Con oltre 25 anni di esperienza nelle prove sui materiali, nella metallurgia e nell'ingegneria dei sistemi, lo scienziato dello staff di MTS, il Dr. Erik Schwarzkopf, porta una competenza unica nei progetti dei clienti. Steve Lemmer, ingegnere progettista senior di MTS, sviluppa soluzioni di prova innovative da oltre 23 anni e ha svolto un ruolo fondamentale nella progettazione dei quindici sistemi di prova biassiali planari che MTS ha installato in tutto il mondo. In questo Q&A, illustrano le origini, le sfide e i vantaggi del test biassiale planare.
D: Che cos'è il test biassiale planare? In cosa differisce dai test monoassiali convenzionali?
Schwarzkopf: L'idea del test biassiale planare è che nel mondo reale, la maggior parte delle strutture e dei componenti sono soggetti a carichi in più di una direzione. Per simulare le condizioni del mondo reale, gli ingegneri addetti ai test hanno bisogno della capacità di tirare il campione in più direzioni esercitando un grande controllo sul processo. In questo caso, "controllo" significa mantenere il centro del campione esattamente al centro ed eliminare il rischio di ulteriori sollecitazioni di flessione. Il nostro sistema biassiale planare utilizza quattro attuatori in un piano per raggiungere questo obiettivo. I provini per prove biassiali planari sono unici in quanto sono spesso di forma cruciforme con quattro punti di attacco, inoltre le braccia sono tipicamente uguali in lunghezza. Questo è importante perché tutto intorno al centro del campione deve allungarsi in modo uniforme. In caso contrario, il test non otterrà i risultati corretti.
D: Come si è arrivati al test biassiale planare? Quali sono le sue origini?
Schwarzkopf: La necessità di test biassiali planari è emersa negli anni '60 con l'avvento dei motori a reazione. C'era molto interesse tra i produttori aerospaziali sugli stati di sollecitazione sulle strutture degli aerei. Un'altra delle prime applicazioni è stata l'analisi della struttura del grano della lamiera nella produzione automobilistica. Prima del test biassiale planare, gli ingegneri eseguivano più test monoassiali separati e prevedevano il comportamento multiassiale nel mondo reale utilizzando l'estrapolazione.
D: Che ruolo ha svolto MTS nel perfezionamento della tecnologia di test biassiale planare?
Schwarzkopf: MTS è stata coinvolta negli anni '80. Siamo stati pionieri nello sviluppo dei primi sistemi di prova biassiali in grado di ruotare e tirare contemporaneamente, utilizzando un'unica unità di carico. Quindi abbiamo aggiunto i carichi laterali, per i quali sono necessari quattro attuatori. La capacità delle nostre soluzioni di controllare più assi contemporaneamente è stata fondamentale per rendere questo tipo di test fattibile e accurato. MTS conosceva molto bene il controllo della relazione di fase tra più attuatori grazie alla nostra esperienza nel settore automobilistico. Quindi abbiamo aggiunto un telaio di carico per garantire una relazione geometrica specifica. Poi, negli anni '90 abbiamo sviluppato il software, i controller digitali e gli schemi di controllo che hanno reso più semplice per il cliente ottenere un corretto controllo del centroide. Prima era possibile, ma era molto difficile e non efficiente per molti laboratori.
D: A quali esigenze fondamentali rispondono i test biassiali planari?
Schwarzkopf: Gli ingegneri si affidano ai dati dei test biassiali planari per prendere importanti decisioni di progettazione sulla resistenza e lo spessore del materiale. Ci sono applicazioni in molti settori, principalmente per testare i metalli. L'attenzione tende a concentrarsi sulle prove dinamiche, vale a dire sulla meccanica della frattura e sulla propagazione della cricca per fatica. I nostri clienti hanno bisogno di sapere quanto velocemente crescerà una crepa e quanto presto raggiungerà una dimensione critica in varie condizioni di carico. Altre simulazioni planari biassiali vengono utilizzate per testare componenti effettive e del mondo reale. Questi test possono essere veramente biassiali, assiali e torsionali, e queste forze possono essere sincronizzate o opposte. Alcuni clienti potrebbero voler eseguire test di tolleranza al danno per misurare la crescita di crepe da un grande foro nel materiale, quindi riparare il danno e vedere come regge la riparazione, o testare quante volte lo stesso foro può essere riparato. Questa è la bellezza del test biassiale planare: può essere adattato per controllare le forze in qualunque modo produca i dati di cui hai bisogno.
D: In che modo i clienti utilizzano i dati dei test biassiali planari?
