Sono necessarie prove del mondo reale per integrare l'analisi con gli elementi finiti

La maggior parte degli ingegneri elettronici non da molto peso alle misurazioni di deformazione — usualmente essi hanno più interesse all'affidabilità elettrica che all'integrità strutturale. Ma per gli ingegneri che sviluppano prodotti quali i componenti aeronautici o per le apparecchiature di gestione dei semiconduttori, la deformazione è una misura cruciale. Se una struttura mal progettata non sta insieme, non ha molta importanza quanto funzioni bene la sua elettronica.

L'incremento del numero dei compositi e la crescente sofisticazione dei componenti meccanici e strutturali, estende la necessità di più accurate misurazioni delle deformazioni. Mentre le tradizionali equazioni deformazione-sollecitazione funzionano bene con cilindri, travi ed altre strutture fatte con materiale omogeneo, con le altre di materiale non omogeneo esse falliscono nel caso di forme irregolari o di compositi.

Inoltre, cercando i costruttori il modo di ridurre le dimensioni ed il peso dei loro prodotti, le parti vengono sollecitate sempre più vicino ai loro limiti di resistenza. Ciò riduce il margine di errore al di sotto di quello ottenibile con i calcoli o con modelli al calcolatore, e cresce la necessità di misurazioni fisiche molto precise

L'aumento della richiesta di risoluzione di frazioni di µm/m (milionesimi di metro per metro) nella progettazione e prototipizzazione di autoveicoli, strumenti medicali, apparecchiature di gestione di semiconduttori ed attrezzature sportive. Le cellule aeronautiche od i telai degli autocarri la cui deformazione veniva precedentemente provata su 50 punti di misura e con risoluzione da 10 a 100 µm/m, vengono ora monitorate su 150 punti e con risoluzione del singolo µm/m od anche meno.

Consideriamo due esempi in cui siamo stati coinvolti noi della HBM. Nel primo, in una fornace per cristalli semiconduttori si usa una cella di carico ad estensimetri per misurare la variazione di peso del cristallo durante la sua crescita. Si richiede la risoluzione di misura di 1,06 µm/m. Nel secondo, si deve misurare la deformazione del cerchione del carrello di atterraggio di un aeromobile con la stessa risoluzione, per verificare la nuova struttura alleggerita. Variando lo spessore delle pareti per ottimizzare il rapporto resistenza-peso accoppiato con una geometria molto irregolare, la forma del cerchione sfidava qualsiasi tipo di modello o di calcolo per quantificare la sollecitazione dei punti critici. Effettuando misurazioni di deformazione di alta precisione, il progettista fu in grado di risparmiare molti chili extra del componente. 

Progettazione della configurazione di prova

Come si può essere sicuri di ottenere buoni risultati con la misurazione di alta precisione delle deformazioni? Innanzi tutto, decidere cosa si vuole apprendere dalla prova. Ciò sembra una cosa ovvia, ma spesso non lo è.

Ad esempio, un progettista di impianti ceramici dell'anca ci ha recentemente chiamato per ordinare degli estensimetri ed un amplificatore per misurare le deformazioni di un prototipo di giunzione. Ho domandato quale fosse la direzione della deformazione di maggior interesse, ed egli semplicemente non lo sapeva. Alla fine abbiamo optato per una rosetta che misura le deformazioni nelle tre direzioni contemporaneamente.

Una volta deciso cosa si vuole apprendere, è necessario seguire tre passi fondamentali per configurare il proprio sistema di misura delle deformazioni:

  • selezionare il giusto estensimetro,
  • selezionare il giusto amplificatore, ed
  • installare il tutto correttamente.

Se, come nel caso del giunto dell'anca, si ha un progetto complesso, siate sicuri di richiedere aiuto per tempo. Risparmierete molto tempo, denaro e false partenze.

