Ensaio estrutural bem sucedido para componentes de alta resistência

Por muitos anos, os strain gages (SG) têm provado seu valor na análise experimental de tensões (ESA), principalmente na análise de fadiga ao longo do ciclo de vida útil de componentes críticos. Os efeitos de cargas reais ou simuladas em componentes ou estruturas podem ser avaliados usando cadeias baseadas em SG com excelentes resultados.

Novos materiais de alta resistência, como compostos de fibras, desafiam os equipamentos de medição baseados em SG, especialmente quando os componentes são levados até seus limites de desempenho mecânico. Em algumas situações, pode ocorrer de um SG submetido a ciclos de alta carga dinâmica, falhar antes do componente que está sob avaliação.

Resistência à cargas alternadas

A resistência à fadiga de um componente mecânico é descrito por sua resistência a cargas alternadas. Isso pode ser descrito e representado pela curva S-N em função do material específico. Em um ensaio S-N, uma amostra do material é carregada em forma cíclica, geralmente senoidal, com uma amplitude constante. O teste é executado até que o material apresente falhas (por exemplo, quebre). Se este ensaio for repetido com diferentes amplitudes e o número de ciclos é observado até a falha, estes pontos poderão ser representados em um gráfico reproduzindo a curva S-N. O número de ciclos até a falha do material é introduzido de forma logarítmica no eixo X e a amplitude associada é inserida como tensão mecânica ou deformação, no eixo Y.

O diagrama a seguir mostra as curvas S-N para diferentes materiais. A alta resistência à cargas alternadas de componentes de fibra é de fácil visualização.

A curva S-N de um strain gage

Os próprios strain gages estão sujeitos à fadiga e, por isso, também possuem uma curva S-N. Isso é causado pelos materiais (especialmente o material da grade), o layout e a própria instalação. Os SGs com grades de medição baseados em ligas especiais de níquel-cromo apresentam melhor resistência à cargas alternadas que SGs comuns com grades de medição tipo Constantan.

Geometrias curvas são melhores do que geometrias angulares no projeto de um strain gage para aumento da resistência à cargas alternadas. Terminais de soldagem com alívio de deformação previnem tensão mecânica do cabo de conexão e que, possivelmente, possa causar uma ruptura entre o terminal de soldagem e a grade de medição. Os projetistas de strain gage têm se baseado em suas experiências adquiridas em ensaios complexos de durabilidade para criar bases mais adequadas.

Por outro lado, a própria instalação fica por conta do usuário. É extremamente importante, neste momento, aplicar apenas uma fina camada de cola e utilizar o mínimo possível de solda. Isso mantém as juntas da solda tão flexíveis quanto possível. O ensaio para determinar a curva S-N de um strain gage, entretanto, é interrompido até que o strain gage falhe completamente, porque é definido um determinado critério de interrupção. Um desvio de zero de mais de 100 µm/m é, usualmente, o critério de interrupção aplicado. Um valor típico para o número de ciclos de um SG padrão com grade de medição tipo Constantan é 10⁷ cargas alternadas a ±1400 µm/m. Isso é mais do que o suficiente para materiais metálicos, mas não para compostos de fibra de alta resistência, conforme gráfico 1.

Aumentando a resistência do strain gage à cargas alternadas

Os strain gages da série M cumprem com os critérios estabelecidos. A grade de medição da série M consiste de uma liga especial de níquel-cromo e seu projeto foi feito para excelente resistência à cargas alternadas. Os terminais de soldagem com alívio de tensão são resultado de inúmeros ensaios com melhorias sistemáticas. Materiais de alta resistência podem ser testados desta maneira. O gráfico abaixo mostra uma comparação entre a nova série M e um strain gage¹universal (por exemplo, a série Y da HBM).

Extrema resistência à cargas alternadas com tecnologia de medição ótica

Se a resistência à cargas alternadas for aumentada ainda mais e a curva S-N mover-se para cima, os strain gages de metal não podem mais ser usados. A melhor alternativa é a tecnologia de medição ótica, baseada na tecnologia de rede de Bragg (FBG).

Esta tecnologia baseia-se em inserir uma rede de Bragg em uma fibra ótica. A grade reflete um comprimento de onda específico no espectro ótico. Entre outras coisas, este comprimento de onda é dependente da deformação. Isso torna possível a produção de strain gages óticos.

A fibra ótica possui propriedades mecânicas isotrópicas e não apresenta fadiga, como aquela presente em materiais metálicos. As fibras óticas podem ser dinamicamente carregadas até uma força máxima de, aproximadamente, 30.000 µm/m. Em ensaios de fadiga ao longo do ciclo de vida, testes de ±5,000 µm/m já foram alcançados com até 10⁷ ciclos de carga sem apresentar falhas².

Fibras óticas também podem ser incorporadas ao material em teste e em aplicações extremas de altas cargas (cargas dinâmicas). Também podem ser usadas onde não se consegue usar strain gages elétricos como, por exemplo, em campos eletromagnéticos muito altos (transformadores, switchers de alta voltagem, etc). Em análises de fadiga ao longo do ciclo de vida, materiais modernos como compostos de fibra exigem altos padrões da tecnologia de medição em relação à resistência a cargas alternadas. Com a Série M, a HBM foi capaz de aumentar a resistência do strain gage para cargas alternadas, de forma que possam ser usados na maioria das medições. A tecnologia de medição ótica também uma ferramenta adequada para cargas alternadas extremas.

¹Grade de medição tipo Constantan em um suporte de poliamido

²Medido com o strain gage ótico K-OL da HBM

Sobre o autor

Jens Boersch atua a mais de 14 anos como gerente de produtos na HBM. Trabalhou com, praticamente, todos os equipamentos, incluindo strain gages, sistemas de amplificação e software de aquisição de dados, no mundo de testes e medições da HBM. Ele está locado em Darmstadt, Alemanha, na matriz da HBM.