Schwarzkopf: I dati aiutano i nostri clienti a sviluppare nuove tecniche di produzione, comprendere il comportamento di nuovi materiali come i compositi e sviluppare modelli migliori. Esistono numerose applicazioni pratiche, generalmente eseguite in grandi strutture di ricerca e sviluppo. I produttori aerospaziali stanno esaminando strutture e componenti di aeromobili. I produttori di turbine a gas stanno testando i componenti utilizzati nei motori a reazione degli aerei e nelle unità di generazione di energia. I grandi laboratori nazionali sono tendenzialmente molto interessati ai test biassiali planari. Fornisce un grado di realismo che è significativamente più vicino all'ambiente operativo effettivo di quello che può essere ottenuto con i test monoassiali. Ma nei casi in cui il cedimento strutturale o dei componenti può avere risultati disastrosi, come è certamente il caso del settore aerospaziale e della generazione di energia, il test biassiale planare è molto apprezzato.
D: Quali sono alcune delle principali sfide tecniche dei test biassiali planari?
Lemmer: Gli aspetti più impegnativi del test biassiale planare includono: ottenere un controllo preciso del baricentro; garantire il corretto allineamento del sistema; e realizzare la ripetibilità del test.
D: Cos'è il controllo del baricentro?
Lemmer: Il controllo del baricentro si riferisce alla capacità di mantenere il centro del campione esattamente dove vuole il ricercatore, di solito, ma non sempre, al centro dello spazio di prova. I sistemi biassiali planari MTS possono controllare la posizione del baricentro nel raggio di micron. Nella maggior parte delle applicazioni, il cliente desidera spostare i bordi in fuori o dentro, schiacciando e tirando, in un test ciclico. Ma il centro deve rimanere fermo. Queste prove durano giorni. I nostri sistemi biassiali planari sono ottimizzati per le prove di fatica a basso numero di cicli, che in genere sono diecimila cicli. Una frequenza tipica per questi test è 1 Hz.
D: Perché è importante garantire l'allineamento del sistema?
Lemmer: Se la prova spinge e tira il campione in due direzioni, l'applicazione di tali forze deve avvenire sullo stesso piano. In caso contrario, introduce una forza di flessione involontaria o una sollecitazione di taglio che non può essere adeguatamente controllata e non viene considerata nell'analisi. Ciò compromette i dati perché la sollecitazione involontaria può portare a guasti precoci del campione. Se stai contando i cicli fino al fallimento, quel numero non sarà accurato. La sollecitazione involontaria mette anche il campione a rischio di instabilità. In molti settori, in particolare quello aerospaziale, la sostituzione del campione può essere molto costosa. MTS garantisce il corretto allineamento con un dispositivo di allineamento che fornisce la regolazione dell'allineamento presa-presa per garantire che tutto sia complanare, concentrico e regolato angolarmente. MTS lavora con precisione sugli attuatori e sulle loro posizioni di montaggio per ridurre al minimo le sollecitazioni di flessione, ma anche piccoli disallineamenti possono influenzare la prova; devono essere apportate piccole regolazioni e il dispositivo di allineamento facilita l'esecuzione di tali regolazioni.
D: Il dispositivo di allineamento garantisce la ripetibilità del test?
Lemmer: Dopo aver ottenuto l'allineamento perfetto del telaio, è necessario posizionare il campione effettivo e quindi assicurarsi che l'allineamento sia ancora corretto. Usiamo morsetti idraulici a cuneo standard che si fissano al campione nello stesso modo ogni volta. Applicano la stessa forza a ogni gamba del campione. In altre parole, sono molto ripetibili. E sono progettati per ospitare provini di molte dimensioni diverse. L'altra opzione consiste nell'utilizzare un dispositivo meccanico imbullonato che non è altrettanto flessibile e non fornisce lo stesso tipo di ripetibilità dell'allineamento indotta dalla presa. Con MTS, puoi assicurarti che il campione sia allineato in pochi minuti. Altri sistemi potrebbero richiedere mezza giornata.
D: In che modo queste sfide hanno plasmato l'offerta biassiale planare di MTS?
Lemmer: Per garantire l'integrità dei dati di test, i nostri sistemi sono progettati per il massimo controllo e allineamento. Forniscono una rigidità laterale eccezionale. Gli attuatori includono cuscinetti idrostatici e sono annidati insieme per ridurre al minimo la distanza dall'attuatore allo spazio di prova. Un dispositivo di protezione contro il momento eccessivo aiuta a supportare ciascun attuatore in caso di evento fuori piano. Questi cattureranno il dispositivo di fissaggio nel treno di carico e riporteranno le forze a terra invece di danneggiare le celle di carico o gli attuatori. Perché non importa quanto stai attento, le gambe del campione possono rompersi inaspettatamente. Il nostro design del sistema impedisce che il telaio venga danneggiato. È un design molto robusto con pochissimo attrito negli attuatori, cosa importante anche per la fedeltà della forma d'onda e il software di controllo.