Selezione degli estensimetri

Per la misurazione di micro-deformazioni singole, l'unica scelta effettiva è un estensimetro a resistenza fotoinciso (a foglio). Sebbene gli estensimetri a semiconduttore operino bene in condizioni di stabilità, essi sono soggetti ad errori di misura provocati da molte sorgenti, specialmente dalle variazioni di temperatura e perfino dalla variazione fra la luce e l'oscurità.

Gli estensimetri a foglio operano col principio che una variazione di lunghezza cambia proporzionalmente la loro resistenza. In un ponte di Wheatstone alimentato, il cambiamento di resistenza genera un segnale di alta precisione, molto stabile e proporzionale. Il materiale della resistenza è solitamente Costantana, ma può essere anche CrNi. Gli estensimetri sono disponibili con una grande varietà di resistenze, lunghezze e geometrie.

Le seguenti otto linee guida coprono i problemi più frequenti che insorgono in questo campo:

  • Per i compositi ed altri materiali non omogenei, scegliere l'estensimetro più lungo possibile. La maggiore lunghezza incrementa la probabilità di catturare l'effettiva deformazione media del materiale nel suo complesso.
  • Per applicazioni in ambienti molto umidi, preferire la più bassa resistenza possibile. La bassa resistenza riduce le derive causate dalla diminuzione dell'isolamento dovute all'umidità.
  • Per misurazioni di deformazione su aree irregolari e con sollecitazioni concentrate, usare estensimetri più piccoli possibile. Nei punti peggiori si otterranno misurazioni più reali.
  • Per applicazioni a temperatura ambiente, gli estensimetri di Costantana operano ottimamente. Per temperature superiori ai 200°C, scegliere estensimetri di CrNi. Ed assicurarsi di considerare la temperatura della superficie su cui è applicato l'estensimetro, non quella dell'ambiente. Perfino in una giornata a 22 °C, il materiale si scalda sotto i raggi del sole.
  • Usare estensimetri di CrNi per cicli di prove di deformazione alternata a lungo termine. Il CrNi possiede maggior resistenza alla fatica della Costantana.
  • Usare estensimetri incapsulati. Il rivestimento li protegge dai danni di manipolazione.
  • Usare estensimetri con fili terminali integrati. Ciò fa risparmiare molto tempo per la saldatura e l'installazione, e riduce i rischi di danneggiarli durante l'installazione.
  • Se si conosce la direzione della deformazione principale, usare estensimetri monoassiali. Se non si è sicuri, usare rosette o estensimetri a due griglie laterali. Effettuare le misurazioni assiali, biassiali e di taglio nello stesso punto.

Guardare le specifiche dell'amplificatore

Importante come la scelta dell'estensimetro giusto, per ottenere la massima precisione la scelta dell'amplificatore è perfino più critica. La misurazione della deformazione non può essere più accurata dell'amplificatore che elabora il segnale degli estensimetri (perfino il miglior amplificatore non può compensare gli errori di selezione e d'installazione dell'estensimetro).

Confrontando attentamente le specifiche degli amplificatori, si possono notare grandi differenze — differenze che possono influenzare sostanzialmente le prestazioni. Ecco alcuni consigli per individuare il miglior amplificatore per la propria applicazione:

