Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Han demostrado que el comportamiento temprano del daño por fatiga en las estructuras puede predecirse a través del estudio del comportamiento mecánico a microescala del material. Los resultados son un resultado importante para la comunidad de monitoreo de salud estructural SHM y puedenconducir a nuevas técnicas de detección para predecir la vida útil de los componentes críticos.
Los investigadores de ARL Daniel Cole, Ed Habtour, Tomoko Sano, Sean Fudger y Scott Grendahl, se unieron a la Universidad de Maryland para el estudio, que aparecerá en un próximo número de la revista Mecánica experimental . El trabajo fue invitado a aparecer en un número especial de la revista centrado en "Avances recientes en la nanoindentación".
La investigación puede permitir que la comunidad SHM comprenda mejor los precursores de daños en sistemas mecánicos, aeroespaciales y civiles de alto valor. El equipo utiliza una analogía con el médico de atención primaria que realiza un chequeo a un paciente: un médico puededetectar señales de advertencia tempranas de una enfermedad mediante un examen rápido, como análisis de sangre o pruebas de presión arterial. Si la afección se diagnostica a tiempo, es posible que puedan evitar un tratamiento más serio y costoso en el futuro.
El autor principal, Daniel Cole, explicó: "Muchas técnicas actuales de SHM se limitan a detectar daños en etapas muy tardías; en nuestra analogía médico-paciente, el paciente ya estaría en un estado crítico. Por lo tanto, nuestro grupo está interesado en el comportamiento material fundamental antesdañar en el sentido convencional, como una grieta por fatiga a macroescala ".
Dijo que si se comprende mejor el comportamiento del material antes del daño, esto podría conducir a estructuras de vehículos que actúen como sensores, con la capacidad de informar su estado de salud y adaptarse a las condiciones variables.
Los investigadores crearon precursores de daños por fatiga controlados al exponer vigas delgadas en voladizo a cargas vibratorias. La carga vibratoria es una consideración de diseño común en la comunidad de helicópteros, pero los efectos sobre los materiales no se comprenden bien y a menudo resultan en estructuras sobredimensionadas tambiéncomo altos costos de mantenimiento. Los investigadores identificaron variaciones sutiles en el comportamiento dinámico de las vigas a medida que aumentaban los ciclos de fatiga, como los cambios en la frecuencia natural.
Para caracterizar el comportamiento material del daño en la etapa inicial, los investigadores utilizaron una técnica conocida como sangría de detección de profundidad DSI o "nanoindentación", mediante la cual una sonda submicrométrica se fuerza en la muestra mientras se monitorea la carga y el desplazamiento.Las pruebas permitieron al equipo apuntar a pequeños volúmenes de material en ubicaciones específicas de la estructura y determinar variaciones en el comportamiento mecánico de micro / nanoescala en diferentes etapas de la vida de fatiga. Las pruebas DSI revelaron que el material se había vuelto más compatible en áreas particulares de la estructura.estructura expuesta a un estrés relativamente alto. Además, los investigadores encontraron que la respuesta del material a la prueba DSI puede proporcionar una indicación de la vida útil antes de la formación de grietas.
"La estructura tiene energía inherente de la forma en que se procesó. Esta energía se consume a medida que la estructura se carga repetidamente: a través del movimiento de dislocación, formación de banda de deslizamiento, reorientación del grano, etc. Las pruebas DSI proporcionan información sobre el resto útilvida de la estructura "
Los investigadores reconocen que las pruebas DSI no son factibles como método de detección directa en el campo, pero la comprensión fundamental obtenida del estudio podría ayudar a habilitar nuevas técnicas de SHM. En particular, el monitoreo y análisis del comportamiento dinámico de las estructuras podría proporcionar unamedios directos para detectar daños en la etapa inicial.
El coautor Ed Habtour explicó: "Si entendemos el vínculo entre la evolución microestructural y el efecto sobre la dinámica estructural, podemos dejar que la estructura informe su estado de salud. En algunos casos, los sensores para realizar estas mediciones están a bordo de los vehículos actuales del Ejército;es posible que solo necesitemos analizar los datos de una manera diferente "
El equipo utilizó un modelo analítico para relacionar la variación en las propiedades mecánicas locales con la dinámica cambiante de la estructura, que coincidió bastante bien con las pruebas de dinámica experimental.
"Estos resultados nos alientan porque brindan un marco para vincular la ciencia de los materiales y las comunidades de dinámica estructural, que generalmente no son campos bien conectados", dijo Cole.
El equipo dijo que esperan que el enfoque multidisciplinario pueda atraer a más investigadores en la comunidad de SHM para estudiar el daño temprano por fatiga y, en última instancia, reducir los altos costos del Departamento de Defensa para mantener sistemas mecánicos y aeroespaciales de alto valor.
En el futuro, dijeron que tienen la intención de aprovechar la investigación para ayudar a permitir una maniobra adaptativa a los daños, libre de mantenimiento, auto-receptiva para vehículos aéreos y terrestres del futuro.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio de investigación del ejército de EE. UU. . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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