D: Qual è la gamma di offerte MTS per i test biassiali planari?
Lemmer: Abbiamo capacità di forza che vanno da 25 a 500 kN. Disponiamo inoltre di un sistema in grado di fornire 250 kN in una direzione e 500 kN nell'altra. Molti di questi sistemi hanno anche capacità torsionali. Ogni soluzione include gli accessori, il software, la tecnologia di controllo digitale e l'interfaccia utente necessari per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione di prova di ciascun cliente. È una soluzione completa, quindi il cliente gode di un'esperienza completa e può essere certo che tutti i componenti sono progettati per interagire senza problemi. Abbiamo installato quindici di questi sistemi in tutto il mondo dal 1990 e comprendiamo molto profondamente sia le apparecchiature di prova che i test.
D: Quali sono alcuni esempi di miglioramenti che MTS può integrare nei sistemi biassiali planari?
Lemmer: Il design dei sistemi biassiali planari MTS può essere facilmente modificato per soddisfare i requisiti di prova esatti dei clienti. Molti clienti vogliono mantenere i carichi uguali in entrambe le direzioni. Ma alcuni no. Ad esempio, un cliente biassiale planare era più interessato a controllare il rapporto dei carichi e a modificare il rapporto per vedere come influenzava la propagazione e l'orientamento della cricca. Questo è anche noto come output del cerchio di Mohr. Le sollecitazioni principali creano sollecitazioni di taglio ad un angolo. Gli stati di sollecitazione e i tassi di crescita delle crepe possono essere completamente diversi in questi casi, il che ovviamente ha implicazioni nella progettazione. Come accennato, possiamo anche aggiungere la rotazione a una configurazione del sistema di prova biassiale planare, che consente ai ricercatori di studiare una porzione molto più ampia del tensore di sollecitazione. Nel corso degli anni abbiamo integrato una varietà di sistemi di simulazione ambientale in soluzioni planari biassiali per applicare temperature estreme, vuoto e umidità ai provini in prova. Più di recente, abbiamo progettato un sistema compatto da 25 kN a piccola massa che consente ai ricercatori di integrarsi e articolarsi all'interno di una linea di fasci di particelle stazionaria.
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D: Che cos'è il test biassiale planare? In cosa differisce dai test monoassiali convenzionali?
Schwarzkopf: L'idea del test biassiale planare è che nel mondo reale, la maggior parte delle strutture e dei componenti sono soggetti a carichi in più di una direzione. Per simulare le condizioni del mondo reale, gli ingegneri addetti ai test hanno bisogno della capacità di tirare il campione in più direzioni esercitando un grande controllo sul processo. In questo caso, "controllo" significa mantenere il centro del campione esattamente al centro ed eliminare il rischio di ulteriori sollecitazioni di flessione. Il nostro sistema biassiale planare utilizza quattro attuatori in un piano per raggiungere questo obiettivo. I provini per prove biassiali planari sono unici in quanto sono spesso di forma cruciforme con quattro punti di attacco, inoltre le braccia sono tipicamente uguali in lunghezza. Questo è importante perché tutto intorno al centro del campione deve allungarsi in modo uniforme. In caso contrario, il test non otterrà i risultati corretti.
D: Come si è arrivati al test biassiale planare? Quali sono le sue origini?
Schwarzkopf: La necessità di test biassiali planari è emersa negli anni '60 con l'avvento dei motori a reazione. C'era molto interesse tra i produttori aerospaziali sugli stati di sollecitazione sulle strutture degli aerei. Un'altra delle prime applicazioni è stata l'analisi della struttura del grano della lamiera nella produzione automobilistica. Prima del test biassiale planare, gli ingegneri eseguivano più test monoassiali separati e prevedevano il comportamento multiassiale nel mondo reale utilizzando l'estrapolazione.
D: Che ruolo ha svolto MTS nel perfezionamento della tecnologia di test biassiale planare?
