planares para aplicar temperaturas extremas, vácuo e umidade aos corpos de prova em teste. Mais recentemente, projetamos um sistema compacto de baixa massa de 25 kN que permite aos pesquisadores se integrarem e se articularem dentro de uma linha estacionária de feixes de partículas.
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