  • Le caratteristiche principali sono la frequenza del bus e la risoluzione. Una frequenza del bus alta permette di acquisire meglio gli eventi transitori. La risoluzione determina la precisione con cui un sistema di acquisizione dati cattura i segnali analogici degli estensimetri. É la risoluzione dell'amplificatore la caratteristica che influenza maggiormente la precisione delle misure estensimetriche.
  • Per la massima accuratezza di misura, cercare la risoluzione a 24 bit e l'elevata frequenza del bus. Ad esempio, un amplificatore con banda passante di 19,2 kHz può descrivere completamente un transitorio da 1 ms di una cellula aeronautica mentre un amplificatore più lento la perderebbe del tutto. E la maggior parte dei transitori nelle strutture dei trasporti avviene molto in fretta.
  • Per la versatilità, cercare un sistema di amplificatori che operi sia a frequenza portante che in continua. Se possibile, effettuare le prove di deformazione nel modo a frequenza portante. Tale modo elimina spontaneamente molte sorgenti di errore, quali i rumori elettrici e termici, le cadute sulle lunghe linee di collegamento e crea segnali più puliti per il salvataggio e l'analisi dei dati.
  • Assicurarsi che l'amplificatore possa gestire collegamenti a due, tre e quattro fili (Figura 1). Con gli estensimetri, questi tipi di circuito possono migliorare l'accuratezza nel caso in cui non si possano evitare lunghi collegamenti fra l'estensimetro e l'amplificatore. (Vedere ulteriori dettagli nel sottostante capitolo "Installazione del sistema".)
  • Confrontare la robustezza. A tale riguardo, gli amplificatori sono molto diversi fra di loro. Se possibile, prendere l'amplificatore ed osservare la sua solidità. Verificare la struttura del telaio. Inserire ed estrarre le schede dai loro alloggiamenti. Si desidera un amplificatore che resista fisicamente per molti anni agli ambienti di prova.
  • Per semplificare le impostazioni, cercare un amplificatore con indicazione e controlli incorporati. In questa fase si potranno verificare le impostazioni direttamente sull'amplificatore senza essere costretti ad usare il PC.

Installazione del sistema

Sebbene ragionevolmente robusti, gli estensimetri devono essere maneggiati con cura. In particolare, mantenerli piatti e non appoggiarvi sopra alcunché. Durante l'installazione tenere a mente i seguenti quattro punti:

  • Considerare che lunghi cavi di collegamento analogico fra gli estensimetri e l'amplificatore sono suscettibili di rumore elettrico e perdite nella linea, e ciò introduce errori. Usare cavi il più corti possibile. Considerare il collegamento a tre e quattro fili ed anche l'uso di convertitori analogico/digitali intermedi.
  • La preparazione della superficie è essenziale per ottenere misure di deformazione significative (Figura 2). Assicurarsi che la superficie sia assolutamente pulita e piana (si raccomanda una finitura di 400 micrometri), in modo che l'estensimetro aderisca perfettamente al materiale di interesse. In caso contrario, si potrebbe misurare cosa non si pensa di fare. Qualsiasi segno di utensile o simili irregolarità possono introdurre degli errori o deformare l'estensimetro fino a distruggerlo. Si raccomanda di mettere a nudo il materiale in misura e poi di irruvidirlo mediante tela smeriglio o sabbiatura.
  • I collanti polimerizzanti a temperatura ambiente sono adeguati per prove a breve termine a temperature normali. Tuttavia, se si pianificano prove lunghe alcuni mesi o sussista la possibilità di riscaldamento della zona in cui sono installati gli estensimetri, usare collanti polimerizzanti a caldo.
  • Durante il collegamento dei fili, stare attenti a non surriscaldare o danneggiare gli estensimetri. Infine, esaminare le giunzioni per verificare che siano correttamente saldate; le saldature mal effettuate possono introdurre errori dovuti alla loro resistenza.

Rilevamento della rugiada

Anche con l'apparecchiatura appropriata ben installata, si deve sorvegliare qualsiasi fattore che potrebbe influenzare le proprie misurazioni. Recentemente abbiamo aiutato un nostro cliente a preparare un'ala di aeroplano per effettuare delle prove di carico e deformazione all'aperto, da effettuare il giorno successivo.

Tutti gli estensimetri erano a posto, opportunamente cablati per ridurre la lunghezza dei collegamenti analogici, e tutti connessi ad un amplificatore di misura di precisione. La mattina dopo, il sistema mostrava una variazione della deformazione sebbene non fosse stato applicato alcun carico. Si è alla fine scoperto che erano state misurate le deformazioni dell'ala causate dal peso della rugiada che si era accumulata durante la nottata.

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