Schwarzkopf: MTS è stata coinvolta negli anni '80. Siamo stati pionieri nello sviluppo dei primi sistemi di prova biassiali in grado di ruotare e tirare contemporaneamente, utilizzando un'unica unità di carico. Quindi abbiamo aggiunto i carichi laterali, per i quali sono necessari quattro attuatori. La capacità delle nostre soluzioni di controllare più assi contemporaneamente è stata fondamentale per rendere questo tipo di test fattibile e accurato. MTS conosceva molto bene il controllo della relazione di fase tra più attuatori grazie alla nostra esperienza nel settore automobilistico. Quindi abbiamo aggiunto un telaio di carico per garantire una relazione geometrica specifica. Poi, negli anni '90 abbiamo sviluppato il software, i controller digitali e gli schemi di controllo che hanno reso più semplice per il cliente ottenere un corretto controllo del centroide. Prima era possibile, ma era molto difficile e non efficiente per molti laboratori.
D: A quali esigenze fondamentali rispondono i test biassiali planari?
Schwarzkopf: Gli ingegneri si affidano ai dati dei test biassiali planari per prendere importanti decisioni di progettazione sulla resistenza e lo spessore del materiale. Ci sono applicazioni in molti settori, principalmente per testare i metalli. L'attenzione tende a concentrarsi sulle prove dinamiche, vale a dire sulla meccanica della frattura e sulla propagazione della cricca per fatica. I nostri clienti hanno bisogno di sapere quanto velocemente crescerà una crepa e quanto presto raggiungerà una dimensione critica in varie condizioni di carico. Altre simulazioni planari biassiali vengono utilizzate per testare componenti effettive e del mondo reale. Questi test possono essere veramente biassiali, assiali e torsionali, e queste forze possono essere sincronizzate o opposte. Alcuni clienti potrebbero voler eseguire test di tolleranza al danno per misurare la crescita di crepe da un grande foro nel materiale, quindi riparare il danno e vedere come regge la riparazione, o testare quante volte lo stesso foro può essere riparato. Questa è la bellezza del test biassiale planare: può essere adattato per controllare le forze in qualunque modo produca i dati di cui hai bisogno.
D: In che modo i clienti utilizzano i dati dei test biassiali planari?
Schwarzkopf: I dati aiutano i nostri clienti a sviluppare nuove tecniche di produzione, comprendere il comportamento di nuovi materiali come i compositi e sviluppare modelli migliori. Esistono numerose applicazioni pratiche, generalmente eseguite in grandi strutture di ricerca e sviluppo. I produttori aerospaziali stanno esaminando strutture e componenti di aeromobili. I produttori di turbine a gas stanno testando i componenti utilizzati nei motori a reazione degli aerei e nelle unità di generazione di energia. I grandi laboratori nazionali sono tendenzialmente molto interessati ai test biassiali planari. Fornisce un grado di realismo che è significativamente più vicino all'ambiente operativo effettivo di quello che può essere ottenuto con i test monoassiali. Ma nei casi in cui il cedimento strutturale o dei componenti può avere risultati disastrosi, come è certamente il caso del settore aerospaziale e della generazione di energia, il test biassiale planare è molto apprezzato.
D: Quali sono alcune delle principali sfide tecniche dei test biassiali planari?
Lemmer: Gli aspetti più impegnativi del test biassiale planare includono: ottenere un controllo preciso del baricentro; garantire il corretto allineamento del sistema; e realizzare la ripetibilità del test.
D: Cos'è il controllo del baricentro?
Lemmer: Il controllo del baricentro si riferisce alla capacità di mantenere il centro del campione esattamente dove vuole il ricercatore, di solito, ma non sempre, al centro dello spazio di prova. I sistemi biassiali planari MTS possono controllare la posizione del baricentro nel raggio di micron. Nella maggior parte delle applicazioni, il cliente desidera spostare i bordi in fuori o dentro, schiacciando e tirando, in un test ciclico. Ma il centro deve rimanere fermo. Queste prove durano giorni. I nostri sistemi biassiali planari sono ottimizzati per le prove di fatica a basso numero di cicli, che in genere sono diecimila cicli. Una frequenza tipica per questi test è 1 Hz.
D: Perché è importante garantire l'allineamento del sistema?
Lemmer: Se la prova spinge e tira il campione in due direzioni, l'applicazione di tali forze deve avvenire sullo stesso piano. In caso contrario, introduce una forza di flessione involontaria o una sollecitazione di taglio che non può essere adeguatamente controllata e non viene considerata nell'analisi. Ciò compromette i dati perché la sollecitazione involontaria può portare a guasti precoci del campione. Se stai contando i cicli fino al fallimento, quel numero non sarà accurato. La sollecitazione involontaria mette anche il campione a rischio di instabilità. In molti settori, in particolare quello aerospaziale, la sostituzione del campione può essere molto costosa. MTS garantisce il corretto allineamento con un dispositivo di allineamento che fornisce la regolazione dell'allineamento presa-presa per garantire che tutto sia complanare, concentrico e regolato angolarmente. MTS lavora con precisione sugli attuatori e sulle loro posizioni di montaggio per ridurre al minimo le sollecitazioni di flessione, ma anche piccoli disallineamenti possono influenzare la prova; devono essere apportate piccole regolazioni e il dispositivo di allineamento facilita l'esecuzione di tali regolazioni.
D: Il dispositivo di allineamento garantisce la ripetibilità del test?
Lemmer: Dopo aver ottenuto l'allineamento perfetto del telaio, è necessario posizionare il campione effettivo e quindi assicurarsi che l'allineamento sia ancora corretto. Usiamo morsetti idraulici a cuneo standard che si fissano al campione nello stesso modo ogni volta. Applicano la stessa forza a ogni gamba del campione. In altre parole, sono molto ripetibili. E sono progettati per ospitare provini di molte dimensioni diverse. L'altra opzione consiste nell'utilizzare un dispositivo meccanico imbullonato che non è altrettanto flessibile e non fornisce lo stesso tipo di ripetibilità dell'allineamento indotta dalla presa. Con MTS, puoi assicurarti che il campione sia allineato in pochi minuti. Altri sistemi potrebbero richiedere mezza giornata.
D: In che modo queste sfide hanno plasmato l'offerta biassiale planare di MTS?
Lemmer: Per garantire l'integrità dei dati di test, i nostri sistemi sono progettati per il massimo controllo e allineamento. Forniscono una rigidità laterale eccezionale. Gli attuatori includono cuscinetti idrostatici e sono annidati insieme per ridurre al minimo la distanza dall'attuatore allo spazio di prova. Un dispositivo di protezione contro il momento eccessivo aiuta a supportare ciascun attuatore in caso di evento fuori piano. Questi cattureranno il dispositivo di fissaggio nel treno di carico e riporteranno le forze a terra invece di danneggiare le celle di carico o gli attuatori. Perché non importa quanto stai attento, le gambe del campione possono rompersi inaspettatamente. Il nostro design del sistema impedisce che il telaio venga danneggiato. È un design molto robusto con pochissimo attrito negli attuatori, cosa importante anche per la fedeltà della forma d'onda e il software di controllo.
D: Qual è la gamma di offerte MTS per i test biassiali planari?
Lemmer: Abbiamo capacità di forza che vanno da 25 a 500 kN. Disponiamo inoltre di un sistema in grado di fornire 250 kN in una direzione e 500 kN nell'altra. Molti di questi sistemi hanno anche capacità torsionali. Ogni soluzione include gli accessori, il software, la tecnologia di controllo digitale e l'interfaccia utente necessari per soddisfare i requisiti specifici dell'applicazione di prova di ciascun cliente. È una soluzione completa, quindi il cliente gode di un'esperienza completa e può essere certo che tutti i componenti sono progettati per interagire senza problemi. Abbiamo installato quindici di questi sistemi in tutto il mondo dal 1990 e comprendiamo molto profondamente sia le apparecchiature di prova che i test.
D: Quali sono alcuni esempi di miglioramenti che MTS può integrare nei sistemi biassiali planari?
Lemmer: Il design dei sistemi biassiali planari MTS può essere facilmente modificato per soddisfare i requisiti di prova esatti dei clienti. Molti clienti vogliono mantenere i carichi uguali in entrambe le direzioni. Ma alcuni no. Ad esempio, un cliente biassiale planare era più interessato a controllare il rapporto dei carichi e a modificare il rapporto per vedere come influenzava la propagazione e l'orientamento della cricca. Questo è anche noto come output del cerchio di Mohr. Le sollecitazioni principali creano sollecitazioni di taglio ad un angolo. Gli stati di sollecitazione e i tassi di crescita delle crepe possono essere completamente diversi in questi casi, il che ovviamente ha implicazioni nella progettazione. Come accennato, possiamo anche aggiungere la rotazione a una configurazione del sistema di prova biassiale planare, che consente ai ricercatori di studiare una porzione molto più ampia del tensore di sollecitazione. Nel corso degli anni abbiamo integrato una varietà di sistemi di simulazione ambientale in soluzioni planari biassiali per applicare temperature estreme, vuoto e umidità ai provini in prova. Più di recente, abbiamo progettato un sistema compatto da 25 kN a piccola massa che consente ai ricercatori di integrarsi e articolarsi all'interno di una linea di fasci di particelle stazionaria.
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